CN109262249A - 一种螺栓拧紧方法、螺栓拧紧机和螺栓拧紧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺栓拧紧方法、螺栓拧紧机和螺栓拧紧系统。该螺栓拧紧方法包括：获取工件的图谱；根据所述图谱，计算得到每一个所述螺栓孔的孔心坐标和所述工件的中心坐标；对于所有待拧紧的所述螺栓孔，拧紧孔心连线距离所述工件的中心最近的两个所述螺栓孔；重复上述拧紧步骤，直至所有的所述螺栓孔全部拧紧，或者直至剩余一个所述螺栓孔，拧紧剩余的该螺栓孔。利用该螺栓拧紧方法进行拧紧时，能够最大程度地接近对角拧紧原则，且能够自动识别工件的类型，适用于螺栓孔数目为偶数和奇数的工件的拧紧。

Description

一种螺栓拧紧方法、螺栓拧紧机和螺栓拧紧系统

技术领域

本发明涉及螺栓拧紧技术领域，特别是一种螺栓拧紧方法、螺栓拧紧机和螺栓拧紧系统。

背景技术

现在的拧紧机在拧紧合格率上得到较大提高，但拧紧辅助时间(如切换不同类型的装配轮调整工装时间、装夹定位时间、拧紧轴位置调整时间等)却鲜有改善，而拧紧辅助时间是影响拧紧工序效率的重要因素。除此之外，当要完成不同类型的装配轮拧紧时，现在仍需要人工来临时修改、调整工装以及人为设计或切换拧紧轴运行代码，以适应不同类型装配轮的拧紧操作，这导致以牺牲效率、提高人力成本为代价来增加设备柔性，并不可取。值得一提的是，现有拧紧机无法在保障拧紧效率的前提下完成多品种小批量的装配轮拧紧任务，且一旦出现新研发产品，就需要重新制作工装夹具并设计拧紧轴控制代码。

目前拧紧机均采用对角拧紧原则，该原则被实践证明能够提高拧紧质量。对角拧紧仅适用于螺栓孔为偶数的装配轮，但目前螺栓孔为奇数的装配轮十分常见，当螺栓孔为奇数时，由于在直径方向至多只有一个螺栓孔，无法实现对角拧紧。目前并未有根据装配轮类型自适应调整拧紧策略的算法。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本发明提供了一种能够主动识别装配轮的类型、智能规划拧紧策略能力的螺栓拧紧方法。

本发明还提供了一种螺栓拧紧机和螺栓拧紧系统。

为了达到本发明的目的，本发明的实施例提供了一种螺栓拧紧方法，所述螺栓拧紧方法用于通过两个拧紧轴将螺栓拧紧到工件的多个螺栓孔内，所述螺栓拧紧方法包括：

获取所述工件的图谱；

根据所述图谱，计算得到每一个所述螺栓孔的孔心坐标和所述工件的中心坐标；

对于所有待拧紧的所述螺栓孔，拧紧孔心连线距离所述工件的中心最近的两个所述螺栓孔；

重复上述拧紧步骤，直至所有的所述螺栓孔全部拧紧，或者直至剩余一个所述螺栓孔，拧紧剩余的该螺栓孔。

本发明实施例提供的螺栓拧紧方法，其能够通过获取工件的图谱，并对图谱进行处理，以获知工件上螺栓孔的数目和位置，且可根据获得的图谱进行控制策略规划和仿真，最终生成最优控制策略，实现了螺栓孔的自识别、拧紧方案的自决策、自动执行的智能化目的。

根据该螺栓拧紧方法进行拧紧时，每次总是拧紧孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔，使得拧紧策略原理最大程度地接近对角拧紧原则，确保了拧紧质量。该螺栓拧紧方法能够自动识别工件的类型，并通过计算分析获取拧紧策略，从而提高了拧紧效率。此外，该螺栓拧紧方法不仅适用于螺栓孔数目为偶数的工件的拧紧，而且适用于螺栓孔为奇数的工件的拧紧。

本发明的实施例还提供了一种螺栓拧紧机，包括：

机架；

工装夹具，其安装在所述机架上；

拧紧机构，其包括两个拧紧轴、两个拧紧轴座、两个滑轨和第一驱动装置，两个所述滑轨安装在所述机架上，两个所述拧紧轴座分别可滑动地安装在两个所述滑轨上，两个所述拧紧轴分别可转动地安装在两个所述拧紧轴座上，所述第一驱动装置用于驱动所述拧紧轴和所述拧紧轴座运动；和

图像采集装置，其安装在所述机架上，并且用于获取工件的图谱，所述图谱设置成被处理后可用于控制所述第一驱动装置的工作。

本发明的实施例还提供了一种螺栓拧紧系统，包括上文所述的螺栓拧紧机、上位机和现场工控总线，所述螺栓拧紧机的图像采集装置和第一驱动装置通过所述现场工控总线连接至所述上位机，所述上位机可通过上文所述的螺栓拧紧方法对所述图像采集装置获取的图谱进行处理，并控制所述第一驱动装置的工作。

通过螺栓拧紧机中的图像采集装置获取工件的图谱，然后图谱通过现场工控总线传递至上位机，上位机利用上文所述的螺栓拧紧方法对图谱进行处理，以获得拧紧螺栓的方案，并通过现场工控总线控制螺栓拧紧机中的第一驱动装置工作，进而控制两个拧紧轴座进行移动、两个拧紧轴进行拧紧。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的螺栓拧紧方法的流程示意图；

