一种自动化涂胶移动平台系统的设计_李海霞.pdf

收稿日期:2023 03 25基金项目:甘肃省高等学校创新基金项目(2022B 299)第一作者:李海霞(1984)，女，甘肃武威人，副教授，主要从事自动控制方面研究工作。E mail:li_haixia1984163 com一种自动化涂胶移动平台系统的设计李海霞1，张衡2(1 兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730060;2 航天科工智能机器人有限责任公司，北京 100070)摘要:某类产品使用螺钉对其外壳进行紧固连接后，在螺钉沉孔位置有规格不等的孔，需进行表面预留孔位进行封堵作业。从产品工艺、安全和美观角度出发，达到降低人工成本、追求产品的批量化生产的目的，设计了一种自动化抹胶封堵机器人系统，可以实现孔位的自动定位、孔内自动化涂胶等工序，并对封堵表面进行质量检测。测试结果表明，该系统可完成预定尺寸内的孔位的自动化封堵任务，降低人工劳动强度，提高了工作效率。关键词:自动化涂胶;自动化上料;视觉定位;协作机器人中图分类号:TP242文章编号:1000 0682(2023)04 0008 04文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 002Design of a mobile automatic gluing platform systemLI Haixia1，ZHANG Heng2(1 Lanzhou Petrochemical University of Vocational Technology，Gansu Lanzhou 730060，China;2 Aerospace Science and Technology Intelligent obot Co，Ltd，Beijing 100070，China)Abstract:When the housing of a product is connected and tightened with screws，some holes withdifferent sizes may be left at the mounting position，so that the reserved surface holes shall be sealed Toreduce labor costs and realize mass production from the perspective of product process，safety and aes-thetics，an automatic gluing and sealing robot system was designed which could implement automatic po-sitioning and gluing for internal holes and test quality for the sealing surface The test results indicate thatthe system can complete automatic sealing for holes with reserved size，reduce labor intensity and improvework efficiency to a large extentKeywords:automatic gluing;automatic feeding;visual positioning;collaborative robot0引言涂胶、封堵机器人逐步取代人工作业，在智能制造业中得到了广泛应用1 3。同时，涂胶封堵机器人结合了现代自动控制理论技术和视觉技术，朝着智能涂胶封堵方向发展4 5。例如，文献 6为解决管道长期使用出现的破损等问题，提出了一种分布式自适应管道封堵修复机器人。文献 7 通过自动路径功能优化，提高了涂胶效率和质量。文献 8 为满足精确控制机器人底涂质量的要求，提出了最小二乘法逆向计算喷涂速率和流量的方法。文献 9设计基于点云分析的柔性化机器人涂胶系统，满足航空制造领域多形式、大结构的生产模式。文献 10 设计了一种涂胶机器人离线编程系统涂胶轨迹更加均匀，满足高精度生产需求。