劉寧， 杜貴明， 熊艷華， 王姍珊， 張蕾， 周亮， 周凌宇

(1.長春職業(yè)技術學院 機電學院， 吉林 長春 130011；2.武漢華中數(shù)控股份有限公司， 湖北 武漢 430050;3.長春汽車工業(yè)高等?？茖W校 汽車工程學院， 吉林 長春 130013；4.長春理工大學 機電學院， 吉林 長春 130023)

目前智能制造生產(chǎn)過程中，智能裝配是智能化生產(chǎn)有發(fā)展空間的領域，其中精確定位技術一直是科研人員重點攻關研究對象。精確定位是裝配的技術保證，也是后續(xù)生產(chǎn)工序的技術基礎，現(xiàn)有的定位方法大多采用人工定位，然而人工的工作強度無法滿足多物料同時輸送定位。因此產(chǎn)品的設計應采用視覺檢測、機器人和精確定位裝置配合，完成多物料輸送、精確定位和后端精確裝配等。

模塊化設計在機械產(chǎn)品設計中已成為一種比較成熟的設計方法，從產(chǎn)品的功能屬性出發(fā)，結(jié)合產(chǎn)品運行的外部環(huán)境，以標準化和通用化為設計元素，完成的機械產(chǎn)品具備獨立性、互換性和通用性的多模式專業(yè)化設計[1]。模塊化設計以市場的多樣化需求為設計思路，設計過程中以產(chǎn)品系列化、多功能性為基礎，對其中的功能模塊進行升級和拓展以滿足多樣化的產(chǎn)品需求[2-3]。目前國內(nèi)不少學者對智能裝配進行研究：麥子鈿等[4]為了提高柔性裝配和生產(chǎn)效率，設計出基于三維視覺伺服的智能裝配系統(tǒng)設計；高斌等[5]為了給企業(yè)降本增效，實現(xiàn)企業(yè)利潤最大化，設計了一款基于視覺多自由度智能裝配系統(tǒng)；雷濤等[6]針對企業(yè)產(chǎn)能結(jié)構調(diào)整優(yōu)化，提出了基于機器視覺的JBZ-23-07型轉(zhuǎn)子式機油泵智能裝配系統(tǒng)。

設計人員在滿足設計要求的前提下需要拓展多樣化設計模式，同時考慮產(chǎn)品生產(chǎn)和服務，在設計階段就能增加產(chǎn)品的競爭力。多樣化模塊化設計替代傳統(tǒng)非標準設計是一種必然的趨勢，在原有的設計基礎上加入這種能滿足產(chǎn)品系列化和多樣化分類和管理的模塊，又能提升整個產(chǎn)品完整流程實施及管控的模塊化設計，是行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果。

本文以工藝品擺件在工業(yè)應用中生產(chǎn)階段的后段處理為研究對象，以不同工件的視覺檢測、不同結(jié)構工件相對于不同方位的精確定位、個性化設計的激光打標和智能裝配等模塊設計為基礎，分析各模塊的性能、結(jié)構和功能。在結(jié)構設計上以各模塊的獨立性和組合性為原則，并在功能的組合上以整體功能為導向，重點從各模塊的設計思路和模塊劃分方式作一定的詮釋，對模塊化設計進行細節(jié)上的分解和分析[7-8]。

1 智能裝配模塊化分析

對于生產(chǎn)線的后端處理階段，物料的排列、分解、包裝等任務需進行不同途徑的分配，裝配模塊是其中的核心部分，這是物料的完整性和后段處理的基礎。本裝配功能單元主要結(jié)合機械設計中的功能模塊化來進行，以裝配機器人(SCARA)機械手自動裝配為例，主要以各個功能單元對應運動模塊集成為單元，根據(jù)產(chǎn)品的裝配功能劃分出各個子功能，構建功能單元，實現(xiàn)本單元的整體功能，如圖1所示。

