基于机器视觉的RV-80E减速器精密装配研究.pdf

第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:基金项目:浙江省重点研发计划项目()浙江省“尖兵”研发攻关计划项目()浙江环动机器人关节科技有限公司研发项目()作者简介:朱晴旺()男工程师硕士研究方向为 减速器精度保持关键技术().通信作者:张靖()男正高级工程师博士研究方向为机械设计及理论().基于机器视觉的 减速器精密装配研究朱晴旺张 靖谢发祥(浙江环动机器人关节科技有限公司玉环)摘要:为了保证 减速器批量装配过程的一致性和稳定性针对其装配质量控制关键技术进行了研究并开发了基于机器视觉的装配线 通过分析 减速器过定位结构原理提出了核心零件的 个关键配合方式和影响整机性能的 个复杂尺寸链 以实现最优整机性能为原则总结了 的精密装配工艺流程和质量控制参数 设计并开发了 装配线和机器视觉系统装配线覆盖 的智能选配、衬套精密压装、滚针安装、螺钉自动拧紧等关键装配工序在智能选配和衬套精密压装工位引入了基于 的视觉防错技术 统计分析了 台 减速器的传动误差指标符合正态分布其 指标为.生产数据表明基于机器视觉技术的装配线改善了 装配过程的一致性和稳定性关键词:减速器精密装配机器视觉中图分类号:文献标识码:(.):.:引言 减速器作为工业机器人的核心部件具有结构复杂传动精度高承载能力大的特点其市场一直被日本纳博特斯克垄断影响机器人可靠性的 减速器的整机装配关键技术仍处于保密状态这些关键技术是制约我国工业机器人发展的重要因素 因此展开对机器人减速器精密装配的研究对提升减速器的制造水平优化减速器的质量显得尤为重要近年来国内学者对 减速器的装配的研究也取得了一些成果 赵海鸣等以 为研究对象通过对子装配体和聚族零件进行划分建立了装配关联矩阵 应用割集理论对装配序列进行研究得出了理论可行序列 黄雪梅为了提高 减速器的质量运用 程序语言设计与开发 减速器装配生产线管理系统 刘大方通过对 减速器装配工艺的研究设计符合精益生产理念的装配线针对装配过程中存在的问题运用了“”提问技术和“”四大改善原则对装配过程进行流程程序分析改善了装配过程 目前对提升 减速器整机性能的精密装配质量控制工艺的研究并不多见且研究成果里头缺少减速器精密装配过程的零件检测、选配、定位、识别的过程控制研究目前国内 减速器的装配大都采用人工目视检查存在漏工序、追溯困难、检查主观因素多等问题 传统的装配检测方法已经不适用大批量机器人精密减速器的装配机器视觉是与精密制造业应用结合最为紧密的人工智能技术通过借助光学相机和非接触的传感器采集工件的特征图像结合视觉系统特定的算法提取图像信息进行分析处理使工业装备具有了基本的识别和分析能力能够完成工业生产过程当中的检测和控制 本文展开了 减速器机器视觉精密装配的研究通过分析 核心零件的配合方式和尺寸链的形式制定了 装配质量控制工艺开发了基于装配质量控制工艺的 装配线和机器视觉系统实现了机器视觉系统在 装配过程的应用在 减速器装配过程引入机器视觉系统可以有效避免人为失误而造成零件漏装和错装的问题能够有效的提升机器人减速器的装配质量和整机性能一致性 减速器装配质量控制工艺.减速器结构及装配工艺分析 减速器含两级减速机构第一级减速机构为行星齿轮和输入轴的渐开线行星传动机构第二级减速机构为摆线传动机构 第一级减速机构由输入轴和 个行星齿轮组成 第二级减速机构:个曲轴通过渐开线花键与行星轮连接曲轴的主轴颈上安装有圆锥滚子轴承与行星架连接曲轴偏心轴颈作为滚针轴承的内滚道与滚针轴承和摆线轮连接摆线轮与针齿壳上的等齿距排列 根滚针连接 结构紧凑曲轴上圆锥滚子轴承通过行星架和孔用弹性挡圈实现轴向定位曲轴上的滚针轴承、摆线轮、针齿壳通过滚针实现径向定位轴向和径向的同时定位使得 形成一种复杂的过定位的结构.主轴承.曲轴滚针轴承组件.圆锥滚子轴承.摆线轮.滚针.针齿壳.密封圈.行星架.