力传感器结合机器人实现超长轴精密装配

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Long Cam Shaft Assembly with Force Sensor and ABB RobotSU0 Li-qian(ABB Engineering(ShangHai)Co.，Ltd，Shanghai 201319，China)Abstract：In this article，some basic knowledge like industrial robot，robot sensors and limitations of the common robot are in-troduced.Difcult technical key problems of the technology are solved in a real project in Jinan diesel engine factory.Theforce sensor and industrial robot are used to insea 3 meters long cam shaft into an engine.This is a successful example to in-sert such a long shaft automaticaly which can be used as a referenee in the robot application area in the future。

Key words：industrial robot；foree sensor；cam shaft assembly1 工业机器人的局限性工业机器人是面向工业领域的多关节机械手。

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即框架结构，包括底座、下臂 、上臂和手腕。当然有的机器人还有用于行走的轨道机构；驱动系统包括变频器、伺服电机和齿轮箱，用以使主体产生相应的动作；控制系统就是 1个工控机，按照输入的程序对驱动系统发出指令信号，进行运动控制。

工业机器人的特点是可工作在危险、恶劣的环境中，且有高的可靠性和重复精度。已被广泛用于点焊、桓、装配、喷漆、切割、搬运、码垛等诚。工业机器人之所以还没有完全代替人，有着种种原因。以下为工业机器人应用的局限性。

(1)机器人有着高的重复定位精度∩机器人工作对象的姿态和位置常不-定。不能准确预知工作对象的位置和姿态，只有高定位精度的机器人是没有意义的。即机器人需要类似眼睛的传感器。

如果不能准确预知这些参数，机器人会不停报告撞击。换言之，就是控制系统不知道伺服电机应该输出多大的驱动力矩。

(3)机器人有配载的限制。工作对象的重量如果超过-定范围(要结合重心分析)，机器人就无能为力了。ABB现在最大的机器人可承受 525 kg(重心距离250 mlT1)的工件。换句话说，就是机器人也不是什么都能搬的动的。

(4)机器人的可达性需要仿真。即实际工作中干涉问题是不可避免的。干涉问题实际上包含了两个子问题：解决碰撞问题及到达问题。

(5)机器人难以实现高精度轨迹运动。机器人可以有很高的重复定位精度，但在实际运动中允许有数毫米的轨迹误差。这在-般应用中毫无影响，但是在有高精度轨迹要求的诚就有问题了。这也是机器人很少用于高精度机械加工的原因。

2 工业机器人常配传感器的介绍[2-3]为了检测作业对象及环境，可在工业机器人上安装视觉传感器、力传感器、位移传感器等辅助装置，大大提高机器人工作能力，使其能完成复杂的工作。

根据被识别对象的特征和周围环境，可以选择彩色或黑白相机。根据识别精度的要求，可以选择高像素或低像素相机。和工业机器人配合使用，可以用来自动识别工件种类，并给出工件的位置特征(即位移和旋转)。现在用于食品自动分拣和包装的工业机器人大多都安装有视觉系统。它的应用也有很多局限性，对环境的稳定性要求很高。

(2)力传感器 如果希望机器人在接触工件时，不要因为工件位置的偏移或工件大小的变化而发生收稿日期：2013-06-08作者简介：索利骞(1975-)，男，山东德州人 ，工程师，研究方向：项目计划，电气设计，配件采购，机器人和PLC程序编制。

· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 专题介绍ton ZS-LD80。

5 工艺流程具体工艺流程如下：①发动机缸体用轨道传送到装配位置；②凸轮轴输送链将凸轮轴传送的抓取位置；③1#机器人用激光传感器搜寻 凸轮轴孑L的准确位置；④2# 图6 2#机器人工具机器人用激光传感器搜寻凸轮轴孔的准确位置；⑤1#机器人用夹爪 1抓起凸轮轴，拿到喷油机构上方，对每个轴颈逐-润滑；⑥1#机器人拿润滑过的凸轮轴向发动机轴孔内插入轴的前半段；⑦1#机器人松开夹爪1退到安全位置(插入第-阶段结束)；⑧2#机器人用工具托住凸轮轴齿轮下方(插入第二阶段开始)；⑨1机器人用激光搜索凸轮轴齿轮的位置；⑩1#机器人用工具 2抓住凸轮轴外圆向前推；⑩待推入 1个 200mil后，1#机器人停止推人动作；⑩2样机器人持工具沿轴插入方向移动 200 mm(延伸托举长度)；⑩l#机器人继续向发动机内推入凸轮轴，直到凸轮轴完全插入；⑩1#机器人松开夹爪后回原位；⑩2#机器人回原位；⑩轨道转动将发动机送出工位。

6 技术分析(1)缸体定位问题。发动机缸体进入工位后没有定位装置对其进行定位，要确定凸轮轴孔的位置有2种可选传感器，即工业相机和激光。工业相机虽然在复杂形状识别和定位精度、定位速度上都有优势，但它对环境要求特别高，易受干扰。在大型装配车间这种开放环境中不具备稳定性。最终确定用激光传感器来搜索凸轮轴孔的位置，虽然会大大增加循环时间和机器人程序的复杂度，但其可靠性非常高。

