CN110883515A - 一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统。该一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统包括：机器人、运输线、识别系统，所述运输线包括小部件输送线和轮对工件输送线，所述轮对工件输送线两侧设有小部件输送线，所述小部件输送线一侧设有机器人，所述机器人上设有识别系统。本发明提供的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，通过六轴机器人的识别系统，识别需要装配的部件，在使用机器人的机械臂将装配部件拾起并安装在运输线上的轮对工件，智能化程度高，适用范围，适用于动车组、地铁、市域铁路和城际铁路列车构架等螺栓装配拧紧场景。

Description

一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统

技术领域

本发明涉及应用在车组修轮对轴箱部件检修工位的零件装配和螺栓的拧紧装置，尤其涉及一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统。

背景技术

目前全国各地的动车段和动车运用所的检修装配车间，用于和谐号和复兴号动车组高级修轮对轴箱部件检修工位的零件装配和螺栓的拧紧作业模式主要有以下几种：

(1)桁架滑轨+单根绳索悬吊拧紧轴。其实现方式是将多个拧紧轴简单机械的固定安装在一个轴箱里，轴箱上面通过一根柔性的钢丝绳或弹簧平衡器悬吊，钢丝绳顶部固定在一个滑轨上，通过人工操作，可以实现左右滑动和前后摆动以及上下伸缩移动。

(2)桁架滑轨+助力机械臂式拧紧轴。其实现方式是将多个拧紧轴简单机械的固定安装在一个轴箱里，轴箱上面通过一个刚性的带气缸或弹簧平衡器的助力臂来固定，助力臂顶部通过机械滑轮固定在桁架滑轨上，通过人工操作，可以实现前后左右滑动和上下移动。

(3)龙门框架+助力机械臂式拧紧轴。主体为龙门式结构，车间地面铺有滑轨，龙门框架可以在滑轨上移动；将多个拧紧轴简单机械的固定安装在一个轴箱里，轴箱上面通过一个刚性的带气缸或弹簧平衡器的助力臂来固定，助力臂顶部通过机械滑轮固定在龙门桁架上，作业人员操作按钮可以控制龙门框架沿着地面滑轨方向移动，通过推拉助力臂，可以使多轴拧紧轴沿着前后方向移动。

但是，以上几种作业模式现场使用过程中存在的问题如下：(1)桁架滑轨+单根绳索悬吊拧紧轴。桁架结构会占据车间内顶部空间的位置，会遮挡天车吊钩的行驶路径，导致一些大型的零件不能使用天车吊装，需要人工搬运，增加了工作量和劳动强度。拧紧轴通过钢丝绳柔性固定，依靠前后摆动和左右滑动进行人工对位，为不稳定结构，不能完全保证拧紧轴轴线和作业轮对孔轴线的平行度要求，最终会导致螺栓与螺纹孔产生倾斜，影响装配质量；多轴拧紧作业进给时需要人工向前推动轴箱，拧紧结束后需要人工将轴箱拉出，进给量和进给速度完全靠人工掌握，数据不能量化，对作业人员依赖性大；摆动轴箱时产生阻力较大，增加了作业人员的工作量，时间久了劳动强度高。(2)桁架滑轨+助力机械臂式拧紧轴。桁架结构会占据车间内顶部空间的位置，会遮挡天车吊钩的行驶路径，导致一些大型的零件不能使用天车吊装，需要人工搬运，增加了工作量和劳动强度。使用多轴拧紧时需要人工滑动助力臂进行进给；对位时，需要作业人员目测工件孔的角度位置，然后手工转动轴箱到一定角度后进行对位，数据不能量化和存储，对作业人员的依赖性大，人工参与相对较高。(3)龙门框架+助力机械臂式拧紧轴。主体为龙门框架结构可以在地面轨道上滑动，虽然设备主体结构不会对天车吊钩的行驶路径造成遮挡，对车间内使用天车吊装影响不大，但是设备主体会占用一部分长度，减少车间地面轮对工件输送线上工件的摆放数量；作业人员除了人工移动拧紧轴助力臂之外，还要手持遥控器操作龙门滑轨沿着地面轨道移动，增加了工作量。使用多轴拧紧时需要人工滑动助力臂进行进给；对位时，需要作业人员目测工件孔的角度位置，然后手工转动轴箱到一定角度后进行对位，数据不能量化和存储，对作业人员的依赖性大，人工参与相对较高。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，解决了上述技术问题，提供一种通过履带式六轴机器人来解决轮对工件和要安装的零件和螺栓物料的装配作业，自动寻址和定位装配。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统包括：机器人、运输线、识别系统，所述运输线包括小部件输送线和轮对工件输送线，所述轮对工件输送线两侧设有小部件输送线，所述小部件输送线一侧设有机器人，所述机器人上设有识别系统。

