CN110977424A - 一种基于六自由度机器人的智能装配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于六自由度机器人的智能装配系统，包括工作台(3)及设于该工作台(3)上的升降台(4)，对称设于所述工作台(3)两侧的地面滑轨(2)，所述地面滑轨(2)上设有至少一台地轨式装配机器人(1)，其中一条地面滑轨(2)设有齿条结构，用于驱动所述地轨式装配机器人(1)运动，另一条地面滑轨(2)设有齿条结构和滑触线；所述地轨式装配机器人(1)包括中控及驱动模块(1.1)、拧紧轴箱(1.3)以及智能机械手(1.5)。本发明还公开了智能装配方法。本发明的智能装配系统，自动完成了对纵向方向上多个轮对工件的寻址、定位和装配作业，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。

Description

一种基于六自由度机器人的智能装配系统及方法

技术领域

本发明属于轮对检修设备技术领域，更具体地，涉及一种基于六自由度机器人的智能装配系统及方法。

背景技术

目前铁路行业CRH3和谐号动车组轮对轴端压盖紧固螺栓的多轴同时拧紧和装配作业，主要采用水平小车式校验装置，该装置主要由底轮、钢结构机架、扶手、模拟轴端和左右支腿组合而成。

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CRH3和谐号动车组轮对轴端压盖紧固螺栓的拧紧和装配作业模式主要有以下几种：(1)桁架滑轨+单根绳索悬吊多轴拧紧机。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+助力机械臂式多轴拧紧机。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+助力机械臂式多轴拧紧机。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，可以使多轴拧紧轴箱沿着前后方向移动。

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+单根绳索悬吊多轴拧紧机。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。拧紧轴箱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箱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+助力机械臂式多轴拧紧机。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+助力机械臂式多轴拧紧机。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，减少车间工作台上工件的摆放数量；作业人员除了人工移动拧紧轴箱助力臂之外，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

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于六自由度机器人的智能装配系统及方法，通过采用激光定位传感器技术、视觉及图像识别处理技术并与伺服机器人控制技术、齿轮齿条滑轨等相结合，自动完成了对纵向方向上多个轮对工件的寻址、定位和装配作业，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。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于六自由度机器人的智能装配系统，包括：

工作台及设于该工作台上的升降台，所述工作台与车间两端的输送线相连接，将轮对工件快速的输送至所述所述升降台；

对称设于所述工作台两侧的地面滑轨，所述地面滑轨上设有至少一台地轨式装配机器人，其中一条地面滑轨设有齿条结构，用于驱动所述地轨式装配机器人运动，另一条地面滑轨设有齿条结构和滑触线，通过该滑触线给所述地轨式装配机器人供电；

所述地轨式装配机器人包括中控及驱动模块.、拧紧轴箱.以及智能机械手.，所述中控及驱动模块.根据装配的轮对及物料信息，控制所述智能机械手.抓取端盖及物料并与轮对匹配，同时控制所述拧紧轴箱.实现紧固作业。

进一步地，所述地轨式装配机器人包括六自由度协作机器人.，该六自由度协作机器人.设于所述中控及驱动模块.上，一侧通过转轴与所述智能机械手.活动连接，另一侧与所述拧紧轴箱.连接。

进一步地，所述地轨式装配机器人包括物料识别和定位模块.，该物料识别和定位模块.设于所述六自由度协作机器人.上。

进一步地，所述物料识别和定位模块.包括摄像头和激光传感器。

进一步地，所述中控及驱动模块.包括驱动电机、中央处理器和中控计算机。

进一步地，所述拧紧轴箱.包括轴箱伺服驱动电机、轴箱实时摄像位置反馈模块、轴箱固定挂架、拧紧轴、拧紧轴固定盘和激光定位测距仪。

按照本发明的另一个方面，提供一种基于六自由度机器人的智能装配方法，包括如下步骤：

S100轮对就位、物料匹配及上料：车间工件输送线启动，将轮对工件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工作台上，同时物料识别和定位模块工作，识别轮对及物料信息并传输给中控及驱动模块；

S200物料自动识别与自动装配：所述中控及驱动模块发出指令，六自由度协作机器人一侧的智能机械手动作，将轮对端盖抓起，安装在轮对的轴端上，然后再抓取匹配的物料依次安装到位；

S300紧固轴箱自动紧固，完成轮对的装配作业：中控计算机发出指令，中控及驱动模块动作，将机器人另一侧的拧紧轴箱的中心线与要进行螺栓拧紧的中心轴线对齐并拧紧；

S400，地轨式装配机器人移动至下一个轮对，重复步骤S100-S300继续装配，直至完成所有的轮对的装配作业，回归到零点位置。

进一步地，S100中还包括：

S101：地轨式装配机器人在地面滑轨上滑动，物料识别和定位模块的摄像头和激光传感器开机，当地轨式装配机器人在纵向方向上识别到轮对工件时，地轨式装配机器人停下并刹车，物料识别和定位模块将轮对坐标数据发送给中控及驱动模块的中控计算机；

