工業(yè)機器人和機器視覺在風力發(fā)電機組變槳軸承裝配中的應(yīng)用

孫振軍， 吳 勇

上海電氣風電集團有限公司 上海 200241

1 應(yīng)用背景

隨著信息化與制造業(yè)的融合和智能制造的發(fā)展，工業(yè)機器人得到廣泛應(yīng)用［1］。工業(yè)機器人在大型工件裝配方面，可替代勞動者手工作業(yè)完成裝配任務(wù)，并表現(xiàn)出更好的裝配質(zhì)量和更高的裝配效率［2］。目前，工業(yè)機器人在風力發(fā)電機組裝配中應(yīng)用較少，很多方面幾乎是空白。隨著人力勞動成本的增加、生產(chǎn)人員對生產(chǎn)環(huán)境要求的提高，以及制造工藝的改變，風力發(fā)電機組整機制造企業(yè)需要建立自動化及智能化裝配系統(tǒng)來更好地完成整機裝配作業(yè)。筆者重點介紹工業(yè)機器人和機器視覺在風力發(fā)電機組變槳軸承裝配中的應(yīng)用。

2 機器人裝配平臺

風力發(fā)電機組變槳軸承裝配中，采用工業(yè)機器人自動安裝緊固件方法，結(jié)合視覺定位和柔性機構(gòu)，實現(xiàn)工業(yè)機器人對大工件的準確定位和大出力操作。機器人實現(xiàn)自動裝配的關(guān)鍵技術(shù)包括三維視覺定位技術(shù)、機器人狀態(tài)實時檢測技術(shù)、機器人軟件仿真技術(shù)。

基于工業(yè)機器人為裝配操作中心構(gòu)建風力發(fā)電機組變槳軸承裝配平臺，如圖1所示。該平臺共包括四部分：① 工件定位系統(tǒng)，主要包括平臺、伺服電機、回轉(zhuǎn)支承、定位工裝；② 工業(yè)機器人，包括底座、機械臂；③ 機器視覺定位和誤差補償系統(tǒng)；④執(zhí)行機構(gòu)，包括螺栓拉伸器。

伺服電機和回轉(zhuǎn)支承組成了轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)，通過編碼器脈沖反饋和伺服驅(qū)動控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)輪轂變槳軸承組件三個工作面的工件定位。

機械臂采用六關(guān)節(jié)型，借助機械臂移動范圍大、自由度高的特點，配合視覺傳感器實現(xiàn)對輪轂的多點檢測。機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)裝有液壓拉伸器和視覺傳感器。

圖1 風力發(fā)電機組變槳軸承裝配平臺

機器視覺由一個普通二維相機和一個十字交叉的激光傳感器組成，由機械視覺定位來補償機器人的空間位置和方位誤差。

執(zhí)行機構(gòu)是液壓拉伸器，借助高壓泵提供的液壓動力，通過控制拉伸器壓力，進而控制螺栓的安裝預緊力。

3 裝配設(shè)計難點

工業(yè)機器人裝配設(shè)計是風力發(fā)電機組變槳軸承裝配平臺的關(guān)鍵。根據(jù)風力發(fā)電設(shè)備的特點，主要難點包括大型零部件定位、螺栓預緊力控制和人機安全策略等。

3.1 大型零部件定位

大型零部件定位精度主要包括加工誤差、裝配誤差和工業(yè)機器人的定位誤差等。

通過視覺補償可以提高工業(yè)機器人的定位精度。針對風力發(fā)電機組變槳軸承裝配的特點，提出了采用二維視覺定位與三維視覺定位相結(jié)合的方法。機器人視覺標定是機器人離線編程的核心，視覺系統(tǒng)的標定是機器人靈活應(yīng)用的關(guān)鍵［3］。筆者不對視覺傳感器的內(nèi)部參數(shù)標定做研究，而是重點介紹視覺傳感器外部參數(shù)的測量和補償方法［4］。

