張克平 杜向陽(yáng) 耿英博

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

基于視覺控制的斷路器螺釘安裝機(jī)*

張克平 杜向陽(yáng) 耿英博

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

采用工業(yè)CCD相機(jī)拍攝圖片，用植入在圖像采集模塊的視覺處理程序?qū)β葆數(shù)奈恢煤妥藨B(tài)進(jìn)行圖像處理，將處理后的坐標(biāo)信息通過(guò)SPI總線傳輸?shù)絊M32芯片，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行塑殼斷路器金屬片上螺釘?shù)陌惭b。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)螺釘安裝機(jī)采用視覺定位系統(tǒng)后，比傳統(tǒng)塑殼斷路器的螺釘安裝過(guò)程節(jié)省90%以上的時(shí)間。

視覺處理程序 螺釘安裝 塑殼斷路器 CCD相機(jī)

塑殼斷路器金屬片上螺釘?shù)木珳?zhǔn)定位是電器零部件組裝的重要環(huán)節(jié)，智能快速追蹤定位成為其發(fā)展趨勢(shì)。為滿足塑殼斷路器金屬片上螺釘安裝的精確定位和正確姿態(tài)調(diào)整的要求，筆者設(shè)計(jì)了一套精確的塑殼斷路器視覺螺釘定位系統(tǒng)，主要由執(zhí)行部分和控制部分組成。

1 硬件執(zhí)行部分

螺釘安裝機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示，利用步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源，驅(qū)動(dòng)螺釘安裝機(jī)的減速機(jī)構(gòu)。

螺釘安裝的可靠性必須具有穩(wěn)定的減速機(jī)構(gòu)作為基礎(chǔ)[2]，所以筆者提供了螺釘安裝部分的減速機(jī)構(gòu)，由圖1中的螺釘安裝電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)5)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)大齒輪和一個(gè)小齒輪組成的變速進(jìn)給機(jī)構(gòu)組成(圖1中減速機(jī)構(gòu)2)，由小齒輪完成螺絲刀頭的旋轉(zhuǎn)調(diào)整分量，大齒輪驅(qū)動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)螺絲釘?shù)闹本€上升和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。項(xiàng)目所用的螺釘分別M3mm×0.7mm和M6mm×10.0mm，不僅要完成螺釘?shù)钠ヅ?，還要完成轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的匹配。為此，設(shè)計(jì)便于調(diào)整的柔性機(jī)構(gòu)和螺釘?shù)逆i緊機(jī)構(gòu)(圖1中柔性機(jī)構(gòu)、可調(diào)整的螺絲刀頭和鎖緊機(jī)構(gòu))匹配不同螺釘螺紋的螺距。

在為塑殼斷路器的3個(gè)金屬片安裝螺釘時(shí)，金屬片發(fā)生變形導(dǎo)致螺釘安裝困難。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)螺釘和螺母一起安裝的鎖緊機(jī)構(gòu)(圖1斷路器夾具調(diào)整斷路器的姿態(tài)減小金屬片的變形與安裝的可靠性)，保障螺釘能夠順利安裝到塑殼保護(hù)器上。在塑殼斷路器螺釘安裝過(guò)程中對(duì)其軌跡變化過(guò)程進(jìn)行追蹤十分重要[3]，所以本項(xiàng)目針對(duì)塑殼斷路器金屬片變形的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了移動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘螺母鎖緊機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的夾具(圖1的第13、14部分)。

圖1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

按照?qǐng)D1設(shè)計(jì)的硬件執(zhí)行系統(tǒng)，平臺(tái)x、y軸的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性模組可以實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)(x,y,z)定位的執(zhí)行，執(zhí)行機(jī)器的安裝部件到第14定位的螺孔，為了進(jìn)一步減小零件變形導(dǎo)致的安裝困難，需要執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)9進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，然后執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)5實(shí)現(xiàn)螺釘在金屬片上的安裝。執(zhí)行圖1中步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，不僅可以使得夾具上的塑殼斷路器金屬片螺絲轉(zhuǎn)移到最佳的光照位置(便于視覺定位)，而且給人工放置塑殼斷路器到安裝機(jī)上提供了方便，效率也有所提高。為了滿足螺釘安裝需要的預(yù)緊力，在圖1中設(shè)計(jì)了11個(gè)力矩測(cè)量離合器確保螺釘安裝的有效性。在塑殼斷路器螺釘安裝機(jī)上，把柔性環(huán)節(jié)(圖1)、減速匹配器(圖1的2、4)和電磁離合器集成在一起，形成一個(gè)柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減小了整個(gè)機(jī)構(gòu)的體積，同時(shí)可以防止由于上升量過(guò)大而破壞塑殼斷路器的情況發(fā)生。

