杨润刚刘兵邓连生山东中车同力达智能机械有限公司济南
摘要：设计了基于机器视觉的机车齿轮毂全自动双轴拧紧机，根据拧紧工艺和扭矩控制原理实现对螺栓拧紧力矩的控制；通过丝杠变径机构，实现不同规格齿轮毂螺栓拧紧；利用机器视觉实现螺栓位置的识别以及初始位置的确定；讨论了自动拧紧机控制系统的硬件组成和软件系统配置，并介绍了防错、防漏功能的设计流程。螺栓自动拧紧机可提高装配精度和操作效率，降低工人的劳动强度。
关键词：视觉机器人；机车齿轮毂；自动控制；螺栓拧紧；位置识别
中图分类号：TH.3文献标识码：A文章编号：-（）06--06
0引言螺纹联接因其结构简单、拆卸便捷，已被广泛应用在轨道车辆和汽车行业的装配中。早期的螺栓拧紧是通过电动或气动扳手实现的，因其是通过冲击力进行螺栓拧紧，无法准确地控制扭矩大小，产生较大的误差，并且较难实现大扭矩拧紧。目前，在大型企业和批量化生产过程中，普遍采用自动拧紧机完成螺栓拧紧。早期的自动拧紧机依赖进口，通过技术引进，我国自主研制的拧紧机目前也可以满足工厂的生产需求。中车长客股份、中车株洲电力机车有限公司、潍柴、玉柴等国内大型轨道交通和柴油机生产企业已普遍采用专用拧紧设备对螺栓进行同步拧紧[1]。
目前拧紧机的发展更趋向自动化、智能化和柔性化，高度自动化的拧紧机可使生产更加高效、劳动成本更低。齿轮毂作为机车驱动单元的核心部件，需要周期性进行检修和更换，而齿轮毂与齿圈是通过50个螺栓连接组装而成。因此针对机车齿轮毂设计专用的自动拧紧机，对提高生产效率有着重大意义。轨道车辆机车齿轮毂结构如图1所示。
图1机车齿轮毂
1全自动双轴拧紧机结构和工作过程1.1拧紧工艺要求及扭矩控制方法从动齿轮由齿圈和齿轮毂通过50个M24内六角螺栓整圈均布连接而成，螺栓紧固过程分预紧和终拧紧两部分，首先预紧相邻的3对（6条）对角螺栓至N﹒m，然后在螺栓分布的90°方向上依次预紧其余的所有螺栓，预紧后，再将所有的螺栓对角依次拧紧至N﹒m±3%。
扭矩控制法和扭矩-转角控制法是目前最常用的扭矩控制方法，具有成本低、方法简单、检测方便等优点[2]。扭矩控制法是通过拧紧机施加一定的力矩达到所需的预紧力，所施加的力矩抵消了工件和螺母端面间的摩擦力矩和螺纹力矩。扭矩控制法简单方便，但在精度相对较低、螺纹有缺陷时容易出现拧紧不达标的情况。角度控制法是在扭矩控制法的基础上，增加转角监测机制，增加了可靠性，避免了错误，适合关键部位的拧紧，其安全转角是根据对多次正确拧紧情况进行统计得到的。
1.2整体机构所设计齿轮毂拧紧机是机床式双轴拧紧机，主要用于齿圈螺栓拧紧工位，主要由拧紧机主机部分、车轴定心机器人、控制系统等组成，见图2。齿圈拧紧工位工作流程：承载AGV将齿轮毂运送至拧紧工位，视觉机器人通过拍摄螺栓位置确定车轴轴心与拧紧机的相对位置并识别第一组螺栓位置。拧紧机沿X、Y移动至轴心，同时承载AGV上的分度机构旋转齿轮毂，完成准确对位。拧紧机下降，依次完成所有螺栓的拧紧。
图2齿圈螺栓拧紧工位布局图
1.3全自动双轴拧紧机全自动双轴拧紧机主要由控制柜、底座、横移机构、机架、主机升降机构、主机支撑座、伺服电机、滚珠丝杠、滑轨滑块、拧紧枪、扳轴伸缩气缸等构成，见图3。设备设计有沿X、Y、Z三个方向移动的伺服驱动机构，由伺服电机、减速机及滚珠丝杠螺母副实现设备沿水平面内及竖直方向的准确移动，并由滑轨滑块分别进行导向。拧紧枪采用ATLAS的STRevo系列ETPST--25-F，该拧紧枪与常规拧紧轴相比，在满足相同扭矩情况下，具有更轻的质量和更小的尺寸。