S102：物料识别和定位模块的摄像头动作，识别输送线上的端盖零件，并确定坐标位置，将其数据坐标发送到中控及驱动模块的中控计算机。

进一步地，S200中还包括：

S201：物料识别和定位模块继续工作，确定输送线上紧固螺栓的位置坐标，将其数据坐标发送中控及驱动模块的中控计算机；

S202：中控计算机发出指令，六自由度协作机器人一侧的智能机械手继续动作，将紧固螺栓依次安装到位；

S203：智能机械手作业完毕后回归零位，物料识别和定位模块继续工作，将已经安装好零件和螺栓的轮对中心坐标进行采集，并发送中控及驱动模块的中控计算机。

10.根据权利要求7所述的一种基于六自由度机器人的智能装配方法，其特征在于，S300中还包括：

S301：拧紧轴箱与六自由度协作机器人配合工作，六自由度协作机器人通过改变各个轴的转角大小将拧紧轴箱向轮对工件推进；

S302：拧紧轴箱上的激光测距传感器开始工作，将轴箱与轮对轴端的距离数据发送给中控及驱动模块的中控计算机；中控计算机启动多轴拧紧机转动，并完成拧紧作业；

S303：拧紧作业完成后，拧紧轴箱给系统发出结束信号，六自由度协作机器人开始工作，同时拧紧轴适当翻转从已经拧紧的螺栓上脱开，拧紧轴箱回归零位。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的智能装配系统，通过采用激光定位传感器技术、视觉及图像识别处理技术并与伺服机器人控制技术、齿轮齿条滑轨等相结合，自动完成了对纵向方向上多个轮对工件的寻址、定位和装配作业，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.本发明的智能装配系统，通过采用激光定位传感器技术、视觉及图像识别处理技术并与伺服机器人控制技术、齿轮齿条滑轨等相结合，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.本发明的智能装配系统，通过采用激光定位传感器技术、视觉及图像识别处理技术并与伺服电机控制技术、蜗轮蜗杆导轨等相结合，自动完成了对轮对工件连接孔姿态不同时的拧紧轴箱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箱对位、进给和拧紧的步骤和时间，提高了作业效率。

4.本发明的智能装配系统，通过采用激光定位传感器技术、视觉及图像识别处理技术并与伺服机器人控制技术、机械手控制抓取技术等相结合，自动完成了轮对轴端压盖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.本发明的智能装配系统，系统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。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于六自由度机器人的智能装配系统的总体组成结构示意图；

图2为本发明实施例一种基于六自由度机器人的智能装配系统的正视图；

图3为本发明实施例地轨式装配机器人轴测图；

图4为本发明实施例地轨式装配机器人轴测图；

图5为本发明实施例地轨式装配机器人侧视图；

图6为本发明实施例地轨式装配机器人正视图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-地轨式装配机器人、2地面滑轨、3工作台、4升降台、5轮对工件、1.1-中控及驱动模块、1.2-六自由度协作机器人、1.3-拧紧轴箱、1.4-物料识别和定位模块、1.5-智能机械手。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于六自由度机器人的智能装配系统，包括地轨式装配机器人1、地面滑轨2、工作台3、升降台4以及轮对工件5。其中，升降台4设于工作台2上，其上设有轨道，便于承载轮并沿轨道运动，地面滑轨2设于工作台3一侧，优选低，该地面滑轨2为两条，一条地面滑轨2带齿条结构，负责驱动和滑动支撑导向，另外一条地面滑轨2除了支撑导向之外还设有滑触线，负责给设备供电；地轨式装配机器人1底部与地面滑轨2嵌入连接，包括驱动电机，其驱动电机的输出齿轮与地面滑轨2槽内的齿条啮合，另外一条地面滑轨2上的电刷与地面滑轨2槽内的滑触线接触，可获取电能；此外，工作台3与车间两端的输送线相连接，可以将轮对工件快速的输送到工作台3的台面上；在轮对轴端上安装用的端盖压板由输送线输送到靠近地轨式装配机器人1的工作台面上。

轮对工件和要安装的零件和螺栓等物料由车间内的物料输送线，自动输送到工作台3的台面上；地轨式装配机器人1可以沿着地面车间的地面滑轨2纵向滑动；地轨式装配机器人1可以自动识别定位要安装的零件和物料；地轨式装配机器人1可以通过一侧的机械手自动抓取物料并将其安装到位；通过另一侧的拧紧轴箱和传感器自动完成轮对轴端压盖的螺栓拧紧和扭矩实时采集。

