淺析機(jī)器人在油氣田機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 亮，胡凱博，李東東，蒲 江

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心 （陜西 西安 710018）

1 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用情況

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用包括焊接、刷漆、組裝、采集和放置[1]。

2 機(jī)器人在油氣田機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)的功能

在油氣田機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)系統(tǒng)中，機(jī)器人所要完成的工作是從上料區(qū)的旋轉(zhuǎn)托盤抓取法蘭，放置在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工裝上，將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量完成的法蘭抓取放置到環(huán)形流水線上料工位，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果將環(huán)形流水線下料工位的法蘭分別放置在不合格料盒和合格托盤中，合格托盤中的法蘭按照排放程序依次排放[2]。檢驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

3 機(jī)器人的選型

在規(guī)劃?rùn)z驗(yàn)的法蘭規(guī)格范圍內(nèi)，最重法蘭的規(guī)格為DN100-1500Lb的帶頸對(duì)焊法蘭，法蘭的近似質(zhì)量為31.33 kg[3]。機(jī)器人抓取法蘭還需配備適宜的工裝。根據(jù)法蘭外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用夾持法蘭外圓的方式實(shí)現(xiàn)法蘭的抓取，抓取的工裝為氣驅(qū)電磁閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)外接氣源，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾緊或放松，加持機(jī)構(gòu)配備不同規(guī)格卡爪（圖2），實(shí)現(xiàn)不同外徑法蘭的抓取。執(zhí)行機(jī)構(gòu)加上卡爪的最大重量為35 kg，加上最重法蘭31 kg，機(jī)器人的抓取重量至少為70 kg?？紤]到抓取過(guò)程回轉(zhuǎn)、急停加速度產(chǎn)生的力以及安全系數(shù)[4]，最終確定的機(jī)器人抓取重量級(jí)別為100 kg級(jí)。最終選取的機(jī)器人為SRA100-01-FD11-0000型機(jī)器人，其規(guī)格參數(shù)如圖3所示。

圖1 檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

圖2 適用不同法蘭外徑的卡爪

圖3 機(jī)器人規(guī)格參數(shù)

4 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用

機(jī)器人可以按照編輯的路徑進(jìn)行法蘭的轉(zhuǎn)移，但在將法蘭裝夾在法蘭檢驗(yàn)工裝的過(guò)程中，無(wú)法每次準(zhǔn)確無(wú)誤地將法蘭孔放置在定位銷上，這就需要將法蘭水平旋轉(zhuǎn)一定角度，且角度范圍不可過(guò)大，否則無(wú)法準(zhǔn)確裝夾。雖然在上料托盤處增加了紅外十字光標(biāo)，但上料托盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程本身存在系統(tǒng)誤差，加上人工放置的人為誤差，無(wú)法保證角度準(zhǔn)確可靠。因此選擇視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)配合機(jī)器人抓取，本系統(tǒng)中所使用的視覺(jué)識(shí)別就是一個(gè)參照物比對(duì)的原理。首先需要建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景，視覺(jué)識(shí)別通過(guò)檢測(cè)識(shí)別場(chǎng)景與標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景的對(duì)比，自動(dòng)對(duì)偏移與旋轉(zhuǎn)量進(jìn)行校對(duì)，計(jì)算出偏移參數(shù)坐標(biāo)；接著，將結(jié)果發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)偏移坐標(biāo)進(jìn)行校正，保證最終運(yùn)行位置與標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景一致[5]；最終，將視覺(jué)相機(jī)集成在機(jī)器人夾具上（圖4）。目前所使用的歐姆龍視覺(jué)控制器具有高穩(wěn)定性和相機(jī)的高分辨率，控制器自帶多種功能，可以實(shí)現(xiàn)形狀搜索、對(duì)位等功能，滿足使用要求，同時(shí)還具有多種通信功能（232C,Ethernet），可以實(shí)現(xiàn)與不同廠家控制器通信。

5 機(jī)器人運(yùn)行軌跡編程

機(jī)器人編寫作業(yè)程序的流程如圖5所示。通過(guò)手動(dòng)操作，選取記錄機(jī)器人運(yùn)行軌跡的坐標(biāo)點(diǎn)，并將其保存，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人將根據(jù)所取坐標(biāo)點(diǎn)的軌跡運(yùn)行。但在運(yùn)行過(guò)程中，相鄰兩位置點(diǎn)，機(jī)器人選擇最短路徑執(zhí)行，因此選擇坐標(biāo)點(diǎn)的位置要避讓運(yùn)行軌跡上的障礙物。

圖4 視覺(jué)識(shí)別與夾持執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成

圖5 編寫作業(yè)程序流程

為了使裝在機(jī)器人前端的工裝動(dòng)作或讀入確認(rèn)工件的信號(hào)，將應(yīng)用命令（功能）記錄于作業(yè)程序內(nèi)的適當(dāng)位置。此外，為了進(jìn)行復(fù)雜作業(yè)，可能會(huì)調(diào)用別的作業(yè)程序，或依外部信號(hào)的狀態(tài)跳到別的作業(yè)程序，這些也作為應(yīng)用命令加以記錄。

具有代表性的應(yīng)用命令一般使用符合機(jī)器人語(yǔ)言SLIM（Standard Language for Industrial Manipulators）的格式表示。此外，應(yīng)用命令也能以“FN***”的形式指定，***的部分為1～3位的數(shù)字（***稱為功能號(hào)碼）。機(jī)器人的程序就是由軌跡位置點(diǎn)與該位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功能程序構(gòu)成。本系統(tǒng)使用的部分機(jī)器人程序及對(duì)應(yīng)功能如圖6所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

在油氣田機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)系統(tǒng)中，機(jī)器人的使用進(jìn)一步提高了檢驗(yàn)的自動(dòng)化程度，也是一次成功的嘗試。今后將根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)情況，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)機(jī)器人的功能，使該設(shè)備得到更廣闊應(yīng)用。

圖6 機(jī)器人程序及說(shuō)明