基于視覺的發(fā)動機(jī)飛輪機(jī)器人擰緊系統(tǒng)

陳 凱，黃丙慶

（山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司，濟(jì)南 250022）

基于視覺的發(fā)動機(jī)飛輪機(jī)器人擰緊系統(tǒng)

陳 凱，黃丙慶

（山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司，濟(jì)南 250022）

針對柔性制造的發(fā)展為飛輪螺栓擰緊帶來的新問題，為了更好地保證發(fā)動機(jī)飛輪緊固質(zhì)量，設(shè)計(jì)提出一種基于視覺的發(fā)動機(jī)飛輪機(jī)器人擰緊系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工業(yè)相機(jī)檢測計(jì)算飛輪螺栓的位置，通過機(jī)器人帶動擰緊軸實(shí)現(xiàn)全自動無人作業(yè)。伺服電機(jī)帶動兩根擰緊軸自動變換中心距，通過自動套筒工裝實(shí)現(xiàn)套筒自動切換，該設(shè)計(jì)滿足了不同型號飛輪的混線生產(chǎn)要求，提升了生產(chǎn)效率，提高了裝配質(zhì)量。

擰緊機(jī)；飛輪；工業(yè)相機(jī)；機(jī)器人

0 引言

發(fā)動機(jī)后端帶齒圈的金屬圓盤稱為飛輪（Flywheel），飛輪是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵安全件，其功能是調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速變化，起穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的作用。在目前的發(fā)動機(jī)飛輪生產(chǎn)中，已普遍采用定扭矩螺栓擰緊機(jī)，然而其自動化程度較低，同時(shí)由于市場需求的多樣性，汽車業(yè)由傳統(tǒng)的單品種、大批量生產(chǎn)方式向多品種、中小批量及“變種變量”的生產(chǎn)方式過渡，柔性制造的發(fā)展使得在發(fā)動機(jī)飛輪螺栓擰緊工位不同機(jī)型的中心距、扭矩等工藝參數(shù)完全不同，但是目前市場上飛輪螺栓擰緊機(jī)無法滿足汽車柔性制造流水線的生產(chǎn)要求。

針對柔性制造的發(fā)展為飛輪螺栓擰緊帶來的新問題，為了更好地保證發(fā)動機(jī)飛輪緊固質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)提出一種基于視覺的發(fā)動機(jī)飛輪機(jī)器人擰緊系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工業(yè)相機(jī)檢測計(jì)算飛輪螺栓的位置，通過機(jī)器人帶動擰緊軸實(shí)現(xiàn)全自動無人作業(yè)。伺服電機(jī)帶動兩根擰緊軸自動變換中心距，通過自動套筒工裝實(shí)現(xiàn)套筒自動切換，該設(shè)計(jì)滿足了不同型號飛輪的混線生產(chǎn)要求，提升了生產(chǎn)效率，提高了裝配質(zhì)量，本設(shè)計(jì)通過與玉柴動力合作實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的生產(chǎn)應(yīng)用。

1 發(fā)動機(jī)飛輪擰緊工藝

6A/6B/6J機(jī)型柴油發(fā)動機(jī)飛輪螺栓最大力矩要求輸出230N.m，分為8螺栓飛輪、7螺栓飛輪兩種產(chǎn)品系列，采用2軸擰緊機(jī)分四次對角擰緊。飛輪分布如圖1所示，扭矩與螺栓分布如表1所示。

圖1 8顆螺栓的飛輪實(shí)物圖

表1 飛輪擰緊工藝表

2 機(jī)器人擰緊系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)及工作原理

本文提出的機(jī)器人擰緊系統(tǒng)主要由機(jī)器人系統(tǒng)、承載框架、2軸擰緊系統(tǒng)、伺服變徑機(jī)構(gòu)、套筒快換機(jī)構(gòu)、相機(jī)光源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成。圖2為本文所介紹的機(jī)器人擰緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中機(jī)器人系統(tǒng)帶動整個(gè)機(jī)構(gòu)移動定位，擰緊軸、變徑系統(tǒng)、相機(jī)等固定在承載框架上，變徑系統(tǒng)通過伺服電機(jī)與絲杠傳動帶動兩根擰緊軸移動，實(shí)現(xiàn)擰緊軸中心距變換，當(dāng)需要進(jìn)行套筒更換時(shí)，機(jī)器人帶動整個(gè)機(jī)構(gòu)移動到套筒變換工裝位置上方進(jìn)行套筒自動更換。

