基于6R機(jī)器人的自動脫模系統(tǒng)總體設(shè)計*

呂新星，徐志剛，鄭帥超，尹 猛

(1. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819；2. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110179)

1001-2265(2017)10-0070-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.017

2016-12-14；

2017-02-16

國家863計劃資助項目(2014AA041603)；國家自然科學(xué)基金項目(51575092)

呂新星(1991—)，男，山東濟(jì)寧人，東北大學(xué)碩士研究生，研究方向為數(shù)字化工廠規(guī)劃和機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)，(E-mail)1291414866@qq.com。

基于6R機(jī)器人的自動脫模系統(tǒng)總體設(shè)計*

呂新星1,2，徐志剛2，鄭帥超1,2，尹 猛2

(1. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819；2. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110179)

針對傳統(tǒng)的脫模方式作業(yè)人員密集、勞動強(qiáng)度大、安全性低以及產(chǎn)品一致性差等缺點(diǎn)，設(shè)計了一種基于6R機(jī)器人技術(shù)的自動脫模系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、快換工具頭、視覺定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。首先，系統(tǒng)基于單目視覺-激光測距定位的方式完成對拆卸目標(biāo)的定位；然后，在控制系統(tǒng)快速、穩(wěn)定的控制下，機(jī)器人通過快換拆卸工具頭完成澆筑模具零部件的拆卸。實(shí)際應(yīng)用表明，在大幅減員、安全性能充分保證的前提下，脫模效率和質(zhì)量提升明顯。

自動脫模系統(tǒng)；工業(yè)機(jī)器人；拆卸工具頭；視覺定位系統(tǒng)

0 引言

澆鑄模具的脫離是鑄造過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，部分模具的拆卸對脫模的速度、位移、拉壓力等工藝參數(shù)都有嚴(yán)格控制。傳統(tǒng)脫模方式是人工直接手動完成或由人工與輔助設(shè)備相互配合來完成，不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且對作業(yè)人員的操作技能和作業(yè)素質(zhì)都有很高要求。對于一些易燃易爆的特殊制造領(lǐng)域，人為因素帶來的安全隱患極大。因此，研制出特殊工況下無人為直接干預(yù)的自動脫模裝置是十分必要的。

分析脫模裝置的研究現(xiàn)狀可知[1-4]，多數(shù)的脫模裝置的設(shè)計與研究均是有針對性的解決相應(yīng)的脫模問題，對于脫模工藝參數(shù)指標(biāo)要求低或無要求的應(yīng)用場合，更多的是考慮安全可靠性、提高效率與降低勞動強(qiáng)度的脫模問題。從現(xiàn)存脫模裝置的工作機(jī)理來看，大多數(shù)脫模裝置的設(shè)計主要集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的改造和創(chuàng)新，自動化控制水平仍然相對較低。

為了避免或減小脫模過程對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，保證模具拆卸過程的安全性，同時提高產(chǎn)品的質(zhì)量和脫模效率，基于6R工業(yè)機(jī)器人設(shè)計了一套具有遠(yuǎn)程操作、自動作業(yè)、安全防爆等特點(diǎn)的自動脫模系統(tǒng)。

1 脫膜系統(tǒng)總體設(shè)計組成

1.1 系統(tǒng)組成

自動脫膜系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、快換工具頭、視覺定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成(見圖1)，脫模流程如圖2所示。

圖1 自動脫模系統(tǒng)的總體設(shè)計

圖2 脫模流程圖

圖3 脫膜系統(tǒng)工作對象

1.2 脫模工藝順序

6R工業(yè)機(jī)器人自動脫膜系統(tǒng)的工作對象是一組澆鑄模具，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，整個澆鑄模具嵌裝在外圍的圓柱形澆注設(shè)備中，需要拆卸的零部件為定位銷、緊固螺栓以及內(nèi)部組件，具體的脫模工序如下：