图3全自动双轴拧紧机简图
1.3.1主机移动机构由于承载AGV将车轴及齿轮毂输送至螺栓拧紧工位时，AGV自身并不能精确定位，沿X、Y方向均存在±10mm的位置偏差。因此，需要在视觉机器人获取主机部分两拧紧轴中心相对于车轴中心的位置坐标偏差后，分别由两套伺服驱动主机部分沿X、Y方向移动相应的坐标值，至两拧紧机轴中心与车轴中心重合，再由主机升降伺服驱动主机升降至拧紧高度，见图4。
图4主机移动机构布局图
1.3.2扳轴伸缩装置在拧紧25组齿圈螺栓的过程中，为避免主机升降伺服机构频繁动作，设计了扳轴伸缩装置（见图5），实现整个拧紧过程中主机部分只需升降一次，且不需要频繁对位。在完成主机部分两拧紧轴与螺栓准确对位后，由扳轴伸缩气缸带动扳轴及套筒下降完成套筒与第一组螺栓的对位，进行拧紧。第一组拧紧结束后，扳轴伸缩气缸带动扳轴和套筒上升，退出套筒，AGV上的分度旋转机构转动齿轮毂到下一对待拧紧螺栓位置。依次完成25组螺栓的拧紧后，主机部分上升，等待下一个工件。
图5扳轴伸缩装置
1.4AGV运输AGV主要用于齿轮毂组件的输送，其上集成升降机构、旋转分度机构、对正夹紧机构等部件。通过升降机构和夹紧机构可以实现不同规格齿轮毂螺栓的定位，增加了拧紧机的通用性和生产柔性，实现了在线式生产流程。升降机构可调节齿轮毂螺栓工作面的高度，便于各工位的作业，其结构如图6所示。
图6AGV输送车
1.5视觉机器人视觉机器人（见图7）主要用于拍摄螺栓照片自动计算出齿轮毂圆心位置和第一组螺栓位置,将第一组螺栓的相位偏移量发送给AGV，由AGV上的旋转机构带动齿轮毂调整完成后,主机部分根据齿轮毂圆心与拧紧机沿X、Y方向的坐标偏差自动调整到第一组螺栓的位置，完成拧紧枪与螺栓的对位拧紧。
图7视觉机器人
视觉检测功能如下：1)通过对被检测对象的拍照和图像处理，评价被检测对象是否是合格工件；2)可以实现生产过程中的自动检测，及早发现不良品，避免后续无效生产造成浪费；3)可以提取被检测对象的灰度、长度、位置、数量等信息，并且通过视觉软件设定合格条件，来判断被检测对象是否合格,见图8；
图8视觉检测原理图
4）通过对同一个工件不同部位进行多次拍照获取工件上多个点的位置信息，综合计算出工件位置；5）多视野视觉补正适用于一次拍照不能拍到全部所需轮廓的场合，见图9。
图9视觉检测示意图
检测预定位置的状态：在每个检测点附近检测灰度值，判断该处螺栓是否存在。对齿轮毂进行拍照，寻找检测点（螺栓孔），根据螺栓孔的坐标计算齿轮毂圆心位置及第一组螺栓的偏移量，见图10。
图10视觉拍摄点
1.6拧紧机的结构和工作过程自动拧紧机采用双轴拧紧方式，全自动工作模式。主要由螺栓双头拧紧装置、变径机构、初始位置识别系统、电气控制系统等组成。为了提高装配效率及装配精度，螺栓双头拧紧装置选择2根独立的阿特拉斯主轴模块和调整齿轮毂中心距的变位装置等。主轴变位操作机构采用螺旋副手动变距方式，拧紧机主轴控制模块可实现按扭矩控制和角度控制要求进行参数预设置。双轴拧紧机的工作流程见图11。
图11工作流程
1）信息录入可手动输入,也可扫描枪扫描工件条码完成信息录入；2）通过定位机器人定位工件坐标,完成工件第一组螺栓定位和工件圆心定位；3）AGV小车上分度机构根据定位机器人定位坐标旋转,第一组螺栓旋转到预定位置；4）定位机器人控制主机沿X轴、Y轴方向移动,对位第一组螺栓；5）第一组螺栓拧紧后,主机复位,分度旋转,主机完成下一组螺栓的拧紧；6）全部螺栓拧紧后,拧紧机复位,等待下一工件。
