CN106737688A - 一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锅炉设备制造技术领域，具体为一种用于集箱管座高精度机器人自动装配的方法和系统，其可用于集箱管座的坡口结构为：管座坡口段车削加工出圆锥面，并留有钝边，筒身上对应位置加工有平面和沉孔用于管座的安装，沉孔与管座坡口之间存在一定间隙。

Description

一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统和方法

技术领域

本发明涉及锅炉设备制造技术领域，具体为一种基于多传感器集箱管座自动装配的系统和方法。

背景技术

集箱是锅炉中的重要部件之一，主要用于工质汇集或分配的压力容器。集箱主体由一根大量开孔的钢制筒身和多个钢制管座焊接而成，筒身和管座正式焊接前，需预先加工出各自的坡口，并进行装配、点焊固定。

管座装配是集箱整个制造周期中的首要工序，装配的质量直接影响了之后工序的质量，甚至产品的性能和寿命。目前工厂多采用人工进行管座装配，但由于加工误差、装配间隙以及人工装配随机性等的影响，极易出现装配尺寸超差，出现质量事故。

机器人自动装配技术是解决集箱装配问题的方法之一，其可提高装配精度、效率以及管座的一致性，大幅降低人工劳动强度。但传统的机器人装配多用于汽车、电子等批量大、工件尺寸小、加工精度高、夹具定位精确的领域，通过简单的机器人示教编程便能满足装配要求，而对于集箱这种大型结构件，加工精度低、搬运和焊前预热等造成的变形、以及夹具难以精确定位等不利因素使得传统的方法不再适用，需通过多种传感器进行装配过程的自适应控制。

发明内容

针对上述问题，结合集箱管座自身的结构特点，本发明提供了一种用于集箱管座高精度机器人自动装配的方法和系统。其可用于集箱管座的坡口结构为：管座坡口段车削加工出圆锥面，并留有钝边，筒身上对应位置加工有平面和沉孔用于管座的安装，沉孔与管座坡口之间存在一定间隙。

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统。

一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于包括：系统控制单元、工业机器人、机器人平台移动单元、管座上料单元、视觉传感单元、力传感单元、管座称重单元、管座夹持单元和筒身夹持单元，系统控制单元、工业机器人、机器人平台移动单元、管座上料单元、视觉传感单元、力传感单元、管座称重单元、管座夹持单元和筒身夹持单元相互采用信号连接。

所述系统控制单元由PLC、工控机、及各通讯模块组成，各模块的通讯信号均采用现场总线形式，其中PLC作为主控单元，站类型为Modbus-TCP主站，用于整个系统流程的控制和数据信号的处理，工控机站类型为Modbus-TCP从站，其主要用于各传感器反馈数据的分析和计算，并将结果发送给PLC。

所述工业机器人末端机械连接所述视觉传感单元、力传感单元、管座夹持单元，站类型为Modbus-TCP从站，工业机器人根据系统控制单元发出的控制指令进行相应的动作。

所述机器人平台移动单元用于装配工位的切换，平台的移动可采用半闭环或闭环的伺服系统，伺服控制器与PLC采用CANOPEN总线连接，通过PLC发出的高速脉冲进行定位。

所述管座上料单元置于所述管座称重单元上，为整个装配系统不间断地提供管座。

所述视觉传感单元置于所述工业机器人末端，用于管座装配过程中筒身孔轮廓数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元，站类型：Modbus-TCP 从站。

所述力传感单元置于所述工业机器人末端，用于管座装配过程中力数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元，站类型：Modbus-TCP 从站。

所述管座称重单元置于所述管座上料单元下，用于管座重量数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元，站类型：Modbus-TCP 从站。

所述管座夹持单元机械固定在所述力传感单元上，用于夹持管座，所述筒身夹持单元用于筒身的固定和旋转。

一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配方法，所述装配方法包括以下步骤：

步骤1，管座装配前的准备工作：将筒身固定在筒身夹持单元上，上料单元装满管座并置于称重单元上，装配机器人平台回零，焊枪工具坐标系的标定；

步骤2，装配位置的视觉定位：利用工业机器人将视觉传感单元移至筒身孔的理论位置进行多次扫描，确定筒身孔中心的位置以及沉孔平面的倾斜角度，并以此为依据在筒身孔中心建立基准坐标系；

步骤3，机器人移至上料单元，抓取管座并利用力传感单元测量管座重量，若重量与设定范围不符(抓取失败或管座不合格)，将管座放至废料区，并重新进行抓取，直至重量与理论值误差小于10%；