(1)拆除軸向緊固螺栓，總共有20個型號為M10的緊固螺栓，均勻分布在直徑565mm的圓周上；

(2)拆除內(nèi)部組件上的定位銷，將其從圓柱形設(shè)備中拔出，總共有10個定位銷均布在直徑765mm的圓周上，每拆除一個定位銷，拆除一個內(nèi)部組件；

(3)敲擊內(nèi)部組件下端的松動銷，使嵌入到外圍設(shè)備中的內(nèi)部組件松動；

(4)拆除內(nèi)部組件，總共有10個內(nèi)部組件，有大瓣和小瓣的區(qū)別，大瓣和小瓣各占半，拆除內(nèi)部組件時首先要將5個小瓣的內(nèi)部組件取出，然后剩余的5個大瓣的內(nèi)部組件才可以取出。

2 機(jī)器人定位系統(tǒng)標(biāo)定

在分析和研究機(jī)器人手眼標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于單目視覺和激光測距傳感器的視覺定位系統(tǒng)快速標(biāo)定方法[10-11]，僅需一次標(biāo)定實(shí)驗即可同時完成相機(jī)參數(shù)以及手眼關(guān)系的標(biāo)定，與傳統(tǒng)的多次手眼關(guān)系標(biāo)定方法相比具有標(biāo)定過程簡單、計算量相對較小和誤差累積次數(shù)少的特點(diǎn)。

2.1 機(jī)器人手眼關(guān)系數(shù)學(xué)模型

機(jī)器人基坐標(biāo)系(OWXWYWZW)、手部坐標(biāo)系(OHXHYHZH)和相機(jī)坐標(biāo)系(OCXCYCZC)的位置關(guān)系如圖4所示。設(shè)H為相機(jī)坐標(biāo)系到機(jī)器人手部坐標(biāo)系的變換矩陣，P為機(jī)器人手部坐標(biāo)系到基坐標(biāo)系的變換矩陣，L為相機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的變換矩陣，那么這三個變換矩陣存在如下關(guān)系:

L=PH

(1)

由于相機(jī)安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上，手眼矩陣P是不變量，矩陣L隨著相機(jī)位姿的變動而改變。

圖4 機(jī)器人定位系統(tǒng)中坐標(biāo)系的位置關(guān)系

2.2 手眼關(guān)系與相機(jī)參數(shù)一次性標(biāo)定

根據(jù)實(shí)際測量需要可將相機(jī)模型簡化為小孔透視成像模型，圖5表示了該模型成像的幾何特性，(OCXCYCZC)為相機(jī)坐標(biāo)系，OC為定義的光學(xué)原點(diǎn)，ZC為相機(jī)光軸，(oPuv)為像素坐標(biāo)系，(oxy)為圖像物理坐標(biāo)系。

圖5 小孔透視成像模型

像素點(diǎn)n(u,v)和特征點(diǎn)N(XW,YW,ZW)對應(yīng)的齊次坐標(biāo)分別為n=(u,v,1)T和N=(XW,YW,ZW,1)T，根據(jù)小孔成像原理，n和N存在如下變換關(guān)系：

nl=MIMEN

(2)

(3)

式中，MI是相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，ME是相機(jī)的外參數(shù)矩陣，l是比例因子，fu，fv是圖像u軸和v軸上的尺度因子，fu=f/du，fv=f/dv，f為焦距，du和dv分別表示每個像素在u軸和v軸上的物理尺寸，(u0,v0)為主點(diǎn)圖像坐標(biāo)，s為傾斜因子。ME=[RT]，其中R是相機(jī)坐標(biāo)系對世界坐標(biāo)系的姿態(tài)變換矩陣，T是位置變換矩陣。由公式(2)和公式(3)可得如下方程：

(4)

由公式(4)變換可得：

(5)

