基于機器人的風電輪轂螺栓視覺扭力工具設計*

蘇軍英，李雪萍，肖鐵忠

(1.安陽職業(yè)技術(shù)學院汽車學院，河南 安陽 455000；2 河南師范大學電子與電氣工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.四川省裝備制造業(yè)機器人應用技術(shù)工程實驗室，四川 德陽 618000)

0 引言

能源是人類社會發(fā)展和存在不可或缺的因素之一，但是隨著人類文明的發(fā)展，能源危機也在日益突出[1-2]。煤炭、天然氣、石油等傳統(tǒng)常規(guī)能源正在加速被工業(yè)化國家消耗[3]，據(jù)估計，若無重大能源發(fā)現(xiàn)或能源消費結(jié)構(gòu)無重大變化的情況下，全世界常規(guī)能源在未來100年內(nèi)將消耗殆盡，而石油可能是最先枯竭的能源[4]。而中國已探明儲量的常規(guī)能源僅能開采、消費不足35年，故尋求新的能源替代傳統(tǒng)能源已經(jīng)成為全人類迫在眉睫的任務[4]。目前，應用最為廣泛的清潔能源主要有水能、風能及太陽能等，雖然我國風力發(fā)電行業(yè)發(fā)展較快，但是發(fā)電設備制造、安裝及調(diào)試技術(shù)均不是很成熟。針對風力發(fā)電機組的設計、制造、安裝及運行與維護，我國還處在勞動密集型發(fā)展階段，在風力發(fā)電設備制造安裝過程中也存在很多問題亟待解決[5]，如輪轂系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)的聯(lián)接螺栓上扭力緊固自動化改造問題。目前，針對此類螺栓的緊固，自動上扭機器人應用技術(shù)尚不成熟，主要存在生產(chǎn)效率低下、工人勞動強度大以及漏上螺栓扭力等問題。機器人由于具有適應各種惡劣環(huán)境，能執(zhí)行高強度、高效率及高可靠性工作而在各行業(yè)中得以廣泛應用。本文針對發(fā)電機組輪轂系統(tǒng)存在的問題，提出了自動掃描找螺栓、機器人帶動自動緊固工具緊固螺栓的全新工藝及裝備方案，有效解決前述存在的各種問題。

1 技術(shù)要求及分析

如圖1所示為風力發(fā)電機組輪轂系統(tǒng)聯(lián)接用轉(zhuǎn)盤軸承圖，內(nèi)圈通過螺栓與輪轂系統(tǒng)聯(lián)接，外圈通過螺栓與槳葉聯(lián)接，其上孔均勻分布于內(nèi)外圈上。

1.外圈 2、5.聯(lián)接孔 3.鋼球 4.內(nèi)圈圖1 雙排四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承

輪轂系統(tǒng)與軸承聯(lián)接如圖2所示。

由圖可知，輪轂系統(tǒng)有A、B、C三個聯(lián)接面，每個面有80個M36螺栓孔，即每個面有80個直徑為36 mm的螺栓需要緊固及上扭力。目前，針對此類螺栓的緊固及上扭力基本采用人工操作液壓或電動扭力扳手[6]，經(jīng)企業(yè)實際統(tǒng)計顯示，每個面螺栓的實際緊固及上扭力時間為1.5 h左右，即每個輪轂完成裝配需要5 h左右，此方案存在生產(chǎn)效率低下、工人勞動強度大以及漏上螺栓扭力等問題。為解決上述缺陷，需采用全新的工藝及裝備對其進行改進，以滿足企業(yè)要求。

2 工藝方案分析及制定

目前，針對此類大型部件螺栓的緊固及上扭基本依靠人工，主要存在工人勞動強度大、生產(chǎn)效率低、裝配質(zhì)量不穩(wěn)定等問題[7-8]。為有效解決現(xiàn)有技術(shù)存在的短板，本文提出了基于視覺技術(shù)的自動緊固及上扭機器人工藝方案，即利用機器視覺對部件進行自動掃描，自動生成零件三維模型，從而獲得螺栓孔的位置信息，并根據(jù)部件裝配工藝要求自動生成螺栓裝配程序，最后驅(qū)動機器人帶動專用工具對所有螺栓進行緊固及上扭。設計的整體工藝方案如圖3所示。

