力傳感器結(jié)合機器人實現(xiàn)超長軸精密裝配?

索利騫

（上海ABB工程有限公司，上海 201319）

力傳感器結(jié)合機器人實現(xiàn)超長軸精密裝配?

索利騫

（上海ABB工程有限公司，上海 201319）

介紹工業(yè)機器人、工業(yè)機器人常用傳感器和機器人應(yīng)用上的局限性等知識。詳細介紹了在“中石油濟南柴油機廠發(fā)動機裝配項目”中，利用力傳感器結(jié)合機器人克服多項技術(shù)難點，實現(xiàn)了超長軸的自動裝配。為機器人今后在大工件的高精密裝配提供了成功的范例。

工業(yè)機器人；力傳感器；凸輪軸裝配

1 工業(yè)機器人的局限性［1］

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手。工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即框架結(jié)構(gòu)，包括底座、下臂、上臂和手腕。當然有的機器人還有用于行走的軌道機構(gòu)；驅(qū)動系統(tǒng)包括變頻器、伺服電機和齒輪箱，用以使主體產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)就是1個工控機，按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令信號，進行運動控制。

工業(yè)機器人的特點是可工作在危險、惡劣的環(huán)境中，且有高的可靠性和重復精度。已被廣泛用于點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、碼垛等場合。工業(yè)機器人之所以還沒有完全代替人，有著種種原因。以下為工業(yè)機器人應(yīng)用的局限性。

（1）機器人有著高的重復定位精度?？蓹C器人工作對象的姿態(tài)和位置常不一定。不能準確預知工作對象的位置和姿態(tài)，只有高定位精度的機器人是沒有意義的。即機器人需要類似眼睛的傳感器。

（2）機器人必須知道工件的重量和重心位置。如果不能準確預知這些參數(shù)，機器人會不停報告撞擊。換言之，就是控制系統(tǒng)不知道伺服電機應(yīng)該輸出多大的驅(qū)動力矩。

（3）機器人有配載的限制。工作對象的重量如果超過一定范圍（要結(jié)合重心分析），機器人就無能為力了。ABB現(xiàn)在最大的機器人可承受525 kg（重心距離250 mm）的工件。換句話說，就是機器人也不是什么都能搬的動的。

（4）機器人的可達性需要仿真。即實際工作中干涉問題是不可避免的。干涉問題實際上包含了兩個子問題：解決碰撞問題及到達問題。

（5）機器人難以實現(xiàn)高精度軌跡運動。機器人可以有很高的重復定位精度，但在實際運動中允許有數(shù)毫米的軌跡誤差。這在一般應(yīng)用中毫無影響，但是在有高精度軌跡要求的場合就有問題了。這也是機器人很少用于高精度機械加工的原因。

2 工業(yè)機器人常配傳感器的介紹［2－3］

為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境，可在工業(yè)機器人上安裝視覺傳感器、力傳感器、位移傳感器等輔助裝置，大大提高機器人工作能力，使其能完成復雜的工作。

（1）視覺傳感器 視覺傳感器就是工業(yè)相機。根據(jù)被識別對象的特征和周圍環(huán)境，可以選擇彩色或黑白相機。根據(jù)識別精度的要求，可以選擇高像素或低像素相機。和工業(yè)機器人配合使用，可以用來自動識別工件種類，并給出工件的位置特征（即位移和旋轉(zhuǎn)）?，F(xiàn)在用于食品自動分揀和包裝的工業(yè)機器人大多都安裝有視覺系統(tǒng)。它的應(yīng)用也有很多局限性，對環(huán)境的穩(wěn)定性要求很高。

（2）力傳感器 如果希望機器人在接觸工件時，不要因為工件位置的偏移或工件大小的變化而發(fā)生碰撞，或是工件在接觸工具時易造成表面損傷，那么力傳感器就是必不可少了?，F(xiàn)在機器人打磨應(yīng)用中一般都配置有力傳感器，力傳感器的優(yōu)點明顯，但使用起來也有種種弊端和限制。如：啟動時有標定過程（需靜置）；力控啟動后機器人不能快速移動（系統(tǒng)響應(yīng)需要時間）。