式中，fu,fv,s,u0,v0,r11～r33,tx,ty,tz共17個參數(shù)是未知變量，而對應(yīng)的標(biāo)定控制點(diǎn)的u,v,XW,YW,ZW是已知的，可通過機(jī)器人示教和單目視覺測量獲知。由于矩陣T是正交矩陣，可得到6個與標(biāo)定控制點(diǎn)不相關(guān)的方程，仍需要測量6個或以上標(biāo)定控制點(diǎn)建立18個或以上非線性方程求解式(5)中的17個未知參數(shù)。

由于將機(jī)器人的基坐標(biāo)系定義為世界坐標(biāo)系，矩陣L可由通過非線性優(yōu)化方法求出的外參數(shù)矩陣ME齊次變換求得，矩陣P可由機(jī)器人控制器上讀取的當(dāng)前位姿歐拉變換得到，因此手眼矩陣H可以在相應(yīng)相機(jī)參數(shù)一次標(biāo)定后即可求得。

3 緊固螺栓拆卸工具頭設(shè)計

緊固螺栓拆卸工具頭是快換工具頭中設(shè)計最為復(fù)雜的一種，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

圖6 緊固螺栓拆卸工具頭結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人在自動識別并完成緊固螺栓拆卸的過程中存在兩個技術(shù)難點(diǎn)：第一，由于脫膜系統(tǒng)存在定位誤差，如何保證工具頭順利地套住緊固螺栓？第二，如何防止已拆卸的螺栓在送至螺栓收集裝置的過程種脫落？針對以上技術(shù)問題，對拆卸工具頭的執(zhí)行部件擰頭做如圖7所示的設(shè)計。

圖7 擰頭結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 套筒關(guān)鍵尺寸研究

針對第一個技術(shù)問題，在套筒與花鍵軸之間設(shè)置了一定量的間隙值δ，該間隙的存在可使套筒能夠做小范圍的擺動，從而使擰頭具備了適應(yīng)定量誤差的能力。

首先檢驗間隙δ=0.5mm設(shè)計值的合理性。在套筒發(fā)生單向擺動的情況下計算末端極限擺動量，若極限擺動量大于脫膜系統(tǒng)拆卸緊固螺栓的1mm定位誤差，則設(shè)計滿足要求。以套筒幾何中心線為參照計算，則套筒單向擺動到極限位置時存在如圖8所示的幾何關(guān)系。

圖8 套筒擺動幾何關(guān)系圖

(1)套筒位于軸向初始位置

擺動幾何關(guān)系如圖8a所示，套筒擺動到極限位置時，BD=δ=0.5mm，AC=AC′=64mm，設(shè)線段AB與AD的夾角αs為擺動角，則最大擺動量C′E為：

最大擺動量大于1mm，因此滿足脫膜系統(tǒng)拆卸緊固螺栓的定位誤差要求。根據(jù)緊固螺栓頭部的尺寸，套筒中內(nèi)六角凹槽的極限平面設(shè)計尺寸為對邊寬度S=17.60mm，對角寬度emin=20.32mm，為了使套筒的內(nèi)六角凹槽與緊固螺栓頭部有足夠的接觸面積，避免損壞螺栓，套筒的內(nèi)六角尺寸設(shè)計為17.00×19.63mm。為了能夠?qū)⒕o固螺栓包含其中且留有余量，內(nèi)六角凹槽的深度設(shè)計為24mm，緊固螺栓進(jìn)入內(nèi)六角凹槽的深度為22mm，因此其極限擺動角：

αj=arctan(0.5/22)=0.02272

大于套筒的擺動角αs，套筒在擺動到極限位置時仍能套住緊固螺栓，因此套筒與花鍵軸之間0.5mm的間隙設(shè)計是合理的。

(2)套筒位于軸向極限位置

最大擺動量大于1mm，因此滿足脫膜系統(tǒng)的定位誤差要求。擺動角αs=0.01786，小于緊固螺栓在套筒內(nèi)六角凹槽的極限擺動角，此時套筒可以順利套住緊固螺栓。

