面向螺纹缺陷检测的协同控制平台设计

2021-07-06李赞澄时宇航张祥祥程五四

智能制造 2021年2期

李赞澄时宇航张祥祥程五四

摘要：固体火箭发动机各零件装配采用螺纹连接，螺纹的质量直接关系到组装效率、质量和安全等各个方面，目前主要是人工使用校对规法及三针法等对螺纹的指标进行检测，检查精度较差，费时耗力，人为因素影响大，无法适应大批量组装需求。基于上述背景，结合某型固体火箭发动机的总装需求，构建了一套集视觉识别、精准定位和协同抓取的螺纹缺陷检测一体化平台，用以实现零件螺纹缺陷检测、移栽等动作的自动化运行，改善人工作业条件，缩短装配前准备周期。

关键词：缺陷检测；机器视觉；机器人；自动化

1 引言

随着复合材料和高分子化学材料技术日益发展，固体火箭发动机技术日益成熟，被广泛用在各类小型、近程的军用火箭和战术导弹上。固体火箭发动机主要由壳体、固体推进剂、喷管组件和点火装置等四部分组成，各零件装配采用螺纹连接，螺纹的质量直接关系到组装效率、质量和安全等各个方面，目前主要是人工使用校对规法及三针法等对螺纹的指标进行检测，检查精度较差，费时耗力，人为因素影响大，无法适应大批量组装需求。

在螺纹测量方面，非接触式测量包括渗透检测、超声检测、磁粉检测、涡流检测和视觉检测等，作为工业生产和科学研究的重要支撑和保障技术，在工业检测方面具有广泛应用。其中，机器视觉检测技术作为一种新兴的无损检测技术，已经在医疗、食品、国防和工业等领域取得了广泛的应用，对比于人工检测，机器视觉检测在速度、精度、稳定性、环境要求以及集成度方面均有优势[1-5]。因此，开展基于机器视觉的螺纹缺陷检测及感知是十分必要的。

基于上述背景，结合某型固体火箭发动机的总装需求，本文构建了一套集视觉识别、精准定位和协同抓取的螺纹缺陷检测一体化平台，用以实现零件螺纹缺陷检测、移栽等动作的自动化运行，改善人工作业条件，缩短装配前准备周期。

2 系统总体设计方案

采用成熟的成品工业机器人为基础，设计专用的末端作业工具，开发面向螺纹缺陷检测的协同控制平台，实现固体火箭发动机组裝过程中的螺纹缺陷检测自动化。

2.1 系统总体架构

考虑到各个子系统独立运行的需求，本套面向螺纹缺陷检测的协同控制平台的系统总体架构，如图1所示。

系统架构由执行系统、视觉处理系统和检测工位组成。执行系统由通用六关节机器人、机器人控制器和末端作业工具组成；视觉处理系统由相机和工控机组成；检测工位由检测台、转台等组成。将相机连接到工控机，相机负责采集图像和传输图像到工控机，工控机上运行着图像处理软件，控制相机采集图像、处理图像和返回图像处理结果。机器人控制器通过以太网与工控机连接，控制机器人抓取零件放置到检测台，工控机控制相机拍照并获得拍摄的图像。进行图像处理后，工控机向机器人控制器发送相应抓取、移栽等的位置信息。

2.2 系统整体布局

在完成系统架构设计的基础上，本套面向螺纹缺陷检测的协同控制平台的系统整体布局，如图2所示。

其中，“机械臂1+末端作业模块”负责对待测零件进行抓取、移栽到检测工作台；检测工作台上设置执行单元和工业相机，负责对零件成像、螺纹缺陷视觉识别及检测；检测合格的零件，由“机械臂1+末端作业模块”负责将零件抓取、移栽到缓存工作台；检测不合格零件，一方面通知人员处理，另一方面由“机械臂2+末端作业模块”移栽到不合格区域。机械臂通过控制箱与工控机相连，工业相机通过以太网与工控机相连，完成硬件联通和信息交互。

2.3 系统工作流程

面向螺纹缺陷检测的协同控制平台的系统工作流程，如图3所示。

操作人员将零件放置于待测工作台托盘；工控机驱动机械臂1及末端执行器抓取零件放置于检测工作台；由工业相机对零件螺纹进行图像采集，工控机实现螺纹图像的处理，当检测到螺纹缺陷时，机械臂1抓取缺陷零件放置到不合格区域，提醒操作员零件螺纹存在缺陷，进而剔除；对于螺纹检测合格的零件，由机械臂1抓取后放置到缓存工位指定位置，并对信息进行记录，完成理料工作。

