一種并聯(lián)智能軸承壓裝系統(tǒng)設計

王紅軍， 毛向向， 張金昶

（北京信息科技大學a.高端裝備智能感知與控制北京市國際科技合作基地；b.機電工程學院，北京100192）

0 引 言

壓裝機是實現(xiàn)過盈配合的壓力裝配設備。目前，軸承過盈配合裝配大多使用四柱式液壓壓裝機［1］，液壓壓裝機的4 根立柱起導向作用、支撐整個壓裝機上部機構質量的作用以及在壓裝時由于壓裝力而產生的附加在立柱上的軸向載荷的作用，在承擔拉伸載荷或者是壓縮載荷的情況下，4 根立柱可能發(fā)生微小的彎曲變形，這些變形使立柱與壓裝板滑塊之間的縫隙變小，壓力變大從而增大摩擦力。如果壓裝時壓裝頭與伺服電缸的壓桿不在同一軸線上，壓裝板承受傾覆力矩，使得立柱與壓裝板之間的縫隙變小，造成滑塊與立柱之間的磨損加大，甚至造成卡死的現(xiàn)象。極少數(shù)輕型過盈裝配采用氣壓壓裝機，但其所提供的壓裝力較?。?-3］。目前使用于自動裝配線的壓裝機，要求高效率和高智能實現(xiàn)快速壓裝。

Hunt首次提出6 自由度并聯(lián)機構作為機器人操作器。Clavel［4］發(fā)明了一類3 自由度空間平移并聯(lián)機器人，具有承載能力大、運動耦合弱、重復定位精度高、剛度大等優(yōu)點?；贒elta 概念的平行運動機器人FlexPicker被應用于工業(yè)柔性生產線中，代替人工進行面包的加工和處理等一系列操作［5］。瑞士ABB 公司基于Delta 機器人設計了一款機械手臂［6］，速度可達10 m／s，加速度可達100 m／s2。德國博世公司的并聯(lián)機械臂產品用于生產線實現(xiàn)了生產線的高效化、靈活化及柔性化［7］。張利敏等［8］則將Delta 機構簡化為平面機構Diamond 用于鋰離子電池自動分揀，所需工作空間進一步減少。本文設計了基于并聯(lián)機構的軸承壓裝機，來解決壓裝機工作速率慢、重復定位精度低、液壓油泄露污染環(huán)境等問題。

1 換擋機構軸承壓裝工藝

某換擋機構內部結構如圖1 所示。換擋機構由軸承、蝸桿、擋套、底板、殼體、電動機、防衛(wèi)板等部件組成。圖中，與壓裝機有關的步驟包括軸承的壓裝以及軸承與蝸桿裝配體的壓裝［9-10］，如圖2 所示。

圖1 換擋機結構圖

壓裝過程在同一條直線導軌上完成，導軌上安裝了不同的兩套夾具對應了電動汽車換擋機構的兩種型號。兩種型號的換擋機構都要在這一裝配線，即這一導軌上完成軸承，蝸桿與軸承的裝配體兩部分的壓裝。也就是說要完成4 項任務。壓裝機的相關參數(shù)要求如下：壓裝行程139 mm，壓裝力≤500 kg，重復定位精度±0.01 mm，壓力精度3%。

圖2 換擋機構壓裝機裝配工藝流程圖

2 并聯(lián)智能軸承壓裝機設計

2.1 壓裝機的功能

壓裝機需要完成裝配線中的1＃裝配滑臺，底部軸承的壓裝與頂部軸承和蝸桿組合體的壓裝。與壓裝有關的工藝流程見圖2，具體步驟如下：

（1）機械臂將主殼體從料倉里取出，放到1＃裝配滑軌上的夾具體上，伺服電動機驅動的夾緊裝置夾緊主殼體。

（2）滑臺帶動主殼體移動到涂油工位，在底端涂上潤滑油，降低底部軸承壓裝時軸承與孔之間的摩擦。

（3）與底部軸承對應的機械抓手將底部軸承從料車中的料盤里拿出，并放置到主殼體的對應位置。

（4）滑臺帶動涂過油并將底部軸承安放到位的主殼體沿著1＃裝配導軌移動到壓裝工位。

（5）壓裝機進行壓裝，壓裝工作分為快速進給、壓裝、快速退出3 步?？焖龠M給為壓裝機的執(zhí)行機構，即壓裝頭在滑臺移動的主殼體以及底部軸承到達壓裝工位，此時底部軸承、軸承安裝孔以及壓裝頭是在同一豎直軸線上的，由等待位置以較快的速度進給到與底部軸承即將接觸的位置。壓裝為壓裝頭由快速轉變?yōu)檩^慢的速度，以較慢的速度獲取更大的壓裝力，將底部軸承壓到軸承安裝孔的底部。在完成壓裝后，壓裝頭以較快的速度從主殼體中退出并回到等待位置。