图2是根据本发明的另一实施例的螺栓拧紧方法的流程示意图；

图3为根据本发明的实施例的螺栓拧紧机的立体结构示意图；

图4为图3所示的螺栓拧紧机的主视结构示意图；

图5为图3的A部结构放大示意图；

图6为图4的B部结构放大示意图；

图7为根据本发明的实施例的螺栓拧紧机的使用状态的结构示意图；

图8为图7所示的螺栓拧紧机在拧紧过程中的状态示意图；

图9为根据本发明的实施例的螺栓拧紧系统的结构框图。

附图标记：

1-螺栓拧紧机，11-机架，111-安装板，112-第一凸起，113-E型滑轨，1131-第二凸起，114-双凸滑轨，1141-第三凸起，1142-第四凸起，115-立柱，12-工装夹具，121-爪形夹具，1211-夹紧面，122-托盘，1221-径向滑槽，123-距离传感器，124-径向伺服电机，125-旋转伺服电机，13-拧紧机构，131、131’-拧紧轴，132、132’-拧紧轴座，133、133’-滑轨，134、134’-X向转伺服电机，135、135’-Y向转伺服电机，136、136’-Z向转伺服电机，137、137’-旋转伺服电机，14-图像采集装置，2-上位机，3-现场工控总线，4-工件，41-螺栓孔。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明的实施例提供了一种螺栓拧紧方法，螺栓拧紧方法用于通过两个拧紧轴将螺栓拧紧到工件的多个螺栓孔内。

如图1所示，螺栓拧紧方法包括：

S102，获取工件的图谱；

S104，根据图谱，计算得到每一个螺栓孔的孔心坐标和工件的中心坐标；

S106，对于所有待拧紧的螺栓孔，拧紧孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔(孔心连线与工件的中心之间的距离为：自工件的中心向两个螺栓孔的孔心的连线做垂线，该垂线段的长度即为两个螺栓孔的孔心的连线与工件的中心之间的距离)；

S108，重复上述拧紧步骤，直至所有的螺栓孔全部拧紧，或者直至剩余一个螺栓孔，拧紧剩余的该螺栓孔。

本发明实施例提供的螺栓拧紧方法，其能够通过获取工件的图谱，并对图谱进行处理，以获知工件上螺栓孔的数目和位置，且可根据获得的图谱进行控制策略规划和仿真，最终生成最优控制策略，实现了螺栓孔的自识别、拧紧方案的自决策、自动执行的智能化目的。

根据该螺栓拧紧方法进行拧紧时，每次总是拧紧孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔，使得拧紧策略原理最大程度地接近对角拧紧原则，确保了拧紧质量。该螺栓拧紧方法能够自动识别工件的类型，并通过计算分析获取拧紧策略，从而提高了拧紧效率。

此外，该螺栓拧紧方法不仅适用于螺栓孔数目为偶数的工件的拧紧，而且适用于螺栓孔为奇数的工件的拧紧。当螺栓孔的数量为偶数时，两个拧紧轴可配合将螺栓孔成对地全部拧紧；当螺栓孔的数量为奇数时，两个拧紧轴可配合首先将成对的螺栓孔拧紧，然后剩余的一个螺栓孔用拧紧轴拧紧。

如图2所示，所述根据图谱，计算得到每一个螺栓孔的孔心坐标和工件的中心坐标的步骤S104包括：

S1041，利用过滤算子对图谱进行灰度处理，并获取每一个所述螺栓孔的轮廓点坐标；

S1042，根据每一个所述螺栓孔的轮廓点坐标，利用梯度下降法拟合出对应的所述螺栓孔的孔心坐标，并根据多个所述螺栓孔的孔心坐标，利用梯度下降法拟合出所述工件的中心坐标。

可选地，步骤S1041中，利用过滤算子对图谱进行灰度处理，并获取每一个螺栓孔的轮廓点坐标的步骤如下：

对所述图谱进行归一化处理，得到输入矩阵：

其中，X为输入矩阵，G为所述图谱的图谱矩阵，为m×n阶矩阵；

对所述输入矩阵X进行过滤：

其中，Z为输出矩阵，J为过滤矩阵，为m×m阶方阵，初始值可随机赋予，η为学习率参数，I为单位矩阵，Φ为激活函数，定义为：

其中，表示所述图谱矩阵G中第i行第j列像素点属于边缘点的概率，的值通过预先设置实验的方法统计获得；

迭代结束后，将所述输出矩阵Z归一化得到矩阵C：

对所述矩阵C进行极化处理，得到边缘矩阵E，边缘矩阵E为0-1矩阵，其中值为1的像素点为边缘点，值为0的像素点为非边缘点，边缘矩阵E的计算公式为：

其中E_i,j为边缘矩阵E的第i行第j列的元素值。

上述步骤中，表示图谱矩阵中第i行第j列像素点属于边缘点的概率，该值通过预先设置实验的方法，在尽可能排除噪声环境的标准情况下得到多个图谱矩阵中边缘点的位置，并统计图谱矩阵中每一位置属于边缘点的概率，该实验所得的概率矩阵即为对边缘点提取的具有指导意义的先验知识，将其代入过滤公式中使得过滤矩阵成为具有先验知识的强化过滤矩阵。

利用该强化过滤矩阵对图谱进行灰度处理，可以排除连续的非轮廓噪声(如连续的长划痕)，过滤效果好，减少出现目标点误判的几率，提高对螺栓孔的轮廓的识别精度。

可选地，学习率η的取值范围为0-1。

学习率η设置太高可能导致结果不收敛，学习率η设置太低会导致收敛过慢。

可选地，学习率η可以设置为定值，如为0.02。

可选地，学习率η设置为变量，且该学习率η在迭代初期设置得较高，在迭代末期逐渐变小，这样既保证了有较快的收敛速度，同时避免了结果不收敛的情况发生。

可选地，利用过滤算子对图谱进行灰度处理，并获得每一个螺栓孔的轮廓点坐标的步骤S1041包括利用CANNY过滤算子对图谱进行灰度处理，并获得每一个螺栓孔的轮廓点坐标。

对图谱进行灰度处理时，可根据现有的CANNY过滤算子利用磁滞阀值化原理进行图像边缘提取，以获得工件的螺栓孔的轮廓。

可选地，所述对于所有待拧紧的螺栓孔，拧紧孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔的步骤包括：