其中，所述机器人为履带式六轴机器人，所述机器人包括：履带驱动模块、中控和供能模块、机器人主体、拧紧轴和机械手；所述履带驱动模块连接中控和供能模块，所述机器人主体下方设有中控和供能模块，机器人主体两侧设有拧紧轴和机械手，所述机器人主体与拧紧轴通过转盘相连，机器人主体与拧紧轴内连接有信号线和电源线；所述机器人主体与机械手通过转盘相连，机器人主体与拧紧轴内连接有信号线和电源线；所述机器人主体与机械手通过转盘相连，机器人主体与拧紧轴内连接有信号线和电源线，所述转盘处设有控制转盘转动的伺服电机。

其中，所述履带驱动模块为机器人行走装置，履带为三角履带。

其中，所述中控和供能模块包括：供电电池、伺服电机驱动器、中央处理器，所述供电电池为蓄电池为机器人供电，所述伺服电机驱动器连接中央处理器，伺服电机驱动器驱动转盘处的伺服电机工作，所述中央处理器通过远程连接模块连接总控制室。

其中，所述机器人主体包括多个连接杆，多个所述连接杆与连接杆之间通过转盘相连，多个连接杆内设有信号线和电源线，所述信号线和电源线连接中控和供能模块；所述拧紧轴包括：扭矩管，所述扭矩管与连接杆通过转盘相连，扭矩管与连接杆内部通过信号线和电源线相连；所述机械手一端为机械爪，另一端连接在连接杆上，所述机械爪通过转盘连接机器人主体，机械爪与机器人主体内部通过信号线和电源线相连，信号线和电源线连接连接杆。

其中，所述识别系统包括：路径识别模块和物料识别定位模块，所述路径识别模块和物料识别定位模块分别连接摄像头，所述摄像头设置在机器人主体上方，所述物料识别定位模块将轮对坐标数据发送给总控制室，识别输送线上的零件，确定零件坐标位置，将零件数据坐标发送至总控制室。

其中，所述轮对工件输送线上设有用于装配的车轮轮对工件，所述小部件输送线上设有用于装配车轮轮对工件的小型零部件和螺栓。

本发明提供的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，具有如下有益效果：

(1)通过采用激光定位传感技术、视觉及图像识别处理技术并与六自由度协作机器人控制技术、三角履带驱动技术等相结合，自动完成了对纵向方向上多个轮对工件的寻址和定位作业，节省了人工推轮对运送零件和将轮对对位的作业步骤和时间，提高了作业效率。

(2)通过采用激光定位传感技术、视觉及图像识别处理技术并与六自由度协作机器人控制技术、三角履带驱动技术等相结合，自动完成了对竖直方向上单个轮对工件的定位和测距作业，节省了人工操作助力臂对工件进行对位的作业步骤和时间，提高了工作效率。

(3)通过采用激光定位传感技术、视觉及图像识别处理技术并与六自由度协作机器人控制技术、履带自适应驱动和避障技术等相结合，自动完成了对轮对工件连接孔姿态不同时的拧紧轴姿态和角度的自适应调节和轴向自动进给及螺栓拧紧和自动退回归零作业，节省了人工操作拧紧轴对位、进给和拧紧的步骤和时间，提高了作业效率。

(4)通过采用激光定位传感技术、视觉及图像识别处理技术并与六自由度协作机器人控制技术、机械手控制抓取技术等相结合，自动完成了轮对轴箱部件和紧固螺栓的物料抓取和安装作业，节省了人工对工件的作业步骤和时间，提高了作业效率。

(5)中央处理器将作业过程中的物料配送数据、工件作业数据和设备各个部件模块儿协同动作的数据进行量化和采集，并上传提交至服务器，为后续智慧车间和数字化工厂的筹建和运营提供了数据支撑。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是本发明一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统的结构示意图；