并聯(lián)智能軸承壓裝機加裝CCD攝像頭，采用圖像識別技術自動識別零件實現(xiàn)智能柔性壓裝。在滑臺帶動夾具以及主殼體移動到壓裝工位時，激光測距儀所測量的滑臺位置變?yōu)閴貉b位置，激活攝像機進行拍照，拍得的圖片傳回控制器中進行圖像處理并自動識別，判斷當前所要進行的壓裝任務，使得壓裝機可以根據(jù)不同的壓裝要求作出不同的壓裝動作，控制壓裝機末端執(zhí)行器移動到對應的壓裝位置，壓裝頭與被壓件對齊進行壓裝。只需要一個壓裝工位就能完成多個壓裝步驟，實現(xiàn)壓裝的智能化。

智能壓裝機引入了一臺工業(yè)級攝像機，通過結合圖像特征識別技術根據(jù)需求實時調整生產任務，實現(xiàn)了工廠的柔性化生產。在滑臺帶動夾具以及主殼體移動到壓裝工位時，激光測距儀所測量的滑臺位置變?yōu)閴貉b位置，激活攝像機進行拍照，拍得的圖片傳回控制器中進行灰度化、噪音消除以及二值化的處理。再將處理完的圖片進行輪廓提取，并與庫中的模型進行對比，判斷當前所要進行的壓裝任務，使得壓裝機可以根據(jù)不同的壓裝要求作出不同的壓裝動作，控制壓裝機末端執(zhí)行器移動到對應的壓裝位置，壓裝頭與被壓件對齊并進行壓裝。只需要一個壓裝工位就能完成多個壓裝步驟，實現(xiàn)了壓裝的智能化。

基于并聯(lián)機構的智能壓裝機，結構緊湊，僅占用了不到1 m2的工作空間，在相同的工作空間內可以布置更多的壓裝機，進一步提高企業(yè)的生產力。相比于傳統(tǒng)的液壓或氣壓壓裝機來說，智能壓裝機使用電能為動力來源，避免了油液的漏出對環(huán)境造成污染，減小了對工人身體的損害。

2.2 壓裝機方案設計

并聯(lián)機構由3 條相同的運動學支鏈組成，3 條支鏈均為RRR 型支鏈，電動機驅動主動臂旋轉，主動臂的末端與動平臺間，用一上下可繞水平軸轉動，左右可偏移的平行四邊形連接。平行四邊形的上邊位置的水平軸與驅動軸相平行，所以平行四邊形下邊位置的水平軸也與驅動軸相平行。即動平臺上鎖搭載的3 根軸始終分別與3 根驅動軸平行。

并聯(lián)機構的原理圖如圖3 所示，并聯(lián)機構的3 個自由度分別為3 個方向的平動，即動平臺與靜平臺會一直保持平行，豎直方向沒有旋轉，這一特點就剛好對應了多頭壓裝機所要完成的任務，即將壓裝頭在水平面上移動到與所要壓裝的壓裝件同一豎直線的位置，再在豎直方向運動完成快速進給與壓裝。

圖3 并聯(lián)機構的原理示意圖

2.2.1 機械臂的結構設計

并聯(lián)機構的兩段機械臂分別承擔了以彎曲和擠壓為主的載荷。為了減輕機構質量，提高運動速度與靈敏度，采用盡量輕的結構。由一段主要承擔彎曲載荷的桿構成主動臂，由一主要承擔擠壓載荷的桿構成從動臂。機械臂的各個結構尺寸如下：靜平臺外接圓的半徑R ＝100 mm，運動平臺外接圓的半徑r ＝100 mm，主動臂的長度L ＝150 mm，從動臂的長度M ＝322 mm，如圖4 所示。

圖4 壓裝機主要構件的尺寸（mm）

壓裝機并聯(lián)機構采用了在中部與底部的軸兩端再設旋轉副，使兩個旋轉副的軸線始終平行，不會讓軸線之間產生角度，保證了動平臺只可以在3 個方向平動。在從動臂部分的兩根桿與動平臺相連接的地方，用軸承連接的方式實現(xiàn)從動臂與動平臺之間的轉動。在肘部連接處，采用球型關節(jié)連接，使結構更加簡單與輕便。

2.2.2 壓裝機工作空間分析計算

壓裝機工作時與傳送帶之間的高度是固定的，在方程Q（x，y，z）＝0 中，z坐標可以看作常數(shù)，Q（x，y，z）＝0 退化為關于x 和y 兩個變量的方程，采用MATLAB求出壓裝機在高度z時的運動空間范圍。圖5 顯示了當z坐標為390 mm時，利用MATLAB繪制出的方程Q（x，y，z）＝0 的邊界。圖中，紅色虛線、藍色實線和黑色點線分別對應取0°、120°和240°時的運動邊界，其交集為機械手臂的運動范圍。

圖5 壓裝機運動范圍

如圖5 中間的圓形區(qū)域，Q（x，y，z）＝0，取不同z，當z由大變小時，Q（x，y，z）＝0 在相應z 高度上的運動范圍會逐漸增大。

2.2.3 壓裝機運動學模型仿真

壓裝機第i條主動臂相對于定平臺的中心點O分布相等的角度都是αi（α1，2，3＝0°，120°，240°），主動臂與靜平臺的夾角為θi，如圖6 所示。動平臺連接的吸盤的幾何中心相對定平臺的基座標系坐標（x，y，z），由各個支鏈中主動臂、從動臂、原點之間的幾何關系可知：

