基于機(jī)器視覺(jué)的渦殼旁通閥機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)

鄧志兵　龍偉

摘 要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的渦輪增壓器部位是列車制動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)車的使用性能和出力扭矩控制起著關(guān)鍵作用。其中旁通閥又是渦輪增壓器的控制核心，因此在生產(chǎn)裝配過(guò)程中要求旁通閥與渦殼的配合十分精密，在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中這是一個(gè)關(guān)鍵工序。為了解決工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中旁通閥的板的自動(dòng)裝配問(wèn)題，提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)，建立了生產(chǎn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；機(jī)器視覺(jué)；圖像識(shí)別

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.118

旁通閥一般又稱為“進(jìn)氣泄壓閥”。旁通閥由轉(zhuǎn)軸閥門(mén)和搖臂以及墊圈組成，轉(zhuǎn)軸閥門(mén)安裝于渦殼內(nèi)，搖臂用于控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)渦輪增壓器工作中通過(guò)與渦殼的安裝。渦輪增壓器能明顯地改善汽車運(yùn)行時(shí)性能指標(biāo)及減少油耗和排污等。正是由于旁通閥的作用十分關(guān)鍵，搖臂與轉(zhuǎn)軸閥門(mén)的裝配精度就要求非常高，一般公差在+0.1～+0.2mm之間。

在傳統(tǒng)的裝配生產(chǎn)線應(yīng)用中，采用機(jī)器人攜帶抓手進(jìn)行抓取零件進(jìn)行定點(diǎn)裝配，但是由于多方面的原因，渦殼中的轉(zhuǎn)軸閥門(mén)軸心不能嚴(yán)格，由于其加工和裝配的誤差超過(guò)上述精度，直接利用抓手抓取搖臂進(jìn)行與轉(zhuǎn)軸裝配，偏差太大不能準(zhǔn)確的安裝到轉(zhuǎn)軸閥門(mén)內(nèi)。為了解決生產(chǎn)過(guò)程中旁通閥的自動(dòng)裝配問(wèn)題，提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械手定位裝配檢測(cè)系統(tǒng)，建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1]。系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)相機(jī)對(duì)料盤(pán)進(jìn)行圖像采集，將所采集的信息傳送給工控機(jī)圖像對(duì)位處理系統(tǒng)，視覺(jué)自動(dòng)對(duì)位，獲得了轉(zhuǎn)軸圓上心裝配軸的位置信息，通過(guò)控制機(jī)器人動(dòng)作，移動(dòng)到裝配位置，釋放抓手上的搖臂，實(shí)現(xiàn)旁通閥的自動(dòng)定位裝配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)裝配準(zhǔn)確度高，誤差小，滿足了工業(yè)上的要求。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用以機(jī)器人為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和以CCD相機(jī)為圖像獲取的視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)組成。其中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由，機(jī)器人、工件抓手、振動(dòng)盤(pán)組成。機(jī)器人在其工具端安裝一套用于抓取工件的機(jī)械結(jié)構(gòu)抓手，搖臂和墊圈在振動(dòng)盤(pán)的整料下，平整放置在料盤(pán)出口由抓手取件。而視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)是由CCD相機(jī)，光源，工控機(jī)，上位機(jī)等組成[2]。系統(tǒng)配置了2組相機(jī)，其中1組固定在工件抓手上可以隨著機(jī)器人姿態(tài)移動(dòng)，可以對(duì)搖臂和墊圈進(jìn)行初始位置查找定位以及渦殼基座的定位。另一組固定在基座上，用于對(duì)完成抓取后的搖臂以及墊圈二次定位，減小工具抓手裝夾的誤差。

2 旁通閥零件裝配過(guò)程

（1）移動(dòng)端相機(jī)在墊圈震動(dòng)盤(pán)出料位拍照，確認(rèn)有料；（2）抓手取一個(gè)墊圈和搖臂；（3）固定端相機(jī)對(duì)墊圈和搖臂拍照，定位內(nèi)圓圓心；（4）移動(dòng)端相機(jī)對(duì)渦殼金屬座拍照定位圓心；（5）匹配定位并裝配墊圈和搖臂。