进一步地，如图2-6所示，在本发明的一个实施例中，地轨式装配机器人1包括中控及驱动模块1.1、六自由度协作机器人1.2、拧紧轴箱1.3、物料识别和定位模块1.4以及智能机械手1.5。其中，中控及驱动模块1.1顶部与六自由度协作机器人1.2通过紧固螺栓和信号线及电源线连接，底部与所述地面滑轨2滑动连接；六自由度协作机器人1.2通过转盘、信号线及电源线线连接，采用螺栓固定；六自由度协作机器人1.2与智能机械手1.5通过转盘、信号线及电源线向连接，采用螺钉固定；此外，六自由度协作机器人1.2与拧紧轴箱1.3通过扭矩管、转盘、信号线以及电缆线相连接，通过螺栓来固定。

进一步地，中控及驱动模块1.1与地面滑轨2的滑槽通过齿轮齿条结构和滑轨嵌入连接，内置驱动电机、中央处理器和计算机，负责整个设备的数据分析和处理；六自由度协作机器人1.2通过转个旋转轴的转动和角度变化配合智能机械手1.5和拧紧轴箱1.3完成物料抓取安装及螺栓拧紧作业；此外，物料识别及定位模块1.4负责识别工作台上物料的识别和定位，并将坐标数据发送给中控及驱动模块1.1。

此外，拧紧轴箱1.3包括轴箱伺服驱动电机、轴箱固定挂架、拧紧轴、拧紧轴固定盘、激光定位测距仪和轴箱实时摄像位置反馈模块。通过轴箱实时摄像位置反馈模块采集工件孔位信息与轴箱伺服驱动电机进行通讯动作，可以根据现场工件孔位的不同完成对多轴位置的自适应调节；激光定位测距仪与系统软件相结合，可以完成多轴轴箱对工件的自动进给、拧紧和退回归零作业。

本发明的一个实施例中，提供一种基于六自由度机器人的智能装配放方法，具体包括如下流程：

步骤1：轮对就位、物料匹配及上料

(1)系统开机自检，地轨式装配机器1人归零位，所有坐标轴回归零位；

(2)车间工件输送线启动，将轮对工件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工作台3上；

(3)地轨式装配机器人1开始工作，优选地，可以两个或多个同时作业，从零位移动；地轨式装配机器人1在地面滑轨2上滑动，物料识别和定位模块1.4的摄像头和激光传感器开机，当地轨式装配机器人1在纵向方向上识别到轮对工件时，地轨式装配机器人1停下并刹车，物料识别和定位模块1.4将轮对坐标数据发送给中控及驱动模块1.1的中控计算机；

(4)物料识别和定位模块1.4的摄像头动作，识别输送线上的端盖零件，并确定坐标位置，将其数据坐标发送到中控及驱动模块1.1的中控计算机；

步骤2：物料自动识别与自动装配

(1)中控及驱动模块1.1发出指令，六自由度协作机器人1.2一侧的智能机械手1.5动作，将轮对端盖零件抓起，安装在轮对的轴端上；

(2)物料识别和定位模块1.4继续工作，确定输送线上紧固螺栓的位置坐标，将其数据坐标发送中控及驱动模块1.1的中控计算机；

(3)中控计算机发出指令，六自由度协作机器人1.2一侧的智能机械手1.5继续动作，将紧固螺栓依次安装到位；

(4)智能机械手1.5作业完毕后回归零位，物料识别和定位模块1.4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，并发送中控及驱动模块1.1的中控计算机；

步骤3：紧固轴箱自动紧固，完成轮对的装配作业。

(1)中控计算机发出指令，中控及驱动模块1.1动作，将机器人另一侧的拧紧轴箱1.3的中心线与要进行螺栓拧紧的中心轴线对齐；

(2)拧紧轴箱1.3与六自由度协作机器人1.2配合工作，六自由度协作机器人1.2通过改变各个轴的转角大小将拧紧轴箱1.3向轮对工件推进；

(3)拧紧轴箱1.3上的激光测距传感器开始工作，将轴箱与轮对轴端的距离数据发送给中控及驱动模块1.1的中控计算机；中控计算机启动多轴拧紧机转动，并完成拧紧作业；

(4)拧紧作业完成后，拧紧轴箱1.3给系统发出结束信号，六自由度协作机器人1.2开始工作，同时拧紧轴适当翻转从已经拧紧的螺栓上脱开，拧紧轴箱回归零位；

(5)中控及驱动模块1.1工作，将六自由度协作机器人1.2沿着地面滑轨2移动，物料识别和定位模块1.4继续寻找为作业的轮对工件，进行下一个工件的作业，如此反复，六自由度协作机器人1.2作业完成所有的轮对，回归到零点位置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于六自由度机器人的智能装配系统，其特征在于，包括：

