何書龍 王文釗 華正雨 趙 鑫

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司中央研究院，遼寧 沈陽 110168）

行星減速機(jī)是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最重要的組成部件，市場(chǎng)需求量巨大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。行星減速機(jī)內(nèi)部主要為齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)精密、復(fù)雜，所以行星減速機(jī)主要依靠人工裝配生產(chǎn)。但是隨著中國(guó)工業(yè)規(guī)模的發(fā)展和人口紅利的消失[1-2]，市場(chǎng)對(duì)行星減速機(jī)的需求不斷增加，而生產(chǎn)的人工成本持續(xù)提高。因此，亟需降低行星減速機(jī)生產(chǎn)的人工成本并提高生產(chǎn)效率。但是由于齒輪傳動(dòng)的精密性，目前無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。

出于安全考慮，協(xié)作機(jī)器人及技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)與人協(xié)同工作，聯(lián)通全自動(dòng)與純手工的一座橋梁。協(xié)作機(jī)器人犧牲了部分負(fù)載能力，卻大大提高了安全性。協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，具有3個(gè)特點(diǎn)。1）安全性高，人與機(jī)器人可以共用工作空間[3]。2）易用性強(qiáng)，示教方便，操作便捷。3）易部署，協(xié)作機(jī)器人質(zhì)量輕，搬運(yùn)輕便，安裝調(diào)試時(shí)間短。

該文提供了一種將協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用于行星減速機(jī)生產(chǎn)的人機(jī)協(xié)作方案，利用協(xié)作機(jī)器人的碰撞保護(hù)、力反饋、視覺識(shí)別等技術(shù)，保障與協(xié)作機(jī)器人共同工作的人員的安全，為行星減速機(jī)的高效率、低成本的生產(chǎn)提供一條新思路。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要用于行星減速機(jī)的生產(chǎn)裝配過程，包括零件的上下料、零件的分揀、齒輪等零件裝配。如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分。1）由復(fù)合機(jī)器人和貨架組成的上下料平臺(tái)，負(fù)責(zé)減速機(jī)零件上料及完成品下料。2）三維分揀平臺(tái)，負(fù)責(zé)減速機(jī)關(guān)鍵零件的分揀，零件主要包括殼體、中心齒輪、行星齒輪、端蓋等。3）協(xié)作裝配平臺(tái)，負(fù)責(zé)完成殼體固定、齒輪裝配、端蓋裝配，以及與人協(xié)作完成端蓋頂絲擰緊、成品檢驗(yàn)工作。

該系統(tǒng)的工作流程分為3個(gè)步驟。1）由復(fù)合機(jī)器人從貨架上取下要分揀的零件倒進(jìn)振動(dòng)槽中，經(jīng)過三維分揀平臺(tái)的三維相機(jī)識(shí)別，由協(xié)作機(jī)器人將分揀出來的零件放在協(xié)作裝配平臺(tái)。2）由協(xié)作裝配平臺(tái)里的協(xié)作機(jī)器人完成殼體固定，減速機(jī)齒輪、端蓋力控裝配，由人完成端蓋頂絲擰緊后，協(xié)作裝配機(jī)器人將裝配完成的減速機(jī)存放如成品料盒。3）由復(fù)合機(jī)器人將裝配完成的減速機(jī)從協(xié)作裝配平臺(tái)搬運(yùn)到貨架，完成減速機(jī)的整個(gè)裝配流程。

1.1 復(fù)合機(jī)器人上料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行星減速機(jī)裝配系統(tǒng)的上下物料采用新松公司生產(chǎn)的復(fù)合機(jī)器人，該復(fù)合機(jī)器人分為麥克納姆輪底盤、七軸協(xié)作機(jī)器人和末端視覺夾爪3個(gè)部分。

其中移動(dòng)部分采用麥克納姆輪底盤，可實(shí)現(xiàn)全方向移動(dòng)，零半徑回轉(zhuǎn)，自帶激光導(dǎo)航，二維碼定位，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航和定位，綜合定位精度能達(dá)到±2 mm。抓取部分采用5 kg七軸協(xié)作機(jī)器人，負(fù)載5 kg，重復(fù)性定位精度達(dá)到±0.05 mm，該機(jī)器人有碰撞保護(hù)、拖拽示教功能，不僅安全性高，而且運(yùn)動(dòng)姿態(tài)豐富，示教方便。末端視覺夾爪采用二維相機(jī)識(shí)別物料位置，再用氣動(dòng)夾爪實(shí)現(xiàn)物料抓取、搬運(yùn)，保證物料可以及時(shí)準(zhǔn)確地投放到振動(dòng)槽內(nèi)。

圖1 行星減速機(jī)裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 三維分揀、協(xié)作裝配平臺(tái)設(shè)計(jì)

行星減速機(jī)裝配系統(tǒng)中的減速機(jī)自動(dòng)分揀和裝配系統(tǒng)安裝在同一個(gè)平臺(tái)上，分為三維分揀部分、零件定位部分和協(xié)作裝配部分3個(gè)部分。工作時(shí)由分揀協(xié)作機(jī)器人將零件分揀后放置到零件定位部分，再由裝配機(jī)器人從零件定位部分將零件取出，到協(xié)作裝配部分實(shí)現(xiàn)減速機(jī)裝配。

該系統(tǒng)主要是基于協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)的，主要利用協(xié)作機(jī)器人的高安全性、高靈敏性和快速配置的特點(diǎn)和多機(jī)器人協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)，保證機(jī)器人與機(jī)器人，機(jī)器人與人能安全協(xié)同工作。

其中三維分揀平臺(tái)運(yùn)用了三維視覺識(shí)別、機(jī)器人空間路徑規(guī)劃、3D模型空間點(diǎn)云碰撞等多種AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了減速機(jī)零件的快速分揀。而協(xié)作裝配平臺(tái)運(yùn)用了精準(zhǔn)力控、碰撞保護(hù)和精準(zhǔn)裝配技術(shù)。