2 硬件控制系統(tǒng)

塑殼斷路器螺釘安裝機(jī)不僅需要在機(jī)構(gòu)上進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)，同時(shí)需要在三維空間進(jìn)行準(zhǔn)確定位[4]。螺釘安裝驅(qū)動(dòng)程序的編寫可以實(shí)現(xiàn)安裝機(jī)的整個(gè)控制過(guò)程。筆者設(shè)計(jì)的塑殼斷路器的控制定位分為視覺定位環(huán)路與力定位環(huán)路，其控制系統(tǒng)如圖2所示的虛線環(huán)路。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

視覺定位環(huán)路是通過(guò)工業(yè)CCD相機(jī)，拍攝螺孔和螺絲刀頭的底面和正面，捕獲螺孔和螺絲刀頭的三維坐標(biāo)信息，通過(guò)SPI總線傳送到STM32運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行信息處理。STM32運(yùn)動(dòng)控制器把處理好的信息傳到驅(qū)動(dòng)x、y、z軸的步進(jìn)電機(jī)，完成螺孔和螺絲刀頭的調(diào)整與定位。定位結(jié)束后，啟動(dòng)螺絲刀頭旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給的步進(jìn)電機(jī)，完成螺絲的安裝。力定位通過(guò)力矩離合器設(shè)定的力矩量實(shí)現(xiàn)，力矩離合器反饋螺釘中執(zhí)行的預(yù)緊力產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)INT0到運(yùn)動(dòng)控制器，中斷程序?qū)⑼Ｖ共?fù)位螺釘安裝的執(zhí)行，這個(gè)可以很好地對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)[5]中的根據(jù)傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制卡的力矩傳感器與CCD相機(jī)采集的信號(hào)，判斷螺釘?shù)乃删o程度和安裝位置與姿態(tài)偏差是否滿足要求的觀點(diǎn)。STM32運(yùn)動(dòng)控制板卡的指示燈提示工作人員是否進(jìn)行下一個(gè)螺釘?shù)陌惭b或者是否存在故障。

在圖2的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)塑殼斷路器螺釘安裝器的控制系統(tǒng)硬件，如圖3所示。系統(tǒng)由8部分組成：補(bǔ)光系統(tǒng)、力矩信號(hào)采集模塊、圖像采集模塊、顯示面板、STM32運(yùn)動(dòng)控制器、指示燈模塊、開關(guān)量模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

補(bǔ)光系統(tǒng)是在機(jī)構(gòu)光線較暗的地方增加亮度，從而采集比較完整清晰的圖案。力矩信號(hào)采集模塊[6]把螺絲刀頭的扭矩模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镾TM32運(yùn)動(dòng)控制卡可接收的數(shù)字量信號(hào)。圖像采集模塊把拍攝的圖像進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成螺絲刀的三維坐標(biāo)量和位置姿態(tài)量，用SPI總線把坐標(biāo)和位置姿態(tài)信息傳到STM32運(yùn)動(dòng)控制板卡上進(jìn)行處理(引用文獻(xiàn)[7]的圖像采集模塊內(nèi)嵌可進(jìn)行圖像處理的目標(biāo)鎖定功能程序，進(jìn)行相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)提取的觀點(diǎn))。為了提高人機(jī)互動(dòng)體驗(yàn)，在顯示面板上顯示用戶設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)、螺絲刀頭的位置坐標(biāo)和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。STM32控制器的功能是由主控芯片STM32F103ZEY7A完成的。塑殼斷路器的指示燈模塊主要是為了顯示故障與應(yīng)急處理的情況，根據(jù)3個(gè)指示燈的不同組合，確定相應(yīng)的故障或者應(yīng)急信息，共有9種不同狀態(tài)。開關(guān)量模塊是人工操作與緊急停止按鈕。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的作用是把STM32控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合步進(jìn)電機(jī)額定電壓或者額定電流的脈沖。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1工作驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用CCD相機(jī)和基于OPENCV庫(kù)的VS平臺(tái)，拍攝塑殼斷路器金屬片位置并定位金屬片上螺絲釘?shù)陌惭b位置。實(shí)際應(yīng)用中，金屬片和螺釘安裝機(jī)鎖定機(jī)構(gòu)的夾角不能超過(guò)5°，角度過(guò)大螺釘無(wú)法安裝。

