面向螺紋缺陷檢測的協(xié)同控制平臺設(shè)計

李贊澄 時宇航 張祥祥 程五四

摘要：固體火箭發(fā)動機各零件裝配采用螺紋連接，螺紋的質(zhì)量直接關(guān)系到組裝效率、質(zhì)量和安全等各個方面，目前主要是人工使用校對規(guī)法及三針法等對螺紋的指標(biāo)進(jìn)行檢測，檢查精度較差，費時耗力，人為因素影響大，無法適應(yīng)大批量組裝需求。基于上述背景，結(jié)合某型固體火箭發(fā)動機的總裝需求，構(gòu)建了一套集視覺識別、精準(zhǔn)定位和協(xié)同抓取的螺紋缺陷檢測一體化平臺，用以實現(xiàn)零件螺紋缺陷檢測、移栽等動作的自動化運行，改善人工作業(yè)條件，縮短裝配前準(zhǔn)備周期。

關(guān)鍵詞：缺陷檢測；機器視覺；機器人；自動化

1 引言

隨著復(fù)合材料和高分子化學(xué)材料技術(shù)日益發(fā)展，固體火箭發(fā)動機技術(shù)日益成熟，被廣泛用在各類小型、近程的軍用火箭和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上。固體火箭發(fā)動機主要由殼體、固體推進(jìn)劑、噴管組件和點火裝置等四部分組成，各零件裝配采用螺紋連接，螺紋的質(zhì)量直接關(guān)系到組裝效率、質(zhì)量和安全等各個方面，目前主要是人工使用校對規(guī)法及三針法等對螺紋的指標(biāo)進(jìn)行檢測，檢查精度較差，費時耗力，人為因素影響大，無法適應(yīng)大批量組裝需求。

在螺紋測量方面，非接觸式測量包括滲透檢測、超聲檢測、磁粉檢測、渦流檢測和視覺檢測等，作為工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的重要支撐和保障技術(shù)，在工業(yè)檢測方面具有廣泛應(yīng)用。其中，機器視覺檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù)，已經(jīng)在醫(yī)療、食品、國防和工業(yè)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，對比于人工檢測，機器視覺檢測在速度、精度、穩(wěn)定性、環(huán)境要求以及集成度方面均有優(yōu)勢[1-5]。因此，開展基于機器視覺的螺紋缺陷檢測及感知是十分必要的。

基于上述背景，結(jié)合某型固體火箭發(fā)動機的總裝需求，本文構(gòu)建了一套集視覺識別、精準(zhǔn)定位和協(xié)同抓取的螺紋缺陷檢測一體化平臺，用以實現(xiàn)零件螺紋缺陷檢測、移栽等動作的自動化運行，改善人工作業(yè)條件，縮短裝配前準(zhǔn)備周期。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

采用成熟的成品工業(yè)機器人為基礎(chǔ)，設(shè)計專用的末端作業(yè)工具，開發(fā)面向螺紋缺陷檢測的協(xié)同控制平臺，實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機組裝過程中的螺紋缺陷檢測自動化。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

考慮到各個子系統(tǒng)獨立運行的需求，本套面向螺紋缺陷檢測的協(xié)同控制平臺的系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

系統(tǒng)架構(gòu)由執(zhí)行系統(tǒng)、視覺處理系統(tǒng)和檢測工位組成。執(zhí)行系統(tǒng)由通用六關(guān)節(jié)機器人、機器人控制器和末端作業(yè)工具組成；視覺處理系統(tǒng)由相機和工控機組成；檢測工位由檢測臺、轉(zhuǎn)臺等組成。將相機連接到工控機，相機負(fù)責(zé)采集圖像和傳輸圖像到工控機，工控機上運行著圖像處理軟件，控制相機采集圖像、處理圖像和返回圖像處理結(jié)果。機器人控制器通過以太網(wǎng)與工控機連接，控制機器人抓取零件放置到檢測臺，工控機控制相機拍照并獲得拍攝的圖像。進(jìn)行圖像處理后，工控機向機器人控制器發(fā)送相應(yīng)抓取、移栽等的位置信息。

2.2 系統(tǒng)整體布局

在完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，本套面向螺紋缺陷檢測的協(xié)同控制平臺的系統(tǒng)整體布局，如圖2所示。

其中，“機械臂1+末端作業(yè)模塊”負(fù)責(zé)對待測零件進(jìn)行抓取、移栽到檢測工作臺；檢測工作臺上設(shè)置執(zhí)行單元和工業(yè)相機，負(fù)責(zé)對零件成像、螺紋缺陷視覺識別及檢測；檢測合格的零件，由“機械臂1+末端作業(yè)模塊”負(fù)責(zé)將零件抓取、移栽到緩存工作臺；檢測不合格零件，一方面通知人員處理，另一方面由“機械臂2+末端作業(yè)模塊”移栽到不合格區(qū)域。機械臂通過控制箱與工控機相連，工業(yè)相機通過以太網(wǎng)與工控機相連，完成硬件聯(lián)通和信息交互。

2.3 系統(tǒng)工作流程

面向螺紋缺陷檢測的協(xié)同控制平臺的系統(tǒng)工作流程，如圖3所示。

操作人員將零件放置于待測工作臺托盤；工控機驅(qū)動機械臂1及末端執(zhí)行器抓取零件放置于檢測工作臺；由工業(yè)相機對零件螺紋進(jìn)行圖像采集，工控機實現(xiàn)螺紋圖像的處理，當(dāng)檢測到螺紋缺陷時，機械臂1抓取缺陷零件放置到不合格區(qū)域，提醒操作員零件螺紋存在缺陷，進(jìn)而剔除；對于螺紋檢測合格的零件，由機械臂1抓取后放置到緩存工位指定位置，并對信息進(jìn)行記錄，完成理料工作。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計方案

