基于視覺識(shí)別及機(jī)器人技術(shù)的半軸與變速箱自動(dòng)擰緊設(shè)備

胡國武

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，佛山 528225）

半軸是汽車的重要傳力零件，不僅要傳遞來自發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，還要承受車輪上作用的垂直力、側(cè)向力以及牽引力和制動(dòng)力形成的縱向力[1]。半軸采用螺栓與變速箱連接。這個(gè)連接需要具有足夠的強(qiáng)度和可靠性，以確保車輛在高速行駛時(shí)不會(huì)發(fā)生故障或安全問題。當(dāng)前，汽車主機(jī)廠內(nèi)半軸與變速箱的螺栓擰緊大多為操作者手動(dòng)擰緊。操作者長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，漏擰錯(cuò)擰時(shí)有發(fā)生，在裝配效率和質(zhì)量上都需進(jìn)一步提升。文章基于視覺識(shí)別及機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一套半軸與變速箱自動(dòng)擰緊設(shè)備。

1 工藝及設(shè)備規(guī)劃前提

1.1 手動(dòng)工藝流程分解

每根半軸與變速箱由6 顆螺栓連接。操作者擰緊前先對(duì)可視窗口的1 顆螺栓做好標(biāo)記，然后開始擰緊可視窗口的2 顆螺栓。擰緊完成后，旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)構(gòu)120°，再擰緊2 顆螺栓。重復(fù)上面動(dòng)作，直至6 顆螺栓全部擰緊完畢。此手動(dòng)過程只能按照1-2-3-4-5-6 順序進(jìn)行擰緊，操作過程容易重復(fù)擰緊或者漏擰，如圖1 所示。如果手動(dòng)操作過程出現(xiàn)1-2-4-5-6-1 或者1-2-4-5-6，那么將導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。

圖1 手動(dòng)操作示意圖

1.2 設(shè)備工藝流程分解及節(jié)拍分析

結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)原有的工藝及設(shè)備狀態(tài)，經(jīng)過多維度評(píng)估和分析，優(yōu)化后的工藝流程及各步驟具體節(jié)拍見表1。該設(shè)備完成一個(gè)工作循環(huán)的總節(jié)拍為52 s。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)拍分解

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該半軸自動(dòng)擰緊設(shè)備主要由6 部分組成，分別為發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱定位及夾持機(jī)構(gòu)、半軸校準(zhǔn)輔助機(jī)構(gòu)、機(jī)器人主體、視覺識(shí)別裝置、擰緊槍以及其他配套設(shè)施，如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 整體機(jī)構(gòu)

圖3 夾持機(jī)構(gòu)

圖4 輔助定位機(jī)構(gòu)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱定位及夾持機(jī)構(gòu)

總裝車間的變速箱及發(fā)動(dòng)機(jī)放置在托盤上，托盤通過鏈條實(shí)現(xiàn)其在不同工位之間的輸送。托盤上的X向運(yùn)動(dòng)通過位置傳感器實(shí)現(xiàn)減速和停止，Y向取決于變速箱及發(fā)動(dòng)機(jī)放在托盤上的精度。發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱在X、Y向的位置偏差達(dá)±20 mm，超過了視覺識(shí)別的容限范圍，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱位置進(jìn)行二次定位。托盤的X向通過定位銷插入托盤的定位孔進(jìn)行定位，Y向通過左右氣缸進(jìn)行定位。為了保證擰緊過程中發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱不發(fā)生位移，在Y向和Z向各增加一個(gè)氣缸，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱進(jìn)行定位，結(jié)果整體X、Y、Z向的位置偏差在±2 mm 以內(nèi)，可為后續(xù)的視覺識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

2.2 機(jī)器人主體

機(jī)器人主體型號(hào)為KUKA VKR 210 R2700 extra，臂展為2 700 mm，負(fù)載為210 kg。每側(cè)機(jī)器人攜帶2 把擰緊槍同時(shí)擰緊，滿足半軸擰緊工況的使用要求。

2.3 視覺識(shí)別裝置

視覺識(shí)別采用COGNEX IN-SIGHT 8000 工業(yè)相機(jī)，拍照后通過人工智能算法計(jì)算當(dāng)前螺釘?shù)奈恢门c預(yù)設(shè)位置的角度，并將其反饋給伺服機(jī)構(gòu)。

2.4 定位輔助機(jī)構(gòu)

輔助定位機(jī)構(gòu)用來對(duì)半軸Y方向定位，并旋轉(zhuǎn)半軸確保螺栓在預(yù)設(shè)位置。Y方向定位和旋轉(zhuǎn)由伺服電機(jī)完成。

