工业机器人和机器视觉在风力发电机组变桨轴承装配中的应用

孙振军， 吴 勇

上海电气风电集团有限公司 上海 200241

1 应用背景

随着信息化与制造业的融合和智能制造的发展，工业机器人得到广泛应用［1］。工业机器人在大型工件装配方面，可替代劳动者手工作业完成装配任务，并表现出更好的装配质量和更高的装配效率［2］。目前，工业机器人在风力发电机组装配中应用较少，很多方面几乎是空白。随着人力劳动成本的增加、生产人员对生产环境要求的提高，以及制造工艺的改变，风力发电机组整机制造企业需要建立自动化及智能化装配系统来更好地完成整机装配作业。笔者重点介绍工业机器人和机器视觉在风力发电机组变桨轴承装配中的应用。

2 机器人装配平台

风力发电机组变桨轴承装配中，采用工业机器人自动安装紧固件方法，结合视觉定位和柔性机构，实现工业机器人对大工件的准确定位和大出力操作。机器人实现自动装配的关键技术包括三维视觉定位技术、机器人状态实时检测技术、机器人软件仿真技术。

基于工业机器人为装配操作中心构建风力发电机组变桨轴承装配平台，如图1所示。该平台共包括四部分：① 工件定位系统，主要包括平台、伺服电机、回转支承、定位工装；② 工业机器人，包括底座、机械臂；③ 机器视觉定位和误差补偿系统；④执行机构，包括螺栓拉伸器。

伺服电机和回转支承组成了转台子系统，通过编码器脉冲反馈和伺服驱动控制转台转动，实现轮毂变桨轴承组件三个工作面的工件定位。

机械臂采用六关节型，借助机械臂移动范围大、自由度高的特点，配合视觉传感器实现对轮毂的多点检测。机械臂末端执行机构装有液压拉伸器和视觉传感器。

图1 风力发电机组变桨轴承装配平台

机器视觉由一个普通二维相机和一个十字交叉的激光传感器组成，由机械视觉定位来补偿机器人的空间位置和方位误差。

执行机构是液压拉伸器，借助高压泵提供的液压动力，通过控制拉伸器压力，进而控制螺栓的安装预紧力。

3 装配设计难点

工业机器人装配设计是风力发电机组变桨轴承装配平台的关键。根据风力发电设备的特点，主要难点包括大型零部件定位、螺栓预紧力控制和人机安全策略等。

3.1 大型零部件定位

大型零部件定位精度主要包括加工误差、装配误差和工业机器人的定位误差等。

通过视觉补偿可以提高工业机器人的定位精度。针对风力发电机组变桨轴承装配的特点，提出了采用二维视觉定位与三维视觉定位相结合的方法。机器人视觉标定是机器人离线编程的核心，视觉系统的标定是机器人灵活应用的关键［3］。笔者不对视觉传感器的内部参数标定做研究，而是重点介绍视觉传感器外部参数的测量和补偿方法［4］。

采用浮动支承减小装配时的反作用力。通过顺从传感器和机器人系统的结合，实现机械臂的柔性化作业［5］，避免由于螺栓在拧紧时产生巨大反作用力对机器人造成伤害。

3.2 螺栓预紧力控制

液压拉伸器在锁紧或拆卸螺栓时，螺栓只受拉伸力正向作用，消除了拧紧螺母时因摩擦而产生力的损耗和螺杆扭力的分解［6］。工业机器人与液压拉伸器建立信息联系，保证液压拉伸器的压力控制精度，从而控制螺栓预紧力的精度和离散度。

3.3 人机安全策略

配置安全光幕、安全扫描区及安全门开关等多种安全器件，形成可靠的安全电气硬线回路，保证工人在作业面的人身安全。

4 视觉定位技术

风力发电机组变桨轴承装配中，要求工业机器人识别安装平面螺栓孔的位置，并且将螺栓垂直于安装平面放入螺栓孔内。对于螺栓孔中心点而言，实际构成了一个由X、Y、Z、Rx、Ry、Rz构成的六自由度空间位置点。

视觉传感器由一个普通二维相机和一个十字交叉的激光传感器组成，如图2所示，可实现六自由度的检测。激光传感器在相机焦平面上投射两道十字交叉的激光线，利用三角反射原理得到垂直方向的数据集。普通二维相机获取二维平面数据。通过将二维数据和三维数据相拟合，最终得到一个六自由度的三维空间坐标。

图2 视觉传感器

空间一个点H相对于机械手臂坐标原点O的实际位置为（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz），转换成相机坐标系OXYZp下的位置（Xp，Yp，Zp），R为坐标转换矩阵，T为位置误差，则有：

令Rx＝α、Ry＝β、Rz＝γ，计算坐标转换矩阵：

二维相机坐标位置为 MP（Xp，Yp），Z轴旋转角度Rz＝γ。动态补偿初始位置为当前点，T＝0，从当前位置移动到目标位置，实际移动为M（ΔX，ΔY），相机坐标移动位置为 MP（ΔXp，ΔYp），Z轴不移动，则有：