图2是本发明一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统的机器人结构示意图；

图3是本发明一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统的剖视图。

附图标记：

1：机器人；2：小部件输送线；3：轮对工件输送线；4：识别系统；101：履带驱动模块；102：中控和供能模块；103：机器人主体；104：拧紧轴；105：机械手；5：转盘；6：扭矩管；7：连接杆；8：机械爪；9：轮对工件；10：激光测距传感器。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

请参阅图1至图3，一种基于履带式六轴机器人1的智能拧紧装配系统包括：机器人1、运输线、识别系统4；所述运输线包括：小部件输送线2和轮对工件输送线3，所述轮对工件输送线3两侧设有小部件输送线2，所述小部件输送线2一侧设有机器人1，所述机器人1上设有识别系统4。

进一步，机器人1为履带式六轴机器人1，所述机器人1包括：履带驱动模块101、中控和供能模块102、机器人主体103、拧紧轴104和机械手105；所述履带驱动模块101上方连接中控和供能模块102，所述机器人主体103下方设有中控和供能模块，机器人主体103两侧设有拧紧轴104和机械手105，所述机器人主体103与拧紧轴104通过转盘相连，机器人主体103与拧紧轴104内连接有信号线和电源线；所述机器人主体103与机械手105通过转盘相连，机器人主体103与拧紧轴104内连接有信号线和电源线；所述机器人主体103与机械手105通过转盘相连，机器人主体103与拧紧轴104内连接有信号线和电源线。

拧紧轴104和机械手105设有驱动其运动工作的伺服电机。

履带式六轴机器人1为六自由度转动的机器人1。履带式六轴机器人的履带驱动模块101为机器人1的行走部件，通过履带滚动前行，履带采用三角形履带，稳定性更好。履带驱动模块101中的驱动模块包含了履带行走所需的必要组件。

中控和供能模块102为机器人1提供命令控制，控制机器人1的行走、机械手105的物料抓取、拧紧轴104对物料抓取安装的螺栓拧紧作业。中控模块连接履带驱动模块101、供能模块102、拧紧轴104和机械手105各部件，来控制各部件进行指令的执行。

履带驱动模块101和中控和供能模块102通过紧固螺栓和信号线及电源线相连接；中控和供能模块102与六自由度协作机器人主体103通过紧固螺栓和信号线及电源线相连接；六自由度机器人主体103通过转盘5、信号线及电源线线连接，采用螺栓固定；六自由度机器人主体103与的机械手105通过转盘5、信号线及电源线相连接，采用螺钉固定；六自由度协作机器人主体103与拧紧轴104通过扭矩管6、转盘5、信号线以及电缆线相连接，通过螺栓来固定。

转盘5为机器人1旋转关节用的转盘5轴承，转盘5处设有伺服电机，控制转盘5转动的角度。

信号线用于中控模块的指令执行。

电源线连接到供能模块，供能模块通过电源线为机器人1的各个组成部件供电。

进一步，所述履带驱动模块101为机器人1行走装置，履带为三角履带，采用三角履带驱动技术来进行履带的行走，履带驱动技术为机器人行走所必须的驱动技术。

履带驱动模块101采用三角履带可以适应多种地形，可以轻松完成前进、后退、原地转弯、爬坡和过沟岗功能，并可通过机器人1自身自重配合刹车来抵消拧紧轴104在作业过程中的拧紧反力。

进一步，中控和供能模块102包括：供电电池、伺服电机驱动器、中央处理器；所述供电电池为蓄电池为机器人1供电，所述伺服电机驱动器连接中央处理器，伺服电机驱动器驱动转盘5处的伺服电机工作，所述中央处理器通过远程连接模块连接总控制室。

中央处理器为控制六轴机器人1的具有可编程逻辑器运动控制芯片。为现有六轴机器人所使用的控制芯片。

中控和供能模块102为整个设备的数据分析和处理。

供能模块的供电电池在电量低于设定的阀值时，向中控模块发送信号，中控模块得到信号后，通过识别系统4识别路径返回充电处充电，充电完成后供能模块向中控模块发送信号，中控模块得到信号后，识别系统4识别路径自动行走至运输线处工作。