当多个孔心连线与工件的中心之间的距离相等时，拧紧孔心连线距离两个拧紧轴最近的两个螺栓孔。

当多个孔心连线与工件的中心之间的距离相等时，拧紧孔心连线距离两个拧紧轴最近的两个螺栓孔，有助于减少拧紧轴的移动距离，降低拧紧轴的位置调整时间，进而降低拧紧辅助时间，提高拧紧的效率。

可选地，当多个螺栓孔沿工件的周向均布时，拧紧孔心连线距离两个拧紧轴最近的两个螺栓孔后，每次将工件或两个拧紧轴旋转角度α，再拧紧与两个拧紧轴所对应的两个螺栓孔，其中角度α为相邻的两个螺栓孔之间的圆心角。

当多个螺栓孔沿工件的周向均布时，存在多对螺栓孔(每一对螺栓孔包括两个螺栓孔)的孔心连线距工件的中心的距离相等，且距离均最小，因此，在拧紧孔心连线距离两个拧紧轴最近的两个螺栓孔后，可保持两个拧紧轴的相对位置不变，将工件或两个拧紧轴旋转角度α，此时两个拧紧轴对应下一组螺栓孔，可直接对该下一组螺栓孔进行拧紧，直至将所有螺栓孔拧紧(螺栓孔为偶数个的情况)，或者，直至剩余一个所述螺栓孔，拧紧剩余的该螺栓孔(螺栓孔为奇数个的情况)，拧紧该剩余的螺栓孔时，可用邻近的拧紧轴进行拧紧。

其中，多个螺栓孔沿工件的周向是否均布，可根据图谱确定，如根据每一个螺栓孔的孔心坐标和工件的中心坐标，来确定多个螺栓孔沿工件的周向是否均布；或者，可以预知多个螺栓孔沿工件的周向是否均布。当多个螺栓孔沿工件的周向均布时，可以在拧紧孔心连线距离两个拧紧轴最近的两个螺栓孔后，每次将工件或两个拧紧轴旋转角度α，再拧紧与两个拧紧轴所对应的两个螺栓孔。当多个螺栓孔沿工件的周向不均布时，在每一次拧紧螺栓孔时，需要找到孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔，然后再进行拧紧。

可选地，该螺栓拧紧方法可用于装配轮上螺栓孔的拧紧，工件的中心即装配轮的轮心。

可选地，在所述对于所有待拧紧的所述螺栓孔，拧紧孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔的步骤S106之前，螺栓拧紧方法还包括：

控制工装夹具夹紧工件。

可选地，所述控制工装夹具夹紧工件的步骤包括：

检测工装夹具中的爪形夹具与工件的距离，爪形夹具与工件的距离大于设定值时爪形夹具靠近工件的速度大于爪形夹具与工件的距离不大于设定值时爪形夹具靠近工件的速度。

当爪形夹具与工件的距离较远(大于设定值)时，可加速爪形夹具向工件的移动，当爪形夹具与工件的距离较远(小于或等于设定值)时，则减速爪形夹具的移动速度，并缓慢逼近工件，实现定位夹紧。该夹紧方法，既使得夹紧所需的时间较少，同时可使得夹紧效果较好。

可选地，所述对于所有待拧紧的螺栓孔，拧紧孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔的步骤包括：

控制拧紧轴和工件中的至少一个运动，使拧紧轴与所有待拧紧的螺栓孔中孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔对准；

控制拧紧轴旋转，拧紧螺栓孔。

其中，控制拧紧轴和工件中的至少一个运动，使拧紧轴与待拧紧的螺栓孔对准时，可以控制拧紧轴进行X、Y、Z方向的平行移动，或者，控制工件绕Z轴方向进行旋转，或者拧紧轴和工件均进行运动，以使拧紧轴与待拧紧的螺栓孔对准。

下面结合具体实施例，具体说明本发明的螺栓拧紧方法。

获取工件的图谱后，首先，利用基于先验知识的强化过滤算子对工件的图谱进行处理，以获取每一个螺栓孔的轮廓点坐标。该方法可以避免将工件的一些表面划痕误以为是边缘，因为新的边缘提取方法结合了先验知识，利用先验知识可以排除异常值。

设获取工件的图谱矩阵为G，为m×n阶矩阵，m×n表示原始图片像素大小，对图谱矩阵进行归一化处理，得到输入矩阵X：

对输入矩阵X进行过滤：

上式利用随机梯度思想，建立关于输出矩阵和过滤矩阵之间的反差函数，利用对反差函数求梯度来更新过滤矩阵，直到训练成熟的过滤矩阵能够以最小的误差输出目标结果。其中，Z为输出矩阵，J为过滤矩阵，为m×m阶方阵，初始值可随机赋予，η为学习率参数，通常取小的正常数，为点乘算子，即两个点乘矩阵中相同位置元素相乘，I为单位矩阵，Φ为激活函数，定义为：

其中，表示图谱矩阵G中第i行第j列像素点属于边缘点的概率，的值通过预先设置实验的方法，在尽可能排除噪声环境的标准情况下得到多个图谱矩阵的边缘点位置，并统计图谱矩阵中每一位置属于边缘点的概率，该实验所得的概率矩阵即为对边缘点提取的具有指导意义的先验知识。

迭代结束后，将输出矩阵Z归一化得到矩阵C：

对矩阵C进行极化处理，得到边缘矩阵E，边缘矩阵E为0-1矩阵，其中值为1的像素点为边缘点，值为0的像素点为非边缘点。边缘矩阵E的计算公式为：

其中E_i,j为边缘矩阵E的第i行第j列的元素值。

下面给出上述方法的一个具体实施例。

提取2×2的图谱矩阵将图谱矩阵归一化得输入矩阵通过实验法可以得到图谱矩阵的激活函数设过滤矩阵J的初始值为全1矩阵。将J代入上述的过滤步骤，迭代1000次得到归一化后得通过极化处理可得

上述实施例可以说明，在通过图像采集获得的图谱矩阵和实验法获得的激活函数的双重指引下，有三个像素点是边缘点，第一行第二列的像素虽然在图谱矩阵中的像素值高，但由于激活函数的对应值数值低，而认为不是边缘点。