步骤4，根据视觉定位的结果建立进行初步路径规划，根据规划的结果进行装配，并通过力传感单元多次与工件建立接触，并再次定位并找正，最终将管座装在筒身孔中心；

步骤5，机器人通过力传感器向下施加一定的载荷，保持至管座点焊完成，以避免点焊导致的焊接变形；

步骤6，移至下一个工位，重复步骤2-5，作业期间系统控制单元一直监测称重单元的数据，当重量低于设定值时，报警管座不足。

附图说明

图1为发明一具体实施——基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统的结构图。

图2为发明一具体实施——视觉传感单元第一次定位示意图。

图3为发明一具体实施——视觉传感单元第二次定位示意图。

图4为发明一具体实施——力传感单元定位及找正的过程图。

附图标记：

1.系统控制单元、2.工业机器人、3.机器人平台移动单元、4.管座上料单元、5.视觉传感单元、6.力传感单元、7.管座称重单元、8.管座夹持单元、9.筒身夹持单元。

具体实施方式

实施例1：

结合具体实例、附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为根据本发明一具体实施例的结构示意图，其可实现集箱管座高效率、高质量地自动化装配，该系统包括：系统控制单元1、工业机器人2、机器人平台移动单元3、管座上料单元4、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、管座夹持单元8和筒身夹持单元9。

所述系统控制单元1与所述工业机器人2、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、机器人平台移动单元3连接，用于接收所述视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7采集的数据，并对数据进行处理分析，根据得到结果将运动指令按控制逻辑顺序发送给执行机构：所述工业机器人7和机器人平台移动单元3。

所述系统控制单元1可由PLC、工控机或PLC、工控机和机器人控制系统等多个主从站组合而成，可采用InterBus、CAN等控制主线方式与其他单元相连。

所述系统控制单元1进一步应包括机器人平台移动模块，机器人装配数据传输模块，称重处理模块等，分别用于装配系统各个部分的控制。

所述工业机器人2末端连接所述视觉传感单元5、力传感单元6、管座夹持单元8，输入端连接系统控制单元1，根据运动指令进行相应的动作。

所述工业机器人2通过以太网等方式与系统控制单元1连接。

本发明一具体实施例中使用了六关节全自由度工业机器人，可采用FANUC、KUKA、ABB等成熟的商业机器人。

所述机器人平台移动单元3连接机器人平台，用于装配工位的切换，输入端连接所述系统控制单元1，根据运动指令进行相应的动作。

机器人平台移动单元3可根据实际情况选择是否与工业机器人联动，本发明一具体实施例中使用了与工业机器人非联动的直线导轨。

所述管座上料单元4置于所述管座称重单元7上，为整个装配系统不间断地提供管座。

所述管座上料单元4的机构需根据管座的实际规格进行定制。

所述视觉传感单元5置于所述工业机器人2末端，用于管座装配过程中筒身孔轮廓数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述视觉传感单元5进一步包括视觉传感器、图像采集模块以及相应的图像处理模块。视觉传感器用于工件表面轮廓点数据的获取，并通过图像采集模块发送给图像处理模块进行处理分析。

所述力传感单元6置于所述工业机器人2末端，用于管座装配过程中力数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述力传感单元6进一步包括连接法兰、力传感器、转接板和数据采集模块等，其中力传感器为六维力传感器，可用于测量空间X方向、Y方向、Z方向的力和力矩，而数据采集模块用于模拟数据到数字数据的转换。

所述管座称重单元7置于所述管座上料单元4下，用于装配过程中管座重量数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述管座称重单元7进一步包括称重传感器和数据采集模块，其中，称重传感器可采用电阻应变式等，数据采集模块用于模拟数据到数字数据的转换。

所述管座夹持单元8与所述力传感单元6连接，用于夹持管座。

本发明一具体实施例中使用了自行开发的三指机械手爪，通过气体驱动其开合。

所述筒身夹持单元9用于筒身的固定和旋转。

本发明一具体实施例中采取了筒身一端用卡盘夹紧，中间和另一端使用滚轮架支撑的方式进行固定，可方便地进行筒身的旋转。

根据本发明的另一方面，提出了一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配方法，所述装配方法包括以下步骤：

步骤1，管座装配前的准备工作：将筒身固定在筒身夹持单元上，上料单元装满管座并置于称重单元上，装配机器人平台回零，机器人基准坐标系和工具坐标系的标定等。

步骤2，利用工业机器人将视觉传感单元移至筒身孔的理论位置进行多次扫描，确定筒身孔中心在机器人基准坐标系的三维坐标以及沉孔平面的倾斜角度，并以此为依据在筒身孔中心建立工件坐标系。