2.5 擰緊裝置

擰緊裝置由擰緊槍、套筒、Master PC 顯示面板、控制器及夾具組成。半軸螺栓的額定力矩為50 N·m加45°轉(zhuǎn)角，最終合格的擰緊力矩為70 ～90 N·m。擰緊槍型號(hào)選用Atlas ETV_STR61-100-13，扭矩范圍為0 ～100 N·m。Master PC 顯示面板及控制器均為Atlas 擰緊槍的標(biāo)準(zhǔn)配套產(chǎn)品。

3 設(shè)備控制系統(tǒng)

設(shè)備控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、機(jī)器人、觸摸屏、照相系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、擰緊系統(tǒng)以及氣路電控系統(tǒng)等組成，如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 PLC 控制系統(tǒng)

采用PLC 通過Profinet 總線控制各個(gè)模塊，系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，應(yīng)用穩(wěn)定、安全。

3.2 機(jī)器人系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱離開上一個(gè)工位時(shí)，會(huì)把本工位的車型信息告知PLC，進(jìn)入時(shí)觸發(fā)安全模塊。安全模塊要確保發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱的進(jìn)入狀態(tài)，如果不合格，需要停線并報(bào)警。合格的情況下，要確保人員不進(jìn)入。

在PLC 獲取托盤到位信號(hào)后，夾緊機(jī)構(gòu)、輔助機(jī)構(gòu)開始定位托盤、發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱，同時(shí)機(jī)器人運(yùn)行至視覺拍照位置完成拍照，并將視覺信號(hào)傳輸至PLC。PLC 協(xié)調(diào)半軸定位機(jī)構(gòu)對(duì)半軸花鍵進(jìn)行連接，連接完成后再次拍照，PLC 再協(xié)調(diào)半軸定位機(jī)構(gòu)調(diào)整螺栓位置，調(diào)整完成后協(xié)調(diào)機(jī)器人到擰緊位置，開始擰緊。

3.3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

線體與設(shè)備交互，獲取到位信號(hào)。

3.4 擰緊系統(tǒng)

達(dá)到擰緊條件時(shí)，PLC 發(fā)送擰緊準(zhǔn)備完成指令給擰緊服務(wù)器。擰緊服務(wù)器協(xié)調(diào)擰緊槍完成2 顆釘?shù)臄Q緊動(dòng)作，并上傳系統(tǒng)。擰緊操作完成后，擰緊服務(wù)器告知PLC，進(jìn)行后續(xù)擰緊。6 顆釘擰緊完成后，如果全部合格，下一個(gè)返修工位會(huì)自動(dòng)放行。如果有釘不合格或者未擰緊，返修面板會(huì)顯示不合格釘?shù)男畔ⅲ冶仨毷謩?dòng)確認(rèn)后才可放行。

3.5 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)分2 次進(jìn)行定位。第1 次是視覺位置引導(dǎo)，可以參考懸置自動(dòng)擰緊[2]，主要計(jì)算Y方向的位移。通過視覺識(shí)別，計(jì)算花鍵Y方向的坐標(biāo)傳給PLC，引導(dǎo)Y方向伺服電機(jī)進(jìn)行花鍵對(duì)接。第2 次是視覺定位，需要計(jì)算花鍵旋轉(zhuǎn)的角度，參考角度識(shí)別的相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]。通過視覺識(shí)別，先拍到2 顆螺栓的位置，根據(jù)視覺比對(duì)找到圓心位置，然后與預(yù)設(shè)位置進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算該拍照位置與預(yù)想位置應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度，并將相關(guān)信息傳給PLC，引導(dǎo)伺服電機(jī)進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。需要說明的是，第1 次、第2 次引導(dǎo)采用的是同一個(gè)相機(jī)，安裝在機(jī)器人上，可節(jié)省成本。

圖6 半軸旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)

3.6 氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)由氣缸、夾爪、電磁閥、減壓閥以及調(diào)速閥等組成。PLC 遠(yuǎn)程輸入輸出控制氣缸電磁閥，實(shí)現(xiàn)氣缸伸出返回和夾爪的打開與夾緊。

4 驗(yàn)證及結(jié)果分析

擰緊系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控半軸螺栓的擰緊質(zhì)量，準(zhǔn)確識(shí)別哪顆螺栓擰緊不合格或者漏擰緊，并在返修面板顯示，配合相應(yīng)的返修流程，確保擰緊可靠穩(wěn)定，避免人工操作質(zhì)量缺陷。

5 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)并實(shí)施了一套半軸全自動(dòng)擰緊設(shè)備。該設(shè)備通過工業(yè)機(jī)器人、視覺相機(jī)、擰緊系統(tǒng)以及半軸輔助定位機(jī)構(gòu)緊密配合，實(shí)施了半軸擰緊，確保了擰緊過程的一致性和穩(wěn)定性，提高了工作效率和擰緊質(zhì)量。