应当理解，根据图谱获取螺栓孔的轮廓点坐标的过程，也可以采用CANNY过滤算子来实现。

其次，根据获得的每一螺栓孔的轮廓点坐标后，获取每一螺栓孔的孔心坐标和工件的中心坐标。

具体地，获得每一螺栓孔的轮廓点坐标后，利用梯度下降法拟合出每一螺栓孔的孔心(即圆心)坐标，再利用计算出的各孔心坐标拟合工件的中心坐标O。拟合算法如下：

设螺栓孔拟合后的孔心坐标为(x₀,y₀)及半径r₀，对于每一点拟合后估计的值与实际值的差值为e_i(x₀,y₀,r)＝(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²-r²，则误差的平方和为：(N为每一螺栓孔提取的轮廓采样点数)。为了使误差最小，算法目标为：

为方便阐述，令θ₁＝x₀,θ₂＝y₀,θ₃＝r,

设利用上述基于先验知识的强化过滤算子(或CANNY过滤算子)提取了N个螺栓孔轮廓样本坐标，则：

对θ_j更新：

其中α_t(0到1之间取值)为学习速率，学习速率是超参数，学习速率设置太高可能导致结果不收敛，学习速率设置太低会导致收敛过慢。一般好的超参数应该在迭代初期设置高，到了迭代末期逐渐变小。因此，学习速率公式如下表示：

其中，t是迭代次数(视求解目标函数精度而定)，α₀是初始学习率，取[0，1]区间中的值，初始学习率应取大值，以保证迭代开始有较快的收敛速度。

根据上述算法可以得到各螺栓孔的孔心坐标，将其重新标号为(x_i,y_i)(i＝1,2,...,m)，其中m为工件中螺栓孔的数量。同理将螺栓孔的孔心坐标作为样本点，工件的中心坐标O为待拟合圆心，用上述算法即可求出工件的中心坐标，用O(x_o,y_o)表示，以及求出工件的中心坐标到螺栓孔的孔心的距离r‘₀。对于奇数个螺栓孔，无法实现标准对角拧紧(即对角拧紧的螺栓孔的孔心连线不可能过工件的中心)，因此应尽可能使得对角拧紧的两个螺栓孔的孔心连线距离工件的中心最短，如此便可最大程度地接近对角拧紧的目的。

通过下式可以求解出任意两螺栓孔的孔心连线与工件的中心之间的距离，距离最小值所对应的两个螺栓孔即为首先需要对角拧紧的两个螺栓孔(m为工件的螺栓孔的数目)。若存在多个最小距离，则首先拧紧孔心连线距离拧紧轴最近的两个螺栓孔。

驱动两个拧紧轴分别移动至两个目标螺栓孔的上方，然后实施拧紧过程。拧紧结束后，在所有待拧紧的螺栓孔中，拧紧孔心连线距离工件的中心最近的两个螺栓孔。重复上述拧紧过程，直至拧紧全部螺栓孔，或者直至剩余一个螺栓孔，拧紧剩余的该螺栓孔。

当工件上的多个螺栓孔沿周向均布时，在第一次拧紧两个目标螺栓孔后，只需要驱动托盘旋转角度α或两个拧紧轴整体旋转角度α即可转到下一距离工件的中心最短的孔心连线所对应的目标螺栓孔，然后实施拧紧过程。重复旋转和拧紧过程，直至拧紧全部螺栓孔，或者直至剩余一个螺栓孔，拧紧剩余的该螺栓孔。其中角度α是相邻两个螺栓孔之间的圆心角(即两个螺栓孔的孔心与工件的中心的连线之间的夹角)，利用余弦定理即可求出，公式如下：

其中，d_i,o为第i个螺栓孔的孔心距工件的中心o的距离，d_i+1,o为与第i个螺栓孔相邻的第i+1个螺栓孔的孔心距工件的中心o的距离，m为工件的螺栓孔数目。

下面以工件上的螺栓孔分别为4个和5个为实施例对上述方案进行详细阐述。

当工件上的螺栓孔为4个且沿工件的周向均布时，可利用图像采集装置捕获工件表面的照片，获取工件的图谱。然后，利用基于先验知识的强化过滤算子或CANNY过滤算子对图谱进行灰度处理并提取出每一螺栓孔的轮廓点坐标，将每一螺栓孔的轮廓点坐标作为样本点，利用梯度下降算法可以拟合出每个螺栓孔的孔心坐标，分别为：A(1,0)、B(0,1)、C(-1,0)、D(0,-1)，将所求出的孔心坐标(x_i,y_i)(i＝1,2,…,4)作为样本点，继续使用梯度下降算法，可以拟合出工件的中心坐标O(0,0)。将所求坐标代入如下公式，计算每一对螺栓孔的连线距离工件的中心坐标最小值的集合{(A,C),(B,D)}，比较集合中每对螺栓孔对拧紧轴之间的距离，距离最小者即为第一对待拧紧的螺栓孔(视拧紧轴位置而定)。将两个拧紧轴移动至第一对待拧紧的螺栓孔的正上方，然后进行拧紧。

利用下述余弦公式求出相邻两个螺栓孔相对于工件的中心的夹角α＝90°。

当第一对螺栓孔拧紧完成时，控制托盘带动工件顺时针或逆时针旋转α＝90°，即可使得第二对螺栓孔到达拧紧轴正下方，然后拧紧轴继续实施拧紧操作。此时，拧紧轴完成全部螺栓孔的拧紧。