圖6 坐標系方位關系

令點O′輸入坐標為O′＝［x y z］T，則點Bi的坐標可表示為

式中，ai＝0°，120°，240°。

利用三角變換公式對上述公式進行變形得：

式中，θ ＝arctan（ai／bi）。因≤1，可以得到以下不等式：

令其展開式表示為函數(shù)Q（x，y，z），展開結果為：

以上不等式代入各項參數(shù)求解得機械臂的運動范圍是近似直徑390 mm的圓形。

2.2.4 壓裝機位置反解

對式（5）進行適當?shù)臄?shù)學變換得：

利用三角函數(shù)對式（10）進行變形得：

根據(jù)壓裝機的結構關系，最終可以確定θi的最終表達式：

根據(jù)以上推導得到了該并聯(lián)機構運動學的反解公式，并在Matlab中編寫程序進行求解，運行結果如表1所示。

表1 Matlab程序運行結果

2.2.5 關鍵部件支撐框架的結構設計

壓裝機要放置在零件壓裝工位的上部，需要一個支撐框架來給壓裝機以及滑軌提供固定的位置。支撐框架的主體主要由80 ×80 的工業(yè)鋁材搭建而成，每一根鋁材之間用角件以及螺栓螺母連接。支撐框架與地面接觸的地方由金屬蹄腳支撐，可以通過調整金屬蹄腳的狀態(tài)來使框架整體為一個中正的位置。圖7 為支撐框架。

圖7 支撐框架

智能壓裝機主要由支撐框架、靜平臺、主動臂、從動臂、動平臺、壓裝頭、夾具、攝像頭、產品、工作臺、導軌等部件構成。Solidworks 虛擬裝配示意圖如圖8所示。

圖8 虛擬裝配示意圖

在工作臺帶動夾具以及產品移動到攝像頭正下方位置時，激光測距儀所測量的工作臺位置變?yōu)槌跏嘉恢?，激活攝像機進行拍照。圖片傳回控制器中進行灰度化、噪音消除以及二值化的處理，再將處理完的圖片進行輪廓提取，并與數(shù)據(jù)庫中的產品模型進行對比，判斷當前所要進行的壓裝步驟。同時，工作臺移動到壓裝頭下方，激光測距儀所測量的工具臺位置變?yōu)閴貉b位置，控制壓裝機末端執(zhí)行器移動到壓裝位置，壓裝頭與產品對齊進行壓裝。

3 并聯(lián)智能軸承壓裝機零件自動識別系統(tǒng)

采用圖像識別技術實現(xiàn)零件的自動識別和壓裝，識別和控制流程如圖9 所示。由于壓裝系統(tǒng)具有壓裝件識別功能，使得壓裝系統(tǒng)可以更加靈活地適應各種裝配情況［11-12］。

圖9 識別和控制流程圖

基于圖像的零件識別技術可分為如下步驟：圖像的灰度化、二值化與邊框提?。?3-14］。圖像的灰度化處理就是將彩色的圖像轉化為灰色圖像的過程。灰色的圖像像素的顏色由R，G，B 3 個值確定，在這3 個值相等時，圖像就呈灰色?；叶葓D像的像素儲存在字節(jié)中，并且只需1 Byte，灰度的范圍為0 ～255。如圖10 所示為灰度化處理后的圖像。

圖10 圖像灰度化處理

灰度值的計算公式如下：

圖像二值化就是在圖像上選取一個閾值，將大于閾值的像素點的灰度值設置為255，小于閾值的像素點設置為0，最后使整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果的過程，如圖11 所示。

圖11 圖像二值化處理

圖像輪廓提?。杭丛诙祷瘓D像的基礎上，對圖像的邊緣輪廓進行提取，同時填補圖像中間空洞，最后留下圖像整體輪廓的過程，如圖12 所示。

圖12 圖像輪廓提取

獲取零件的圖像輪廓與標準模板進行匹配，識別不同的零件，進行壓裝機自動壓裝。圖像進行灰度化，二值化以及輪廓提取處理后，與庫中主殼體狀態(tài)輪廓圖模型進行對比。根據(jù)輪廓圖像的矩特征以及歐式距離的計算來判別圖像輪廓的相似度。取兩圖像的歐氏距離在0.005 以下判別兩張圖像為同一壓裝步驟的圖像。由于壓裝系統(tǒng)具有壓裝件識別功能，使得壓裝系統(tǒng)可以更加靈活地適應各種裝配情況。

4 結 語

針對新能源汽車變速器換擋機構的裝配線軸承壓裝的自動化和智能化需求，研究設計了并聯(lián)智能壓裝系統(tǒng)，采用了速度快、重復定位精度高的并聯(lián)機構，顯著提高了壓裝機的工作效率和產品合格率。研究的基于機器視覺的零件自動識別系統(tǒng)，通過攝像頭采集圖像，對不同類型的產品進行自動識別，切換到對應的壓裝工序，滿足了提高生產效率和實現(xiàn)柔性生產的需求，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，具有一定的推廣價值。