基于視覺(jué)的發(fā)動(dòng)機(jī)絲堵螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

竭盡超　梁忠耀

摘 要：在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工過(guò)程中，需要通過(guò)絲堵對(duì)缸蓋水道進(jìn)行密封裝配，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在絲堵的裝配工藝中，行業(yè)內(nèi)多采用人工預(yù)裝或通過(guò)排序機(jī)排序后再自動(dòng)裝配的方式，人工預(yù)裝存在自動(dòng)化率低的問(wèn)題，而通過(guò)排序機(jī)排序則有導(dǎo)致絲堵碰傷、附著的螺紋膠損傷等質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹的缸蓋絲堵自動(dòng)擰緊設(shè)備通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)定位，配合真空吸附柔性抓取機(jī)構(gòu)，再通過(guò)中轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行絲堵方向轉(zhuǎn)化，最終使用薄壁彈性?shī)A爪夾緊絲堵擰緊的方案，從根本上提升絲堵裝配工藝的自動(dòng)化率并降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：絲堵螺栓 自動(dòng)擰緊 視覺(jué)系統(tǒng) 真空吸附

Engine Automatic Plug Bolts Tighten Equipment Based on Visual Design and Development

Jie Jinchao Liang Zhongyao

Abstract：In the process of engine cylinder head processing， it is necessary to seal and assemble the cylinder head channel through screw block to ensure the normal operation of engine cooling system. In the assembly process of wire plug， the industry mostly adopts the way of manual pre-assembly or automatic assembly after sorting by sorting machine. Manual pre-assembly has the problem of low automation rate， while sorting by sorting machine may lead to the quality risk of wire plug collision and damage of attached thread glue. The automatic screw tightening equipment of cylinder head introduced in this paper is positioned by the visual system， combined with the vacuum adsorption flexible grasping mechanism， and then the direction of screw plugging is transformed by the transfer device. Finally， the scheme of clamping screw tightening with thin-wall elastic gripper is adopted to fundamentally improve the automation rate of the screw plugging assembly process and reduce the quality risk.

Key words：plug bolt， automatic tighten， visual system application， vac-sorb

1 引言

缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其安裝在缸體上并與缸體密封形成燃燒室。燃燒室作為化學(xué)能轉(zhuǎn)變的地點(diǎn)，承受極大的熱負(fù)荷，所以需要在缸蓋內(nèi)部鑄造有冷卻水套，通過(guò)水循環(huán)將做功后的余熱帶走，而水套密封多采用絲堵或悶蓋來(lái)。本文是對(duì)絲堵自動(dòng)裝配的工藝設(shè)備研究與應(yīng)用。

本文自動(dòng)裝配的絲堵如圖1所示，M22的螺紋表面附著有密封膠，并且在絲堵螺帽底部設(shè)計(jì)有軟性密封帶，作用是對(duì)水道進(jìn)行密封，保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行。

在絲堵裝配工藝中，行業(yè)內(nèi)多采用通過(guò)排序機(jī)排序或人工預(yù)裝后再自動(dòng)裝配的方式，通過(guò)排序機(jī)排序有導(dǎo)致絲堵碰傷、附著的螺紋膠損傷等質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，而人工預(yù)裝除存在自動(dòng)化率低的問(wèn)題外?；谝陨显?，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)無(wú)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)絲堵螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備。

2 設(shè)計(jì)規(guī)劃

2.1 工藝流程

經(jīng)過(guò)多角度方案評(píng)估，設(shè)計(jì)工藝流程如圖2所示。

2.2 節(jié)拍分解

設(shè)備運(yùn)行分為輸送輥道的動(dòng)作及機(jī)器人擰緊動(dòng)作兩部分，兩部分同時(shí)進(jìn)行，詳細(xì)步驟如表1，節(jié)拍59秒。

3 設(shè)備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備由絲堵平臺(tái)、機(jī)器人抓手兩部分機(jī)構(gòu)組成。

3.1 絲堵平臺(tái)部分

如圖3所示，絲堵平臺(tái)由絲堵存放平臺(tái)和中轉(zhuǎn)區(qū)組成。

3.1.1 絲堵存放平臺(tái)設(shè)計(jì)