由于相机在拍摄时与沉孔平面有一定角度，本发明一具体实施例中采用了两次定位的方式，对孔中心进行精确定位，如图2所示。

（1）第一次拍摄用于确定相机镜头平面与沉孔平面的夹角α。第一次拍摄后，根据得到的轮廓点进行拟合，由于沉孔为圆柱形，其与平面的截面线为椭圆形，设沉孔的半径为R,则椭圆的短轴长为2R,长轴长为2R/cosα，长短轴之比为1/cosα，根据拟合的结果即可算出角度α。

（2）将角度α转换为机器人坐标系下的工具坐标系需旋转的角度值，并调整相机姿态使其与沉孔平面平行，再次进行拍摄，将得到的轮廓点进行拟合成圆，即可得到筒身孔中心的坐标，并以此时相机方向作为Z方向，世界坐标系的Y轴作为Y方向，在孔中心建立工件坐标系。

步骤3，机器人移至上料单元，抓取管座并利用力传感单元测量管座重量，若重量与设定范围不符(抓取失败或管座不合格)，将管座放至废料区，并重新进行抓取，直至满足要求为止。

步骤4，根据视觉定位的结果建立进行初步路径规划，根据规划的结果进行装配，并通过力传感单元多次与工件建立接触，采用一定的算法再次定位并找正，最终将管座装在筒身孔中心。具体如下：

（1）将抓取的管座移至孔中心上方，通过力传感单元向孔中心作逼近运动。

（2）建立接触且达到设定力F1,此时判断管座的高度是否等于或小于视觉得到的高度，若满足，则说明管座已放入孔中，此时进行步骤4的第五步，否则，进行步骤4的第三步。

（3）采用螺旋寻位法寻孔，先采用较小的搜索半径，超过设定次数后，再采用较大的搜索半径寻孔，若超过设定次数后仍未寻到，则判定装配失败，机器人返回，平台移至下一个工位继续装配。

（4）找到孔后，通过力传感单元向沉孔底部作逼近运动直至建立接触，此时判断管座的高度是否等于或小于视觉得到的高度，若满足，进行下一步，不满足则判定装配失败，机器人返回，平台移至下一个工位继续装配。

(5)将管座升至沉孔高度的二分之一，通过力传感单元分别前后左右作逼近运动建立接触，并记录下接触点(至少取三个点)的位置数据，设三个点的位置坐标分别为P1(x₁,y₁,z₁),P2(x₂,y₂,z₂),P3(x₃,y₃,z₃)，并计算出圆心PO(x₀,y₀,z₀)。。

（6）将管座移至计算所得的圆心PO(x₀,y₀,z₀)，并通过力传感向下逼近建立接触。

步骤5，机器人通过力传感器向下施加一定的载荷，保持至管座点焊完成，以避免点焊导致的焊接变形。

步骤6，移至下一个工位，重复步骤2-5。作业期间系统控制单元一直监测称重单元的数据，当重量低于设定值时，报警管座不足。

实施例2：

结合具体实例、附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为根据本发明一具体实施例的结构示意图，其可实现集箱管座高效率、高质量地自动化装配，该系统包括：系统控制单元1、工业机器人2、机器人平台移动单元3、管座上料单元4、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、管座夹持单元8和筒身夹持单元9，所述系统控制单元1、工业机器人2、机器人平台移动单元3、管座上料单元4、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、管座夹持单元8和筒身夹持单元9采用信号连接。

所述系统控制单元1与所述工业机器人2、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、机器人平台移动单元3连接，用于接收所述视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7采集的数据，并对数据进行处理分析，根据得到结果将运动指令按控制逻辑顺序发送给执行机构：所述工业机器人7和机器人平台移动单元3。

