风机轮毂装配专用工装设计

吴洪武，杨 溢，邝欲光，瞿成桃，李 君

（1.德尔玛（珠海）焊接自动化技术有限公司，广东珠海 519000；2.珠海汉迪自动化设备有限公司，广东珠海 519000）

0 引言

近年来，国内风力发电行业得到蓬勃发展，风机安装已从陆上延伸到海洋［1］，尽管发展迅速，但受限于国内自动化技术水平，尤其是没有兼具大作业半径、大负载、小体积的轻便型机器人，同时辅助机器人作业的视觉识别系统也不成熟，国内大部分风机企业普遍采用人工作业方法［2］，即人工手持电动扳手进行轮毂与桨叶轴承的螺栓拧紧工作。

随着国外自动化技术的发展，尤其是机器人技术和视觉技术的日趋成熟，国外风机轮毂装配已由传统作业方法转变为半自动化作业方法［3］，机器人承担了螺栓拧紧的主要工作，操作人员仅需进行设备定位、操控机器人动作、防止干涉碰撞等辅助性工作，虽然各作业流程之间仍未实现全自动化动作，但至少减少了50%的作业人数和降低了70%的劳动强度。

随着国外自动化技术和产品的大力引进，以及国内人工成本的增加，人们对降低劳动强度的渴望日趋强烈［4］，未来几年，国内风机企业将逐步采用半自动化或者全自动化淘汰现有的传统作业方法，基于此发展趋势，拟设计一种装配专用工装，实现风机轮毂与桨叶轴承装配过程的全自动化，本文从装配工装的结构设计入手［5］，综合机器人技术及其他自动化技术，攻克了全自动化作业过程中出现的各运动单元之间协同动作、视觉系统和运动单元协同动作、螺栓拧紧过程中反作用力避免传递至机器人手臂等诸多难题，设计完成后进行了模拟仿真运动，从理论上验证了设计方案的可行性，确保了作业过程中不会产生干涉与碰撞，同时计算出了整个作业时间，自动化程度、生产效率均达到了预期的设计效果，技术水平达到国际领先，达到了降低施工人员数量和成本、降低施工人员劳动强度、提高生产效率的目的。

1 传统作业方法

风机装机功率有1.5 MW、3 MW、5 WM、10 WM等多个规格，不同装机功率对应的轮毂球径大小也不同，功率越大，轮毂球径越大，轮毂球径从2 m 多到6 m 多不等［6］，不同轮毂大小对应的装配人员数量、电动扳手的规格、轮毂螺栓数量、螺栓拧紧力矩及拧紧次数、装配梯子等都不同［7］。

以10 MW风机轮毂装配为例，10 MW风机轮毂球径6.5 m，螺栓安装面直径5.8 m，轮毂螺栓数量为180 颗，每颗螺栓规格为M42，根据工艺要求，需要分4 次逐步加力最终紧固，拧紧力分别为1 500 N·m、2 500 N·m、3 500 N·m、4 500 N·m（不同风机厂10 MW风机轮毂参数均有不同，以上数据仅供参考），根据轮毂球径大小，需要搭建3 层梯子平台进行装配作业，每层平台有2 名作业人员，共计6 人，每人携带一把15 kg重量的电动扳手进行螺栓拧紧作业，由于电动扳手重量较重，需在轮毂上安装扳手悬挂装置，以减小人员手持扳手负重力，完成上述螺栓的最终拧紧工作［8］，包括梯子平台的搭建和拆除、扳手悬挂装置的安装和拆除、4 次螺栓拧紧等时间，合计需要约24 h，传统作业方法如图1 所示。

图1 传统人工装配轮毂

2 装配专用工装

10 MW风机轮毂专用工装具有轨道行走、平移、寻位、升降、旋转等多种功能，通过控制系统与机器人联动作业，实现装配作业过程中的全自动化和无人化，装配作业过程中仅需1人在机旁监控即可，基本无劳动强度，该工装组成部分及主要功能介绍如下。

2.1 工装组成部分

本工装主要由行走机构、平移机构、回转机构、固定装置、寻位装置、升降机构、拧紧机构和控制系统组成，工装结构如图2 所示。

图2 专用装配工装结构

2.1.1 行走机构

行走机构由伺服电机、减速机、齿轮、行走轮、工装底座组成，伺服电机通过减速机减速增扭后，减速机输出端齿轮与行走轮上齿轮啮合，经过二次减速增扭后，驱动行走轮在铺设的轨道上精确行走。

2.1.2 平移机构

平移机构由伺服电机、减速机、齿轮齿条组成，伺服电机通过减速机减速增扭后，减速机输出端齿轮与工装底座上齿条啮合，实现工装在横向位置的精确平移。

2.1.3 回转机构

回转机构由伺服电机、减速机、齿轮、回转轴承组成，伺服电机通过减速机减速增扭后，减速机输出端齿轮与回转轴承内齿圈啮合，实现工装的精确回转动作。

2.1.4 固定装置

固定装置由4 个气缸组成，气缸顶紧固定架，实现工装的固定。

2.1.5 寻位装置

寻位装置由一套二维视觉系统组成，该视觉系统扫描到平面内的定位点后，将位置坐标反馈给信息处理中心，实现工装的寻位功能。

2.1.6 升降系统

升降系统由4 套升降机构组成，每套升降机构由伺服电机、减速机、齿轮齿条组成，伺服电机通过减速机减速增扭后，通过减速机输出端齿轮与升降节臂上的齿条啮合，实现工装节臂的精确伸缩，4 套升降机构可以独立动作，也可以根据需要通过控制系统联动。