由圖可知，輪轂部件的裝配分為2個工位，工位1由緊固機器人帶著專用工具對部件3個面的螺栓進行緊固，待完成后，將工件轉(zhuǎn)移至工位2，由上扭機器人對工件螺栓進行上扭；每個工位輪轂只裝夾1次，由變位機帶動對其進行變位；機器人采用6自由度高可靠性串聯(lián)機械手；輪轂在緊固及上扭前，由機器人帶著激光視覺頭子對其進行掃描，從而獲得工作面的三維模型，進而確定螺栓孔(或螺栓)的精確位置，并按工藝要求生成裝配工藝程序，最后驅(qū)動機器人完成螺栓的緊固或上扭。圖4所示為自動扭力機器人的工作原理圖。

(a)機器人系統(tǒng) (b)旋轉(zhuǎn)變位機圖4 機器人工作原理圖

由圖4可知，專用設備由6自由度通用機械手、專用扭力機構(gòu)及變位機等組成，相對應的通用6自由度機器人由底座A1(θ1)、大臂A2(θ2)、小臂A3(θ3)及肘部回轉(zhuǎn)軸A4(θ4)、腕部偏轉(zhuǎn)軸A5(θ5)、手腕回轉(zhuǎn)軸A6(θ6)組成；滑動副L1、L2為專用工具G1的移動自由度，滑動副L1、L2上分別設置扭力扳手B1及B2；旋轉(zhuǎn)副A7(θ7)為變位機的旋轉(zhuǎn)自由度，其工作臺T上設置專用夾具系統(tǒng)，對輪轂系統(tǒng)進行定位及夾緊。上扭設備的工作原理為：變位機帶著輪轂系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)位，使連接螺栓孔所在平面對準機器人，滿足輪轂系統(tǒng)不同面聯(lián)接螺栓孔對準機器人；將專用工具G1固裝于A6軸，6自由度機器人可根據(jù)工件及專用工具的相對位置要求對專用工具的位置進行變換，以滿足加工位置要求；由于輪轂聯(lián)接螺栓所在直徑尺寸及數(shù)目不同，專用工具的移動自由度L1、L2可以移動改變扭力工具的中心距，使其滿足不同直徑要求；A6軸帶著G1按工藝要求進行旋轉(zhuǎn)，滿足“十字”交叉上扭及不同螺栓數(shù)目要求。

3 自動緊固上扭工具設計

據(jù)前述輪轂結(jié)構(gòu)及工藝方案可知，輪轂螺栓在緊固及上扭裝配過程中，如果采用人工裝配，螺栓緊固數(shù)量多、力矩大、噪音大、登高作業(yè)占比多，容易出現(xiàn)漏上、工人摔傷等工藝不合格及人身安全問題[9-10]。由圖1、圖2可知，輪轂每個面有80個螺栓需要緊固，在分析企業(yè)各類型發(fā)電機組可知，輪轂螺栓數(shù)目均為偶數(shù)，螺栓規(guī)格有大有小且其所在直徑大小不一，故在設計工具時，需解決螺栓孔所在裝配直徑、螺栓尺寸規(guī)格以及自動軸向進給等問題[11]，綜上考慮，設計了如圖5所示的專用緊固工具結(jié)構(gòu)。由圖5可知，在支撐平臺9的左右兩端各設置一個移動滑臺5，滑臺上各設置一套液壓擰緊扳手6，扳手上安裝激光掃描頭8，滑臺5由絲杠螺母副拖動，可左右滑移，從而實現(xiàn)左右套筒軸線的中心距的調(diào)節(jié)(距離為L1～L2)，即可實現(xiàn)不同直徑型號輪轂的裝配，更換套筒7即可實現(xiàn)不同規(guī)格螺栓的裝配；螺栓專用緊固結(jié)構(gòu)做成對稱型可滿足螺栓裝配時“十”字交叉上扭工藝要求。由圖5可知，聯(lián)接法蘭14與機器人末端法蘭聯(lián)接，其上設置兩個直線導向系統(tǒng)。支撐平臺9由兩個直線軸承16及導向光桿15組成的直線導向系統(tǒng)支撐及導向，其行程及力由導向氣缸13提供，即可滿足緊固過程中自動軸向運動需要。