所述系统控制单元1可由PLC、工控机或PLC、工控机和机器人控制系统等多个主从站组合而成，可采用InterBus、CAN等控制主线方式与其他单元相连。

所述系统控制单元1进一步应包括机器人平台移动模块，机器人装配数据传输模块，称重处理模块等，分别用于装配系统各个部分的控制。

所述工业机器人2末端连接所述视觉传感单元5、力传感单元6、管座夹持单元8，输入端连接系统控制单元1，根据运动指令进行相应的动作。

所述工业机器人2通过以太网等方式与系统控制单元1连接。

本发明一具体实施例中使用了六关节全自由度工业机器人，可采用FANUC、KUKA、ABB等成熟的商业机器人。

所述机器人平台移动单元3连接机器人平台，用于装配工位的切换，输入端连接所述系统控制单元1，根据运动指令进行相应的动作。

机器人平台移动单元3可根据实际情况选择是否与工业机器人联动，本发明一具体实施例中使用了与工业机器人非联动的直线导轨。

所述管座上料单元4置于所述管座称重单元7上，为整个装配系统不间断地提供管座。

所述管座上料单元4的机构需根据管座的实际规格进行定制。

所述视觉传感单元5置于所述工业机器人2末端，用于管座装配过程中筒身孔轮廓数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述视觉传感单元5进一步包括视觉传感器、图像采集模块以及相应的图像处理模块。视觉传感器用于工件表面轮廓点数据的获取，并通过图像采集模块发送给图像处理模块进行处理分析。

所述力传感单元6置于所述工业机器人2末端，用于管座装配过程中力数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述管座称重单元7置于所述管座上料单元4下，用于装配过程中管座重量数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述管座称重单元7进一步包括称重传感器和数据采集模块，其中，称重传感器可采用电阻应变式等，数据采集模块用于模拟数据到数字数据的转换。

所述管座夹持单元8与所述力传感单元6连接，用于夹持管座。

本发明一具体实施例中使用了自行开发的三指机械手爪，通过气体驱动其开合。

所述筒身夹持单元9用于筒身的固定和旋转。

本发明一具体实施例中采取了筒身一端用卡盘夹紧，中间和另一端使用滚轮架支撑的方式进行固定，可方便地进行筒身的旋转。

根据本发明的另一方面，提出了一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配方法，所述装配方法包括以下步骤：

步骤1，管座装配前的准备工作：将筒身固定在筒身夹持单元上，上料单元装满管座并置于称重单元上，装配机器人平台回零，机器人基准坐标系和工具坐标系的标定等。

步骤2，利用工业机器人将视觉传感单元移至筒身孔的理论位置进行多次扫描，确定筒身孔中心在机器人基准坐标系的三维坐标以及沉孔平面的倾斜角度，并以此为依据在筒身孔中心建立工件坐标系。

由于相机在拍摄时与沉孔平面有一定角度，本发明一具体实施例中采用了两次定位的方式，对孔中心进行精确定位，如图2所示。

（1）第一次拍摄用于确定相机镜头平面与沉孔平面的夹角α。第一次拍摄后，根据得到的轮廓点进行拟合，由于沉孔为圆柱形，其与平面的截面线为椭圆形，设沉孔的半径为R,则椭圆的短轴长为2R,长轴长为2R/cosα，长短轴之比为1/cosα，根据拟合的结果即可算出角度α。

（2）将角度α转换为机器人坐标系下的工具坐标系需旋转的角度值，并调整相机姿态使其与沉孔平面平行，再次进行拍摄，将得到的轮廓点进行拟合成圆，即可得到筒身孔中心的坐标，并以此时相机方向作为Z方向，世界坐标系的Y轴作为Y方向，在孔中心建立工件坐标系。

步骤3，机器人移至上料单元，抓取管座并利用力传感单元测量管座重量，若重量与设定范围不符(抓取失败或管座不合格)，将管座放至废料区，并重新进行抓取，直至满足要求为止。

步骤4，根据视觉定位的结果建立进行初步路径规划，根据规划的结果进行装配，并通过力传感单元多次与工件建立接触，采用一定的算法再次定位并找正，最终将管座装在筒身孔中心。具体如下：

（1）将抓取的管座移至孔中心上方，通过力传感单元向孔中心作逼近运动。

（2）建立接触且达到设定力F1,此时判断管座的高度是否等于或小于视觉得到的高度，若满足，则说明管座已放入孔中，此时进行步骤4的第五步，否则，进行步骤4的第三步。

（3）采用螺旋寻位法寻孔，先采用较小的搜索半径，超过设定次数后，再采用较大的搜索半径寻孔，若超过设定次数后仍未寻到，则判定装配失败，机器人返回，平台移至下一个工位继续装配。

（4）找到孔后，通过力传感单元向沉孔底部作逼近运动直至建立接触，此时判断管座的高度是否等于或小于视觉得到的高度，若满足，进行下一步，不满足则判定装配失败，机器人返回，平台移至下一个工位继续装配。