工作台(3)及设于该工作台(3)上的升降台(4)，所述工作台(3)与车间两端的输送线相连接，将轮对工件快速的输送至所述所述升降台(4)；

对称设于所述工作台(3)两侧的地面滑轨(2)，所述地面滑轨(2)上设有至少一台地轨式装配机器人(1)，其中一条地面滑轨(2)设有齿条结构，用于驱动所述地轨式装配机器人(1)运动，另一条地面滑轨(2)设有齿条结构和滑触线，通过该滑触线给所述地轨式装配机器人(1)供电；

所述地轨式装配机器人(1)包括中控及驱动模块(1.1)、拧紧轴箱(1.3)以及智能机械手(1.5)，所述中控及驱动模块(1.1)根据装配的轮对及物料信息，控制所述智能机械手(1.5)抓取端盖及物料并与轮对匹配，同时控制所述拧紧轴箱(1.3)实现紧固作业。

2.根据权利要求1所述的一种基于六自由度机器人的智能装配系统，其特征在于，所述地轨式装配机器人(1)包括六自由度协作机器人(1.2)，该六自由度协作机器人(1.2)设于所述中控及驱动模块(1.1)上，一侧通过转轴与所述智能机械手(1.5)活动连接，另一侧与所述拧紧轴箱(1.3)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于六自由度机器人的智能装配系统，其特征在于，所述地轨式装配机器人(1)包括物料识别和定位模块(1.4)，该物料识别和定位模块(1.4)设于所述六自由度协作机器人(1.2)上。

4.根据权利要求3所述的一种基于六自由度机器人的智能装配系统，其特征在于，所述物料识别和定位模块(1.4)包括摄像头和激光传感器。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于六自由度机器人的智能装配系统，其特征在于，所述中控及驱动模块(1.1)包括驱动电机、中央处理器和中控计算机。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于六自由度机器人的智能装配系统，其特征在于，所述拧紧轴箱(1.3)包括轴箱伺服驱动电机、轴箱实时摄像位置反馈模块、轴箱固定挂架、拧紧轴、拧紧轴固定盘和激光定位测距仪。

7.一种基于六自由度机器人的智能装配方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100轮对就位、物料匹配及上料：车间工件输送线启动，将轮对工件和要安装用的轮对端盖以及螺栓按照程序设定的位置输送到工作台上，同时物料识别和定位模块工作，识别轮对及物料信息并传输给中控及驱动模块；

S200物料自动识别与自动装配：所述中控及驱动模块发出指令，六自由度协作机器人一侧的智能机械手动作，将轮对端盖抓起，安装在轮对的轴端上，然后再抓取匹配的物料依次安装到位；

S300紧固轴箱自动紧固，完成轮对的装配作业：中控计算机发出指令，中控及驱动模块动作，将机器人另一侧的拧紧轴箱的中心线与要进行螺栓拧紧的中心轴线对齐并拧紧；

S400，地轨式装配机器人移动至下一个轮对，重复步骤S100-S300继续装配，直至完成所有的轮对的装配作业，回归到零点位置。

8.根据权利要求7所述的一种基于六自由度机器人的智能装配方法，其特征在于，S100中还包括：

S101：地轨式装配机器人在地面滑轨上滑动，物料识别和定位模块的摄像头和激光传感器开机，当地轨式装配机器人在纵向方向上识别到轮对工件时，地轨式装配机器人停下并刹车，物料识别和定位模块将轮对坐标数据发送给中控及驱动模块的中控计算机；

S102：物料识别和定位模块的摄像头动作，识别输送线上的端盖零件，并确定坐标位置，将其数据坐标发送到中控及驱动模块的中控计算机。

9.根据权利要求7所述的一种基于六自由度机器人的智能装配方法，其特征在于，S200中还包括：

S201：物料识别和定位模块继续工作，确定输送线上紧固螺栓的位置坐标，将其数据坐标发送中控及驱动模块的中控计算机；

S202：中控计算机发出指令，六自由度协作机器人一侧的智能机械手继续动作，将紧固螺栓依次安装到位；

S203：智能机械手作业完毕后回归零位，物料识别和定位模块继续工作，将已经安装好零件和螺栓的轮对中心坐标进行采集，并发送中控及驱动模块的中控计算机。

10.根据权利要求7所述的一种基于六自由度机器人的智能装配方法，其特征在于，S300中还包括：

S301：拧紧轴箱与六自由度协作机器人配合工作，六自由度协作机器人通过改变各个轴的转角大小将拧紧轴箱向轮对工件推进；

S302：拧紧轴箱上的激光测距传感器开始工作，将轴箱与轮对轴端的距离数据发送给中控及驱动模块的中控计算机；中控计算机启动多轴拧紧机转动，并完成拧紧作业；

S303：拧紧作业完成后，拧紧轴箱给系统发出结束信号，六自由度协作机器人开始工作，同时拧紧轴适当翻转从已经拧紧的螺栓上脱开，拧紧轴箱回归零位。

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