由于螺栓孔的数量为偶数，因此螺栓孔可成对地被完全拧紧。拧紧过程中，托盘总共的旋转角度小于180°。

当工件上的螺栓孔为5个且沿工件的周向均布时，可利用图像采集装置捕获工件表面的照片，获取工件的图谱。然后，利用基于先验知识的强化过滤算子或CANNY过滤算子对图谱进行灰度处理，并提取出每一螺栓孔的轮廓点坐标。将每一螺栓孔的轮廓点坐标作为样本点，利用梯度下降算法可以拟合出每个螺栓孔的孔心坐标，分别为：A(0,20)、B(19.02,6.18)、C(11.76,-6.18)、D(-11.76,-6.18)、E(-19.02,6.18)，将所求出的孔心坐标(x_i,y_i)(i＝1,2,…,5)作为样本点继续使用梯度下降算法，可以拟合出工件的中心坐标(0,0)。将所求坐标代入如下公式，计算每一对螺栓孔的连线距离每心坐标最小值的集合{(A,C),(B,D),(C,E),(D,A),(E,B)}，比较集合中每对螺栓孔与拧紧轴之间的距离，距离最小者即为第一对待拧紧的螺栓孔。将两个拧紧轴移动至第一对待拧紧的螺栓孔的正上方，然后进行拧紧。

利用下述余弦公式求出相邻两个螺栓孔相对于工件的中心的夹角α＝72°。

当第一对螺栓孔拧紧完成时，控制托盘带动工件顺时针或逆时针旋转α＝72°，即可使得第二对螺栓孔到达拧紧轴正下方，然后拧紧轴继续实施拧紧操作。由于螺栓孔的数量为奇数，因此螺栓孔成对地被拧紧后，还剩余一个单独的螺栓孔未拧紧，此时可使托盘继续旋转α＝72°，然后利用该未拧紧的螺栓孔正上方的拧紧轴来拧紧该螺栓孔。此时，拧紧轴完成整个装配轮螺栓孔拧紧。

拧紧过程中，托盘总共的旋转角度小于180°。

本发明的实施例还提供了一种螺栓拧紧机1，如图3-图6所示，包括：

机架11；

工装夹具12，其安装在机架11上；

拧紧机构13，其包括两个拧紧轴131和131’、两个拧紧轴座132和132’、两个滑轨133和133’以及第一驱动装置，两个滑轨133和133’安装在机架11上，两个拧紧轴座132和132’分别可滑动地安装在两个滑轨133和133’上，两个拧紧轴131和131’分别可转动地安装在两个拧紧轴座132和132’上，第一驱动装置用于驱动拧紧轴131和131’以及拧紧轴座132和132’运动；和

图像采集装置14，其安装在机架11上，并且用于获取工件4(如图7和图8所示)的图谱，图谱设置成被处理后可用于控制第一驱动装置的工作。

该螺栓拧紧机1中，机架11作为安装基座，用于安装工装夹具12、拧紧机构13和图像采集装置14等部件；工装夹具12用于夹紧固定工件4；拧紧机构13的第一驱动装置可驱动拧紧轴座132和132’分别相对于滑轨133和133’滑动，拧紧轴座132和132’分别带动其上的拧紧轴131和131’运动，且第一驱动装置还可以驱动拧紧轴131和131’分别相对于拧紧轴座132和132’滑动，以使拧紧轴131和131’能够运动至待拧紧的螺栓孔41上方，第一驱动装置还可以驱动拧紧轴131和131’旋转，以便将螺栓拧紧至螺栓孔41中；图像采集装置14用于获取固定在工装夹具12上的工件4的图谱，该图谱可按照上文所述的螺栓拧紧方法中的步骤被处理，以获知工件4上螺栓孔41的位置、数目、尺寸等信息，并生成螺栓拧紧方案，然后按照该螺栓拧紧方案来控制第一驱动装置，使拧紧轴131依次拧紧工件4上的螺栓孔41。

可选地，图像采集装置14为工业相机，如可选用Basler Ace系列的C口相机。

可选地，滑轨133和133’为工型滑轨，拧紧轴座132和132’的表面上开有T型槽，该T型槽可保证拧紧轴座132和132’可分别在工型滑轨133和133’上滑动，实现拧紧轴座132和132’的移动。

可选地，如图3所示，工装夹具12包括托盘122、多个爪形夹具121和第二驱动装置，托盘122上设有沿托盘122的径向方向设置的多个径向滑槽1221，第二驱动装置用于驱动爪形夹具121沿径向滑槽1221滑动。

托盘122用于支撑工件4，第二驱动装置驱动爪形夹具121沿托盘122上的径向滑槽1221往复移动，以将工件4夹紧或松开。此外，第二驱动装置驱动爪形夹具121沿径向移动，可以灵活调整夹紧半径，适应不同尺寸的工件4的定位夹紧。

可选地，如图9所示，第二驱动装置包括多个径向伺服电机124，用于分别驱动多个爪形夹具121径向移动。其中，径向伺服电机124可为直线电机，可同步地驱动多个爪形夹具121沿各自的径向滑槽1221移动。

可选地，如图5所示，爪形夹具121具有用于夹紧工件的夹紧面1211，夹紧面1211上设有用于检测夹紧面1211与工件之间的距离的距离传感器123，检测的距离设置成可用于控制第二驱动装置的工作。

爪形夹具121的夹紧面1211用于在夹紧工件4时与工件4接触，夹紧面1211上的距离传感器123可检测夹紧面1211与工件4之间的距离，以便根据该距离控制第二驱动装置的工作，进而控制爪形夹具121将工件4夹紧。

可选地，如图3和图5所示，工装夹具12包括三个爪形夹具121，托盘122为圆形托盘，其上设有三个径向滑槽1221，且三个径向滑槽1221沿托盘122的周向均布，三个径向滑槽1221之间互成120°夹角，夹紧面1211为爪形夹具121的朝向外侧的表面。

夹紧时，爪形夹具121沿径向滑槽1221朝外侧移动，以与工件4的定位孔(如装配轮的中心孔)的内侧壁面接触，实现夹紧工件4；松开工件4时，爪形夹具121沿径向滑槽1221朝内侧移动，以与工件4的定位孔的内侧壁面分离，以便取下工件4。

每一个爪形夹具121的朝向外侧的夹紧面1211上设有方形的安装槽，距离传感器123设置在安装槽内，以便实时检测夹紧面1211与工件4的定位孔的内侧壁面之间的距离。当所测的距离较远(例如>5cm)时，即可加速爪形夹具121向工件4的定位孔移动，当所测距离较近(如≤5cm)，则减速爪形夹具121的移动速度，并缓慢逼近工件4的定位孔，实现定位夹紧。