采用浮動支承減小裝配時的反作用力。通過順從傳感器和機器人系統(tǒng)的結(jié)合，實現(xiàn)機械臂的柔性化作業(yè)［5］，避免由于螺栓在擰緊時產(chǎn)生巨大反作用力對機器人造成傷害。

3.2 螺栓預緊力控制

液壓拉伸器在鎖緊或拆卸螺栓時，螺栓只受拉伸力正向作用，消除了擰緊螺母時因摩擦而產(chǎn)生力的損耗和螺桿扭力的分解［6］。工業(yè)機器人與液壓拉伸器建立信息聯(lián)系，保證液壓拉伸器的壓力控制精度，從而控制螺栓預緊力的精度和離散度。

3.3 人機安全策略

配置安全光幕、安全掃描區(qū)及安全門開關(guān)等多種安全器件，形成可靠的安全電氣硬線回路，保證工人在作業(yè)面的人身安全。

4 視覺定位技術(shù)

風力發(fā)電機組變槳軸承裝配中，要求工業(yè)機器人識別安裝平面螺栓孔的位置，并且將螺栓垂直于安裝平面放入螺栓孔內(nèi)。對于螺栓孔中心點而言，實際構(gòu)成了一個由X、Y、Z、Rx、Ry、Rz構(gòu)成的六自由度空間位置點。

視覺傳感器由一個普通二維相機和一個十字交叉的激光傳感器組成，如圖2所示，可實現(xiàn)六自由度的檢測。激光傳感器在相機焦平面上投射兩道十字交叉的激光線，利用三角反射原理得到垂直方向的數(shù)據(jù)集。普通二維相機獲取二維平面數(shù)據(jù)。通過將二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)相擬合，最終得到一個六自由度的三維空間坐標。

圖2 視覺傳感器

空間一個點H相對于機械手臂坐標原點O的實際位置為（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz），轉(zhuǎn)換成相機坐標系OXYZp下的位置（Xp，Yp，Zp），R為坐標轉(zhuǎn)換矩陣，T為位置誤差，則有：

令Rx＝α、Ry＝β、Rz＝γ，計算坐標轉(zhuǎn)換矩陣：

二維相機坐標位置為 MP（Xp，Yp），Z軸旋轉(zhuǎn)角度Rz＝γ。動態(tài)補償初始位置為當前點，T＝0，從當前位置移動到目標位置，實際移動為M（ΔX，ΔY），相機坐標移動位置為 MP（ΔXp，ΔYp），Z軸不移動，則有：

計算得到γ，將γ代入得到移動位置MP（Xp，Yp），進而得到目標實際位置為＝H1（X，Y，Rz）。

5 位置補償技術(shù)

激光傳感器在相機焦平面上投射兩道十字交叉的激光線，由三角反射原理得到垂直方向的數(shù)據(jù)集［7］。三角反射原理如圖3所示，將激光線由發(fā)射點A投射到物體表面B，經(jīng)過物體表面漫反射得到投影點E，經(jīng)過測得AE的距離，計算到B點的實際距離。動態(tài)補償，如果B點移動到C點，則投影E點將移動到F點。通過計算可以得到移動距離ZP，如果物體平面與相機平面夾角為α，那么實際法向距離Z＝Zpcosα。

假定空間一個點H相對于機械手臂坐標原點O的實際位置為（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz），激光傳感器坐標位置為 MP（Xp、Yp），X 軸旋轉(zhuǎn)角度Rx＝α，Y軸旋轉(zhuǎn)角度Ry＝β。動態(tài)補償初始位置為當前點，T＝0，從當前位置移動到目標位置，實際移動為M（ΔZ），相機坐標移動位置為MP（ΔXp，ΔYp），X和Y軸不移動，則有：

圖3 三角反射原理

計算得到（α，β），將（α，β）代入，得到移動位置MP（Xp，Yp），進而得到目標實際位置為 H2（Z，Rx，Ry）。

由H1和H2組合成實際點的位置H＝（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz）。

6 狀態(tài)實時檢測技術(shù)