1.2.1 三維分揀平臺(tái)設(shè)計(jì)

三維分揀平臺(tái)主要由分揀協(xié)作機(jī)器人、三維視覺相機(jī)、機(jī)架、振動(dòng)槽5個(gè)部分構(gòu)成。

協(xié)作機(jī)器人選取新松公司的協(xié)作機(jī)器人，負(fù)載5 kg。末端搭載電動(dòng)二指夾爪，夾持力40 N。三維相機(jī)選用的是3D智能相機(jī)，為了滿足三維相機(jī)的視覺識(shí)別范圍要求，將相機(jī)架設(shè)在振動(dòng)料槽正上方1 m處，如圖5所示。振動(dòng)槽與振動(dòng)臺(tái)相連，便于零件夾取，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率50 Hz，振幅5 mm。

分揀工作流程為復(fù)合機(jī)器人將零件倒進(jìn)振動(dòng)槽內(nèi)，三維相機(jī)拍照后進(jìn)行識(shí)別，如果識(shí)別不到合適抓取的零件，振動(dòng)槽振動(dòng)10 s，改變槽內(nèi)零件位置和姿態(tài)，相機(jī)再次拍照識(shí)別，直到識(shí)別到可抓取的零件，再由協(xié)作機(jī)器人抓取零件到零件定位部分。

1.2.2 協(xié)作裝配平臺(tái)設(shè)計(jì)

如圖2所示，協(xié)作裝配平臺(tái)的協(xié)作機(jī)器人同樣選擇新松公司的協(xié)作機(jī)器人，負(fù)載5 kg，末端搭載力控視覺末端夾爪，夾爪選取電動(dòng)二指夾爪，夾持力40 N，視覺相機(jī)為二維視覺相機(jī)，力矩傳感器選用OnRobot品牌的六維力矩傳感器。機(jī)架臺(tái)上設(shè)計(jì)有殼體定位臺(tái)、端蓋定位臺(tái)、齒輪定位臺(tái)和裝配固定臺(tái)。

工作時(shí)，二維視覺相機(jī)先識(shí)別零件，抓取殼體放在裝配固定臺(tái)上固定，然后夾爪抓取齒輪進(jìn)行安裝。安裝時(shí)，利用齒輪裝配時(shí)齒輪傳遞給六維力矩傳感器的力矩大小，實(shí)時(shí)調(diào)整齒輪位置，最終完成齒輪裝配。齒輪裝配完成后，將端蓋安裝在減速機(jī)上，再由人將頂絲擰緊，固定端蓋，最后將完成的減速機(jī)放在成品待取位置。

圖2 減速機(jī)裝配平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 P L C電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的電氣控制應(yīng)用西門子1200系列PLC作為總控制進(jìn)行調(diào)度，使用以太網(wǎng)通信的方式與各組模塊之間進(jìn)行TCP/IP信息的交換。

西門子PLC使用以太網(wǎng)通信功能中的PN口通信功能。西門子PLC作為服務(wù)器，與其他組成模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各部分作為客戶端進(jìn)行設(shè)置，并且約定使用同一網(wǎng)段進(jìn)行通信。網(wǎng)段要求為192.168.0.XXX網(wǎng)段。各詳細(xì)地址根據(jù)實(shí)際調(diào)試時(shí)分配。

PLC設(shè)置2個(gè)DB模塊存儲(chǔ)區(qū)，分別為輸入和輸出信號(hào)的存儲(chǔ)區(qū)。具體協(xié)議根據(jù)每一個(gè)模塊的要求單獨(dú)編寫。該文將PLC地址設(shè)置為192.168.0.1主站，機(jī)器人控制器設(shè)置為192.168.0.10，2個(gè)DB塊中預(yù)設(shè)20個(gè)BYTE型存儲(chǔ)區(qū)。PLC發(fā)送命令至DB塊中，機(jī)器人控制器可以讀取相應(yīng)的信息，同時(shí)機(jī)器人控制器反饋的信息也可以發(fā)送至指定的DB塊中被PLC獲取。該實(shí)例分配了3個(gè)機(jī)器人控制器，并順延網(wǎng)址，均實(shí)現(xiàn)通信控制。

PLC對(duì)每一個(gè)模塊在運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)交互信息進(jìn)行采集和反饋控制，例如正在運(yùn)行時(shí)的各軸位置參數(shù)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)束后將信息發(fā)生至PLC，PLC根據(jù)邏輯編程再發(fā)送下一步的啟動(dòng)命令至機(jī)器人。從而實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)器人配合的自動(dòng)控制。

控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)應(yīng)用了觸摸屏控制器，在觸摸屏上設(shè)計(jì)了工作界面和調(diào)試界面2個(gè)界面。在調(diào)試時(shí)應(yīng)用調(diào)試界面，來監(jiān)視和控制該系統(tǒng)中的機(jī)器人、傳感器等部分的實(shí)時(shí)狀態(tài)，調(diào)試完成后隱藏該界面，顯示工作界面，工作界面可以控制系統(tǒng)的運(yùn)行、暫停和初始化，方便用戶操作。

3 結(jié)論

該文提供了一種協(xié)作機(jī)器人在行星減速機(jī)裝配系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，解決了傳統(tǒng)人工裝配造成的成本高、效率低的問題，突破了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人無法與人協(xié)同工作的現(xiàn)狀。在工業(yè)裝配方面，突顯了協(xié)作機(jī)器人的高安全性、易用性和快速布置的特點(diǎn)，為后續(xù)協(xié)作機(jī)器人的市場(chǎng)應(yīng)用提供了新的參考方向。