进一步，机器人主体103包括多个连接杆7，多个所述连接杆7与连接杆7之间通过转盘5相连，多个所述连接杆7内连接有信号线和电源线，所述机器人主体103内的信号线和电源线连接中控和供能模块102；所述拧紧轴104包括：扭矩管6，所述扭矩管6与连接杆7通过转盘5相连、扭矩管6与连接杆7内部通过信号线和电源线相连；所述机械手105一端为机械爪8，另一端连接在连接杆7上，所述机械爪8通过转盘5连接机器人主体103，机械爪8与机器人主体103内部通过信号线和电源线相连。

连接杆7内部为空腔，连接杆7为机器人1的各组件连接件，连接杆7连接有转盘5，通过转盘5实现机器人1的六自由度的高度自由转动。转盘5为使用在机器人1旋转关节部位的转盘5轴承旋转轴。

机器人1通过多个伺服电机控制每个转盘5的转动和角度变化配合机械手105和拧紧轴104完成物料抓取安装及螺栓拧紧作业。

进一步，所述识别系统4包括：路径识别模块和物料识别定位模块，所述路径识别模块和物料识别定位模块分别连接摄像头，所述摄像头设置在机器人1主体103上方，所述物料识别定位模块将轮对工件坐标数据发送给中控模块，识别输送线上的零件，确定零件坐标位置，将零件数据坐标发送总控制室，所述物料识别定位模块包括：物料识别模块和物料定位模块，分别用于物料和轮对端盖的识别和定位。

机器人1在地面上行驶时，路径识别摄像头开启，使得机器人1在路上能够正常行走，路径识别摄像头识别路上或路附近的标志物，来进行定位行走。

物料识别定位模块负责识别地面轮对工件9运输线上物料的识别和定位，并将坐标数据发送给中控模块。

物料识别定位模块摄像头，识别输送线上的零件标记(标记可以为放置零件位置的标记、也可以为零件上设有的标记)和输送线上的轮对工件9端盖并进行定位，将零件标记的识别(识别包括零件的型号及坐标位置)信息发送给中控模块，中控模块的中央处理器将数据坐标发送给系统控制中心，系统控制中心为控制机器人1和输送线的总控制室。

物料识别定位模块的定位模块由激光定位传感器来进行定位，采用激光定位器的激光定位传感功能。

进一步，路径识别模块和物料识别定位模块采用视觉和图像识别处理技术。

视觉和图像识别处理技术为采用卷积神经网络图像识别技术。

进一步，所述拧紧轴104处设有激光测距传感器10，激光测距传感器10采用激光测距传感技术。

拧紧轴104上设有的激光测距传感器10将轴箱与轮对轴端的距离数据发送给中央处理器；中央处理器启动拧紧轴104转动，并完成拧紧作业。

进一步，轮对工件输送线3上设有用于装配的车轮轮对工件，所述小部件输送线2上设有用于装配车轮轮对工件9的小型零部件和螺栓。

装配的车轮轮对工件9和小型零部件和螺栓在输送线上，输送线移动带动装配的车轮轮对工件9和小型零部件移动。

工作流程：

a)机器人1系统开机自检，履带式六轴装配机器人1归零位，所有坐标轴回归零位；

b)车间工件输送线启动，将轮对工件9和要安装用的轮对端盖以及螺栓等紧固件按照程序设定的位置输送到地面轮对工件输送线3上；

c)履带式六轴机器人1开始工作(可以两个或多个同时作业)，从零位移动；机器人1在地面上行驶，路径识别摄像头开启，通过自主前进和后退以及自适应转弯等动作行驶到工作台面附近；物料识别定位模块的识别摄像头和激光定位传感器开机，当机器人1在纵向方向上识别到轮对工件时，机器人1停下并刹车，物料识别定位模块将轮对坐标数据发送给中控中央处理器；

