面向螺紋缺陷檢測的協同控制平臺設計

李贊澄 時宇航 張祥祥 程五四

摘要：固體火箭發動機各零件裝配采用螺紋連接，螺紋的質量直接關系到組裝效率、質量和安全等各個方面，目前主要是人工使用校對規法及三針法等對螺紋的指標進行檢測，檢查精度較差，費時耗力，人為因素影響大，無法適應大批量組裝需求。基于上述背景，結合某型固體火箭發動機的總裝需求，構建了一套集視覺識別、精準定位和協同抓取的螺紋缺陷檢測一體化平臺，用以實現零件螺紋缺陷檢測、移栽等動作的自動化運行，改善人工作業條件，縮短裝配前準備周期。

關鍵詞：缺陷檢測；機器視覺；機器人；自動化

1 引言

隨著復合材料和高分子化學材料技術日益發展，固體火箭發動機技術日益成熟，被廣泛用在各類小型、近程的軍用火箭和戰術導彈上。固體火箭發動機主要由殼體、固體推進劑、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，螺紋的質量直接關系到組裝效率、質量和安全等各個方面，目前主要是人工使用校對規法及三針法等對螺紋的指標進行檢測，檢查精度較差，費時耗力，人為因素影響大，無法適應大批量組裝需求。

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，作為工業生產和科學研究的重要支撐和保障技術，在工業檢測方面具有廣泛應用。其中，機器視覺檢測技術作為一種新興的無損檢測技術，已經在醫療、食品、國防和工業等領域取得了廣泛的應用，對比于人工檢測，機器視覺檢測在速度、精度、穩定性、環境要求以及集成度方面均有優勢[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，結合某型固體火箭發動機的總裝需求，本文構建了一套集視覺識別、精準定位和協同抓取的螺紋缺陷檢測一體化平臺，用以實現零件螺紋缺陷檢測、移栽等動作的自動化運行，改善人工作業條件，縮短裝配前準備周期。

2 系統總體設計方案

采用成熟的成品工業機器人為基礎，設計專用的末端作業工具，開發面向螺紋缺陷檢測的協同控制平臺，實現固體火箭發動機組裝過程中的螺紋缺陷檢測自動化。

2.1 系統總體架構

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

系統架構由執行系統、視覺處理系統和檢測工位組成。執行系統由通用六關節機器人、機器人控制器和末端作業工具組成；視覺處理系統由相機和工控機組成；檢測工位由檢測臺、轉臺等組成。將相機連接到工控機，相機負責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果。機器人控制器通過以太網與工控機連接，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。進行圖像處理后，工控機向機器人控制器發送相應抓取、移栽等的位置信息。

2.2 系統整體布局

在完成系統架構設計的基礎上，本套面向螺紋缺陷檢測的協同控制平臺的系統整體布局，如圖2所示。

其中，“機械臂1+末端作業模塊”負責對待測零件進行抓取、移栽到檢測工作臺；檢測工作臺上設置執行單元和工業相機，負責對零件成像、螺紋缺陷視覺識別及檢測；檢測合格的零件，由“機械臂1+末端作業模塊”負責將零件抓取、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+末端作業模塊”移栽到不合格區域。機械臂通過控制箱與工控機相連，工業相機通過以太網與工控機相連，完成硬件聯通和信息交互。

2.3 系統工作流程

面向螺紋缺陷檢測的協同控制平臺的系統工作流程，如圖3所示。

操作人員將零件放置于待測工作臺托盤；工控機驅動機械臂1及末端執行器抓取零件放置于檢測工作臺；由工業相機對零件螺紋進行圖像采集，工控機實現螺紋圖像的處理，當檢測到螺紋缺陷時，機械臂1抓取缺陷零件放置到不合格區域，提醒操作員零件螺紋存在缺陷，進而剔除；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，并對信息進行記錄，完成理料工作。

3 系統詳細設計方案

基于上述的總體設計方案，下面對本套面向螺紋缺陷檢測的協同控制平臺進行詳細設計。

3.1 系統模塊組成

本系統采用模塊化設計，包括雙臂協同操作模塊、末端作業模塊和視覺識別檢測模塊三部分。其中，雙臂協同操作模塊包含機械臂本體及專用的控制柜。末端作業模塊作為執行機構，安裝于機械臂的末端。視覺識別檢測模塊由工業相機和照明光源等組成，負責圖像采集工作。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，以完成對目標對象的識別、定位和移栽。系統組成如圖4所示。

工控機通過以太網與機械臂連接以實現數據傳輸，即發送控制指令給控制柜，控制柜驅動機械臂執行相應的運動，同時讀取控制柜反饋的機械臂各關節傳感器信息。末端作業模塊的控制器也接入控制柜中，工控機可以給末端作業模塊發送指令，控制執行機構的開合狀態。此外，工控機通過以太網與工業相機連接，觸發相機驅動軟件采集高精度圖片。

3.2 雙臂協同操作模塊設計

雙臂協同操作模塊主要用于零件抓取、移栽等動作，主體為機械臂。本系統選用丹麥Universal Robots公司開發的UR5六關節工業機器人，除機械臂之外，還配備了控制箱、軟件系統和可視編程控制界面，如圖5所示。

該型機器人由6個關節和擠壓鋁管組成，所有關節均為轉動關節。關節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。前三個關節主要控制機器人末端的位置，后三個關節主要控制機器人末端的姿態。

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

3.3 末端作業模塊設計

協作機器人末端作業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的通用工具，如電動/氣動夾爪、繩驅多指手、柔性氣動手指等；另一類是于制造作業相關的工具，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計方案，通過外部夾抱方式實現對零件的抓取和放置。氣動夾爪模型如圖6所示。

本系統末端作業模塊由空氣壓縮機、空氣油水分離器、磁性開關和氣動夾爪組成，如圖7所示?？諝鈮嚎s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后，磁性開關控制氣動夾爪的開閉，用于實現零件的抓取和放置。

3.4 視覺識別檢測模塊設計

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

本系統采用邁德威視MV-GEC2000M-TPO工業相機，該產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。

執行單元用于支持零件螺紋的正面和背面圖像的采集，根據圖像處理單元處理結果，采用不同的執行動作處理。執行單元主要由轉臺、工裝等組成。轉臺的旋轉依靠控制電機實現準確定位，使得零件旋轉指定角度方便相機拍照需要。工裝可適配不同規格零件的放置及定位。執行單元模型如圖8所示。

4 結束語

本文結合某型固體火箭發動機的總裝需求，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，提出了一套面向螺紋缺陷檢測的協同控制平臺的設計方案。依據設計方案，開發了原型系統，實物如圖9所示。通過原型系統的應用與驗證，實現了總體設計目標，即零件識別、移栽等動作能夠自動化運行，從而改善人工作業條件，縮短裝配前準備周期。

參考文獻

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