圖2 框架式擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程如下：流水線發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至擰緊工位，首先由舉升定位裝置頂升并定位，機(jī)器人系統(tǒng)利用工業(yè)相機(jī)檢測系統(tǒng)自動檢測螺栓的相位及角度變換，依次實(shí)現(xiàn)每一組螺栓的擰緊；當(dāng)飛輪螺栓的角度相位不同時(shí)，機(jī)器人能自動調(diào)整擰緊軸的角度，擰緊軸的套筒能自動套入螺栓頭內(nèi)。

3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)采用基于西門子Profibus總線結(jié)構(gòu)，主要包含：主控PLC（S7-315）、ABB機(jī)器人系統(tǒng)、2軸擰緊系統(tǒng)、S120系列伺服系統(tǒng)、RFID讀碼系統(tǒng)、TP1200觸摸屏等電氣元件組成。主控PLC通過Profinet總線與MES系統(tǒng)集成，視覺系統(tǒng)通過以太網(wǎng)總線與機(jī)器人系統(tǒng)相連，系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 機(jī)器人系統(tǒng)

根據(jù)擰緊工藝要求，本系統(tǒng)選擇采用ABB IRB6640機(jī)器人作為擰緊系統(tǒng)移動負(fù)載體，IRB6640是一款高產(chǎn)能且適合各類應(yīng)用的6軸機(jī)器人產(chǎn)品，有效載荷235 kg，適合眾多重型工件搬運(yùn)。

3.2 工業(yè)相機(jī)系統(tǒng)

為更有效配合機(jī)器人系統(tǒng)帶動擰緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動，本文設(shè)計(jì)的工業(yè)相機(jī)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)總線連接到機(jī)器人控制器中，相機(jī)與控制器通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。根據(jù)螺栓的尺寸與分布，我們選擇使用200萬像素康奈視IS7000工業(yè)相機(jī)作為視覺系統(tǒng)主要元件。

圖4 工業(yè)相機(jī)連接圖

3.3 擰緊系統(tǒng)

本文提出的系統(tǒng)軸擰軸采用瑞典阿特拉斯的PowerMACS4000擰緊軸系統(tǒng)，PowerMACS 4000系統(tǒng)是模塊概念型系統(tǒng)，采用了全新的高智能擰緊控制器和工藝組態(tài)軟件，并提供廣泛的外圍設(shè)備支持和通訊接口，根據(jù)飛輪扭矩以及螺栓間距要求，本系統(tǒng)采用350Nm偏置擰緊軸QST62-350COT-T50。

3.4 S120伺服系統(tǒng)

西門子SINAMICS S120可以勝任各個(gè)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中要求苛刻的驅(qū)動任務(wù)，它采用書本型模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)部總線型結(jié)構(gòu)，具有定位精度高與運(yùn)動控制靈活高效等特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中選用帶絕對式編碼器伺服電機(jī)，在軟件中采用絕對位置系統(tǒng)，這樣可以避免回零操作，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)通過中心距監(jiān)控保證運(yùn)行安全。

4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文提出的機(jī)器人系統(tǒng)軟件分為PLC系統(tǒng)軟件、機(jī)器人系統(tǒng)軟件、相機(jī)軟件、MES采集軟件四部分。PLC系統(tǒng)使用西門子TIA博途軟件系統(tǒng)，博途作為西門子一切未來軟件工程組態(tài)包的基礎(chǔ)，可對西門子全集成自動化中所涉及的所有自動化和驅(qū)動產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試。在本文提出的系統(tǒng)中，軟件組態(tài)如圖4所示。