(2)轴的自然下垂问题。细长轴的下垂不可避免，通过导向套将轴的远端托起。导向套的外径和轴颈的尺寸和工差必须-致(71.82。眈 mm)。长度是234 mm。导向套是薄壁中空结构，可减少重量，从而减少轴的自然下垂。导向套前端倒角很小，保证了插人时有很好的修正能力。导向套圆柱部分的长度略小于2个轴瓦间轴向距离，从而保证当导向套和凸轮轴有轻微的不同轴时也不会被卡祝如图7所示。

(3)机器人直线位移的偏差问题。特别是大机器人，在大范围进行直线运动时，位置偏移是很大的。

为了使机器人在前进过程中跟随导向套的修正力，不断进行位置和姿态的修正，使用了ATl的力传感器。

ATI的 Omigal90是-个六方向的力传感器。它不但能给出 ，l，，z方向上力的值，还能给出围绕 ，l，，z方向旋转的扭矩值。这些数据被机器人采集后将不断修正机器人的位置和姿态。保证轴在插入时不会有卡住的情况发生。

图 7 导向套第-阶段的插入见图 2，这时只有 1机器人工作。由于力传感器有高的灵敏度，可以设置机器人以很小的力沿轴向推凸轮轴，同时附加-个须径旋转动作。这样既可保证轴瓦不会受到损伤，也可使凸轮轴的轴颈更容易进入轴瓦。

随着插入深度的增加，轴颈和轴瓦的摩擦力也随之增加。这时就要用程序不断地增加推进力。在实际中将推进力从 20 N，逐步增加到 60 N。同时让机器人围绕凸轮轴轴心做渐开线运动。ABB ROBOTSIGNAL VIEWER软件可以实时监控、采集力传感器的数据，供分析使用。

(4)凸轮轴近端(齿轮侧)的下垂问题。在插入的第二阶段过程中，凸轮轴轴颈离开轴瓦时，齿轮侧就会下坠。由于机型很多且托举机构需要跟随轴移动，所以引入了2#机器人。2#机器人的托举工具见图8，下方有-个激光传感器。在发动机进站后，2机器人会搜索凸轮轴轴孔的位置，为后面托举工作准备好位置修正数据。待 1#机器人第-阶段插入完成后，2#机器人会托住凸轮轴近端的齿轮，为插入的第二阶段做准备，并且随轴插入的深度-起向前移动。

(5)1#机器人如何准确找到凸轮轴齿轮。1#机器人第二阶段推凸轮轴用夹爪 2(见图 7)抓住凸轮轴齿轮，沿轴向推凸轮轴∩当第-阶段结束后，机器人无法准确知道凸轮轴的位置。用 1#机器人的激光搜索凸轮轴位置。由于齿轮外沿的形状不利于激光搜索，所以用激光搜索齿轮内侧的-个特征圆。

(6)l#机器人第二次开力控的问题。1群机器人第二阶段需用20～200 N的力推凸轮轴齿轮，此时仍需用到力控制。机器人开启力控制前有-个力标定过程，此时要求此时机器人工具处于静置状态，控制系统将记录力传感器输出值。而实际工作中，1#机器人此时应抓着凸轮轴齿轮，这和力控的要求冲突。尝试让机器人在夹紧凸轮轴齿轮前启动力控。在力控启 动完成后，再执行夹紧动作。由于力控已开启，那(下转第7页)· ·· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 研究与分析：00～16：00之间，在方位角和俯仰角的影响下定 日镜的聚光效率值低于90%。图6和图7分别是俯仰和方位角上受跟踪误差影响的定 日镜聚光效率变化规律。由图7看出，随跟踪误差增大，聚光效率下降较明显：如在 13：00时，聚光效率 由 89.90%降为88.60%。由图8知，定日镜聚光效率在方位角受跟踪误差的影响不明显；在 14：00，随着跟踪误差的增大，聚光效率都在 89.30%左右。从图8可知，俯仰角跟踪误差对定Et镜聚光效率的影响较方位角上大。

图8 受风荷载和跟踪误差影响的定 日镜光效率5 结 论(1)利用数值方法计算风载荷和跟踪误差影响的定 日镜聚光效率，结果表明两者对定 日镜聚光损失都有重要影响。

(2)风载荷对定 Et镜聚光效率的影响数值上更大，在方位角和俯仰角的影响下，风载荷引起的聚光损失可达 10%以上。

(3)在俯仰角跟踪误差对定 日镜聚光效率有较大影响，在 13：00时，随着跟踪误差的增大，聚光损失提高了2%左右。

(4)在方位角跟踪误差对定日镜聚光效率的影响较弱，在 14：00时，尽管跟踪误差变化，但聚光效率几乎保持在不变。且在俯仰角的跟踪误差对定 日镜聚光效率的影响大于方位角。