面向柔性制造的新型自動鎖螺絲機(jī)設(shè)計

吳曼華，鄒觀華，李金恩，梁淑芬，李曉明，朱麟濤，鄭華堅

（1.五邑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，廣東 江門 529020； 2.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020；）

在制造業(yè)中，“柔性”是指企業(yè)制造系統(tǒng)變換產(chǎn)品種類或數(shù)量的適應(yīng)能力和便捷程度[1]，“柔性”是相對于“剛性”而言的，傳統(tǒng)的“剛性”自動化生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn). 擰螺絲是工廠生產(chǎn)線上的最常見的一個環(huán)節(jié)，鎖螺絲裝配工序普遍存在. 目前，螺絲的裝配普遍采用人工鎖付方式，但采用人工方法因長期重復(fù)勞動會使工人感到疲勞，造成鎖付效率下降，而且人工鎖付螺絲具有主觀性，容易出現(xiàn)螺絲定位誤差，會導(dǎo)致作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參差不齊、良品率下降[2]. 文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一種吹氣式螺絲自動安裝機(jī)，可節(jié)約人力成本，提高螺絲鎖付效率，但其采用了固定的程序編制方法完成自動作業(yè)，因此不適用于復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境中. 文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種自動鎖螺絲系統(tǒng)，通過機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)了視覺標(biāo)定、PCB電路板和螺絲孔圖像的特征匹配，從而完成螺絲釘自動裝配操作，但工作時需要工人輔助完成工件的抓取和放置. 文獻(xiàn)[5]將視覺定位、機(jī)器人和鎖螺絲三者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鎖螺絲工序的自動化，但該系統(tǒng)只能適應(yīng)單一種類工件的螺絲鎖付作業(yè). 可以看到，目前鎖螺絲機(jī)主要存在：1）螺絲機(jī)只能適應(yīng)單一產(chǎn)品的鎖螺絲作業(yè)，較為“剛性”；2）只能實(shí)現(xiàn)工件螺絲鎖付單一作業(yè)，工件抓取等工序還需要人工輔助完成；3）自動鎖付的效率與質(zhì)量有待提高.

本文以“柔性制造”的理念，設(shè)計了一種新型自動鎖螺絲機(jī)，該鎖螺絲機(jī)能夠適用于多種產(chǎn)品類型工件的螺絲釘鎖付作業(yè)，并能夠?qū)崿F(xiàn)工件抓取、放置、取釘和鎖付等多個工序自動化，提高螺絲機(jī)的工作效率和鎖付質(zhì)量，突出其柔性制造的優(yōu)點(diǎn).

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

本文所設(shè)計的鎖螺絲機(jī)主要滿足以下3點(diǎn)要求：1）視覺處理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)工件圖像的快速采集、傳輸和處理；2）鎖付機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定快速實(shí)現(xiàn)工件抓取、放置以及鎖付等動作；3）機(jī)械臂無明顯的振動現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)能夠長時間穩(wěn)定重復(fù)運(yùn)行.

1.2 基本機(jī)構(gòu)

鎖螺絲機(jī)主要由機(jī)械硬件裝置和視覺處理系統(tǒng)組成. 具體部件包括主體架構(gòu)、鎖付工作裝置、機(jī)械臂和工業(yè)相機(jī)等，結(jié)構(gòu)如圖1所示. 功能設(shè)計流程如圖2所示.

圖1 螺絲機(jī)設(shè)計圖

圖2 螺絲機(jī)功能流程圖

2 機(jī)械硬件裝置設(shè)計

2.1 主體架構(gòu)

鎖螺絲機(jī)的外主體結(jié)構(gòu)規(guī)格為1000 mm×800 mm ×1700 mm，實(shí)物圖如圖3所示. 為了提高機(jī)器在不同環(huán)境的定位穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，必須要過濾機(jī)器外部光源，采用預(yù)設(shè)具有固定閾值的光源. 因此本文在機(jī)器外部采用鋁型材與茶色亞克力板搭建了一個濾光框架避免環(huán)境光對視覺處理的影響，最后選擇使用具有固定閾值的工業(yè)漫反射光源.

圖3 面向柔性制造的新型自動鎖螺絲機(jī)

2.2 螺絲供給機(jī)

本文選用FUMA全自動螺絲供給機(jī)，該設(shè)備可滿足快速連續(xù)鎖付的功能，如圖4所示. 輸入電壓為DC15 V，輸入電流為2 A，通過過載停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)進(jìn)行線路保護(hù). 全自動螺絲供給機(jī)是通過電機(jī)帶動凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)，將螺絲舉升推送到直線料道里，再由送料機(jī)構(gòu)將其送至轉(zhuǎn)盤式分料機(jī)構(gòu). 通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，螺絲被運(yùn)送至出料口，等待電螺絲批的抓取操作.

圖4 螺絲供給機(jī)

2.3 鎖付工作裝置

為了提高鎖付的工作效率以及節(jié)省設(shè)備所占用的空間，設(shè)計的鎖付工作裝置見圖5. 為了令抓取動作和鎖付動作連貫一體，在裝置中設(shè)計了一個氣爪和電螺絲批集成一體的機(jī)械載體，將其搭載在與機(jī)械臂Z軸同軸方向上，形成一個集成機(jī)械結(jié)構(gòu).