1.伺服電機 2.滾珠絲杠 3.防護罩 4.絲杠螺母 5.滑臺 6.液壓扳手 7.套筒 8.激光掃描頭 9.支撐平臺 10.光桿支座 11.氣缸連接板 12.氣缸桿 13.氣缸體 14.聯(lián)接法蘭 15.導向光桿 16.直線軸承圖5 專用緊固工具結(jié)構(gòu)

4 專用變位機設計

輪轂結(jié)構(gòu)如圖1及圖2所示，共有A、B、C三個面的螺栓需要緊固上扭，裝配時，通過變位機構(gòu)將裝配表面正對機器人，如圖3所示。為使裝配時輪轂有準確的位置，以底面及其上的任意相鄰的兩個孔作為定位基準對輪轂進行定位，如圖6所示。為實現(xiàn)一次裝夾同時完成3個面的螺栓裝配，設計旋轉(zhuǎn)機構(gòu)完成輪轂的轉(zhuǎn)位，設計的變位機結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.定位孔 2.定位面圖6 輪轂底面定位示意圖

1、13.支撐底座 2.蝸桿 3.蝸輪 4.傳動軸 5.小齒輪 6.圓螺母 7、15.定位銷 8.圓工作臺9.圓柱滾子推力軸承 10.定位塊 11.工件定位銷 12.圓工作臺回轉(zhuǎn)軸 14.大齒輪 17、19.T型螺栓 18.T型槽圖7 變位機結(jié)構(gòu)

由圖7可知，變位機由定位機構(gòu)、圓工作臺、傳動系統(tǒng)、支撐機構(gòu)等組成，定位機構(gòu)在圓工作臺上可徑向移動，以滿足不同型號輪轂裝配定位需要；伺服電機帶著蝸輪蝸桿運動，蝸輪帶動小齒輪，小齒輪帶動大外齒圈，最后由外齒圈帶動圓工作臺進行正確轉(zhuǎn)位。以工位1工序為例，其工作原理為：根據(jù)輪轂尺寸選擇不同直徑上的定位銷，人工將輪轂起吊至定位機構(gòu)上方，將定位機構(gòu)上兩定位銷插入輪轂定位孔內(nèi)，實現(xiàn)工件定位。機器人帶著專用緊固工具對其進行掃描，獲得相應模型并生成裝配工藝程序，完成第1個面所有螺栓的緊固，機器人退回原點，變位機在電機及減速機的帶動下旋轉(zhuǎn)120°，完成第2個面所有螺栓的緊固，再旋轉(zhuǎn)120°，完成第3個面的裝配，人工吊裝下料，如此循環(huán)完成輪轂螺栓的裝配。工位2工作原理與工位1一致，但是其工件為工位1螺栓緊固后的輪轂。

5 運行驗證

本次驗證實驗采用庫卡機器人作為載體帶著簡化后的專用工具對工件進行實際裝配工藝試驗，如圖8所示。本次試驗由兩臺機器人組成裝配工藝系統(tǒng)，機器人各自帶著液壓扳手及激光掃描頭，試驗時先由機器人帶著工具對輪轂進行掃描，確定所有螺栓位置，按照“十”字交叉上扭工藝原則，兩臺機器人同步對輪轂上對稱的螺栓進行上扭。實際試驗表明，單個螺栓上扭時間為40 s/2遍，即單個面裝配時間為27 min左右，加上轉(zhuǎn)位輔助時間，1.5 h即可完成一個輪轂所有螺栓的裝配，且無遺漏現(xiàn)象，工人只需輔助完成輪轂的上下料即可。

圖8 裝配試驗

6 結(jié)論

(1)通過對輪轂系統(tǒng)等風電部件螺栓緊固上扭現(xiàn)有技術(shù)工藝的分析，提出了一次裝夾、自動掃描三維重構(gòu)、自動工藝路徑規(guī)劃、自動緊固上扭的全新工藝方案；在通用6自由度機器人的末端設計了基于視覺技術(shù)的可調(diào)中心距的自動上扭工具，滿足不同型號輪轂螺栓的自動上扭要求；

(2)設計了可自動變位的圓形轉(zhuǎn)臺滿足不同型號輪轂的定位裝夾及不同面螺栓上扭的旋轉(zhuǎn)變位要求；

(3)綜合機器人技術(shù)、視覺技術(shù)、專用扭力工具等對輪轂進行裝配工藝實驗顯示：單個工件的裝配時間由原來的5工時提升至1.5工時左右，合格率提升至100%。