狀態(tài)實時檢測技術(shù)實現(xiàn)了機器人工作狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)化實時檢測與顯示［8］，可在中控計算機和聯(lián)網(wǎng)移動終端設(shè)備上監(jiān)視機器人的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

7 軟件仿真技術(shù)

通過軟件仿真技術(shù)［9］，在計算機中模擬機器人安裝和擰緊的實際工作過程，為方案設(shè)計、現(xiàn)場位置布局、可行性分析、生產(chǎn)節(jié)拍驗證等一些列工作提供理論依據(jù)。

8 項目工作流程

風力發(fā)電機組變槳軸承裝配工作流程如下。

（1）將預安裝變槳軸承的輪轂吊裝至轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺回到工作位置，啟動機械臂。

（2）粗定位。機械臂移動到指定位置，對葉片軸承上三個120°分度角的螺栓孔進行拍照，聯(lián)立求出三角形外接圓圓心和法向基準工作面，并求解單個螺栓孔的參考位置。

（3）機械臂拾取螺栓，并通過動態(tài)定位補償實現(xiàn)最終定位，具體步驟為：① 根據(jù)粗定位接近目標點；② 采用二維定位，移動到螺栓孔位置；③ 采用三維定位，調(diào)整螺栓垂直于安裝面；④ 將螺栓安裝于螺栓孔。

（4）啟動液壓拉伸器，通過旋入套筒、扣緊螺栓、升壓并擰緊螺母、泄壓并旋出套筒、分離螺栓共五個步驟完成對螺栓的緊固。

（5）操作過程中系統(tǒng)記錄壓力值、保壓時間，螺母擰緊角度及最終擰緊后的扭矩。

9 平臺應(yīng)用

風力發(fā)電機組變槳軸承裝配平臺實物如圖4所示，目前已成功應(yīng)用于車間實際裝配操作工序中。

圖4 風力發(fā)電機組變槳軸承裝配平臺實物

機器人平臺控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示，通過可編程序控制器基于輸入輸出信號直接控制工件定位等。其中拉伸器控制、人機界面與可編程序控制器通過工業(yè)Pr ofinet網(wǎng)絡(luò)連接，機械臂與可編程序控制器通過Pr ofibus-DP總線連接。視覺定位直接由機器人控制器控制。

采用工業(yè)機器人視覺定位和位置補償技術(shù)，提高了工業(yè)機器臂的運行精度。圖6所示為機械臂定位單個螺紋孔的位置和方位。通過多次試驗測量分析，平臺機械手臂的單方向位置誤差不大于0.3 mm，單方向方位誤差不大于0.04°，安裝500 mm螺栓定位綜合誤差不大于0.92 mm，極限誤差不大于1.2 mm。根據(jù)螺栓孔與螺栓的設(shè)計直徑間隙3 mm、單邊間隙1.5 mm，平臺機械臂的精度完全滿足螺栓的安裝要求。通過機械臂的浮動支承裝置，消除定位誤差產(chǎn)生的安裝應(yīng)力，保證了機械臂的安全運行。

圖5 機器人平臺控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖6 機械臂定位螺栓孔位置和方位

10 結(jié)論和展望

風力發(fā)電是再生能源的主要形式，大力發(fā)展風力發(fā)電已經(jīng)是全球眾多國家解決能源和環(huán)境問題的重要手段。應(yīng)用了工業(yè)機器人和機器視覺的風力發(fā)電機組變槳軸承裝配平臺解決了風力發(fā)電設(shè)備安裝中存在的大累積誤差、多自由度定位和重載等弊端。應(yīng)用中，視覺定位和位置補償技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。這一平臺提高了變槳軸承的裝配質(zhì)量，降低了工序?qū)θ说囊蕾囆裕约肮と说膭趧訌姸?，解決了因人員疲勞引發(fā)的安全隱患和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等一系列問題［10］，為工業(yè)機器人在風力發(fā)電機組裝配中的應(yīng)用提供了參考。