絲堵存放平臺(tái)由平臺(tái)推拉板、底座支架等組成。

（1）平臺(tái)推拉板：使用固定的擋塊，保證每盒絲堵都放置在固定位置，便于攝像頭進(jìn)行視覺(jué)探測(cè)，確定絲堵個(gè)體的坐標(biāo)位置。并且使絲堵平鋪數(shù)量達(dá)到576個(gè)，滿(mǎn)足加工288個(gè)缸蓋的數(shù)量，從而保證每次投料可以運(yùn)行一個(gè)班次以上。（2）底座支架：其地腳采用可調(diào)高度的設(shè)計(jì)，便于在不同的場(chǎng)地保證水平。且在底座支架中心位置留有空余空間，可將機(jī)器人工作區(qū)、人員操作區(qū)使用防護(hù)網(wǎng)分隔開(kāi)。

3.1.2 中轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)

中轉(zhuǎn)區(qū)由銅制平臺(tái)片、中轉(zhuǎn)區(qū)底座支架、中轉(zhuǎn)區(qū)斜臺(tái)、延長(zhǎng)平臺(tái)、絲堵在位傳感器等組成。

（1）銅制平臺(tái)片：與絲堵直接接觸，選用銅合金制保證絲堵密封面質(zhì)量;（2）中轉(zhuǎn)區(qū)底座支架：采用特殊的三瓣式設(shè)計(jì)，可與特制的絲堵薄壁抓手配合使用;（3）中轉(zhuǎn)區(qū)斜臺(tái)：裝置采用傾斜放置，可使絲堵在重力的控制下，每次落位的位置一致;（4）延長(zhǎng)平臺(tái)：固定在底座支架上，起到將中轉(zhuǎn)區(qū)延長(zhǎng)出底座支架的作用，避免機(jī)器人帶動(dòng)抓手在中轉(zhuǎn)區(qū)取放料、取料過(guò)程中，與底座支架等發(fā)生干涉;（5）絲堵在位傳感器：選用感應(yīng)距離4mm的傳感器，用于確定絲堵落位狀態(tài)。

3.2 機(jī)器人抓手部分

如圖4所示，機(jī)器人抓手由機(jī)器人、擰緊軸、固定支架、視覺(jué)系統(tǒng)、真空吸附系統(tǒng)、擰緊軸套、薄壁抓手等部分組成。

（1）機(jī)器人選型：計(jì)算抓手重量約20KG，選取負(fù)載重量、臂展長(zhǎng)度合適的機(jī)器人;（2）擰緊軸選型：擰緊頭彈性壓縮量≥20mm，并具備轉(zhuǎn)速控制功能;（3）固定支架：可以在其上安裝擰緊軸、視覺(jué)系統(tǒng)、真空吸附裝置，并保證在實(shí)現(xiàn)各功能時(shí)不與缸蓋輥道、絲堵平臺(tái)等干涉，支架厚度、強(qiáng)度可以滿(mǎn)足扭矩要求;（4）視覺(jué)系統(tǒng)：軟件通過(guò)OPENCV自主開(kāi)發(fā)，硬件選用工業(yè)相機(jī);（5）真空吸附系統(tǒng)：絲堵M22，其底面直徑18mm，自主開(kāi)發(fā)的視覺(jué)系統(tǒng)平均誤差經(jīng)過(guò)測(cè)試最大為單方向4mm，選擇吸盤(pán)10mm吸盤(pán)（PFG-10），可以在兼容視覺(jué)誤差的情況下，準(zhǔn)確吸附絲堵，吸盤(pán)材質(zhì)選擇丁腈橡膠有較好的耐磨性;（6）擰緊軸套：采用柱體彈簧構(gòu)造，可通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓縮量，保證預(yù)擰緊時(shí)給絲堵壓緊壓力;（7）薄壁抓手：采用彈簧鋼制造的三個(gè)均布彈簧片夾緊，可以實(shí)現(xiàn)在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行擰緊，抓手采用鏤空設(shè)計(jì)可與中轉(zhuǎn)區(qū)進(jìn)行配合并抓取絲堵。

4 程序完善

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，逐步完善程序邏輯功能，降低設(shè)備故障率，如下：