(5)将管座升至沉孔高度的二分之一，通过力传感单元分别前后左右作逼近运动建立接触，并记录下接触点(至少取三个点)的位置数据，设三个点的位置坐标分别为P1(x₁,y₁,z₁),P2(x₂,y₂,z₂),P3(x₃,y₃,z₃)，并计算出圆心PO(x₀,y₀,z₀)。。

（6）将管座移至计算所得的圆心PO(x₀,y₀,z₀)，并通过力传感向下逼近建立接触。

步骤5，机器人通过力传感器向下施加一定的载荷，保持至管座点焊完成，以避免点焊导致的焊接变形。

步骤6，移至下一个工位，重复步骤2-5。作业期间系统控制单元一直监测称重单元的数据，当重量低于设定值时，报警管座不足。

实施例3：

结合具体实例、附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为根据本发明一具体实施例的结构示意图，其可实现集箱管座高效率、高质量地自动化装配，该系统包括：系统控制单元1、工业机器人2、机器人平台移动单元3、管座上料单元4、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、管座夹持单元8和筒身夹持单元9，所述系统控制单元1、工业机器人2、机器人平台移动单元3、管座上料单元4、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、管座夹持单元8和筒身夹持单元9采用信号连接。

所述系统控制单元1与所述工业机器人2、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、机器人平台移动单元3连接，用于接收所述视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7采集的数据，并对数据进行处理分析，根据得到结果将运动指令按控制逻辑顺序发送给执行机构：所述工业机器人7和机器人平台移动单元3。

所述系统控制单元1进一步应包括机器人平台移动模块，机器人装配数据传输模块，称重处理模块等，分别用于装配系统各个部分的控制。

所述工业机器人2末端连接所述视觉传感单元5、力传感单元6、管座夹持单元8，输入端连接系统控制单元1，根据运动指令进行相应的动作。

所述工业机器人2通过以太网等方式与系统控制单元1连接。

本发明一具体实施例中使用了六关节全自由度工业机器人，可采用FANUC、KUKA、ABB等成熟的商业机器人。

所述机器人平台移动单元3连接机器人平台，用于装配工位的切换，输入端连接所述系统控制单元1，根据运动指令进行相应的动作。

机器人平台移动单元3可根据实际情况选择是否与工业机器人联动，本发明一具体实施例中使用了与工业机器人非联动的直线导轨。

所述管座上料单元4置于所述管座称重单元7上，为整个装配系统不间断地提供管座。

所述管座上料单元4的机构需根据管座的实际规格进行定制。

所述视觉传感单元5置于所述工业机器人2末端，用于管座装配过程中筒身孔轮廓数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述视觉传感单元5进一步包括视觉传感器、图像采集模块以及相应的图像处理模块。视觉传感器用于工件表面轮廓点数据的获取，并通过图像采集模块发送给图像处理模块进行处理分析。

所述力传感单元6置于所述工业机器人2末端，用于管座装配过程中力数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述力传感单元6进一步包括连接法兰、力传感器、转接板和数据采集模块等，其中力传感器为六维力传感器，可用于测量空间X方向、Y方向、Z方向的力和力矩，而数据采集模块用于模拟数据到数字数据的转换。

所述管座称重单元7置于所述管座上料单元4下，用于装配过程中管座重量数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述管座称重单元7进一步包括称重传感器和数据采集模块，其中，称重传感器可采用电阻应变式等，数据采集模块用于模拟数据到数字数据的转换。

所述管座夹持单元8与所述力传感单元6连接，用于夹持管座。

本发明一具体实施例中使用了自行开发的三指机械手爪，通过气体驱动其开合。

所述筒身夹持单元9用于筒身的固定和旋转。

本发明一具体实施例中采取了筒身一端用卡盘夹紧，中间和另一端使用滚轮架支撑的方式进行固定，可方便地进行筒身的旋转。

根据本发明的另一方面，提出了一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配方法，所述装配方法包括以下步骤：

步骤1，管座装配前的准备工作：将筒身固定在筒身夹持单元上，上料单元装满管座并置于称重单元上，装配机器人平台回零，机器人基准坐标系和工具坐标系的标定等。

步骤2，利用工业机器人将视觉传感单元移至筒身孔的理论位置进行多次扫描，确定筒身孔中心在机器人基准坐标系的三维坐标以及沉孔平面的倾斜角度，并以此为依据在筒身孔中心建立工件坐标系。