圖5 鎖付工作裝置

2.4 電螺絲批

為了解決扭力反饋控制效果差的問題，本文設(shè)計了具有電磁閥和氣壓供應(yīng)的螺絲批嘴，不僅能完成不同類型工件的復(fù)雜取釘，同時有效地監(jiān)測扭矩變化并進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而避免鎖付力度不當(dāng)所產(chǎn)生的爆釘滑釘現(xiàn)象，電螺絲批設(shè)計如圖6所示. 主要操作包括首先放大扭矩變化的應(yīng)變信號，再對其進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果融合在電螺絲批中，從而改善扭力反饋控制效果.

圖6 電螺絲批

2.5 SCARA結(jié)構(gòu)機(jī)械臂

為了提高鎖螺絲機(jī)的反應(yīng)速度，本設(shè)計選用結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈活、定位精度高、活動范圍大的SCARA結(jié)構(gòu)機(jī)械臂. 使用4個高分辨率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，每轉(zhuǎn)一圈可細(xì)分至40 000步以上，最大負(fù)載3 kg，操作半徑為250 mm，Z軸范圍為170 mm內(nèi).

2.6 氣壓供應(yīng)機(jī)

鎖螺絲機(jī)的機(jī)器驅(qū)動動作和取釘動作的動力都由氣壓驅(qū)動. 為了滿足批嘴吸釘、托盤滑動和氣爪抓取等多種功能的氣壓要求，本文選用的空氣壓縮機(jī)的輸入功率為550 W，容積流量為40 L/min，容積為8 L，工作壓力為0.5 MPa，配合電磁閥控制氣動開閉.

3 視覺處理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 視覺處理系統(tǒng)設(shè)計

為了解決只能識別單一產(chǎn)品的問題，本文設(shè)計了一個視覺處理系統(tǒng). 視覺系統(tǒng)的硬件部分主要由工業(yè)相機(jī)、同軸漫反射光源和濾光設(shè)備等組成. 視覺處理算法則是基于HALCON圖像處理庫，利用圖像形狀的模板匹配技術(shù)來設(shè)計算法.

設(shè)計采用Eye-To-Hand[6]的形式，即攝像機(jī)固定在機(jī)械臂以外的基座上，如圖7所示. 利用九點(diǎn)標(biāo)定法[7]來確立工業(yè)相機(jī)和SCARA機(jī)械臂之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖8所示. 最后基于HALCON對攝像機(jī)和機(jī)械手之間的手眼關(guān)系進(jìn)行求解. 圖像形狀模板匹配的流程如圖9所示.

圖7 Eye-To-Hand結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 機(jī)械臂九點(diǎn)取坐標(biāo)

圖9 圖像形狀模板匹配流程圖

3.1.1 工件圖像預(yù)處理

以小風(fēng)扇和小萬用表作為實(shí)驗(yàn)工件產(chǎn)品. 首先打開工業(yè)相機(jī)拍攝工件在工作區(qū)域的清晰圖像，然后對圖像進(jìn)行灰度化處理、圖像濾波和增強(qiáng)處理，減少圖像處理的計算量，避免噪聲對圖像處理的影響[8]，其處理過程如圖10所示.

圖10 視覺系統(tǒng)預(yù)處理過程

在對工件圖像進(jìn)行預(yù)處理以后，需要先在圖像中劃定并裁剪出感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI），同時在模板創(chuàng)建時利用濾波、增強(qiáng)等算法對模板圖像進(jìn)行基本處理，增強(qiáng)圖像中目標(biāo)的特征輪廓，并通過多次實(shí)驗(yàn)選取合適的參數(shù). 在HALCON中設(shè)定創(chuàng)建模板和查找模板算子的具體參數(shù)，然后在ROI上選擇工件中具有辨識度的形狀創(chuàng)建模板，其創(chuàng)建過程如圖11所示.

圖11 創(chuàng)建模板圖

3.1.2 模板匹配算法流程

圖像形狀模板創(chuàng)建成功后，使用HALCON圖像處理庫的find shape_model算子[9]進(jìn)行模板的匹配，分類實(shí)驗(yàn)主要有小風(fēng)扇和小萬用表兩種工件，以輸出的Score值為基準(zhǔn)，當(dāng)Score＞0.5時，則認(rèn)為匹配成功，輸出分類結(jié)果，移動機(jī)械臂到相應(yīng)的料倉取螺絲釘. 模板匹配算法流程如圖12所示.

圖12 模板匹配算法流程圖

3.2 機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計

螺絲機(jī)采用了YAMAHA的RCX240型號控制器來驅(qū)動和控制機(jī)械臂，該控制器集成度高，操作簡便，具有多種編程指令、多任務(wù)處理等功能，可以提高工件分類和螺絲鎖付速度. 本文通過YAMAHA機(jī)器操作軟件VIP+操控機(jī)械臂，通過VIP+提供的控制語言編輯執(zhí)行程序，采用編程自動模式實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的自動控制.