每個(gè)塑殼斷路器有3個(gè)金屬片的螺釘需要安裝。在塑殼斷路器螺絲釘安裝成像結(jié)果(圖4)中可以看出，圖4a的3個(gè)螺釘已安裝完畢，證實(shí)使用該設(shè)備可以順利安裝斷路器金屬片上的螺釘，克服了斷路器金屬片上螺釘因?yàn)樽冃味惭b困難的問(wèn)題。由圖4b可以看出，由于機(jī)器定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致金屬片和螺釘安裝機(jī)鎖定機(jī)構(gòu)形成的夾角達(dá)到13.3°，從而致使螺釘安裝困難，但是這種情況出現(xiàn)的概率在3%以內(nèi)。圖4c是一個(gè)正確安裝的螺釘，其夾角僅為0.67°。

圖4 塑殼斷路器螺絲釘安裝機(jī)成像結(jié)果

3.2效率驗(yàn)證

塑殼斷路器螺絲安裝機(jī)的效率和質(zhì)量驗(yàn)證是通過(guò)比較人造安裝和機(jī)器安裝實(shí)現(xiàn)的。螺釘安裝的效率通過(guò)安裝斷路器的數(shù)量測(cè)量，而螺釘安裝的質(zhì)量通過(guò)螺釘安裝和預(yù)載荷的偏轉(zhuǎn)程度測(cè)量。為了驗(yàn)證設(shè)備的穩(wěn)定性，由斷路器數(shù)量BN、平均梯度值A(chǔ)VERGRA和平均預(yù)緊度AVERPFD3個(gè)參數(shù)繪制機(jī)器安裝數(shù)量曲線和人工安裝數(shù)量曲線(圖5)。從曲線中可以看出，機(jī)器安裝比人工安裝的曲線波動(dòng)性更小，即穩(wěn)定性更好。

圖5 機(jī)器安裝數(shù)量曲線和人工安裝數(shù)量曲線

相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中GRA——梯度值；

MEV——安裝預(yù)緊力；

MGV——實(shí)際偏差值；

PFD——預(yù)緊度；

PRDV——標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊力；

PRGV——標(biāo)準(zhǔn)偏差。

實(shí)驗(yàn)效率的計(jì)算結(jié)果為：

式中AM——機(jī)器數(shù)量；

AMNBN——每組機(jī)器安裝斷路器的數(shù)量；

AVERAM——平均每臺(tái)機(jī)器安裝斷路器的數(shù)量；

AVERPN——平均每人安裝斷路器的數(shù)量；

PN——每組的人數(shù)；

PNBN——每組安裝斷路器的數(shù)量；

TRWR——人工安裝相對(duì)機(jī)器安裝的相對(duì)效率，%。

可以看出，人工安裝時(shí)每個(gè)工人的安裝數(shù)量為2.29；而機(jī)器安裝的數(shù)量為31.37，因此可以得出結(jié)論，人工安裝相對(duì)機(jī)器安裝的效率僅為7.3%。

塑殼斷路器視覺螺釘定位系統(tǒng)，CCD相機(jī)視覺定位系統(tǒng)的加入，使復(fù)雜的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微型元器件的定位。柔性雙軸設(shè)計(jì)消除了在安裝螺釘過(guò)程中，雙金屬片由于彎曲變形形成的干涉運(yùn)動(dòng)。視覺定位與力矩傳感器保障了螺釘安裝的質(zhì)量與合適的松緊度，并且螺釘安裝機(jī)可以在斷路器金屬片由于溫度等原因發(fā)生彎曲時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。自有的移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)，使螺釘安裝機(jī)在平面上的定位更精確。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用證明，塑殼斷路器螺絲釘安裝機(jī)不僅能夠正確安裝金屬片上的螺釘，其安裝效率也遠(yuǎn)高于人工安裝。在市場(chǎng)同類產(chǎn)品中，如江蘇泰聯(lián)達(dá)公司生產(chǎn)的在線式全自動(dòng)鎖所螺絲機(jī)，可以快速而隨機(jī)完成螺釘?shù)陌惭b。但與筆者設(shè)計(jì)的塑殼斷路器螺絲釘安裝機(jī)相比，雖然安裝速度更快，但是由于無(wú)法靈活調(diào)整螺絲刀頭的姿態(tài)，故很難完成金屬片上螺釘?shù)陌惭b。雖然本套設(shè)備可以解決塑殼斷路器金屬片上螺釘?shù)陌惭b，但是效率仍然有很大的提高空間。

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張克平(1985-)，碩士研究生，從事復(fù)雜制造設(shè)備系統(tǒng)智能控制的研究，464580223@qq.com。

TH865

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1000-3932(2017)10-0991-04

2017-04-20，

2017-08-29)