4.1 PLC軟件流程設(shè)計(jì)

PLC軟件采用STL語言進(jìn)行編寫。飛輪螺栓擰緊過程可分為發(fā)動機(jī)進(jìn)入擰緊工位→讀取RFID值→根據(jù)產(chǎn)品選擇套筒選擇器選型→機(jī)器人自動檢測螺栓的相位→擰緊機(jī)套筒認(rèn)帽→開始擰緊→按預(yù)先設(shè)置的程序開始力矩法擰緊→（更換螺栓位置）機(jī)器人自動檢測螺栓的相位→擰緊機(jī)套筒認(rèn)帽→開始擰緊→依次類推直至全部擰緊。

圖5 系統(tǒng)組態(tài)

4.2 機(jī)器人與視覺系統(tǒng)通訊實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，IRB6640機(jī)器人編程采用類C語言編程方式，編程簡單，應(yīng)用靈活。本文將視覺系統(tǒng)設(shè)置為Server端，機(jī)器人控制作為Client端，機(jī)器人程序流程如下：創(chuàng)建Socket→連接Socket→發(fā)送用戶名密碼登陸相機(jī)→讀取相機(jī)數(shù)據(jù)→關(guān)閉通訊連接。

4.3 視覺定位與計(jì)算

任何機(jī)器視覺應(yīng)用中的最初一步—通常也是決定該應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵一步是在視覺相機(jī)的視野內(nèi)定位物體，該過程也稱為圖案匹配。圖案匹配有時(shí)會非常困難，因?yàn)樵S多變量都能影響到物體在視覺系統(tǒng)中的顯示方式。本文介紹的機(jī)器人系統(tǒng)視覺系統(tǒng)通過康奈視PatMax技術(shù)識別定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖7為飛輪螺栓在視覺系統(tǒng)中的識別效果圖，相機(jī)拍攝圖像后，首先識別特征基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)飛輪特點(diǎn)，我們將定位銷設(shè)為識別基準(zhǔn)。設(shè)置螺栓外形特征，通過與螺栓外形相比對確定螺栓在系統(tǒng)中相對基準(zhǔn)點(diǎn)位置坐標(biāo)，計(jì)算對角螺栓中心連接線，通過計(jì)算連線交點(diǎn)即可

圖6 缸蓋螺栓擰緊過程

圖7 上位機(jī)軟件架構(gòu)圖

【】【】確定中心點(diǎn)坐標(biāo)，最后將各個(gè)螺栓相對中心點(diǎn)位置坐標(biāo)值發(fā)動到機(jī)器人系統(tǒng)中，即可完成對飛輪螺栓的定位識別過程。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)提出了基于視覺的發(fā)動機(jī)飛輪機(jī)器人擰緊系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及軟硬件實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)通過與玉柴動力合作實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的生產(chǎn)應(yīng)用，成功解決了柴油機(jī)飛輪生產(chǎn)多品種、中小批量及多品種共線生產(chǎn)的問題，極大地提高了生產(chǎn)線的智能化水平，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的效益。

[1] 李君蘭.面向芯片封裝的機(jī)器視覺精密定位系統(tǒng)的研究[D].天津大學(xué),2010.

[2] 陳凱,邊群星.基于以太網(wǎng)總線的全自動汽車U形螺栓擰緊機(jī)[J].機(jī)床與液壓,2014,(14)：06-08.

[3] PowerMACS 4000Userguide[R].Atlas copco,2013,(09).

[4] ABB RoboticsProduct manualIRC5[R].ABB,3HAC047136-001.

Design and application of diesel engine cylinder head automatic screwing machine

CHEN Kai, HUANG Bing-qing

TP249

：A

：1009-0134(2017)05-0001-03

2017-01-16

陳凱（1981 -），男，山東臨邑人，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)楣S自動化及應(yīng)用工程研究。