在某类产品完成外壳安装后，需要对产品表面预留螺钉孔进行封堵作业，目前该环节均为人工手工完成，由于封堵工艺比较复杂、孔位较多等原因，完成单个产品的封堵时间比较长;同时，产品质量往往凭操作人员经验来保证，不利于产品的批量化生产。因此，需对产品外壳表面预留孔位进行自动涂胶封堵作业，采用一台带有视觉定位以及力控功能的协作机器人实现，机器人末端配备夹取机构用于夹取和放置堵头作业。整体系统放置在 AGV 平台上，可实现跨区域作业。该系统可实现从堵头上料夹取、孔位识别定位、精细化涂胶作业到产品外观检测等全流程的自动化作业。该文对该系统的设备机8工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期构组成、工作流程、控制系统等环节进行了整体设计和详细阐述，并对封堵后的产品进行了质量检测。1系统组成该系统主要由移动平台、自动化上料、自动化涂胶、自动化封孔、机器视觉定位和协作机器人执行系统等 6 个功能环节组成。系统核心组件主要由激光导航 AGV 小车、自动化上料库、刮胶工位、协作机器人、气动胶枪、堵头夹取机构、机器视觉定位系统组成，系统层次明了、整体控制闭环，适合应用于工业场景。其系统整体框架如图 1 所示。图 1整体系统组成图1 1移动平台由于涂胶和封堵的对象长度较长，表面不规则、孔位分布分散等情况，可将整体系统放置在移动平台上完成整体作业任务。该移动平台具备精确定位行走机构、电源、人机交互和自动升降等功能。行走机构由标准化两轮差速 AGV 底盘、导航和避障系统组成，两轮差速可实现移动平台原地自转，达到最小转弯半径的效果，减震悬挂可提高整体运行的平稳性，避障系统由两台覆盖范围 270的安全激光扫描仪组成，通过连续不停的发射旋转激光脉冲，可以实时监测和控制 AGV 运行期间的障碍物，保持足够的安全距离。平台携带有大容量电池，可实现整体系统的内部供电需求，不受线缆的影响，作业更灵活、范围更大。人机交互系统主要包括移动平台的控制参数和涂胶封堵系统参数设置。自动升降系统设置主要目的是适应整体系统的作业范围，主要由电机和导轨组成的模组构成，匹配 400 W 伺服电机，位置精度可达 0 05 mm，导向柱为高负载高精度直线导轨，能有效提升升降机构的整体刚度。1 2协作机器人系统中使用纽路麦卡协作机器人，其重复定位精度可达 0 02 mm，其以最大限度的伸展状态进行回转时可以达到的半径为 1028 mm，末端最大负载为 8 kg，拥有丰富的高精度应用场景实例。可长时间连续完成高精度工作要求，大幅提高作业效率，支持坐标定位、路径规划、离线编程等多种方式操作，如图 2 所示。图 2协作机器人作业半径图1 3末端执行机构该系统末端执行机构结构如图 3 所示。其工作内容包括孔位定位、堵头夹取、定量涂胶、过程力反馈等。孔位定位由机器视觉完成，由于堵头和孔之间的间隙只有 0 2 mm，所以要求机器视觉的定位精度在 0 1 mm 以内。堵头夹取任务由气动夹爪完成，由于堵头的外形尺寸是 10 mm 20 mm，为涵盖整个范围，需用开闭行程为 16 mm 的气动夹爪。定量涂胶主要由涂胶系统完成，其组成部件上包括气泵、电磁阀、胶枪、胶量控制器等，为了实现在孔壁涂胶的目的，选用带有一定角度的塑料胶头;过程力反馈是通过六维力传感器完成。图 3末端执行机构示意图1 4自动化上料系统为实现封堵堵头按照其规格需求进行供应，堵头料架设计采用从上方放料从下方取料的方式;用压缩气体吸盘取料完成取料，并用单轴机器人输送到指定位置。为完成涂胶工艺，堵头到达指定位置92023 年第 4 期工业仪表与自动化装置后，下方有旋转机构实现旋转;胶筒下方有移动滑台和升降滑台，实现整个堵头的涂胶工艺。2工作流程使用该系统进行作业的是 5 种规格的圆柱型状堵头，其外形尺寸分别为 10，13，16，18 和20 等，长度均为 30 mm，材料为铝合金，堵头和孔为间隙配合，间隙为 0 2 mm;涂胶工艺要求在孔壁入口处涂抹一定量的密封胶。自动化涂胶系统工作流程如图 4 所示。图 4工作流程图工作流程如下:(1)设备启动、自检。AGV 系统启动并自检，由操作人员在中控显示屏下达任务指令。机械臂启动并运行至零位位置;AGV 系统经导航系统控制自动运行至指定操作位置，机械臂携带双目相机运行至初始位置。(2)视觉识别。通过机械臂末端携带的高精度双目相机自主扫描和识别当前位置下的作业孔位、孔径信息，并上传信息至中控系统，由中控显示屏显示当前孔位识别情况，系统自动判断识别优良率。(3)孔位涂胶。孔涂胶高压气体推出，保证注胶器轴线同孔位轴线重合，依据孔位深度将注胶器末端插入并挤压出胶，依次完成该位置下的全部孔位涂胶。