可选地，该距离传感器123为超声测距传感器，如可选用TELESKY的US-100型号。当然，距离传感器123还可采用其他类型的传感器，如激光测距传感器、红外线测距传感器等。

可选地，工装夹具12还包括用于驱动托盘122转动的第三驱动装置。

第三驱动装置可驱动托盘122转动，进而带动托盘122上的工件4转动，以便工件4上的螺栓孔41与拧紧轴131和131’对应，被拧紧轴131和131’拧紧。

可选地，如图9所示，第三驱动装置包括旋转伺服电机(如旋转伺服电机SGM7G)125，用于驱动托盘122转动。

可选地，两个滑轨133和133’可滑动地安装在机架11上，且滑轨的滑动方向与拧紧轴座的滑动方向垂直。

滑轨133和133’可滑动地安装在机架11上，使得滑轨133和133’可相对于机架11沿X方向(即人正对拧紧机时的纵向方向)滑动；此外，拧紧轴座132和132’可分别相对于滑轨133和133’沿Y方向(即人正对拧紧机时的横向方向)滑动，且滑轨133和133’的滑动方向(X方向)与拧紧轴座132和132’的滑动方向(Y方向)垂直，以便安装在拧紧轴座132和132’上的拧紧轴131和131’可达到水平面XY平面的任一位置，以便能够运动至工件4上的任一螺栓孔41的上方。

可选地，第一驱动装置包括：分别驱动两个滑轨133和133’滑动的两个滑轨电机、分别驱动两个拧紧轴座132和132’滑动的两个拧紧轴座电机、分别驱动两个拧紧轴131和131’进行升降运动的两个升降电机和分别驱动两个拧紧轴131和131’旋转的两个旋转电机。

可选地，如图9所示，两个滑轨电机为X向伺服电机134和134’，分别驱动滑轨133和133’沿X方向移动；两个拧紧轴座电机为Y向伺服电机135和135’，分别驱动拧紧轴座132和132’沿Y方向移动；两个升降电机为Z向伺服电机136和136’，分别驱动拧紧轴131和131’沿Z方向移动；两个旋转电机为旋转伺服电机137和137’，分别驱动拧紧轴131和131’绕自身轴线转动。

通过可相对于机架11沿X方向滑动的滑轨133和133’，配合可相对于滑轨133和133’沿Y方向滑动的拧紧轴座132和132’，可实现拧紧轴131和131’在水平面上进行独立的二维移动。通过拧紧轴131和131’的二维移动和托盘122的旋转相配合，可以大大缩短拧紧辅助时间。

可选地，如图6所示，机架11的顶部设有安装板111，安装板111的两侧分别设有第一凸起112和第二凸起1131，安装板111上还设有双凸滑轨114，双凸滑轨114位于第一凸起112和第二凸起1131之间，且双凸滑轨114上设有朝向第一凸起112的第三凸起1141和朝向第二凸起1131的第四凸起1142，一个滑轨133的两端分别支撑在第一凸起112和第三凸起1141上，另一个滑轨133’的两端分别支撑在第二凸起1131和第四凸起1142上，图像采集装置14安装在双凸滑轨114上。

螺栓拧紧机为立式结构，其拧紧机构13设置于上部，工装夹具12设置于下部。机架11的顶部设有安装板111，以安装拧紧机构13、图像采集装置14等。具体地，安装板111的左右两侧分别设有第一凸起112和第二凸起1131，安装板111的中部还设有双凸滑轨114，双凸滑轨114的左右两侧分别设有第三凸起1141和第四凸起1142。将拧紧机构13安装在安装板111上时，两个滑轨133和133’中的一个滑轨133的两端分别支撑在第一凸起112和第三凸起1141上，另一个滑轨133’的两端分别支撑在第二凸起1131和第四凸起1142上，两个滑轨133和133’可沿凸起进行X方向的滑动。

图像采集装置14安装在位于中部的双凸滑轨114上，以便能够更好地获取工件4的完整的图谱。

可选地，如图6所示，安装板111的右侧设有E型滑轨113，第二凸起1131设置在E型滑轨113上，滑轨133’的右侧支撑在该E型滑轨113上。E型滑轨113与安装板111焊接固定，E型滑轨113的底面通过机架11上的立柱115支撑，并与立柱115焊接。

可选地，如图6所示，双凸滑轨114包括方形框架，第三凸起1141和第四凸起1142分别设置在该方形框架的左右侧面上，方形框架的下壁面的中心位置处设有圆形通孔(图中未示出)，以供图像采集装置14通过。图像采集装置14的上部伸入方形框架内并与方形框架固定，图像采集装置14的摄像头通过圆形通孔伸出，圆形通孔可对图像采集装置14起到定位作用。

可选地，如图6所示，双凸滑轨114位于机架11顶部的安装板111的下表面的中间位置，并与其焊接固定。

本发明的实施例还提供了一种螺栓拧紧系统，如图9所示，包括上文的螺栓拧紧机、上位机2和现场工控总线3，螺栓拧紧机的图像采集装置14和第一驱动装置通过现场工控总线3连接至上位机2，上位机2可通过上文的螺栓拧紧方法对图像采集装置14获取的图谱进行处理，并控制第一驱动装置的工作。

可选地，螺栓拧紧机的第二驱动装置、第三驱动装置和距离传感器123通过现场工控总线3连接至上位机2。

如图9所示，螺栓拧紧机通过现场工控总线3连接至上位机2，具体地，螺栓拧紧机的图像采集装置14、距离传感器123、第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置通过现场工控总线3连接至上位机2。

采用螺栓拧紧系统拧紧螺栓孔41时，图像采集装置14可采集工件4的螺栓孔41的图谱，并利用现场工控总线3将图像采集装置14采集的图谱上传至上位机2。上位机2对图谱进行处理，获知螺栓孔41的尺寸、数目和位置信息，并经过分析决策形成最优的螺栓拧紧方案，并将该方案传回现场工控总线3，由现场工控总线3控制第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置按照最优方案执行命令。

