基于机器人的风电轮毂螺栓视觉扭力工具设计*

苏军英，李雪萍，肖铁忠

(1.安阳职业技术学院汽车学院，河南 安阳 455000；2 河南师范大学电子与电气工程学院，河南 新乡 453000；3.四川省装备制造业机器人应用技术工程实验室，四川 德阳 618000)

0 引言

能源是人类社会发展和存在不可或缺的因素之一，但是随着人类文明的发展，能源危机也在日益突出[1-2]。煤炭、天然气、石油等传统常规能源正在加速被工业化国家消耗[3]，据估计，若无重大能源发现或能源消费结构无重大变化的情况下，全世界常规能源在未来100年内将消耗殆尽，而石油可能是最先枯竭的能源[4]。而中国已探明储量的常规能源仅能开采、消费不足35年，故寻求新的能源替代传统能源已经成为全人类迫在眉睫的任务[4]。目前，应用最为广泛的清洁能源主要有水能、风能及太阳能等，虽然我国风力发电行业发展较快，但是发电设备制造、安装及调试技术均不是很成熟。针对风力发电机组的设计、制造、安装及运行与维护，我国还处在劳动密集型发展阶段，在风力发电设备制造安装过程中也存在很多问题亟待解决[5]，如轮毂系统、偏航系统的联接螺栓上扭力紧固自动化改造问题。目前，针对此类螺栓的紧固，自动上扭机器人应用技术尚不成熟，主要存在生产效率低下、工人劳动强度大以及漏上螺栓扭力等问题。机器人由于具有适应各种恶劣环境，能执行高强度、高效率及高可靠性工作而在各行业中得以广泛应用。本文针对发电机组轮毂系统存在的问题，提出了自动扫描找螺栓、机器人带动自动紧固工具紧固螺栓的全新工艺及装备方案，有效解决前述存在的各种问题。

1 技术要求及分析

如图1所示为风力发电机组轮毂系统联接用转盘轴承图，内圈通过螺栓与轮毂系统联接，外圈通过螺栓与桨叶联接，其上孔均匀分布于内外圈上。

1.外圈 2、5.联接孔 3.钢球 4.内圈图1 双排四点接触球转盘轴承

轮毂系统与轴承联接如图2所示。

由图可知，轮毂系统有A、B、C三个联接面，每个面有80个M36螺栓孔，即每个面有80个直径为36 mm的螺栓需要紧固及上扭力。目前，针对此类螺栓的紧固及上扭力基本采用人工操作液压或电动扭力扳手[6]，经企业实际统计显示，每个面螺栓的实际紧固及上扭力时间为1.5 h左右，即每个轮毂完成装配需要5 h左右，此方案存在生产效率低下、工人劳动强度大以及漏上螺栓扭力等问题。为解决上述缺陷，需采用全新的工艺及装备对其进行改进，以满足企业要求。

2 工艺方案分析及制定

目前，针对此类大型部件螺栓的紧固及上扭基本依靠人工，主要存在工人劳动强度大、生产效率低、装配质量不稳定等问题[7-8]。为有效解决现有技术存在的短板，本文提出了基于视觉技术的自动紧固及上扭机器人工艺方案，即利用机器视觉对部件进行自动扫描，自动生成零件三维模型，从而获得螺栓孔的位置信息，并根据部件装配工艺要求自动生成螺栓装配程序，最后驱动机器人带动专用工具对所有螺栓进行紧固及上扭。设计的整体工艺方案如图3所示。

由图可知，轮毂部件的装配分为2个工位，工位1由紧固机器人带着专用工具对部件3个面的螺栓进行紧固，待完成后，将工件转移至工位2，由上扭机器人对工件螺栓进行上扭；每个工位轮毂只装夹1次，由变位机带动对其进行变位；机器人采用6自由度高可靠性串联机械手；轮毂在紧固及上扭前，由机器人带着激光视觉头子对其进行扫描，从而获得工作面的三维模型，进而确定螺栓孔(或螺栓)的精确位置，并按工艺要求生成装配工艺程序，最后驱动机器人完成螺栓的紧固或上扭。图4所示为自动扭力机器人的工作原理图。

(a)机器人系统 (b)旋转变位机图4 机器人工作原理图

由图4可知，专用设备由6自由度通用机械手、专用扭力机构及变位机等组成，相对应的通用6自由度机器人由底座A1(θ1)、大臂A2(θ2)、小臂A3(θ3)及肘部回转轴A4(θ4)、腕部偏转轴A5(θ5)、手腕回转轴A6(θ6)组成；滑动副L1、L2为专用工具G1的移动自由度，滑动副L1、L2上分别设置扭力扳手B1及B2；旋转副A7(θ7)为变位机的旋转自由度，其工作台T上设置专用夹具系统，对轮毂系统进行定位及夹紧。上扭设备的工作原理为：变位机带着轮毂系统进行转位，使连接螺栓孔所在平面对准机器人，满足轮毂系统不同面联接螺栓孔对准机器人；将专用工具G1固装于A6轴，6自由度机器人可根据工件及专用工具的相对位置要求对专用工具的位置进行变换，以满足加工位置要求；由于轮毂联接螺栓所在直径尺寸及数目不同，专用工具的移动自由度L1、L2可以移动改变扭力工具的中心距，使其满足不同直径要求；A6轴带着G1按工艺要求进行旋转，满足“十字”交叉上扭及不同螺栓数目要求。