（3）位移傳感器 價格適中，結(jié)構(gòu)和設(shè)置簡單，工作可靠是位置傳感器的優(yōu)點。在很多場合會使用位移傳感器來替代視覺傳感器，進行工件位置識別。常用的有機械式和激光兩種。機械式的易損，工作距離短。激光式的易臟，價格高。實際使用時可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇。

3 “中油濟柴”項目技術(shù)難點

中石油濟南柴油機廠由于產(chǎn)能擴大的需要，訂購了ABB工程有限公司的高柔性發(fā)動機裝配線，生產(chǎn)線用于自動裝配11類大型柴油發(fā)動機?？蛻粝Ｍ鸄BB能夠?qū)崿F(xiàn)凸輪軸的自動裝配。下圖是原來手動裝配時的工作現(xiàn)場。1個人在后面推，1個人在前端導向，1個人在中間 動高度調(diào)節(jié)手柄。工位需要3個配合默契的人協(xié)同工作，裝配時間大約是20 min。

圖1 人工裝配現(xiàn)場

（1）發(fā)動機在裝配時沒有定位。這意味著凸輪軸軸孔的位置是不確定的。

（2）凸輪軸安裝完導向套后長度約3 m，屬于標準的細長軸，抓起后工件就發(fā)生變形。按照材料強度和結(jié)構(gòu)計算出遠端有5 mm的自然下垂。

（4）凸輪軸遠端必須有一個導向套，用于凸輪軸的導向和凸輪軸遠端的托起。這個導向套須易拆卸和安裝。導向套不能太重，否則加重軸遠端的下垂。導向套安裝完成后必須和軸頸有好的同軸度。前面通過軸頸和軸瓦的尺寸可看出，只要有一點同軸度偏差，軸就會在插入過程中卡死。實驗也證明該點。

（5）機器人一次抓取不可能完成整個軸的插入。如果想一次抓取完成插入工作，機器人就必須以凸輪軸齒輪為加緊對象，因為齒頂和夾具的接觸面在最好的情況下就是線接觸。意味著很小的接觸面積，乘以摩擦系數(shù)，可知摩擦力很小。所以不可能通過抓住凸輪軸齒輪來完成插入。

（6）機器人必須分階段插入這根長軸。由于發(fā)動機未定位，那么第一階段和第二階段切換時，機器人怎樣去第二次找到凸輪軸并夾緊？如果此時用機器視覺，那么怎樣去克服環(huán)境干擾和由于重力影響造成的軸下垂？

（7）如果用ABB新開發(fā)的力控功能來實現(xiàn)第二階段插入，這又違反了力控標定原則，即力控開啟時不允許有任何東西接觸工具。否則無法準確施加參考力，機器人將進入失控狀態(tài)。

大型柴油機的軸瓦的材料通常是銅鉛合金。非常軟，容易變形或表面劃傷，這就要求裝配時動作要非常輕柔，一點磕碰就會造成軸瓦的報廢。

4 方案及布局和硬件配置

通過長達4個月反復實驗，最終用2個機器人攻克了所有困難，確定了項目方案。

裝配共分為2個階段：第一階段，1＃機器人用夾爪1將凸輪軸前半段插入缸體（見圖2）；第二階段，1＃機器人的夾爪2抓住凸輪軸齒輪外圓，沿軸向向內(nèi)推。2＃機器人用托舉工具托起齒輪，和1＃機器人一起慢慢移動（見圖4～6）。

圖2 第一階段自動裝配

圖3 第二階段自動裝配

圖4 工位布局

圖5 1＃機器人工具

下面是關(guān)鍵部件的配置清單：1＃機器人：ABB ro?bot IRB7600－500／2.55；力傳感器：ATI Omega 190 IP65 SI－7200－1400；激光傳感器：Omron ZS－LD200；換手裝置：SCHUNK SWS602；夾爪1：SCHUNK PGN－PLUS40；夾爪2：SCHUNK PZN－PLUS300；2＃機器人：ABB robot IRB6640－235／2.55；激光傳感器：Om? ron ZS－LD80。