如图7和图8示出了利用螺栓拧紧机拧紧工件4上的螺栓孔41的状态示意图。

工件4上设有11个螺栓孔41，分别记为T1-T11，工件4安装在托盘上，因此可以在托盘的带动下做旋转运动。两个滑轨133和133’可沿X方向滑动，两个拧紧轴座132和132’可沿Y方向滑动，从而保证两个拧紧轴能够在水平面上实现二维移动。

两个滑轨133和132’以及两个拧紧轴座132和132’的初始状态如图7所示。利用上文所述的螺栓拧紧方法可知，螺栓孔T1和T7的孔心之间的连线与工件4的中心O之间的距离d最小，且距离两个拧紧轴座132和132’上的拧紧轴最近，因此首先拧紧的一对螺栓孔41为螺栓孔T1和螺栓孔T7。然后第一驱动装置驱动拧紧轴座132及其上的拧紧轴移动至螺栓孔T1的正上方，驱动滑轨133’、拧紧轴座132’及其上的拧紧轴移动至螺栓孔T7的正上方，然后两个拧紧轴分别拧紧螺栓孔T1和螺栓孔T7，然后沿图中曲线箭头C所指示的方向逆时针转动托盘，托盘带动工件4转动，使螺栓孔T11和螺栓孔T6、螺栓孔T10和螺栓孔T5、螺栓孔T9和螺栓孔T4、螺栓孔T8和螺栓孔T3分别依次对准两个拧紧轴，然后依次拧紧螺栓孔T11和螺栓孔T6、螺栓孔T10和螺栓孔T5、螺栓孔T9和螺栓孔T4、螺栓孔T8和螺栓孔T3，最后剩余螺栓孔T2未拧紧，继续旋转托盘，使螺栓孔T2与邻近的拧紧轴(安装在拧紧轴座132’)对应，并利用该拧紧轴将螺栓孔T2拧紧。至此，完成了全部螺栓孔41的拧紧。

本发明的实施例具有如下有益效果：

(1)本发明的实施例可实现对多种类型和不同尺寸的工件上螺栓孔的拧紧，爪形夹具可对不同尺寸的工件的定位孔定位夹紧，距离传感器实现夹具的夹紧定位无需人工参与即可自动完成。特别地，当工件的螺栓孔数目为奇数时，通过控制拧紧轴座、滑轨以及托盘的运动配合，实现既保证对角拧紧又节约辅助时间。

(2)本发明中，工件上螺栓孔的数目和位置通过图像采集装置进行采集和识别，当图像采集装置获取定位完成后的工件的瞬时图谱后，即可利用图谱进行控制策略规划和仿真，最终生成最优控制策略。本发明的实施例实现了螺栓拧紧系统自识别、自决策、自执行的智能化目的。

(3)本发明采用独立的伺服电机分别对拧紧轴座、滑轨和托盘进行控制，伺服电机、图像采集装置和距离传感器由现场工控总线控制，现场工控总线与上位机相连，实现信息的上传和决策命令的下传。

(4)本发明的螺栓拧紧系统的智能化在于工件类型的自动识别、工件夹紧定位的自动完成、拧紧轴和托盘运动策略通过计算分析获取，从而保证大幅度节约拧紧辅助时间，提高拧紧效率。

需要说明的是，本申请中，术语“多个”是指两个或两个以上。

本申请中，为了描述的方便、简单，词语“拧紧螺栓孔”是指“将螺栓拧紧到螺栓孔内”。

本领域普通技术人员可以理解，上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。

尽管已参照本发明的示例性实施例说明了本发明，但应当理解，本发明不限于上述的实施例或构造。此外，尽管以各种示例性的组合和构型示出了所公开发明的各种要素，但包括更多、更少或仅单个要素的其它组合和构型也在所附权利要求的范围内。

以上公开内容规定为说明性的而不是穷尽性的。对于本领域技术人员来说，本说明书将暗示许多变化和可选择方案。所有这些可选择方案和变化规定为被包括在本权利要求的范围内。本领域技术人员应认识到此处的实施方案的其它等效变换，这些等效变换也规定为由本权利要求所包括。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (19)

1.一种螺栓拧紧方法，其特征在于，所述螺栓拧紧方法用于通过两个拧紧轴将螺栓拧紧到工件的多个螺栓孔内，所述螺栓拧紧方法包括：

获取所述工件的图谱；

根据所述图谱，计算得到每一个所述螺栓孔的孔心坐标和所述工件的中心坐标；

对于所有待拧紧的所述螺栓孔，拧紧孔心连线距离所述工件的中心最近的两个所述螺栓孔；

重复上述拧紧步骤，直至所有的所述螺栓孔全部拧紧，或者直至剩余一个所述螺栓孔，拧紧剩余的该螺栓孔。

2.如权利要求1所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述根据所述图谱，计算得到每一个所述螺栓孔的孔心坐标和所述工件的中心坐标的步骤包括：

利用过滤算子对所述图谱进行灰度处理，并获取每一个所述螺栓孔的轮廓点坐标；

根据每一个所述螺栓孔的轮廓点坐标，拟合出对应的所述螺栓孔的孔心坐标，并根据多个所述螺栓孔的孔心坐标，拟合出所述工件的中心坐标。

3.如权利要求2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述利用过滤算子对所述图谱进行灰度处理，并获取每一个所述螺栓孔的轮廓点坐标的步骤如下：