(4)封堵和刮胶。机械臂携带涂胶完毕的堵头运动孔位位置，保证堵头轴线同孔位轴线重合，堵头缓慢插入的过程由六维力传感器实时检测各向的作用力。考虑到孔边缘提取信息导致的轴线不重合，夹爪末端携带堵头进行封堵作业时，需通过六维力传感器实时判断并调整后进行插入。封堵作业结束，随后将溢出的胶用刮胶机构刮平。(5)拍照记录/检测。封堵作业完成后，机械臂末端携带双目相机逐个孔位进行扫描、拍照，记录作业完成情况，实时输出孔位的封堵检测、作业质量。重复执行上述步骤，由中控显示屏实时显示作业完成情况，直至完成全部孔位涂胶、封堵作业。3控制系统3 1电气控制系统该方案控制系统主要包括 PLC 核心控制器、双目相机控制器及相机、机械臂控制器及机械臂、工业触摸屏、AGV 控制器、自动注胶器等部分组成。电控系统组织框架如图 5 所示。图 5控制系统组织框架当对应产品孔位尺寸、位置有更改时，可以通过上传孔位信息图将程序内设定的预估孔位程序进行替换，从而在不调整程序的情况下实现孔位位置识别。相机依据预估孔位程序对应的孔位信息，可以精确识别实际工况下的孔位。孔位涂胶和封堵作业过程中，可根据工艺流程实时选择暂停/停止作业，控制系统具备记录当前位置和作业流程的功能，可在恢复作业条件后继续上道工序完成后续堵头封堵。3 2机器视觉视觉相机系统采用自研高精度双目视觉相机和控制器，同时配有相机图像数据采集处理计算模块，可以实现:相机图像数据采集、根据不同需求对全局图像数据进行处理分析，解算图像坐标数据，匹配计01工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期算三维坐标，对孔位目标标记点图像数据进行处理分析，解算标记孔位坐标数据，匹配计算三维坐标。3 3孔涂胶机构孔涂胶机构由精密点胶机和气动胶枪组成，气动胶枪将胶挤出，由相机识别孔位信息，机械臂运动到位后在孔内进行刷胶作业，至孔壁涂满胶水为止。涂胶量选用精密 MUSASHI 精密点胶机控制，通过S 232 通信上传、下载数据，搭载“自动递增功能”，可以根据吐出条件切换最大 400 组通道(chan-nel)的多项预置数据。刷胶路径规划:协作机器人携带末端机构实现涂胶工艺，为防止涂胶过程中出现绕线现象，同时实现整个孔的内壁涂胶要求，采用往复转动和上升运动相结合的方式进行，如图 6所示。图 6孔涂胶路径图4系统应用测试在完成自动化涂胶系统设计之后，进行系统测试。测试共分为涂胶工艺测试、定位精度测试及人机协作测试 3 部分。(1)涂胶工艺测试涂胶工艺能否达标是系统的关键，涂胶动力源为压缩气体，胶量控制主要由涂胶控制器负责，涂胶运动轨迹则是由机器人配合末端夹具完成，整个系统搭建完成后，需要对不同规格的孔的涂胶量进行反复实验，得出压力控制在0 3 MPa 时，符合该工艺的最佳控制点。(2)视觉定位测试堵头在孔内放置时具备位置采集、深度反馈和力参数等功能，确保堵头能够装配到合格位置。具备视觉定位功能，相机识别精度最高 0 1 mm，实际产品表面螺钉孔圆弧线不规则，在此情况下视觉相机应能够满足单边间隙 0 5 mm 误差范围内准确定位孔位。(3)安全功能测试系统工作时具备安全防护功能，保证设备和人身安全，实现人机协作，同时具备防静电功能。(4)上位机软件上位机软件在项目中主要实现整体系统的运行监控。实现操作人员、调试人员的人机交互、系统编程、涂胶结果拍照留存等;完成涂胶工序自动化控制、AGV 调度、机器人控制等操作，保障整个系统安全运行。5总结该文所设计的自动涂胶系统主要用于圆形孔的自动化涂胶和封堵工序，所需要完成的孔的规格较多，同时为了满足质量追溯的要求，需对封堵表面进行质量检测。通过系统自动化涂胶的实现，对质量进行有效的控制和检测，提高了工作效率。通过各项测试表明，整体系统运行稳定，单个孔作业周期控制在 3 min 以内，在孔内壁不存在缺胶的现象，完全符合工艺要求。参考文献:1林君健，张晓瑾，林粤科，等 基于 PLC 的示教式直角坐标涂胶机器人控制系统设计J 机床与液压，2016，44(03):49 51 2 成世良，谭欢，杨成，等 基于 IIWA 机器人的涂胶系统设计 J 制造业自动化，2017，39(09):115 118 3 张建政，董易，胡旺宁，等 面向 3C 行业制造工艺的工业机器人硬件和算法设计J 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