5 工藝流程

圖6 2＃機器人工具

具體工藝流程如下：①發(fā)動機缸體用軌道傳送到裝配位置；②凸輪軸輸送鏈將凸輪軸傳送的抓取位置；③1＃機器人用激光傳感器搜尋凸輪軸孔的準確位置；④2＃機器人用激光傳感器搜尋凸輪軸孔的準確位置；⑤1＃機器人用夾爪1抓起凸輪軸，拿到噴油機構(gòu)上方，對每個軸頸逐一潤滑；⑥1＃機器人拿潤滑過的凸輪軸向發(fā)動機軸孔內(nèi)插入軸的前半段；⑦1＃機器人松開夾爪1退到安全位置（插入第一階段結(jié)束）；⑧2＃機器人用工具托住凸輪軸齒輪下方（插入第二階段開始）；⑨1＃機器人用激光搜索凸輪軸齒輪的位置；⑩1＃機器人用工具2抓住凸輪軸外圓向前推；?JT待推入1個200 mm后，1＃機器人停止推入動作；?JU2＃機器人持工具沿軸插入方向移動200 mm（延伸托舉長度）；?JV1＃機器人繼續(xù)向發(fā)動機內(nèi)推入凸輪軸，直到凸輪軸完全插入；?JW1＃機器人松開夾爪后回原位；?JX2＃機器人回原位；?JY軌道轉(zhuǎn)動將發(fā)動機送出工位。

6 技術(shù)分析

（1）缸體定位問題。發(fā)動機缸體進入工位后沒有定位裝置對其進行定位，要確定凸輪軸孔的位置有2種可選傳感器，即工業(yè)相機和激光。工業(yè)相機雖然在復雜形狀識別和定位精度、定位速度上都有優(yōu)勢，但它對環(huán)境要求特別高，易受干擾。在大型裝配車間這種開放環(huán)境中不具備穩(wěn)定性。最終確定用激光傳感器來搜索凸輪軸孔的位置，雖然會大大增加循環(huán)時間和機器人程序的復雜度，但其可靠性非常高。

（2）軸的自然下垂問題。細長軸的下垂不可避免，通過導向套將軸的遠端托起。導向套的外徑和軸頸的尺寸和工差必須一致（mm）。 長度是234 mm。導向套是薄壁中空結(jié)構(gòu)，可減少重量，從而減少軸的自然下垂。導向套前端倒角很小，保證了插入時有很好的修正能力。導向套圓柱部分的長度略小于2個軸瓦間軸向距離，從而保證當導向套和凸輪軸有輕微的不同軸時也不會被卡住。如圖7所示。

（3）機器人直線位移的偏差問題。特別是大機器人，在大范圍進行直線運動時，位置偏移是很大的。為了使機器人在前進過程中跟隨導向套的修正力，不斷進行位置和姿態(tài)的修正，使用了ATI的力傳感器。ATI的Omiga190是一個六方向的力傳感器。它不但能給出X，Y，Z方向上力的值，還能給出圍繞X，Y，Z方向旋轉(zhuǎn)的扭矩值。這些數(shù)據(jù)被機器人采集后將不斷修正機器人的位置和姿態(tài)。保證軸在插入時不會有卡住的情況發(fā)生。

圖7 導向套

第一階段的插入見圖2，這時只有1＃機器人工作。由于力傳感器有高的靈敏度，可以設(shè)置機器人以很小的力沿軸向推凸輪軸，同時附加一個小半徑旋轉(zhuǎn)動作。這樣既可保證軸瓦不會受到損傷，也可使凸輪軸的軸頸更容易進入軸瓦。