行星齿轮图 减速器剖视图 是由主轴承、曲轴滚针轴承组件、圆锥滚子轴承等 种核心零部件和圆锥销、内六角圆柱头螺钉、弹性挡圈等 种紧固件按照特殊的装配逻辑和精密的配合组成 决定 减速器的传动精度、内摩擦和振动噪声的整机性能主要包含 个重要配合和 个关键尺寸链 个配合包含:主轴承内圈与行星架轴承外圆的配合主轴承外圆与针齿壳内孔的配合圆锥滚子轴承内圈与曲轴外圆的配合圆锥滚子轴承衬套与行星架轴承孔的配合摆线轮轴承孔、滚针轴承和曲轴外圆的配合针齿壳齿槽和滚针的配合行星架圆锥销和锥孔的配合行星齿轮内花键与曲轴外花键的配合 个关键的装配尺寸链包含:行星架卡簧槽高、曲轴组件装配高和卡簧厚度的轴向尺寸链行星架端高、主轴承装配高、挡圈厚度的轴向尺寸链针齿壳齿根圆、摆线轮跨棒距、滚针直径的径向尺寸链图 个复杂尺寸链示意图 种配合和 个尺寸链的控制需要通过特殊的选配工艺采用基于待装零件的最大选配成功率的多目标的选配算法来实现 种配合和 个尺寸链控制的一致性通过找出零件的选配特性与装配特性互相映射关系来保证 减速机装配过程整机性能的一致性、稳定性 的装配工艺流程如图 所示图 减速器精密装配工艺流程.装配质量控制分析基于过定位的结构原理分析减速器如以提高整机传动精度和啮合刚度为原则则要求选配和装配过程尽可能减小零件啮合间隙 以提高整机传动效率和传动平稳性为原则则需要选配和装配过程增加零件的啮合间隙来补偿制造装配误差以降低零件啮合过程的可能导致的干涉 减速器使用的轴承主要包括角接触球轴承圆锥滚子轴承、滚针轴承 为提高轴承的支撑刚度确保传动精度轴承装配时需要在其内外圈施加一定的预紧力以消除轴承的游隙 在 减速器中内外圈的预紧力除了与旋转轴和腔体的配合公差控制外还利用可调整厚度的孔用卡簧来调整曲轴上的圆锥滚子轴承的预紧力通过可调整厚度的挡圈来调整主轴承的预紧力通过可调整直径的滚针来调整滚针轴承的预紧力 根据文献滚子轴承轴向的预紧力为()(为轴承内孔直径)可以得到轴承在预紧力下的的轴向位移:.()组合机床与自动化加工技术 第 期()式中:为滚子的有效长度 为轴承接触角 为滚子数量为轴向位移(预紧量)根据赫兹弹性接触理论点接触球轴承在外部轴向载荷 作用的轴向变形 的表达式为:/()式中:为由轴承材料、类型、结构和尺寸等决定的常量根据式()式()可估算 的轴承的预紧量 通常轴承的预紧力越大轴承的支撑刚度越高但在一定的转速下轴承的内摩擦力越大温升也越高寿命也会随之下降 装配质量控制的核心特性在于让减速器的零件的配合和尺寸链的控制达到一个理想的平衡状态即通过关键的选配和精密的装配工艺来控制减速器装配过程各个轴承和零部件的预紧量 为理想的阈值实现控制轴承足够的支撑刚度又能补偿装配制造加工误差而导致过定位结构的局部位置的零件间的干涉 最佳的预紧量的取值结合 轴承的实际工作转速、载荷、润滑方式、经验再通过反复试验确定 个预紧量控制参数如表 所示表 选配控制参数序号尺寸链内容预紧量 /行星架槽高、曲轴组件装配高、卡簧厚度.行星架端高、主轴承装配高、挡圈厚度.针齿壳齿根圆、摆线轮跨棒距、滚针直径.由于预紧量的控制要求非常精准因此选配前需要采用精密的量具如位移尺、外径千分尺、内径千分尺、二维测高仪等来测量 个复杂尺寸链的零件关键装配尺寸 基于保证最优装配间隙的原则针对各个零部件装配尺寸通过多目标优化算法计算保证零部件最大选配成功率 选配完成后待装零件开始装配装配过程需要采用专用精密伺服压机和专用夹具来控制存在过盈配合的零部件的压入力和位移保证零件压入过程的压装精度防止偏压、漏压或者压入力不够等情况发生 验证零件预紧量的准确性需要精密的内摩擦力矩测量设备来检测轴承等零部件啮合时的内摩擦力矩 螺钉、圆锥销等紧固件的安装需要采用专有拧紧装配设备以匹配特殊拧紧方案以此保证周向分布的螺钉的紧固力矩的一致性和均匀性 装配质量控制关键特性如表 所示表 装配质量控制关键特性序号配合内容配合方式控制内容主轴承内径与行星架轴承外圆(/)压入力和位移主轴承外径与针齿壳内孔(/)压入力和位移圆锥轴承内圈内径与曲轴外圆(/)压入力和位移衬套外圆与行星架轴承孔(/)压入力和位移摆线轮轴承孔、滚针轴承、曲轴负游隙摩擦力矩针齿壳齿槽、滚针(/)摩擦力矩行星架锥销与锥孔 游隙锥角行星齿轮内花键与曲轴花键 间隙压入力 机器视觉系统和装配线的开发.