機架車橋焊接智能工裝設計

王 雷，寧 祎，宋彩艷

（河南工業(yè)大學 機器人研究所，鄭州 450001）

機架車橋是農業(yè)機械的一個主要承力部件，焊接工藝比較復雜，工作量大，目前焊接過程大多由機器人自動線來完成。然而，在焊接線上的機器人工作效率雖然很高，但是人工裝夾效率很低，整個生產線的效率不高。智能工裝就是針對這個問題而提出的。通過對焊接組件上的各個待焊工件的自動識別、準確定位和自動裝夾，從而有效提高焊接生產線的自動化程度和效率。同時，為進一步實現(xiàn)智能制造提供重要技術支撐。

1 智能工裝結構設計

1.1 機架車橋結構

機架車橋結構如圖1所示，主要包括管梁、固定板、半軸支座和剎車立板等焊件[1]。待焊工件結構簡單但是數(shù)量較多。半軸支座、剎車力板均為成對焊接，因此在焊接時，分三道工序來完成2和7、4和5、3和6這3組焊接件的焊接工作。

圖1 焊件組裝圖Fig.1 Weld assembly drawing

1.2 裝夾結構設計

根據(jù)焊件特點設計氣動夾手如圖2所示，在對工件進行抓取時，在焊件上加工有2個定位孔，按照一面兩銷定位方法[2]，確保夾取后待焊工件在夾手上處于確定的位置和姿態(tài)。氣動夾手安裝在吊裝的機械臂前端。在對待焊工件進行識別和視覺定位之后，機械臂帶動夾手到達指定的裝夾位置，夾取工件，移動到管梁的待焊接位置，等待焊接機器人進行作業(yè)。

圖2 裝夾結構Fig.2 Clamping structure

1.3 氣動系統(tǒng)設計

采用氣動手抓抓取焊接件，氣動速度快成本低。原理如圖3所示，氣泵產生的氣體通過過濾器進入氣動系統(tǒng)，壓力表用來監(jiān)控管道氣體壓力，而氣體壓力的大小通過減壓閥調節(jié)，電磁換向閥用來改變氣體進入氣缸的方向，從而推動氣缸的運動。當電磁閥得電時，氣缸左端進氣右端排氣，活塞桿伸出，可以通過右邊的單向節(jié)流閥來調節(jié)排氣的速度，從而調節(jié)氣缸的伸出速度；當電磁閥失電時，右端進氣左端排氣，活塞桿收回，可以通過左邊單向節(jié)流閥來調節(jié)氣缸收回的速度[3]。通過PLC控制電磁換向閥實現(xiàn)氣缸的伸縮動作，進而實現(xiàn)手抓的夾取和釋放動作。

圖3 裝夾氣動原理Fig.3 Pneumatic schematic diagram of clamping air

1.4 伺服系統(tǒng)的設計

機械臂伺服控制可考慮從齒輪齒條傳動、同步帶傳動和滾珠絲杠傳動中選擇，通過轉動慣量參數(shù)的計算來選擇更為適合的傳動方式是十分必要的。電機軸的運動方程為

式中：α為電機軸的角加速度；I為總的轉動慣量；I0和I1分別為電機轉子和齒輪的轉動慣量；b為齒輪寬度；γ為材料參數(shù)；d為齒輪分度圓直徑。則齒輪傳動轉動慣量I為

同步帶傳動的同步帶輪與齒輪齒條傳動同理，計算表達式結果一致。

若選用滾珠絲杠傳動，Ig為螺桿的轉動慣量，p是螺桿的螺距，根據(jù)螺桿的公稱直徑D0和長度L，得出滾珠絲杠傳動Ig為

通過計算得出滾珠絲杠傳動時螺桿直徑與長度對轉動慣量影響較大，從而影響整體的扭矩輸出，并且滾珠絲杠結構復雜成本高，因此選擇齒輪齒條或同步帶的傳動方式較為合適[4]，又因為同步帶的噪聲小，傳動精度高于齒輪，因此選擇同步帶傳動的效果最佳。