3 自动紧固上扭工具设计

据前述轮毂结构及工艺方案可知，轮毂螺栓在紧固及上扭装配过程中，如果采用人工装配，螺栓紧固数量多、力矩大、噪音大、登高作业占比多，容易出现漏上、工人摔伤等工艺不合格及人身安全问题[9-10]。由图1、图2可知，轮毂每个面有80个螺栓需要紧固，在分析企业各类型发电机组可知，轮毂螺栓数目均为偶数，螺栓规格有大有小且其所在直径大小不一，故在设计工具时，需解决螺栓孔所在装配直径、螺栓尺寸规格以及自动轴向进给等问题[11]，综上考虑，设计了如图5所示的专用紧固工具结构。由图5可知，在支撑平台9的左右两端各设置一个移动滑台5，滑台上各设置一套液压拧紧扳手6，扳手上安装激光扫描头8，滑台5由丝杠螺母副拖动，可左右滑移，从而实现左右套筒轴线的中心距的调节(距离为L1～L2)，即可实现不同直径型号轮毂的装配，更换套筒7即可实现不同规格螺栓的装配；螺栓专用紧固结构做成对称型可满足螺栓装配时“十”字交叉上扭工艺要求。由图5可知，联接法兰14与机器人末端法兰联接，其上设置两个直线导向系统。支撑平台9由两个直线轴承16及导向光杆15组成的直线导向系统支撑及导向，其行程及力由导向气缸13提供，即可满足紧固过程中自动轴向运动需要。

1.伺服电机 2.滚珠丝杠 3.防护罩 4.丝杠螺母 5.滑台 6.液压扳手 7.套筒 8.激光扫描头 9.支撑平台 10.光杆支座 11.气缸连接板 12.气缸杆 13.气缸体 14.联接法兰 15.导向光杆 16.直线轴承图5 专用紧固工具结构

4 专用变位机设计

轮毂结构如图1及图2所示，共有A、B、C三个面的螺栓需要紧固上扭，装配时，通过变位机构将装配表面正对机器人，如图3所示。为使装配时轮毂有准确的位置，以底面及其上的任意相邻的两个孔作为定位基准对轮毂进行定位，如图6所示。为实现一次装夹同时完成3个面的螺栓装配，设计旋转机构完成轮毂的转位，设计的变位机结构如图7所示。

1.定位孔 2.定位面图6 轮毂底面定位示意图

1、13.支撑底座 2.蜗杆 3.蜗轮 4.传动轴 5.小齿轮 6.圆螺母 7、15.定位销 8.圆工作台9.圆柱滚子推力轴承 10.定位块 11.工件定位销 12.圆工作台回转轴 14.大齿轮 17、19.T型螺栓 18.T型槽图7 变位机结构

由图7可知，变位机由定位机构、圆工作台、传动系统、支撑机构等组成，定位机构在圆工作台上可径向移动，以满足不同型号轮毂装配定位需要；伺服电机带着蜗轮蜗杆运动，蜗轮带动小齿轮，小齿轮带动大外齿圈，最后由外齿圈带动圆工作台进行正确转位。以工位1工序为例，其工作原理为：根据轮毂尺寸选择不同直径上的定位销，人工将轮毂起吊至定位机构上方，将定位机构上两定位销插入轮毂定位孔内，实现工件定位。机器人带着专用紧固工具对其进行扫描，获得相应模型并生成装配工艺程序，完成第1个面所有螺栓的紧固，机器人退回原点，变位机在电机及减速机的带动下旋转120°，完成第2个面所有螺栓的紧固，再旋转120°，完成第3个面的装配，人工吊装下料，如此循环完成轮毂螺栓的装配。工位2工作原理与工位1一致，但是其工件为工位1螺栓紧固后的轮毂。

5 运行验证

本次验证实验采用库卡机器人作为载体带着简化后的专用工具对工件进行实际装配工艺试验，如图8所示。本次试验由两台机器人组成装配工艺系统，机器人各自带着液压扳手及激光扫描头，试验时先由机器人带着工具对轮毂进行扫描，确定所有螺栓位置，按照“十”字交叉上扭工艺原则，两台机器人同步对轮毂上对称的螺栓进行上扭。实际试验表明，单个螺栓上扭时间为40 s/2遍，即单个面装配时间为27 min左右，加上转位辅助时间，1.5 h即可完成一个轮毂所有螺栓的装配，且无遗漏现象，工人只需辅助完成轮毂的上下料即可。

图8 装配试验

6 结论

(1)通过对轮毂系统等风电部件螺栓紧固上扭现有技术工艺的分析，提出了一次装夹、自动扫描三维重构、自动工艺路径规划、自动紧固上扭的全新工艺方案；在通用6自由度机器人的末端设计了基于视觉技术的可调中心距的自动上扭工具，满足不同型号轮毂螺栓的自动上扭要求；

(2)设计了可自动变位的圆形转台满足不同型号轮毂的定位装夹及不同面螺栓上扭的旋转变位要求；

(3)综合机器人技术、视觉技术、专用扭力工具等对轮毂进行装配工艺实验显示：单个工件的装配时间由原来的5工时提升至1.5工时左右，合格率提升至100%。