机器视觉系统的组成机器视觉应用系统主要由 大部分组成图像采集系统图像分析处理系统输出显示系统 大系统的硬件细分为:光源(照明系统)、工业相机和镜头、图像采集模块、处理器、通信模块和执行机构 目标发出的光通过工业相机进入相机内部的光传感器形成图像 图像传感器将被检测的目标图像转换成图像信号传递给专用的图像处理系统图像处理系统根据像素的分布、亮度和颜色等信息转变成数字化信号图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标特征再根据预设的允许度和其他条件输出结果实现自动识别功能图 机器视觉系统硬件结构 机器视觉系统的开发以装配质量控制工艺为基础在于解决 个配合和 个尺寸链的选配装配过程中的零件检测、识别、定位、防错等问题 机器视觉的照明系统的光源影响机器视觉系统图像质量的重要因素它直接影响输入数据的质量在整个视觉系统中有着关键的作用 此次装配线上开发的照明系统选择选 的 其具有寿命长发热少亮度高稳定性好等优点 机器视觉系统的相机相当于机器的“眼睛”选择工业相机 其具有响应速度快、视野范围广精度高等优点 镜头选择 镜头具有足够焦距、宽阔的视野、散光干扰强优点 图像采集卡需要与相机协调工作需要选择与相机适配性高的 采集卡 视觉信息处理系统选择 的机器视觉软件 其具有强大的视觉工具处理能力和编程界面简单易懂、维护方便等优点 机器视觉系统的配置如表 所示表 机器视觉系统配置序号类别厂商规格光源 工业相机图像采集卡 高清工业镜头视觉处理软件工业电脑研华.装配线组成 装配线的开发是以装配质量控制工艺为基础同时遵循智能化精益生产生态化人性化等理念 开发过程中需要从装配线平衡、装配线物流方式设计、装配线 规划、装配线物料缓存 个方面考虑 通过对工厂、产线、工位 个层面进行功能分解得图 装配线布局出基于装配质量控制的产品的装配流程 装配线设计过程中同时要考虑所需要的设备、产品、人员、生产方式、节拍等多种因素影响以装配线间物流、产品柔性化、人机工程学、防错、数据可追溯性作为装配线设计的核心要素 年 月 朱晴旺等:基于机器视觉的 减速器精密装配研究通过对 的装配质量控制工艺分析开发 装配线装配线共有 个工位呈流水线布局装配线覆盖 智能选配、曲轴压装、螺钉自动拧紧等装配工序如表 所示 其中 个工位使用了机器视觉技术分别在智能选配工位 和衬套精密压装工位 装配线布局如图 所示表 减速器装配线工位明细工位号工位名称曲轴压装工位智能选配工位衬套精密压装工位主轴承压装工位滚针安装工位螺钉自动拧紧工位 机器视觉技术在装配线上的应用.工艺过程分析 装配线视觉检测工艺流程如图 所示 工位具体工艺流程:操作员通过选配软件多目标优化算法将选配好的零件置于托盘上托盘进入 工位后顶升气缸将托盘顶出线体并开始视觉检测检测内容包括:针齿壳有无漏装行星架有无漏装摆线轮有无漏装主轴承有无漏装曲轴滚针轴承组件是否漏装曲轴组件装配高尺寸是否满足装配要求 个检测项目合格后才能允许托盘流转到下工序 开始后续工位卡簧和衬套的装配视觉检测计算曲轴滚针轴承组件装配高的数值用于选配过程中选配好的曲轴组件装配高数据决定了 工位卡簧和衬套的安装过程的先后顺序视觉检测过程需要保证曲轴滚针轴承组件的 个衬套、按规定的顺序分别安装至行星架的 个孔、中以保证曲轴组件轴向的游隙图 智能选配工位 图 衬套精密压装工位表 衬套压装顺序衬套压装工序号待压装的衬套编号行星架孔编号.