由于相机在拍摄时与沉孔平面有一定角度，本发明一具体实施例中采用了两次定位的方式，对孔中心进行精确定位，如图2所示。

（1）第一次拍摄用于确定相机镜头平面与沉孔平面的夹角α。第一次拍摄后，根据得到的轮廓点进行拟合，由于沉孔为圆柱形，其与平面的截面线为椭圆形，设沉孔的半径为R,则椭圆的短轴长为2R,长轴长为2R/cosα，长短轴之比为1/cosα，根据拟合的结果即可算出角度α。

（2）将角度α转换为机器人坐标系下的工具坐标系需旋转的角度值，并调整相机姿态使其与沉孔平面平行，再次进行拍摄，将得到的轮廓点进行拟合成圆，即可得到筒身孔中心的坐标，并以此时相机方向作为Z方向，世界坐标系的Y轴作为Y方向，在孔中心建立工件坐标系。

步骤3，机器人移至上料单元，抓取管座并利用力传感单元测量管座重量，若重量与设定范围不符(抓取失败或管座不合格)，将管座放至废料区，并重新进行抓取，直至满足要求为止。

步骤4，根据视觉定位的结果建立进行初步路径规划，根据规划的结果进行装配，并通过力传感单元多次与工件建立接触，采用一定的算法再次定位并找正，最终将管座装在筒身孔中心。具体如下：

（1）将抓取的管座移至孔中心上方，通过力传感单元向孔中心作逼近运动。

（2）建立接触且达到设定力F1,此时判断管座的高度是否等于或小于视觉得到的高度，若满足，则说明管座已放入孔中，此时进行步骤4的第五步，否则，进行步骤4的第三步。

（3）采用螺旋寻位法寻孔，先采用较小的搜索半径，超过设定次数后，再采用较大的搜索半径寻孔，若超过设定次数后仍未寻到，则判定装配失败，机器人返回，平台移至下一个工位继续装配。

（4）找到孔后，通过力传感单元向沉孔底部作逼近运动直至建立接触，此时判断管座的高度是否等于或小于视觉得到的高度，若满足，进行下一步，不满足则判定装配失败，机器人返回，平台移至下一个工位继续装配。

(5)将管座升至沉孔高度的二分之一，通过力传感单元分别前后左右作逼近运动建立接触，并记录下接触点(至少取三个点)的位置数据，设三个点的位置坐标分别为P1(x₁,y₁,z₁),P2(x₂,y₂,z₂),P3(x₃,y₃,z₃) ，并计算出圆心PO(x₀,y₀,z₀)。。

（6）将管座移至计算所得的圆心PO(x₀,y₀,z₀)，并通过力传感向下逼近建立接触。

步骤5，机器人通过力传感器向下施加一定的载荷，保持至管座点焊完成，以避免点焊导致的焊接变形。

步骤6，移至下一个工位，重复步骤2-5。作业期间系统控制单元一直监测称重单元的数据，当重量低于设定值时，报警管座不足。

实施例4：

结合具体实例、附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为根据本发明一具体实施例的结构示意图，其可实现集箱管座高效率、高质量地自动化装配，该系统包括：系统控制单元1、工业机器人2、机器人平台移动单元3、管座上料单元4、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、管座夹持单元8和筒身夹持单元9，所述系统控制单元1、工业机器人2、机器人平台移动单元3、管座上料单元4、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、管座夹持单元8和筒身夹持单元9采用信号连接。

所述系统控制单元1与所述工业机器人2、视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7、机器人平台移动单元3连接，用于接收所述视觉传感单元5、力传感单元6、管座称重单元7采集的数据，并对数据进行处理分析，根据得到结果将运动指令按控制逻辑顺序发送给执行机构：所述工业机器人7和机器人平台移动单元3。

所述系统控制单元1可由PLC、工控机或PLC、工控机和机器人控制系统等多个主从站组合而成，可采用InterBus、CAN等控制主线方式与其他单元相连。

所述系统控制单元1进一步应包括机器人平台移动模块，机器人装配数据传输模块，称重处理模块等，分别用于装配系统各个部分的控制。

所述工业机器人2末端连接所述视觉传感单元5、力传感单元6、管座夹持单元8，输入端连接系统控制单元1，根据运动指令进行相应的动作。

所述工业机器人2通过以太网等方式与系统控制单元1连接。

本发明一具体实施例中使用了六关节全自由度工业机器人，可采用FANUC、KUKA、ABB等成熟的商业机器人。

所述机器人平台移动单元3连接机器人平台，用于装配工位的切换，输入端连接所述系统控制单元1，根据运动指令进行相应的动作。

机器人平台移动单元3可根据实际情况选择是否与工业机器人联动，本发明一具体实施例中使用了与工业机器人非联动的直线导轨。

所述管座上料单元4置于所述管座称重单元7上，为整个装配系统不间断地提供管座。

所述管座上料单元4的机构需根据管座的实际规格进行定制。

所述视觉传感单元5置于所述工业机器人2末端，用于管座装配过程中筒身孔轮廓数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述视觉传感单元5进一步包括视觉传感器、图像采集模块以及相应的图像处理模块。视觉传感器用于工件表面轮廓点数据的获取，并通过图像采集模块发送给图像处理模块进行处理分析。