（1）料層邏輯判斷功能：只使用測(cè)距傳感器判斷絲堵所在層數(shù)存有一定偏差，補(bǔ)充通過(guò)視覺(jué)和邏輯判定絲堵所在層數(shù)，保證層數(shù)正確，從而提升吸盤(pán)取料的準(zhǔn)確性;（2）隔板多次吸附功能：每層絲堵裝完后，機(jī)器人將帶動(dòng)真空吸附對(duì)隔板吸起并放入隔板存放區(qū)，而絲堵來(lái)料包裝中的隔板如果因卡住而導(dǎo)致吸不起來(lái)，設(shè)備將停止運(yùn)行，影響設(shè)備故障率，基于該情況，利用視覺(jué)系統(tǒng)判斷是否存在真空吸附失效，如失效可以進(jìn)行3次真空吸附嘗試，如仍不合格可以直接轉(zhuǎn)至下一盒絲堵重新開(kāi)始;（3）一鍵人工換料功能：每次更換絲堵需要手動(dòng)操作的動(dòng)作過(guò)多，設(shè)置一鍵人工換料的固定程序方便員工操作，并提高效率;（4）中轉(zhuǎn)區(qū)缺料的自動(dòng)填料功能：設(shè)備重啟后，設(shè)備邏輯狀態(tài)可能會(huì)丟失，出現(xiàn)設(shè)備報(bào)警或節(jié)拍浪費(fèi)，設(shè)置程序當(dāng)中轉(zhuǎn)區(qū)沒(méi)有絲堵的情況時(shí)優(yōu)先對(duì)中轉(zhuǎn)區(qū)進(jìn)行補(bǔ)料。

5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及可推廣性

（1）本設(shè)備設(shè)計(jì)采用的薄壁夾爪，使用特殊的彈簧片在兼容中轉(zhuǎn)區(qū)轉(zhuǎn)換的情況下夾定絲堵，而非行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的磁性?shī)A取，避免了磁化帶來(lái)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了在狹小空間的擰緊動(dòng)作;（2）本設(shè)備采用真空吸附方式配合視覺(jué)系統(tǒng)定位的方式進(jìn)行零件抓取，真空吸附的兼容性、可操作性極強(qiáng)，可抓取零件的種類(lèi)十分多樣化，提升該方案應(yīng)用擴(kuò)展性;（3）對(duì)于視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)多采用視覺(jué)系統(tǒng)固定在被拍攝工件上方，而本設(shè)備為保證每盒絲堵的3層深度都能夠被清晰拍照，將視覺(jué)系統(tǒng)集成在機(jī)器人抓手上，為后續(xù)的視覺(jué)應(yīng)用擴(kuò)展提供可能;（4）本設(shè)備采用利用中轉(zhuǎn)區(qū)進(jìn)行抓取轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)，為視覺(jué)定位配合柔性抓取提供一種新的設(shè)計(jì)思路。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）缸蓋水道絲堵密封對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要，而水道絲堵自動(dòng)擰緊工藝，行業(yè)內(nèi)多為通過(guò)排序機(jī)自動(dòng)上料再進(jìn)行擰緊的方式，而排序機(jī)的兩種主流設(shè)計(jì)分別是搓板式和震動(dòng)送料式，兩種主流排序機(jī)都會(huì)對(duì)絲堵的螺紋、密封膠產(chǎn)生一定的破壞，引起質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)備將視覺(jué)定位系統(tǒng)應(yīng)用在其中，并通過(guò)真空吸附系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)裝置、彈性?shī)A爪等完成絲堵的自動(dòng)預(yù)緊，從而完全消除對(duì)絲堵破壞的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

（2）缸蓋絲堵自動(dòng)預(yù)緊設(shè)備的開(kāi)發(fā)，具有創(chuàng)新性及可推廣性，如采用真空吸附方式的柔性抓取、采用彈簧片設(shè)計(jì)的薄壁夾爪可在狹小空間內(nèi)完成擰緊、采用機(jī)器人帶動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)定位拍照、采用中轉(zhuǎn)裝置完成零件的抓手轉(zhuǎn)換等，為柔性擰緊的設(shè)計(jì)提供新思路。

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