隨著插入深度的增加，軸頸和軸瓦的摩擦力也隨之增加。這時就要用程序不斷地增加推進力。在實際中將推進力從20 N，逐步增加到60 N。同時讓機器人圍繞凸輪軸軸心做漸開線運動。ABB ROBOT SIGNAL VIEWER軟件可以實時監(jiān)控、采集力傳感器的數(shù)據(jù)，供分析使用。

（4）凸輪軸近端（齒輪側(cè)）的下垂問題。在插入的第二階段過程中，凸輪軸軸頸離開軸瓦時，齒輪側(cè)就會下墜。由于機型很多且托舉機構(gòu)需要跟隨軸移動，所以引入了2＃機器人。2＃機器人的托舉工具見圖8，下方有一個激光傳感器。在發(fā)動機進站后，2＃機器人會搜索凸輪軸軸孔的位置，為后面托舉工作準備好位置修正數(shù)據(jù)。待1＃機器人第一階段插入完成后，2＃機器人會托住凸輪軸近端的齒輪，為插入的第二階段做準備，并且隨軸插入的深度一起向前移動。

（5）1＃機器人如何準確找到凸輪軸齒輪。1＃機器人第二階段推凸輪軸用夾爪2（見圖7）抓住凸輪軸齒輪，沿軸向推凸輪軸。可當?shù)谝浑A段結(jié)束后，機器人無法準確知道凸輪軸的位置。用1＃機器人的激光搜索凸輪軸位置。由于齒輪外沿的形狀不利于激光搜索，所以用激光搜索齒輪內(nèi)側(cè)的一個特征圓。

（6）1＃機器人第二次開力控的問題。1＃機器人第二階段需用20～200 N的力推凸輪軸齒輪，此時仍需用到力控制。機器人開啟力控制前有一個力標定過程，此時要求此時機器人工具處于靜置狀態(tài)，控制系統(tǒng)將記錄力傳感器輸出值。而實際工作中，1＃機器人此時應(yīng)抓著凸輪軸齒輪，這和力控的要求沖突。嘗試讓機器人在夾緊凸輪軸齒輪前啟動力控。在力控啟動完成后，再執(zhí)行夾緊動作。由于力控已開啟，那么插入過程中系統(tǒng)將始終感受到一個向下的力，即凸輪軸的重力。在推入過程中，讓1＃機器人沿軸向推凸輪軸齒輪的同時讓2＃機器人做上下小幅度的擺動。這有利于軸的插入過程，實際使用效果很好。

7 結(jié) 語

這是國際上第一臺大型凸輪軸自動裝配設(shè)備，是ABB POWER TRAIN ASSEMBLY團隊技術(shù)創(chuàng)新的最新成果。設(shè)備的研制成功為今后大型的高精密自動化裝配技術(shù)的發(fā)展提供了成功范例。

［1］ 葉 暉，管小清.工業(yè)機器人實操與應(yīng)用技巧［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 甘中學，湯 青.視覺傳感及其應(yīng)用：激光傳感器與工業(yè)機器人的結(jié)合［M］.杭州：浙江大學出版社，2011.

［3］ 高國富，謝少榮，羅 均.機器人傳感器及其應(yīng)用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

Long Cam Shaft Assembly with Force Sensor and ABB Robot

SUO Li－qian
（ABB Engineering（ShangHai）Co.，Ltd，Shanghai 201319，China）

In this article，some basic knowledge like industrial robot，robot sensors and limitations of the common robot are in?troduced.Difficult technical key problems of the technology are solved in a real project in Jinan diesel engine factory.The force sensor and industrial robot are used to insert a 3 meters long cam shaft into an engine.This is a successful example to insert such a long shaft automatically which can be used as a reference in the robot application area in the future.

industrial robot；force sensor；cam shaft assembly

TH16

A

1007－4414（2013）04－0001－03

2013－06－08

索利騫（1975－），男，山東德州人，工程師，研究方向：項目計劃，電氣設(shè)計，配件采購，機器人和PLC程序編制。