所述力传感单元6置于所述工业机器人2末端，用于管座装配过程中力数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述力传感单元6进一步包括连接法兰、力传感器、转接板和数据采集模块等，其中力传感器为六维力传感器，可用于测量空间X方向、Y方向、Z方向的力和力矩，而数据采集模块用于模拟数据到数字数据的转换。

所述管座称重单元7置于所述管座上料单元4下，用于装配过程中管座重量数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元1。

所述管座称重单元7进一步包括称重传感器和数据采集模块，其中，称重传感器可采用电阻应变式等，数据采集模块用于模拟数据到数字数据的转换。

所述管座夹持单元8与所述力传感单元6连接，用于夹持管座。

本发明一具体实施例中使用了自行开发的三指机械手爪，通过气体驱动其开合。

所述筒身夹持单元9用于筒身的固定和旋转。

本发明一具体实施例中采取了筒身一端用卡盘夹紧，中间和另一端使用滚轮架支撑的方式进行固定，可方便地进行筒身的旋转。

根据本发明的另一方面，提出了一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配方法，所述装配方法包括以下步骤：

步骤1，管座装配前的准备工作：将筒身固定在筒身夹持单元上，上料单元装满管座并置于称重单元上，装配机器人平台回零，机器人基准坐标系和工具坐标系的标定等。

步骤2，利用工业机器人将视觉传感单元移至筒身孔的理论位置进行多次扫描，确定筒身孔中心在机器人基准坐标系的三维坐标以及沉孔平面的倾斜角度，并以此为依据在筒身孔中心建立工件坐标系。

由于相机在拍摄时与沉孔平面有一定角度，本发明一具体实施例中采用了两次定位的方式，对孔中心进行精确定位，如图2所示。

（1）第一次拍摄用于确定相机镜头平面与沉孔平面的夹角α。第一次拍摄后，根据得到的轮廓点进行拟合，由于沉孔为圆柱形，其与平面的截面线为椭圆形，设沉孔的半径为R,则椭圆的短轴长为2R,长轴长为2R/cosα，长短轴之比为1/cosα，根据拟合的结果即可算出角度α。

（2）将角度α转换为机器人坐标系下的工具坐标系需旋转的角度值，并调整相机姿态使其与沉孔平面平行，再次进行拍摄，将得到的轮廓点进行拟合成圆，即可得到筒身孔中心的坐标，并以此时相机方向作为Z方向，世界坐标系的Y轴作为Y方向，在孔中心建立工件坐标系。

步骤3，机器人移至上料单元，抓取管座并利用力传感单元测量管座重量，若重量与设定范围不符(抓取失败或管座不合格)，将管座放至废料区，并重新进行抓取，直至满足要求为止。

步骤4，根据视觉定位的结果建立进行初步路径规划，根据规划的结果进行装配，并通过力传感单元多次与工件建立接触，采用一定的算法再次定位并找正，最终将管座装在筒身孔中心。具体如下：

（1）将抓取的管座移至孔中心上方，通过力传感单元向孔中心作逼近运动。

（2）建立接触且达到设定力F1,此时判断管座的高度是否等于或小于视觉得到的高度，若满足，则说明管座已放入孔中，此时进行步骤4的第五步，否则，进行步骤4的第三步。

（3）采用螺旋寻位法寻孔，先采用较小的搜索半径，超过设定次数后，再采用较大的搜索半径寻孔，若超过设定次数后仍未寻到，则判定装配失败，机器人返回，平台移至下一个工位继续装配。

（4）找到孔后，通过力传感单元向沉孔底部作逼近运动直至建立接触，此时判断管座的高度是否等于或小于视觉得到的高度，若满足，进行下一步，不满足则判定装配失败，机器人返回，平台移至下一个工位继续装配。