对所述图谱进行归一化处理，得到输入矩阵：

其中，X为输入矩阵，G为所述图谱的图谱矩阵，为m×n阶矩阵；

对所述输入矩阵X进行过滤：

其中，Z为输出矩阵，J为过滤矩阵，为m×m阶方阵，初始值可随机赋予，η为学习率参数，I为单位矩阵，Φ为激活函数，定义为：

其中，表示所述图谱矩阵G中第i行第j列像素点属于边缘点的概率，的值通过预先设置实验的方法统计获得；

迭代结束后，将所述输出矩阵Z归一化得到矩阵C：

对所述矩阵C进行极化处理，得到边缘矩阵E，所述边缘矩阵E为0-1矩阵，其中值为1的像素点为边缘点，值为0的像素点为非边缘点，所述边缘矩阵E的计算公式为：

其中E_i,j为所述边缘矩阵E的第i行第j列的元素值。

4.如权利要求3所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述学习率η的取值范围为0-1。

5.如权利要求2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述利用过滤算子对所述图谱进行灰度处理，并获得每一个所述螺栓孔的轮廓点坐标的步骤包括利用CANNY过滤算子对所述图谱进行灰度处理，并获得每一个所述螺栓孔的轮廓点坐标。

6.如权利要求1-5中任一项所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述对于所有待拧紧的所述螺栓孔，拧紧孔心连线距离所述工件的中心最近的两个所述螺栓孔的步骤包括：

当多个所述孔心连线与所述工件的中心之间的距离相等时，拧紧孔心连线距离两个所述拧紧轴最近的两个螺栓孔。

7.如权利要求6所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，当多个所述螺栓孔沿所述工件的周向均布时，拧紧孔心连线距离两个所述拧紧轴最近的两个螺栓孔后，每次将所述工件或两个所述拧紧轴旋转角度α，再拧紧与两个所述拧紧轴所对应的两个所述螺栓孔，其中角度α为相邻的两个所述螺栓孔之间的圆心角。

8.如权利要求1-5中任一项所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，在所述对于所有待拧紧的所述螺栓孔，拧紧孔心连线距离所述工件的中心最近的两个所述螺栓孔的步骤之前，所述螺栓拧紧方法还包括：

控制工装夹具夹紧所述工件。

9.如权利要求8所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述控制工装夹具夹紧所述工件的步骤包括：

检测所述工装夹具中的爪形夹具与所述工件的距离，所述爪形夹具与所述工件的距离大于设定值时所述爪形夹具靠近所述工件的速度，大于所述爪形夹具与所述工件的距离不大于所述设定值时所述爪形夹具靠近所述工件的速度。

10.如权利要求1-5中任一项所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述对于所有待拧紧的所述螺栓孔，拧紧孔心连线距离所述工件的中心最近的两个所述螺栓孔的步骤包括：

控制所述拧紧轴和所述工件中的至少一个运动，使所述拧紧轴与所有待拧紧的所述螺栓孔中孔心连线距离所述工件的中心最近的两个所述螺栓孔对准；

控制所述拧紧轴旋转，拧紧所述螺栓孔。

11.一种螺栓拧紧机，其特征在于，包括：

机架；

工装夹具，其安装在所述机架上；

拧紧机构，其包括两个拧紧轴、两个拧紧轴座、两个滑轨和第一驱动装置，两个所述滑轨安装在所述机架上，两个所述拧紧轴座分别可滑动地安装在两个所述滑轨上，两个所述拧紧轴分别可转动地安装在两个所述拧紧轴座上，所述第一驱动装置用于驱动所述拧紧轴和所述拧紧轴座运动；和

图像采集装置，其安装在所述机架上，并且用于获取工件的图谱，所述图谱设置成被处理后可用于控制所述第一驱动装置的工作。

12.如权利要求11所述的螺栓拧紧机，其特征在于，所述工装夹具包括设置在所述机架上的托盘、多个爪形夹具和第二驱动装置，所述托盘上设有沿所述托盘的径向方向设置的多个径向滑槽，所述第二驱动装置用于驱动所述爪形夹具沿所述径向滑槽滑动。

13.如权利要求12所述的螺栓拧紧机，其特征在于，所述爪形夹具具有用于夹紧所述工件的夹紧面，所述夹紧面上设有用于检测所述夹紧面与所述工件之间的距离的距离传感器，检测的所述距离设置成可用于控制所述第二驱动装置的工作。

14.如权利要求12所述的螺栓拧紧机，其特征在于，所述托盘可转动地安装在所述机架上，所述工装夹具还包括用于驱动所述托盘转动的第三驱动装置。

15.如权利要求11-14中任一项所述的螺栓拧紧机，其特征在于，两个所述滑轨可滑动地安装在所述机架上，且所述滑轨的滑动方向与所述拧紧轴座的滑动方向垂直。

16.如权利要求15所述的螺栓拧紧机，其特征在于，所述第一驱动装置包括：分别驱动两个所述滑轨滑动的两个滑轨电机、分别驱动两个所述拧紧轴座滑动的两个拧紧轴座电机、分别驱动两个所述拧紧轴进行升降运动的两个升降电机和分别驱动两个所述拧紧轴旋转的两个旋转电机。

17.如权利要求15所述的螺栓拧紧机，其特征在于，所述机架的顶部设有安装板，所述安装板的两侧分别设有第一凸起和第二凸起，所述安装板上还设有双凸滑轨，所述双凸滑轨位于所述第一凸起和所述第二凸起之间，且所述双凸滑轨上设有朝向所述第一凸起的第三凸起和朝向所述第二凸起的第四凸起，一个所述滑轨的两端分别支撑在所述第一凸起和所述第三凸起上，另一个所述滑轨的两端分别支撑在所述第二凸起和所述第四凸起上，所述图像采集装置安装在所述双凸滑轨上。

18.一种螺栓拧紧系统，其特征在于，包括如权利要求11-17中任一项所述的螺栓拧紧机、上位机和现场工控总线，所述螺栓拧紧机的图像采集装置和第一驱动装置通过所述现场工控总线连接至所述上位机，所述上位机可通过权利要求1-10中任一项所述的螺栓拧紧方法对所述图像采集装置获取的图谱进行处理，并控制所述第一驱动装置的工作。

19.如权利要求18所述的螺栓拧紧系统，其特征在于，所述螺栓拧紧机的第二驱动装置、第三驱动装置和距离传感器通过所述现场工控总线连接至所述上位机。