圖1 裝配功能單元

初始物料為4種工件，經(jīng)過前段加工、檢測、清洗等流程后進入裝配流程，然后根據(jù)各個工件的不同特性和裝配位置設計裝配流程。工件A、B、C均為盤形零件，尺寸差距不大，因此在機器人夾具的選取上選用吸盤進行吸取，如圖2所示。在裝配過程中基于機器視覺檢測持續(xù)對尺寸進行監(jiān)測，以區(qū)分不同尺寸的工件。然后根據(jù)工序要求，對3類工件進行不同形狀的裝飾，在此過程中需選用激光打標機完成裝飾的打標。每一個工序的轉(zhuǎn)運過程都由機器人夾具、各類氣缸組成的輸送裝置和定位臺來完成?；鵇根據(jù)工件A、B、C基準進行裝配，此工件僅需檢測和裝配，機器人夾具選取夾爪進行抓取，運用視覺檢測對本物料進行監(jiān)測，在裝配過程中以基座D為基礎，需要設計定位裝置。

圖2 裝配子功能

根據(jù)上述分析，本產(chǎn)品加工智能裝配單元中的視覺檢測、激光打標、定位、夾具等為核心要素，根據(jù)機械設計原則，對裝配結(jié)構分解并結(jié)合產(chǎn)品模塊化設計，協(xié)同化設計對單元進行功能模塊劃分。

2 智能化模塊組成

智能裝配模塊主要由工業(yè)機器人和夾具單元、夾具快換工作單元、智能檢測裝配單元組成。本智能裝配單元是一種結(jié)構精巧的精確定位裝置，智能化快速完成產(chǎn)品定位裝配，可以在一定程度上減輕現(xiàn)場人員的勞動強度并減少操作人員，提高檢測和裝配精度，提高工作效率，實現(xiàn)物料精確定位并裝配，補充智能制造行業(yè)中多物料輸送精確裝配的空白區(qū)域[9]。所設計的精確定位智能裝配系統(tǒng)配有視覺檢測臺，可以對工件信息進行確認以識別工件類型等，方便機器人將工件放置到對應的工件定位臺或者裝配臺上。工件定位臺對工件進行精確定位，方便SCARA機器人按預定的程序準確抓取工件并按指定方位放置到裝配臺上實現(xiàn)成品件的精確裝配[10]。此外，本設備配有工件夾具和裝配件夾具，工業(yè)機器人不僅能實現(xiàn)工件的轉(zhuǎn)移，還能實現(xiàn)將裝配好的成品件放入下一工序，完成物料的循環(huán)運行[11]。

2.1 工業(yè)機器人和夾具單元

本單元結(jié)構主要由SCARA機器人、機器人夾具和機器人底座等部分組成[12]。機器人底座以鋼膨脹螺栓固定在地面上，其上安裝工業(yè)機器人。機器人夾具由法蘭和快換公頭連接而成，機器人法蘭以螺栓固定在工業(yè)機器人的六軸上。本模塊主要完成整個流程的物料轉(zhuǎn)運。

2.2 夾具快換工作單元

夾具快換工作單元由快換工作臺、兩套夾具和其對應的定位臺組成，如圖3所示?？鞊Q工作臺由型材搭建而成，夾具1定位臺通過螺栓固定在快換工作臺，夾具1通過結(jié)構上的凹槽卡在夾具1定位臺，夾具2定位臺通過螺栓固定在快換工作臺，夾具2通過結(jié)構上的凹槽卡在夾具1定位臺。

1.快換工作臺; 2.夾具1定位臺; 3.夾具1;4.夾具2定位臺; 5.夾具2圖3 夾具快換工作單元

在功能分配上，本模塊主要根據(jù)前方工件選用適應的機器人夾具來完成工件的夾取和輸入下一工位過程[13]。工業(yè)機器人夾具根據(jù)工件和夾具1或者夾具2的配套使用完成工件的夾取，夾具1主要完成裝配件的夾具，夾具2的吸盤部分主要完成圓形工件(工件A、B、C)的吸取，夾爪部分完成基座的夾取。