(5)将管座升至沉孔高度的二分之一，通过力传感单元分别前后左右作逼近运动建立接触，并记录下接触点(至少取三个点)的位置数据，设三个点的位置坐标分别为P1(x₁,y₁,z₁),P2(x₂,y₂,z₂),P3(x₃,y₃,z₃)，并计算出圆心PO(x₀,y₀,z₀)。

（6）将管座移至计算所得的圆心PO(x₀,y₀,z₀)，并通过力传感向下逼近建立接触。

步骤5，机器人通过力传感器向下施加一定的载荷，保持至管座点焊完成，以避免点焊导致的焊接变形。

步骤6，移至下一个工位，重复步骤2-5。作业期间系统控制单元一直监测称重单元的数据，当重量低于设定值时，报警管座不足。

Claims (10)

1.一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于包括：系统控制单元（1）、工业机器人（2）、机器人平台移动单元（3）、管座上料单元（4）、视觉传感单元（5）、力传感单元（6）、管座称重单元（7）、管座夹持单元（8）和筒身夹持单元（9），系统控制单元（1）、工业机器人（2）、机器人平台移动单元（3）、管座上料单元（4）、视觉传感单元（5）、力传感单元（6）、管座称重单元（7）、管座夹持单元（8）和筒身夹持单元（9）相互采用信号连接。

2.根据权利要求1所述一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于：所述系统控制单元（1）由PLC、工控机、及各通讯模块组成，各模块的通讯信号均采用现场总线形式，其中PLC作为主控单元，站类型为Modbus-TCP主站，用于整个系统流程的控制和数据信号的处理，工控机站类型为Modbus-TCP从站，其主要用于各传感器反馈数据的分析和计算，并将结果发送给PLC。

3.根据权利要求1所述一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于：所述工业机器人（2）末端机械连接所述视觉传感单元（5）、力传感单元（6）、管座夹持单元（8），站类型为Modbus-TCP从站，工业机器人（2）根据系统控制单元（1）发出的控制指令进行相应的动作。

4.根据权利要求1所述一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于：所述机器人平台移动单元（3）用于装配工位的切换，平台的移动可采用半闭环或闭环的伺服系统，伺服控制器与PLC采用CANOPEN总线连接，通过PLC发出的高速脉冲进行定位。

5.根据权利要求1所述一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于：所述管座上料单元（4）置于所述管座称重单元（7）上，为整个装配系统不间断地提供管座。

6. 根据权利要求1所述一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于：所述视觉传感单元（5）置于所述工业机器人（2）末端，用于管座装配过程中筒身孔轮廓数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元（1），站类型：Modbus-TCP 从站。

7. 根据权利要求1所述一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于：所述力传感单元（6）置于所述工业机器人（2）末端，用于管座装配过程中力数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元（1），站类型：Modbus-TCP 从站。

8. 根据权利要求1所述一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于：所述管座称重单元（7）置于所述管座上料单元（4）下，用于管座重量数据的采集，并将获取的数据发送给所述系统控制单元（1），站类型：Modbus-TCP 从站。

9.根据权利要求1所述一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配系统，其特征在于：所述管座夹持单元（8）机械固定在所述力传感单元（6）上，用于夹持管座，所述筒身夹持单元（9）用于筒身的固定和旋转。

10.一种基于多传感器的集箱管座机器人自动装配方法，其特征在于：所述装配方法包括以下步骤：

步骤1，管座装配前的准备工作：将筒身固定在筒身夹持单元上，上料单元装满管座并置于称重单元上，装配机器人平台回零，焊枪工具坐标系的标定；

步骤2，装配位置的视觉定位：利用工业机器人将视觉传感单元移至筒身孔的理论位置进行多次扫描，确定筒身孔中心的位置以及沉孔平面的倾斜角度，并以此为依据在筒身孔中心建立基准坐标系；

步骤3，机器人移至上料单元，抓取管座并利用力传感单元测量管座重量，若重量与设定范围不符(抓取失败或管座不合格)，将管座放至废料区，并重新进行抓取，直至重量与理论值误差小于10%；

步骤4，根据视觉定位的结果建立进行初步路径规划，根据规划的结果进行装配，并通过力传感单元多次与工件建立接触，并再次定位并找正，最终将管座装在筒身孔中心；

步骤5，机器人通过力传感器向下施加一定的载荷，保持至管座点焊完成，以避免点焊导致的焊接变形；

步骤6，移至下一个工位，重复步骤2-5，作业期间系统控制单元一直监测称重单元的数据，当重量低于设定值时，报警管座不足。