基于上述的總體設(shè)計方案，下面對本套面向螺紋缺陷檢測的協(xié)同控制平臺進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)模塊組成

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括雙臂協(xié)同操作模塊、末端作業(yè)模塊和視覺識別檢測模塊三部分。其中，雙臂協(xié)同操作模塊包含機械臂本體及專用的控制柜。末端作業(yè)模塊作為執(zhí)行機構(gòu)，安裝于機械臂的末端。視覺識別檢測模塊由工業(yè)相機和照明光源等組成，負(fù)責(zé)圖像采集工作。將各模塊通過不同的端口連接起來，在一臺工控機上控制各模塊運行，以完成對目標(biāo)對象的識別、定位和移栽。系統(tǒng)組成如圖4所示。

工控機通過以太網(wǎng)與機械臂連接以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，即發(fā)送控制指令給控制柜，控制柜驅(qū)動機械臂執(zhí)行相應(yīng)的運動，同時讀取控制柜反饋的機械臂各關(guān)節(jié)傳感器信息。末端作業(yè)模塊的控制器也接入控制柜中，工控機可以給末端作業(yè)模塊發(fā)送指令，控制執(zhí)行機構(gòu)的開合狀態(tài)。此外，工控機通過以太網(wǎng)與工業(yè)相機連接，觸發(fā)相機驅(qū)動軟件采集高精度圖片。

3.2 雙臂協(xié)同操作模塊設(shè)計

雙臂協(xié)同操作模塊主要用于零件抓取、移栽等動作，主體為機械臂。本系統(tǒng)選用丹麥Universal Robots公司開發(fā)的UR5六關(guān)節(jié)工業(yè)機器人，除機械臂之外，還配備了控制箱、軟件系統(tǒng)和可視編程控制界面，如圖5所示。

該型機器人由6個關(guān)節(jié)和擠壓鋁管組成，所有關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)1到6分別為：機座、肩部、肘部、手腕1、手腕2和手腕3。其中機座可以確定機器人的安裝位置，手腕3可以連接工具以滿足需求。前三個關(guān)節(jié)主要控制機器人末端的位置，后三個關(guān)節(jié)主要控制機器人末端的姿態(tài)。

該型機器人具有安全易用、設(shè)計小巧的特點，不需要安裝防護(hù)圍欄就可與人協(xié)同工作，可以完成抓取、放置等輕量級的協(xié)作流程，并且能夠在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)便捷地移動和安置，靈活布置在多個不同的工作點。

3.3 末端作業(yè)模塊設(shè)計

協(xié)作機器人末端作業(yè)模塊一般分為兩大類，一類是以靈巧手形式具有仿人手作業(yè)的通用工具，如電動/氣動夾爪、繩驅(qū)多指手、柔性氣動手指等；另一類是于制造作業(yè)相關(guān)的工具，通過機械工裝與機械臂末端相連，控制接口與控制箱相連，如用于焊接作業(yè)的激光焊接工具、用于螺裝的氣動螺裝工具和PCB錫焊工具等。

考慮到本平臺檢測零件對象的外形為圓柱形或六邊形，且單個重量較輕，因此采用三爪平行開閉式氣動夾爪的設(shè)計方案，通過外部夾抱方式實現(xiàn)對零件的抓取和放置。氣動夾爪模型如圖6所示。

本系統(tǒng)末端作業(yè)模塊由空氣壓縮機、空氣油水分離器、磁性開關(guān)和氣動夾爪組成，如圖7所示。空氣壓縮機為氣動夾爪提供壓縮空氣，通過空氣油水分離器過濾水分和油分等雜質(zhì)后，磁性開關(guān)控制氣動夾爪的開閉，用于實現(xiàn)零件的抓取和放置。

3.4 視覺識別檢測模塊設(shè)計

視覺識別檢測模塊是螺紋缺陷檢測的核心部件，主要包括工業(yè)相機、照明單元及執(zhí)行單元。

本系統(tǒng)采用邁德威視MV-GEC2000M-TPO工業(yè)相機，該產(chǎn)品具有信息讀取方式簡單、輸出信息速率快、體積小和集成度高等優(yōu)點。照明單元則采用LED平面光源，保證被測零件照明均勻，采集的圖像信息特征明顯。

執(zhí)行單元用于支持零件螺紋的正面和背面圖像的采集，根據(jù)圖像處理單元處理結(jié)果，采用不同的執(zhí)行動作處理。執(zhí)行單元主要由轉(zhuǎn)臺、工裝等組成。轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)依靠控制電機實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，使得零件旋轉(zhuǎn)指定角度方便相機拍照需要。工裝可適配不同規(guī)格零件的放置及定位。執(zhí)行單元模型如圖8所示。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合某型固體火箭發(fā)動機的總裝需求，分析零件感知特性及移動要求，基于機器視覺、機器人控制等技術(shù)，提出了一套面向螺紋缺陷檢測的協(xié)同控制平臺的設(shè)計方案。依據(jù)設(shè)計方案，開發(fā)了原型系統(tǒng)，實物如圖9所示。通過原型系統(tǒng)的應(yīng)用與驗證，實現(xiàn)了總體設(shè)計目標(biāo)，即零件識別、移栽等動作能夠自動化運行，從而改善人工作業(yè)條件，縮短裝配前準(zhǔn)備周期。

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