2.1.7 拧紧机构

拧紧机构主要由机器人、电动扳手、缓冲装置组成，六轴机器人通过缓冲装置与电动扳手相连，完成螺栓的拧紧工作。

（1）电动扳手

根据轮毂装配扭矩要求，电动扳手选用加拿大某进口品牌，如图3 所示，该扳手扭矩范围为2 034～10 000 N·m，采用控制器驱动，配合自带反作用垫圈使用，可实现扭矩精确选择。

图3 电动扳手

（2）缓冲装置

该缓冲装置如图4 所示，主要用于抵消电动扳手在拧紧螺栓的过程中，反作用力传递到机器人手臂上，损坏机器人，该缓冲器内圈与电动扳手相连，外圈与机器人手臂相连，拧紧作业过程中，内圈旋转30°的情况下，可承受最大10 000 N·m的扭矩，可完全消除电动扳手作业时对机器人手臂的冲击，具有良好的缓冲效果。

图4 电动扳手缓冲器

（3）机器人

选用某品牌六轴机器人，如图5 所示，该机器人作业半径可达3 540 mm，手腕处最大负载可达100 kg，采用伺服电机驱动，重复定位精度可达±0.05 mm，满足螺栓的装配精度要求。

图5 机器人

2.2 工装主要功能

要实现轮毂装配过程中的全自动化，必须解决两大问题：（1）工装自动寻位定心的问题，因为轮毂放置位置每次都有偏差，而工装轨道是固定的，因此需要进行寻位固定，以便让工装上方的机器人每次都处于轮毂中心正下方；（2）机器人自动识别螺栓孔位置的问题，经过自动寻位定心后，机器人与轮毂的位置基本固定不变，但轮毂上孔位有加工误差，需要让机器人自动识别调整。

2.2.1 工装寻位固定功能

实现该功能需要通过行走机构、平移机构、回转机构、寻位装置、固定装置及控制系统共同完成，风机轮毂放置在运输底座上，底座放置离地一定高度的垫块上，运输底座下方面上有2 处标记点A 和B（A 和B 连线通过运输底座圆心且对称，运输底座圆心与轮毂底孔圆心同心），如图6 所示，具体操作流程如下。

图6 工装寻位功能

（1）通过控制系统驱动行走机构，工装行走至运输底座标记点A附近，此时寻位装置可识别到点A 的位置坐标，将此坐标记录并回传。

（2）工装控制系统驱动行走机构继续行走至点B附近，寻位装置识别点B的位置坐标，记录并回传。

（3）通过A、B两点坐标计算出轮毂孔中心坐标以及AB连线与行走方向的角度α，将数据反馈给控制系统，视觉系统计算出机器人小车下方行走X轴及Y轴各需要移动的距离，通过控制系统驱动行走机构前后、平移机构左右移动，使工装行驶至轮毂底孔中心正下方。

（4）控制系统驱动回转机构旋转角度α，并驱动固定装置的4 个气缸往上伸出撑紧，使工装和轮毂运输底座顶紧固定，完成寻位及固定动作。

2.2.2 机器人寻位调整功能

实现该功能需要通过回转机构、升降机构、拧紧机构及控制系统共同完成，同时第一次机器人需要进行示教，示教过后方可进行螺栓拧紧工作，主要步骤如下。

（1）机器人示教

①机器人示教第一个螺丝孔时，操作员需要在旁边观看，如图7 所示，精确标定第一个孔的位置，并记录保存机器人作业时的位置参数。

图7 机器人示教

②完成第一个孔的标定后，机器人通过三维视觉系统识别第二个孔X／Y／Z的位置，此时操作员可通过远程视频监控及在轮毂外侧观察机器人姿态，利用视觉识别的X／Y／Z 值，手动控制机器人完成第二个孔的位置标定，以此类推，按装配顺序要求完成全部180 个螺丝孔的位置标定。

③示教完成后，全部螺丝孔的作业顺序及位置数据存储至控制系统。

（2）螺栓拧紧作业

①机器人示教完成后，对于不同的风机轮毂，螺栓孔位存在加工误差时，通过机器人手臂上的三维视觉系统进行识别并将位置偏差反馈给控制系统（孔位偏差在±20 mm 范围内均可识别），控制系统控制机器人手臂进行自动调整到位。

②工装控制系统控制机器人及电动扳手进行拧紧作业，作业顺序按照示教顺序进行，在作业过程中，工装升降机构及回转机构协同作业，确保机器人手臂对所有螺栓孔全覆盖，操作人员通过机旁监控画面监控，如图8 所示，确保作业正常。

图8 机器人拧紧作业

③完成上述全部180 个螺栓第一道拧紧后，回至初始位，完成剩余3 道螺栓的拧紧，至此，全部拧紧工作结束，工装退出轮毂，通过仿真分析计算，采用本工装后，整个作业过程合计约16 h。

3 结束语

本装配专用工装的设计，解决了10 MW风机轮毂与桨叶轴承螺栓装配过程中最关键的各工序之间如何实现自动化衔接的问题，使风机轮毂螺栓装配真正实现了全过程完全自动化。通过仿真模拟运动分析计算得出，使用该专用工装后，作业人数从传统的6 人减少至1 人，降低了用人成本；高强度工作全部由机器人完成，人员仅需要辅助查看监控画面，降低了劳动强度；作业时间从传统的24 h缩短至16 h，提高了作业效率。本工装的设计到达了预期的效果，具有良好的经济价值。