2.3 智能檢測裝配單元

智能檢測裝配單元包含智能工作臺、激光打標機支架、刻標機顯示器、激光打標機、工件A定位臺、工件B定位臺、工件C定位臺、SCARA機器人及夾具、智能裝配臺、視覺檢測臺、控制中心顯示器、警示燈、SCARA機器人底座、打標定位臺和輸送氣缸等，如圖4所示。智能工作臺框架也由鋁型材搭建而成，其他設備安裝于智能裝配臺上；激光打標機安裝于激光打標機支架上，激光打標機通過螺栓固定在智能工作臺，激光打標機用于個性化設計和控制功能，配置一套顯示器，該顯示器底部用螺栓固定于智能工作臺[14]。

本工作臺工件輸送至打標位置配置有一套輸送氣缸(無桿氣缸)傳動裝置，起點和終點均配置傳感器。根據(jù)工作流程，當傳感器檢測到工件進入輸送氣缸時，輸送氣缸開始運行，打標定位臺隨之運行至激光打標機下方，傳感器檢測到位后氣缸停止運行，激光打標機開始打標工作，完成后工件在輸送氣缸運行下返回原位，這樣往返運行就完成了工件的激光打標。

1.智能工作臺； 2.激光打標機支架；3.刻標機顯示器；4.激光打標機；5.工件A定位臺；6.工件B定位臺；7.工件C定位臺；8.SCARA機器人及夾具；9.智能裝配臺；10.視覺檢測臺；11.控制中心顯示器；12.警示燈；13.SCARA機器人底座；14.打標定位臺；15.輸送氣缸圖4 智能檢測裝配單元

圖5 工件定位臺結(jié)構

SCARA機器人作為本單元的核心物料運轉(zhuǎn)設備，配置SCARA機器人底座和SCARA機器人夾具。SCARA機器人夾具以吸盤作為吸附工件的元件，根據(jù)工件吸附面的尺寸配置的一組夾具包含6個吸盤。當傳感器檢測工件到位后，真空系統(tǒng)開始運行，吸盤組吸取工件放入下一工位[15]。根據(jù)3個不同的盤型工件還另外配置有3套工件定位臺，分別用氣缸傳動控制其運行。每組傳動配置傳感器檢測工件到位信息，當傳感器檢測到工件到位后，對應的推桿氣缸和定位塊協(xié)同運行完成工件的定位。工件定位臺結(jié)構如圖5所示。

智能裝配臺根據(jù)工件的結(jié)構形式和裝配要求配置一組旋轉(zhuǎn)氣缸，與SCARA機器人和工業(yè)機器人配合完成工件的定位和裝配。在成品定位盤上配置有檢測傳感器，當傳感器檢測工件到位后，旋轉(zhuǎn)氣缸根據(jù)對應工件的位置運轉(zhuǎn)至與機器人配合的對應位置，完成定位和裝配工作。基于視覺檢測部分完成不同工件的識別和信息確認，為后續(xù)的各個工序做基礎的選擇，以便控制部分完成下一步的機器人動作。根據(jù)視覺檢測結(jié)果，如果是底座，工業(yè)機器人將工件放置于裝配臺上進入待裝配狀態(tài)，如果是其他3類工件，則根據(jù)工件類型放置到對應的工件定位臺上進行精確定位。SCARA機器人根據(jù)工件類型吸取工件至激光打標模塊中完成激光打標返回，SCARA機器人再次吸取工件至工件定位臺上進行二次精確定位，然后將工件吸取至裝配臺對應位置實現(xiàn)本工件的精確裝配，直至完成所有工件的裝配，完成成品件。

3 模塊化設計分析

3.1 模塊化設計基礎

4種不同的工件按照要求與其對應不同的位置配對，完成工藝品的最終設計，具備裝夾、定位、信號反饋等功能，能夠裝夾定位軸類、軸環(huán)以及裝配后的成品。在零件進入裝配臺或成品出臺都會發(fā)出對應信號，確保整個裝配過程的有序可靠。