由(1)、(2)可知，套筒處于軸向初始位置和極限位置時均滿足脫膜系統(tǒng)的誤差要求，0.5mm的間隙設(shè)計是合理可行的。

3.2 定位珠螺絲鎖緊力計算

針對第二個技術(shù)問題，在套筒側(cè)面布置了6個圓周對稱的定位珠螺絲。定位珠螺絲設(shè)計中選用的彈簧為端部并緊磨平0.25圈的碳素彈簧鋼絲制彈簧，規(guī)格尺寸為0.4×3.5×12，初始壓縮量s0=2.14mm，極限壓縮量st=2.76mm，根據(jù)彈簧壓力計算公式可得彈簧彈力為：

Ft=K×s=(G×d4)×s/(8×D3×NC)

(6)

式中，K表示彈簧整體剛度；s表示彈簧壓縮量，G為彈簧材料的切變模量，大小為79GPa，d表示彈簧絲徑，D為中徑，NC為有效圈數(shù)，該彈簧的有效圈數(shù)為6。在拔脫力的作用下，定位鋼珠和螺栓的受力如圖9所示。緊固螺栓受到6個圓周對稱布置的定位鋼珠的鎖緊，對螺栓產(chǎn)生的水平力Fx相互抵消，因而鎖緊力可表示如下：

(7)

式中，F(xiàn)iy=Fttanγ，γ=arccos(om/r)，r=2mm，在緊固螺栓脫離套筒的過程中，om是一個變量，取值范圍為[1.3718，2]，則由式(6)和式(7)得鎖緊力如下：

(8)

應(yīng)用MATLAB求解公式(8)，得從套筒中拔出螺栓的過程中鎖緊力的變化歷程，如圖10所示，從該圖可知鎖緊力最大值為13.3868N，可鎖緊重約1.366kg的螺栓，且位于緊固螺栓被拔出的初始位置，因此緊固螺栓不會從套筒中自由脫落。

圖9 定位鋼珠和緊固螺栓受力分析圖

圖10 定位珠螺絲鎖緊力曲線

4 結(jié)束語

本次研究對特殊操作環(huán)境下的自動脫模系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，自動脫模系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程操作、拆卸質(zhì)量高、安全防爆等特點(diǎn)，脫模過程自動完成，無需人工操作；并對脫模系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的緊固螺栓拆卸工具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵尺寸分析計算；提出一種基于單目視覺和激光測距傳感器的視覺定位系統(tǒng)快速標(biāo)定方法，僅需一次標(biāo)定實(shí)驗即可同時完成相機(jī)參數(shù)以及手眼關(guān)系的標(biāo)定，大幅縮減設(shè)備調(diào)試環(huán)節(jié)時間，同時提高了設(shè)備運(yùn)行定位精度。

目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某國有企業(yè)生產(chǎn)。運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全性能高，具有高度的自動化水平。同時，在大幅減員的情況下，脫模效率和質(zhì)量較傳統(tǒng)模式提升效果明顯。

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TheOverallDesignofAutomaticDemouldSystemBasedon6RRobot

LV Xin-xing1,2，XU Zhi-gang2， ZHENG Shuai-chao1,2， YIN Meng2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China；2. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

The traditional demoulding way exists many shortcomings such as intensive operations personnel, large labor intensity, low security, and poor uniformity. To solve these problems , one kind of automatic demould system which was based on the 6R robotics technology was researched and designed and it consists of industrial robot, tool changer, vision positioning system and control system. Firstly, based on the robot monocular vision and laser ranging location principle, the given device to be disassembled was located. Then, under the immediate and stabilizing controlling, the industrial robot finished the demoulding process smoothly by changing the tool changer. The application result demonstrates that the demoulding efficiency and demoulding quality improved significantly with personal cutbacks and better security.

automatic demoulding system; remover tool; industrial robot; vision positioning system

TH122;TG659

A

(編輯李秀敏)

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