機架車橋焊接智能工裝設計

王 雷，寧 祎，宋彩艷

（河南工業大學 機器人研究所，鄭州 450001）

機架車橋是農業機械的一個主要承力部件，焊接工藝比較復雜，工作量大，目前焊接過程大多由機器人自動線來完成。然而，在焊接線上的機器人工作效率雖然很高，但是人工裝夾效率很低，整個生產線的效率不高。智能工裝就是針對這個問題而提出的。通過對焊接組件上的各個待焊工件的自動識別、準確定位和自動裝夾，從而有效提高焊接生產線的自動化程度和效率。同時，為進一步實現智能制造提供重要技術支撐。

1 智能工裝結構設計

1.1 機架車橋結構

機架車橋結構如圖1所示，主要包括管梁、固定板、半軸支座和剎車立板等焊件[1]。待焊工件結構簡單但是數量較多。半軸支座、剎車力板均為成對焊接，因此在焊接時，分三道工序來完成2和7、4和5、3和6這3組焊接件的焊接工作。

圖1 焊件組裝圖Fig.1 Weld assembly drawing

1.2 裝夾結構設計

根據焊件特點設計氣動夾手如圖2所示，在對工件進行抓取時，在焊件上加工有2個定位孔，按照一面兩銷定位方法[2]，確保夾取后待焊工件在夾手上處于確定的位置和姿態。氣動夾手安裝在吊裝的機械臂前端。在對待焊工件進行識別和視覺定位之后，機械臂帶動夾手到達指定的裝夾位置，夾取工件，移動到管梁的待焊接位置，等待焊接機器人進行作業。

圖2 裝夾結構Fig.2 Clamping structure

1.3 氣動系統設計

采用氣動手抓抓取焊接件，氣動速度快成本低。原理如圖3所示，氣泵產生的氣體通過過濾器進入氣動系統，壓力表用來監控管道氣體壓力，而氣體壓力的大小通過減壓閥調節，電磁換向閥用來改變氣體進入氣缸的方向，從而推動氣缸的運動。當電磁閥得電時，氣缸左端進氣右端排氣，活塞桿伸出，可以通過右邊的單向節流閥來調節排氣的速度，從而調節氣缸的伸出速度；當電磁閥失電時，右端進氣左端排氣，活塞桿收回，可以通過左邊單向節流閥來調節氣缸收回的速度[3]。通過PLC控制電磁換向閥實現氣缸的伸縮動作，進而實現手抓的夾取和釋放動作。

圖3 裝夾氣動原理Fig.3 Pneumatic schematic diagram of clamping air

1.4 伺服系統的設計

機械臂伺服控制可考慮從齒輪齒條傳動、同步帶傳動和滾珠絲杠傳動中選擇，通過轉動慣量參數的計算來選擇更為適合的傳動方式是十分必要的。電機軸的運動方程為

式中：α為電機軸的角加速度；I為總的轉動慣量；I0和I1分別為電機轉子和齒輪的轉動慣量；b為齒輪寬度；γ為材料參數；d為齒輪分度圓直徑。則齒輪傳動轉動慣量I為

同步帶傳動的同步帶輪與齒輪齒條傳動同理，計算表達式結果一致。

若選用滾珠絲杠傳動，Ig為螺桿的轉動慣量，p是螺桿的螺距，根據螺桿的公稱直徑D0和長度L，得出滾珠絲杠傳動Ig為

通過計算得出滾珠絲杠傳動時螺桿直徑與長度對轉動慣量影響較大，從而影響整體的扭矩輸出，并且滾珠絲杠結構復雜成本高，因此選擇齒輪齒條或同步帶的傳動方式較為合適[4]，又因為同步帶的噪聲小，傳動精度高于齒輪，因此選擇同步帶傳動的效果最佳。

1.5 整體工裝結構

根據機架車橋焊件結構、裝夾結構、伺服系統設計和氣動方式，設計的整體工裝結構如圖4所示。變位機與焊接機器人配合完成焊接作業，車橋管梁一端采用三角卡盤固定，可轉動管梁，方便焊接角度不同的焊件，另一端通過調整尾架，采用頂桿壓緊[5]；氣動夾手裝夾由圖像識別后的焊接工件，保證了焊接工件的準確定位。

圖4 整體工裝結構Fig.4 Overall tooling structure drawing

2 圖像識別及PLC控制系統

2.1 焊件的圖像識別

在工件抓取定位前對焊接工件先進行圖像識別，采用單目相機標定的方法[6]。圖像處理及識別的過程如圖5所示。

圖5 圖像處理識別流程Fig.5 Image processing recognition flow chart

首先對焊件采集圖像，進行灰度處理，考慮到現場采集圖像時，會受到環境等方面因素的影響，為了提高圖像的識別度，對提取的圖像進行消噪和中值濾波處理。圖像的邊緣輪廓是最基本的特征，常用的一階微分檢測算子包括 Roberts、Prewitt、Canny等。通過比較提取圖像結果，Canny提取的邊緣比較完整，具有較好的連續性，如圖6所示。

圖6 邊緣檢測結果Fig.6 Edge detection result

對圖像的邊緣特征提取之后，需要找到圖像的特征點并對比模版圖像進行匹配，焊件的匹配如圖7所示，基本原理是分析兩張圖的相似度[7]，n*m的模版圖像P從原圖R坐標起點開始平移，完成搜索覆蓋的區域稱為 R 的子圖 Ri，j（i≥1，j≤n-m+1），若模板P和子圖Ri，j相差為零則表示匹配成功，實現方法如下：

圖7 圖像匹配結果Fig.7 Image matching result

2.2 運行過程的分析

系統的整體流程如圖8所示，開始后先進行初始化設置，保證了抓手設定的初始位置和姿態，為后續抓取提供可靠的保證。系統初始化完成之后，等待事件的響應，當系統傳來啟動焊接工序1的命令時，進入的判斷程序，判斷工件是否定位完成，然后在進行焊接，焊接工序2和3也是同理。如果過程中出現問題則可以進入復位程序，該程序執行后則從初始化開始，排除問題后再進行相應的焊接工序。

圖8 整體流程Fig.8 Global flow chart

2.3 PLC程序

根據系統的流程圖，設計的PLC主程序如圖9所示，開始啟動后，PLC進入程序的初始化狀態，等待工序的執行信號，三個焊接工序在執行的時候是互鎖的程序結構，確保只執行其中某一焊接工序；復位程序執行后，將停止所有的程序，回到初始狀態[8-9]，停止按鍵啟動后整個PLC停止工作。

圖9 PLC主程序圖Fig.9 PLC master program diagram

2.4 用戶界面組態設計

為了提高系統的可操作性和人機交互能力，設計用戶界面如圖10所示。通過觸摸屏與PLC建立通信連接之后，用戶可以通過觸摸屏實時監控系統的運行情況，也可以方便地對系統相關參數進行設置。

3 結語

機架前車橋焊接智能工裝，適用于多零件的焊接。這種機器人化的工裝實現了工件從裝夾到定位焊接的整個過程的自動化，使得整個車橋焊接的整體效率得到了大幅度提高。為推動焊接車間的自動化和智能制造的進一步實施打下了技術基礎。

圖10 操作界面Fig.10 Operate window

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