应用分析 的视觉工具 具有可以根据其功能来组织各种工具并创建重复利用的模块为复杂的视觉逻辑任务提供简单的接口的能力具有添加编程语言所支持的全部数据类型并可以将完成同类功能的视觉工具组织到一起并赋予有时间意义的名称的能力 因此 智能选配和 衬套精密压装工位的视觉检测程序的编辑应用 的视觉工具 可以稳定高效的实现了对应工艺过程的程序编辑和视觉检测 的视觉检测程序编译过程如下:()打开 编辑框选择 面板在其中点击新建就会弹出终端预览通过 取像工具将相机相源信号传输至图像处理程序中在 软件里头工具库选用取像工具 对 圆锥滚子轴承衬套图像的提取()使用图像处理工具 对图像进行了图像格式的转换()使用模型定位工具 训练一个模型再运行图像上查询一个或多个已训练的模型以提高模型匹配的效率和精度图 训练模型()使用坐标定位工具 建立坐标系以实现衬套被测模型的精准定位()使用 图像处理工具以灰度直方图来确定分割阈值实现对 个曲轴滚针轴承组件的衬套、的图像光斑和背景的分割以完成抓取衬套光斑的目的 如图 所示通图 衬套特征提取过计算蓝色方框搜索区域内的方差值经过模型训练试验确定其方差值为 为分割 阈 值 当 方 差 值 大 于 时表示轴承衬套存在方差之小于 时表示轴承不存在()使用 工具设置判断逻辑对上述 个衬套的特征信息进行判断 个衬套严格的按照先后顺序分为 次安装因此需要判断 次第 次判断:衬套 不存在其余的都存在第 次判断:衬套 不存在其余的都存在第 次判断:衬套 不存在其余的都存在第 次判断:衬套不存在其余的都存在第 次判断:衬套不存在其余的都存在第 次判断:衬套组合机床与自动化加工技术 第 期都不存在根据判断逻辑在给出“”、“”、或者“”的最终运行结果并发送给 最终输出到工控机视觉检测界面表 第 次判断逻辑名称参数 运算符参数 值输出结果小于大于等于大于等于大于等于大于等于大于等于与与与与与 工位的视觉程序编辑过程与 类似在此就不再详细赘述图 程序编辑界面图 视觉检测界面.装配线生产数据分析采用机器视觉系统的 装配线开发成功后经过小批量 台生产样机试验减速器性能指标如表 所示生产样机符合设计要求 小批量验证通过后装配线批量应用于 的装配生产过程当中通过对生产过程数据统计分析 在采用机器视觉系统的装配线生产平均装配速度 /套与手工装配对比生产效率提高了 倍机器视觉系统解决了精密装配工序过程中的零件检测、定位、识别防错等质量问题因此减速器的合格率和一致性有了较好的提升 的传动误差指标对装配过程质量控制影响较为敏感通过对装配线下线的 共计 台的成品减速器的传动误差进行统计分析如图 所示其传动误差整体分布形式为正态分布 台减速器的图 台 的传动误差分布传动误差数据集中在 .之间 通过计算其过程能力指数 的值为.根据 等级评定指标为 级 指标表明减速器装配生产过程状态稳定表 性能数据减速器型号减速器编号传动误差(.)要求小于 齿隙(.)要求小于 回差(.)要求小于 扭转刚度(/.)要求大于.装配线减速器性能指标均值.结论基于机器视觉技术的装配线能够稳定的应用于 的装配生产中通过对装配线生产的 台 减速器过程数据分析 减速器各项测试指标稳定符合设计要求装配线改善了 减速器的整机性能提高了装配过程的一致性和装配效率参考文献 赵海鸣蔡进雄付彪等.减速器的装配序列规划研究.机械传动():.黄雪梅.减速器装配线设计与管理研究.杭州:浙江工业大学.刘大方.工业机器人 减速器装配线作业改善.杭州:浙江工业大学.宋春华彭泫知.机器视觉研究与发展综述.装备制造技术():.吴凯.减速器装配中的选配优化技术研究.北京:北方工业大学.王文涛徐宏海.减速器曲柄轴承的工况分析及改善方法.机械设计与制造():.郭湘宇.两种典型定位方式“过定位”问题研究.内燃机与配件():.张靖陈兵奎吴长鸿等.圆锥滚子轴承预紧力对变速器啸叫噪声的影响分析.中国机械工程():.李为民.圆锥滚子轴承轴向定位预紧刚度计算.轴承():.任永强陈康琛张闻箫.基于机器视觉的齿轮图像特征匹配优化.组合机床与自动化加工技术():.():.刘瑞媛茅健陆文超.汽车精密零件外观缺陷视觉检测方法研究.计算机与数字工程():.尹仕斌任永杰刘涛等.机器视觉技术在现代汽车制造中的应用综述.光学学报():.范迪.工厂及装配线设计框架模型研究.吉林:吉林大学.(编辑 赵 蓉)年 月 朱晴旺等:基于机器视觉的 减速器精密装配研究