2控制系统2.1硬件组成全自动双轴拧紧机系统主要包括控制系统和拧紧轴两部分：控制系统由工控机、PLC、西门子伺服系统、发那科机器人、阿特拉斯拧紧轴组成。拧紧轴选用阿特拉斯科普柯公司推出的PowerFocus0控制系统，该系统专为高质量控制点的装配而设计，控制精度可达到±3%，并集成了现场总线、以太网、串口等接口。发那科机器人集成工业相机，通过现场总线实现与PLC的通讯，控制系统硬件结构如图12所示。
图12控制系统硬件结构
图12中，视觉机器人负责图像采集和双轴拧紧机X和Y方向的移动，工业相机将图像信号传输至机器人控制器，控制器通过图像信息计算X和Y方向的位移，发那科机器人X和Y方向外部轴带动双轴拧紧机移动到工作位置。通过PLC控制，完成拧紧轴竖直方向的移动、拧紧动作以及齿轮毂的转动和移动。PF0系统是拧紧机的核心控制系统，该系统通过PLC实时连接，判断齿轮毂的拧紧工位，并结合内部程序，控制拧紧轴完成所有螺栓的拧紧，然后，通过以太网，将拧紧数据上传至数据采集软件，完成记录功能。
2.2软件系统PowerFocus系统配置内外部通信功能，有效利用现代化的通信技术来满足自动拧紧机系统的实际需求，提供完整的装配系统功能。使用PN总线通信，PF与PLC进行连接通信。
PLC软件负责完成AGV、视觉机器人、拧紧装置等各执行机构的动作控制及自动流程控制。
数据采集软件采用.NET平台，用c#语言编写。主要完成拧紧轴拧紧数据实时显示、采集、保存、打印、异常报警信息的显示及保存等功能，采用SQL数据库，数据采集软件负责将结果数据上传至MES系统，实现与上级工厂管理系统的数据对接，界面如图13所示。
图13数据采集界面及报警提示
2.3防错、防漏功能的设计防错功能通过扭矩控制、角度监控防止螺栓重复拧紧及规格错误，使用拧紧结果计数实现对齿轮毂螺栓拧紧数量的控制，拧紧合格数量与螺栓数量相符时才能进行下一步操作；当出现错误时，通过声光报警，提示人工介入完成校正。具体过程如图14所示。
图14防错过程控制（拧紧过程）
3结论当前铁路车辆零部件螺栓拧紧依然离不开人工初始位置确定，大部分螺栓拧紧依然采用手工或者半自动作业，自动化程度相对较低，效率较低。本文结合螺纹拧紧工艺要求和原理、自动化控制技术以及图像处理原理设计了具有AGV输送、扭矩控制、视觉机器人等特点的全自动螺栓拧紧机，极大程度地减少了对人工的依赖，提高了装配精度和工作效率，降低了工人的劳动强度。
参考文献[1]陈凯,边群星.柴油机缸盖全自动拧紧机设计及应用[J].机床与液压,,45(22):47-49.[2]周旭晖.全自动螺栓拧紧机的设计及应用[J].时代农机,,43(2):29-31，34.[3]顾超.基于目标轮廓特征的图像识别及列车转向架故障检测[D].苏州：苏州大学,.[4]杨坤怡,杜海若.智能螺栓拧紧机自动控制系统设计[J].机床与液压,(4):-.[5]陈凯,边群星.基于以太网总线的全自动汽车U形螺栓拧紧机设计[J].机床与液压,,42(14):6-8.[6]莫易敏,陈璟,满健康,等.微型车轮毂螺栓断裂失效分析[J].机械制造,,53(1):55-57.[7]陈凯,*丙庆.基于视觉的发动机飞轮机器人拧紧系统[J].制造业自动化,,39(05):1-3，7.