在接收到視覺系統(tǒng)工件分類的結(jié)果后，中央控制系統(tǒng)會驅(qū)動機(jī)械硬件設(shè)備執(zhí)行螺絲鎖付作業(yè). 在作業(yè)過程中，機(jī)械臂移動和電螺絲批鎖付螺絲動作由其對應(yīng)的控制器進(jìn)行控制. 氣爪夾取、托盤滑動和批嘴吸釘?shù)葎幼鲃t由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制電磁閥配合氣壓供應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制，其控制框圖如圖13所示.

圖13 機(jī)械系統(tǒng)控制圖

4 實(shí)驗(yàn)測試

本文以萬用表和小風(fēng)扇（每件物品有兩個螺孔需鎖付螺絲）作為工件進(jìn)行性能測試，其中萬用表的螺孔適用M3規(guī)格自攻型螺絲，小風(fēng)扇的螺孔適用M4規(guī)格的自攻型螺絲. 測試在室內(nèi)進(jìn)行，保證機(jī)械設(shè)備運(yùn)作良好，電源、氣壓供應(yīng)正常，待測工件完好無損.

為避免測試的偶然性，使用這兩種工件交替進(jìn)行了連續(xù)10次重復(fù)測試，每次測試工件500件，且分別記錄下測試中視覺處理的每次測試中的平均響應(yīng)時間，工件分類準(zhǔn)確率以及螺絲鎖付的準(zhǔn)確率，以評判設(shè)計的應(yīng)用在工件分類和螺絲鎖付的效果情況，測試結(jié)果如表1所示.

表1 螺絲機(jī)應(yīng)用測試結(jié)果

4.1 測試指標(biāo)

本文主要以響應(yīng)時間、分類準(zhǔn)確率以及鎖付準(zhǔn)確率作為試驗(yàn)測試指標(biāo).

響應(yīng)時間：指視覺處理執(zhí)行一個操作所需的時間，包括從發(fā)出請求開始到最后收到響應(yīng)所需要的時間，即每個工件到達(dá)視覺區(qū)域，到機(jī)械臂開始執(zhí)行動作的時間.

分類準(zhǔn)確率：指螺絲機(jī)依據(jù)視覺處理結(jié)果執(zhí)行動作表達(dá)的正確程度，即機(jī)械控制系統(tǒng)是否能在接受視覺處理結(jié)果后，根據(jù)不同的工件取相應(yīng)規(guī)格的螺絲釘.

鎖付準(zhǔn)確率：指的是螺絲機(jī)成功將螺絲釘鎖付至工件的螺絲孔內(nèi)，不含爆釘、滑釘和虛釘?shù)炔灰?guī)范鎖付現(xiàn)象.

4.2 測試結(jié)果

從表1可知，對萬用表和小風(fēng)扇兩種工件進(jìn)行測試時，本文鎖螺絲機(jī)的分類準(zhǔn)確率不低于99.4%，平均響應(yīng)時間為1.95 s，螺絲鎖付平均準(zhǔn)確率為99.23%，表明本文螺絲機(jī)具有良好的工件分類效果和鎖付性能，其成功率可與六軸自動鎖付螺絲機(jī)（平均成功率99.8%）[10]相媲美，但本文螺絲機(jī)的工件分類能力更優(yōu).

在測試結(jié)果中，部分工件分類結(jié)果出錯可能是由于環(huán)境光線干擾了視覺處理系統(tǒng)，從而導(dǎo)致工件識別出現(xiàn)失誤；部分螺釘鎖付失敗可能是因?yàn)槁葆斮|(zhì)量欠佳和工件的塑料毛坯存在瑕疵的原因，從而導(dǎo)致爆釘、滑釘和虛釘現(xiàn)象發(fā)生.

5 結(jié)論

針對當(dāng)前螺絲機(jī)只能適應(yīng)單一產(chǎn)品的鎖付作業(yè)以及需要人工輔助作業(yè)等問題，本文設(shè)計了一種面向柔性制造的新型自動鎖螺絲機(jī). 該螺絲機(jī)的工件分類準(zhǔn)確率不低于99.4%，螺絲鎖付平均準(zhǔn)確率達(dá)99.23%，達(dá)到工業(yè)螺絲鎖付的精度要求. 此外，螺絲機(jī)還能夠?qū)崿F(xiàn)自動對工件的抓取和放置等工序，減少人工輔助，自動化程度更高. 本文設(shè)計的自動鎖螺絲機(jī)提高了生產(chǎn)制造柔性，降低了生產(chǎn)成本和節(jié)省人力，有利于自動鎖螺絲機(jī)的大范圍推廣. 為了實(shí)現(xiàn)三維鎖付的功能，下一步計劃將把四軸機(jī)械臂升級為六軸機(jī)械臂. 同時，為了提高設(shè)備鎖付的精確度和魯棒性，將進(jìn)一步改進(jìn)圖像預(yù)處理算法.