1.5 整體工裝結構

根據(jù)機架車橋焊件結構、裝夾結構、伺服系統(tǒng)設計和氣動方式，設計的整體工裝結構如圖4所示。變位機與焊接機器人配合完成焊接作業(yè)，車橋管梁一端采用三角卡盤固定，可轉動管梁，方便焊接角度不同的焊件，另一端通過調整尾架，采用頂桿壓緊[5]；氣動夾手裝夾由圖像識別后的焊接工件，保證了焊接工件的準確定位。

圖4 整體工裝結構Fig.4 Overall tooling structure drawing

2 圖像識別及PLC控制系統(tǒng)

2.1 焊件的圖像識別

在工件抓取定位前對焊接工件先進行圖像識別，采用單目相機標定的方法[6]。圖像處理及識別的過程如圖5所示。

圖5 圖像處理識別流程Fig.5 Image processing recognition flow chart

首先對焊件采集圖像，進行灰度處理，考慮到現(xiàn)場采集圖像時，會受到環(huán)境等方面因素的影響，為了提高圖像的識別度，對提取的圖像進行消噪和中值濾波處理。圖像的邊緣輪廓是最基本的特征，常用的一階微分檢測算子包括 Roberts、Prewitt、Canny等。通過比較提取圖像結果，Canny提取的邊緣比較完整，具有較好的連續(xù)性，如圖6所示。

圖6 邊緣檢測結果Fig.6 Edge detection result

對圖像的邊緣特征提取之后，需要找到圖像的特征點并對比模版圖像進行匹配，焊件的匹配如圖7所示，基本原理是分析兩張圖的相似度[7]，n*m的模版圖像P從原圖R坐標起點開始平移，完成搜索覆蓋的區(qū)域稱為 R 的子圖 Ri，j（i≥1，j≤n-m+1），若模板P和子圖Ri，j相差為零則表示匹配成功，實現(xiàn)方法如下：

圖7 圖像匹配結果Fig.7 Image matching result

2.2 運行過程的分析

系統(tǒng)的整體流程如圖8所示，開始后先進行初始化設置，保證了抓手設定的初始位置和姿態(tài)，為后續(xù)抓取提供可靠的保證。系統(tǒng)初始化完成之后，等待事件的響應，當系統(tǒng)傳來啟動焊接工序1的命令時，進入的判斷程序，判斷工件是否定位完成，然后在進行焊接，焊接工序2和3也是同理。如果過程中出現(xiàn)問題則可以進入復位程序，該程序執(zhí)行后則從初始化開始，排除問題后再進行相應的焊接工序。

圖8 整體流程Fig.8 Global flow chart

2.3 PLC程序

根據(jù)系統(tǒng)的流程圖，設計的PLC主程序如圖9所示，開始啟動后，PLC進入程序的初始化狀態(tài)，等待工序的執(zhí)行信號，三個焊接工序在執(zhí)行的時候是互鎖的程序結構，確保只執(zhí)行其中某一焊接工序；復位程序執(zhí)行后，將停止所有的程序，回到初始狀態(tài)[8-9]，停止按鍵啟動后整個PLC停止工作。

圖9 PLC主程序圖Fig.9 PLC master program diagram

2.4 用戶界面組態(tài)設計

為了提高系統(tǒng)的可操作性和人機交互能力，設計用戶界面如圖10所示。通過觸摸屏與PLC建立通信連接之后，用戶可以通過觸摸屏實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，也可以方便地對系統(tǒng)相關參數(shù)進行設置。

3 結語

機架前車橋焊接智能工裝，適用于多零件的焊接。這種機器人化的工裝實現(xiàn)了工件從裝夾到定位焊接的整個過程的自動化，使得整個車橋焊接的整體效率得到了大幅度提高。為推動焊接車間的自動化和智能制造的進一步實施打下了技術基礎。

圖10 操作界面Fig.10 Operate window

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