计算得到γ，将γ代入得到移动位置MP（Xp，Yp），进而得到目标实际位置为＝H1（X，Y，Rz）。

5 位置补偿技术

激光传感器在相机焦平面上投射两道十字交叉的激光线，由三角反射原理得到垂直方向的数据集［7］。三角反射原理如图3所示，将激光线由发射点A投射到物体表面B，经过物体表面漫反射得到投影点E，经过测得AE的距离，计算到B点的实际距离。动态补偿，如果B点移动到C点，则投影E点将移动到F点。通过计算可以得到移动距离ZP，如果物体平面与相机平面夹角为α，那么实际法向距离Z＝Zpcosα。

假定空间一个点H相对于机械手臂坐标原点O的实际位置为（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz），激光传感器坐标位置为 MP（Xp、Yp），X 轴旋转角度Rx＝α，Y轴旋转角度Ry＝β。动态补偿初始位置为当前点，T＝0，从当前位置移动到目标位置，实际移动为M（ΔZ），相机坐标移动位置为MP（ΔXp，ΔYp），X和Y轴不移动，则有：

图3 三角反射原理

计算得到（α，β），将（α，β）代入，得到移动位置MP（Xp，Yp），进而得到目标实际位置为 H2（Z，Rx，Ry）。

由H1和H2组合成实际点的位置H＝（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz）。

6 状态实时检测技术

状态实时检测技术实现了机器人工作状态网络化实时检测与显示［8］，可在中控计算机和联网移动终端设备上监视机器人的工作状态数据。

7 软件仿真技术

通过软件仿真技术［9］，在计算机中模拟机器人安装和拧紧的实际工作过程，为方案设计、现场位置布局、可行性分析、生产节拍验证等一些列工作提供理论依据。

8 项目工作流程

风力发电机组变桨轴承装配工作流程如下。

（1）将预安装变桨轴承的轮毂吊装至转台上，转台回到工作位置，启动机械臂。

（2）粗定位。机械臂移动到指定位置，对叶片轴承上三个120°分度角的螺栓孔进行拍照，联立求出三角形外接圆圆心和法向基准工作面，并求解单个螺栓孔的参考位置。

（3）机械臂拾取螺栓，并通过动态定位补偿实现最终定位，具体步骤为：① 根据粗定位接近目标点；② 采用二维定位，移动到螺栓孔位置；③ 采用三维定位，调整螺栓垂直于安装面；④ 将螺栓安装于螺栓孔。

（4）启动液压拉伸器，通过旋入套筒、扣紧螺栓、升压并拧紧螺母、泄压并旋出套筒、分离螺栓共五个步骤完成对螺栓的紧固。

（5）操作过程中系统记录压力值、保压时间，螺母拧紧角度及最终拧紧后的扭矩。

9 平台应用

风力发电机组变桨轴承装配平台实物如图4所示，目前已成功应用于车间实际装配操作工序中。

图4 风力发电机组变桨轴承装配平台实物

机器人平台控制系统拓扑结构如图5所示，通过可编程序控制器基于输入输出信号直接控制工件定位等。其中拉伸器控制、人机界面与可编程序控制器通过工业Pr ofinet网络连接，机械臂与可编程序控制器通过Pr ofibus-DP总线连接。视觉定位直接由机器人控制器控制。

采用工业机器人视觉定位和位置补偿技术，提高了工业机器臂的运行精度。图6所示为机械臂定位单个螺纹孔的位置和方位。通过多次试验测量分析，平台机械手臂的单方向位置误差不大于0.3 mm，单方向方位误差不大于0.04°，安装500 mm螺栓定位综合误差不大于0.92 mm，极限误差不大于1.2 mm。根据螺栓孔与螺栓的设计直径间隙3 mm、单边间隙1.5 mm，平台机械臂的精度完全满足螺栓的安装要求。通过机械臂的浮动支承装置，消除定位误差产生的安装应力，保证了机械臂的安全运行。

图5 机器人平台控制系统拓扑结构

图6 机械臂定位螺栓孔位置和方位

10 结论和展望

风力发电是再生能源的主要形式，大力发展风力发电已经是全球众多国家解决能源和环境问题的重要手段。应用了工业机器人和机器视觉的风力发电机组变桨轴承装配平台解决了风力发电设备安装中存在的大累积误差、多自由度定位和重载等弊端。应用中，视觉定位和位置补偿技术是关键技术。这一平台提高了变桨轴承的装配质量，降低了工序对人的依赖性，以及工人的劳动强度，解决了因人员疲劳引发的安全隐患和产品质量不稳定等一系列问题［10］，为工业机器人在风力发电机组装配中的应用提供了参考。