3 視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)的識(shí)別方式

在整個(gè)裝配系統(tǒng)中系統(tǒng)，視覺(jué)起到的作用是減小定位誤差，識(shí)別工件的實(shí)際位置。搖臂與轉(zhuǎn)軸閥門(mén)的孔軸配合，最大的特征點(diǎn)就是圓心，因此，CCD相機(jī)對(duì)工件的圓心坐標(biāo)進(jìn)行拍照獲取，并傳輸給工控機(jī)對(duì)所獲取的圖像特征進(jìn)行分析，通過(guò)算法找出裝配孔的位置信息并進(jìn)行數(shù)字化處理。通過(guò)建立的視覺(jué)引導(dǎo)抓取系統(tǒng)參數(shù)化模型，給出包括圖像坐標(biāo)到機(jī)器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以及目標(biāo)裝配工件與待裝配工件鎖緊孔位置匹配轉(zhuǎn)角兩種算法算出偏移位置和角度，再傳送給外部機(jī)器人控制器，進(jìn)行位置糾正[3]。

4 工件抓取方式

墊圈是薄型的金屬?gòu)椘m合采用真空吸取的方式抓料。搖臂為高合金金屬片剛性好，采用氣爪抓取長(zhǎng)條外邊取件。墊圈及搖臂的裝配均采用了彈簧緩沖方式，以避免裝配時(shí)出現(xiàn)硬碰硬的現(xiàn)象。搖臂采用了定位銷精準(zhǔn)定位，2級(jí)預(yù)壓方式。

5 整體精度的計(jì)算

為了匹配整個(gè)自動(dòng)裝配系統(tǒng)的精度，整體工件的裝配誤差需要<0.08mm；裝配總體誤差=視覺(jué)圓心匹配誤差+機(jī)械結(jié)構(gòu)重復(fù)精度誤差+機(jī)械手定位精度誤差。移動(dòng)端相機(jī)選取的200萬(wàn)像素，相機(jī)視野15*11mm，像素長(zhǎng)度為0.00578mm/pixel，固定端相機(jī)視野大約80*60mm，像素長(zhǎng)度為0.0308mm/pixel.相機(jī)精度3-5像素，兩者的均滿足組裝精度要求。機(jī)器人本體采用EPSONG20-A01S工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度±0.025mm。抓手結(jié)構(gòu)中搖臂采用了定位銷精準(zhǔn)定位，公差范圍在±0.02mm。整個(gè)設(shè)計(jì)精度是滿足裝配需求的。

6 結(jié)論

此系統(tǒng)第一次將機(jī)器視覺(jué)與機(jī)器人控制技術(shù)相結(jié)合，利用視覺(jué)的二次定位，消除了機(jī)械結(jié)構(gòu)多次運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的誤差，保留最穩(wěn)定的兩個(gè)參數(shù)，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度，相機(jī)拍照精度，以保障整體的安裝精度。在視覺(jué)處理程序中設(shè)定了特征點(diǎn)合格閥值的設(shè)定，對(duì)不同工件進(jìn)行分開(kāi)設(shè)定；解決了零件個(gè)體的差異性，其中包括待裝配的工件尺寸相差大、形狀和特征多樣、表面輕微倒角的影響、同時(shí)保證組裝的位置精度和形位公差等。

參考文獻(xiàn)：

[1]查英，劉鐵根，杜東，江俊峰.基于機(jī)器視覺(jué)的零件自動(dòng)裝配系統(tǒng)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39（06）：722-726.

[2]曹亮，魏怡，姚思勤.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及其發(fā)展和應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2008（11）：40-41.

[3]翟敬梅，董鵬飛，張鐵.基于視覺(jué)引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人定位抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2014，30（05）：44-48.

作者簡(jiǎn)介：鄧志兵（1989-），男，湖南宜章人，大專，助理工程師，研究方向：機(jī)械工程。