d)物料识别定位模块摄像头动作，识别输送线上的轮对工件9端盖零件，并确定坐标位置，将其数据坐标发送总控制室；

e)系统控制中心向机器人1的中控模块发出指令，机器人1左边的机械手105动作，将轮对工件9端盖零件抓起，安装在轮对工件9的轴端上；

f)物料识别模块继续工作，确定输送线上紧固螺栓的位置坐标，将其数据坐标发送总控制室；

g)中央处理器发出指令，机器人1左边的机械手105继续动作，将紧固螺栓依次安装到位；

h)机械手105作业完毕后回归零位，物料识别定位模块继续工作，将已经安装好零件和螺栓的轮对中心坐标进行采集，并发送中央处理器；

i)中央处理器发出指令，机器人1的驱动模块动作，将机器人1右侧拧紧轴104的中心线与要进行螺栓拧紧的中心轴线对齐；

j)拧紧轴104模块儿与六自由度机器人1配合工作，六自由度机器人1通过改变各个转盘5旋转轴的转角大小将拧紧轴104向轮对工件9推进；

k)拧紧轴104上的激光测距传感器开始工作，将轴箱与轮对工件9轴端的距离数据发送给中央处理器；中央处理器启动拧紧轴104转动，并完成拧紧作业；

l)拧紧作业完成后，拧紧轴104给中央处理器发出结束信号，履带式六轴机器人1开始工作，同时拧紧轴104适当翻转从已经拧紧的螺栓上脱开，拧紧轴104回归零位；

m)机器人1中控驱动模块工作，将机器人1沿着纵向滑轨移动，物料识别定位模块继续寻找为作业的轮对工件，进行下一个工件的作业；

n)如此反复；

机器人1作业完成所有的轮对，回归到零点位置。

零点位置为初始位置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，其特征在于，包括：机器人(1)、运输线、识别系统(4)，所述运输线包括小部件输送线(2)和轮对工件输送线(3)，所述轮对工件输送线(3)两侧设有小部件输送线(2)，所述小部件输送线(2)一侧设有机器人(1)，所述机器人(1)上设有识别系统(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，其特征在于，所述机器人(1)为履带式六轴机器人，所述机器人(1)包括：履带驱动模块(101)、中控和供能模块(102)、机器人主体(103)、拧紧轴(104)和机械手(105)；所述履带驱动模块(101)上方连接中控和供能模块(102)，所述机器人主体(103)下方设有中控和供能模块(102)，机器人主体(103)上方两侧设有拧紧轴(104)和机械手(105)。

3.根据权利要求2所述的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，其特征在于，所述机器人主体(103)与拧紧轴(104)通过转盘(5)相连，机器人主体(103)与拧紧轴(104)内连接有信号线和电源线；所述机器人主体(103)与机械手(105)通过转盘(5)相连，机器人主体(103)与拧紧轴(104)内连接有信号线和电源线；所述机器人主体(103)与机械手(105)通过转盘(5)相连；机器人主体(103)与拧紧轴(104)内连接有信号线和电源线；所述转盘(5)处设有控制转盘(5)转动的伺服电机。

4.根据权利要求2所述的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，其特征在于，所述履带驱动模块(101)为机器人(1)行走装置，履带为三角履带。

5.根据权利要求2所述的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，其特征在于，所述中控和供能模块(102)包括：供电电池、伺服电机驱动器、中央处理器，所述供电电池为机器人(1)供电，所述伺服电机驱动器连接中央处理器，伺服电机驱动器驱动转盘处的伺服电机工作，所述中央处理器通过远程连接模块连接总控制室。

6.根据权利要求2所述的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，其特征在于，所述机器人主体(103)包括：多个连接杆(7)，多个所述连接杆(7)与连接杆(7)之间通过转盘(5)相连，多个所述连接杆(7)内连接有信号线和电源线，所述机器人主体(103)内的信号线和电源线连接中控和供能模块(102)；所述拧紧轴(104)包括：扭矩管(6)和激光测距传感器(10)，所述扭矩管(6)与连接杆(7)通过转盘(5)相连，扭矩管(6)与连接杆(7)内部通过信号线和电源线相连，扭矩管(6)上设有激光测距传感器(10)；所述机械手(105)一端为机械爪(8)，另一端连接在连接杆(7)上，所述机械爪(8)通过转盘(5)连接机器人主体(103)，机械爪(8)与机器人主体(103)内部通过信号线和电源线相连。

7.根据权利要求5所述的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，其特征在于，所述识别系统(4)包括：路径识别模块和物料识别定位模块，所述路径识别模块和物料识别定位模块分别连接摄像头，所述摄像头设置在机器人主体(103)上方，所述物料识别定位模块将轮对工件(9)坐标数据发送给总控制室。

8.根据权利要求1所述的一种基于履带式六轴机器人的智能拧紧装配系统，其特征在于，所述轮对工件输送线(3)上设有用于装配的车轮轮对工件(9)，所述小部件输送线(2)上设有用于装配车轮轮对工件(9)的小型零部件和螺栓。

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