(1)針對4種工件的夾取和輸送，同時結(jié)合工件的形狀、重量，選用負載12 kg的機器人用于成品的定位、裝配和工件在本產(chǎn)品與其他物流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運，最終選用SCARA機器人對4種物料進行本產(chǎn)品內(nèi)的運轉(zhuǎn)和打標定位。

(2)針對4種工件的不同形狀和要求，選用CCD相機用于對工件拍照獲取工件角度，告知機器人進行定位操作。

(3)結(jié)合4種工件的不同尺寸和形狀，為了實現(xiàn)在運行過程中的流暢性，優(yōu)化控制系統(tǒng)的流程并節(jié)省成本，選用機器人配置快換夾具來完成夾取，根據(jù)當前流程不同的需求自動配置適應的夾具夾取工件。

(4)對于工藝品的個性化設計需要對其中兩個工件進行l(wèi)ogo刻標，配置氣動系統(tǒng)進行待刻標工件的定位，機器人進行抓取定位。

3.2 模塊化設計具體實施方案

本文設計的精確定位智能裝配系統(tǒng)配置視覺檢測臺對工件信息進行確認以識別工件類型等，并根據(jù)工件信息機器人將工件放置到對應的工件定位臺或裝配臺上，配置工件定位臺對工件進行精確定位，方便SCARA機器人按預定的程序準確抓取工件并按指定方位放置到裝配臺上實現(xiàn)成品件的精確裝配。配置工件夾具和裝配件夾具時，工業(yè)機器人不僅能實現(xiàn)工件的轉(zhuǎn)移，還能實現(xiàn)將裝配好的成品件放入下一工序，完成物料的循環(huán)運行。

針對上述各項功能和選型特點，采用模塊化設計方式。在設計過程中，共完成3個獨立模塊的設計，同時每個獨立模塊中又有細分的小模塊。

(1)工業(yè)機器人和夾具單元

針對SCARA夾具單元設計主要以完成不同工件的夾取做為設計基礎，機器人上配置快換夾具可作為相對獨立的小模塊完成功能。機器人夾具可與不同的快換夾具進行配合，完成更多工件的自適應抓取。

(2)夾具快換工作單元

根據(jù)本產(chǎn)品工件的特性，設計的夾具快換以適應不同結(jié)構的工件的抓取，針對同一結(jié)構的特性設計一款夾具，滿足當前產(chǎn)品需求，每款夾具均可完成自身夾取的功能，也能單獨進行裝配和調(diào)試。同時也可以進行拓展，根據(jù)產(chǎn)品的多樣性設計不同結(jié)構的夾具，滿足產(chǎn)品多樣性需求。

(3)智能檢測裝配單元

本模塊設計是產(chǎn)品功能中最核心的模塊，根據(jù)工作流程設計了3種小模塊：主要由物料轉(zhuǎn)運模塊、工件定位模塊、檢測模塊和裝配模塊組成，各個模塊可以獨立完成功能，同時組合完成整體功能。

4 模塊化設計結(jié)果

本智能裝配單元經(jīng)過模塊化組成和設計，三維模型如圖6所示，最終完成一件工藝品的裝配，如圖7所示。

圖6 工藝品裝配三維模型

底座為整個裝配件的支撐基座，其上分布3個工件，每個工件可以根據(jù)不同的需求定制不同的設計圖案，完成個性化產(chǎn)品的定制生產(chǎn)，工藝品模塊化現(xiàn)場加工過程如圖8所示。

本文主要以模塊化設計為主線，所設計的智能裝配實訓平臺完成了對工藝品擺件的加工，該平臺不僅實現(xiàn)了最佳的效益，也達到了較高的加工質(zhì)量，解決了產(chǎn)品批量化定制生產(chǎn)的難題。

圖7 模塊化裝配加工產(chǎn)品

圖8 工藝品模塊化現(xiàn)場加工過程