3 系统详细设计方案

基于上述的总体设计方案，下面对本套面向螺纹缺陷检测的协同控制平台进行详细设计。

3.1 系统模块组成

本系统采用模块化设计，包括双臂协同操作模块、末端作业模块和视觉识别检测模块三部分。其中，双臂协同操作模块包含机械臂本体及专用的控制柜。末端作业模块作为执行机构，安装于机械臂的末端。视觉识别检测模块由工业相机和照明光源等组成，负责图像采集工作。将各模块通过不同的端口连接起来，在一台工控机上控制各模块运行，以完成对目标对象的识别、定位和移栽。系统组成如图4所示。

工控机通过以太网与机械臂连接以实现数据传输，即发送控制指令给控制柜，控制柜驱动机械臂执行相应的运动，同时读取控制柜反馈的机械臂各关节传感器信息。末端作业模块的控制器也接入控制柜中，工控机可以给末端作业模块发送指令，控制执行机构的开合状态。此外，工控机通过以太网与工业相机连接，触发相机驱动软件采集高精度图片。

3.2 双臂协同操作模块设计

双臂协同操作模块主要用于零件抓取、移栽等动作，主体为机械臂。本系统选用丹麦Universal Robots公司开发的UR5六关节工业机器人，除机械臂之外，还配备了控制箱、软件系统和可视编程控制界面，如图5所示。

该型机器人由6个关节和挤压铝管组成，所有关节均为转动关节。关节1到6分别为：机座、肩部、肘部、手腕1、手腕2和手腕3。其中机座可以确定机器人的安装位置，手腕3可以连接工具以满足需求。前三个关节主要控制机器人末端的位置，后三个关节主要控制机器人末端的姿态。

该型机器人具有安全易用、设计小巧的特点，不需要安装防护围栏就可与人协同工作，可以完成抓取、放置等轻量级的协作流程，并且能够在生产区域内便捷地移动和安置，灵活布置在多个不同的工作点。

3.3 末端作业模块设计

协作机器人末端作业模块一般分为两大类，一类是以灵巧手形式具有仿人手作业的通用工具，如电动/气动夹爪、绳驱多指手、柔性气动手指等；另一类是于制造作业相关的工具，通过机械工装与机械臂末端相连，控制接口与控制箱相连，如用于焊接作业的激光焊接工具、用于螺装的气动螺装工具和PCB锡焊工具等。

考虑到本平台检测零件对象的外形为圆柱形或六边形，且单个重量较轻，因此采用三爪平行开闭式气动夹爪的设计方案，通过外部夹抱方式实现对零件的抓取和放置。气动夹爪模型如图6所示。

本系统末端作业模块由空气压缩机、空气油水分离器、磁性开关和气动夹爪组成，如图7所示。空气压缩机为气动夹爪提供压缩空气，通过空气油水分离器过滤水分和油分等杂质后，磁性开关控制气动夹爪的开闭，用于实现零件的抓取和放置。

3.4 视觉识别检测模块设计

视觉识别检测模块是螺纹缺陷检测的核心部件，主要包括工业相机、照明单元及执行单元。

本系统采用迈德威视MV-GEC2000M-TPO工业相机，该产品具有信息读取方式简单、输出信息速率快、体积小和集成度高等优点。照明单元则采用LED平面光源，保证被测零件照明均匀，采集的图像信息特征明显。

执行单元用于支持零件螺纹的正面和背面图像的采集，根据图像处理单元处理结果，采用不同的执行动作处理。执行单元主要由转台、工装等组成。转台的旋转依靠控制电机实现准确定位，使得零件旋转指定角度方便相机拍照需要。工装可适配不同规格零件的放置及定位。执行单元模型如图8所示。

4 结束语

本文结合某型固体火箭发动机的总装需求，分析零件感知特性及移动要求，基于机器视觉、機器人控制等技术，提出了一套面向螺纹缺陷检测的协同控制平台的设计方案。依据设计方案，开发了原型系统，实物如图9所示。通过原型系统的应用与验证，实现了总体设计目标，即零件识别、移栽等动作能够自动化运行，从而改善人工作业条件，缩短装配前准备周期。