王旭敏，刘 敏，杨 帆

（南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）

引 言

随着现代电子技术的发展，分布式液冷技术在相控阵雷达中得到越来越广泛的应用。水接头是实现电子组件模块与冷却管路连接的通道，由于水接头装配在底层，因此必须保证水接头的装配质量要求，否则一旦在产品总装完成后出现水接头装配问题，就需要全部拆装维修，除了器件损失外还将严重影响产品交付周期。同时，大量的水接头采用传统的人工装配不但劳动强度大，而且无法保证和记录装配过程中的工艺参数，装配质量一致性差。采用自动化装配是保证质量的最好方法。工业机器人具有较低的价格、高柔性以及较大的作业空间的优点，因此采用工业机器人系统来装配水接头是最佳的选择。

工业机器人的重复定位精度较高，可以达到0.01 mm[1-2]，而其绝对定位精度却很低，一般相差一个数量级以上，甚至会处于2～3 mm范围内[3]，且随着机器人长时间的使用后机械零件的磨损，其绝对定位精度也会下降[4]。然而，在水接头装配过程中，需要应用机器人的绝对精度，因此，需要提高机器人的绝对定位精度。

目前提高机器人绝对定位精度的方法主要分为误差预防法和误差补偿法两种[5]。误差预防法主要是通过提高机器人设计和加工精度来实现，这种方法在机器人使用中无法运用。误差补偿法分为离线误差补偿和在线误差补偿[4]。离线误差补偿也可称为机器人标定，通过一定的方法获得较为准确的机器人结构参数，从而使其运动学模型更加精确，此方法需要专业技术，实际使用中不具备普遍性。在线补偿有两种，一是利用外部实时反馈设备不断获取机器人末端执行器的位置误差，实时调整机器人运动，实现补偿，此方法需要配置外部设备（激光跟踪仪、三坐标测量仪等），成本较为昂贵；另一个是实时非连续误差反馈，在目标位置附近测量误差值，机器人根据误差值修正末端位置，此方法一般用于平面运动定位，通过在机器人末端增加视觉传感器实现，成本低。由于误差修正还是通过机器人的绝对运动来实现，因此为了提高定位精度，可进行多次误差修正，能满足一般带有导向机构的零部件装配的要求。因为结构原因，水接头装配过程中满足机器人多次误差修正运动所需的多次误差测量的实现难度较大，需采用其他误差修正方法解决。

本装配系统中采用在机器人末端增加独立运动机构进行误差修正的方法，满足了水接头自动装配的绝对定位精度需求，对于类似零部件精密装配系统的设计有一定的借鉴意义。

1 装配要求及实施原理

在某系列产品的生产过程中，需要将批量水接头装入产品背板上对应的孔中，并用4颗组合螺钉进行固定，如图1所示。装配范围约为4 000 mm（长）×1 500 mm（宽），装配过程中需要控制水接头插入力以及螺钉拧紧力矩和旋入深度，同时记录这些装配参数。装配孔的位置精度为±0.1 mm，圆柱装入部分与孔的侧隙为0.1 mm。由于装配面积较大，因此宽度方向采用大臂展六轴机器人实现覆盖，长度方向采用增加第七轴的方式实现覆盖。

图1 装配要求

由于机器人在第七轴方向作固定点运动即可实现长度方向的装配覆盖，因此机器人在第七轴方向的定位采用重复定位的方法，可以降低第七轴设计制造精度要求。

装配孔的位置精度为±0.1 mm，圆柱部分与孔的配合公差为±0.1 mm，理论上只要标定好所有安装孔位置，用机器人的重复定位功能即可完成装配工作，但实际应用中由于待装配产品背板放置时只能以外形进行定位，外形尺寸误差造成产品背板重复放置定位精度为±2 mm，因此不能用机器人的重复定位精度来完成零件的装配。为了更好地适应不同种类的装配背板，决定采用装配孔位的绝对坐标来引导机器人定位，在机器人末端增加工业相机直接测量安装孔中心与待装水接头中心的误差进行位置修正。由于机器人末端待装水接头位置不能和相机的安装位置重合，不能采用多次测量误差并利用机器人末端运动消除误差的方法，因此采用机器人的绝对运动定位作为初定位，精确定位由末端加装的独立运动机构（末端定位装置）来实现。

末端定位装置装配在机器人末端，与工装一体，包括由XY直线模组构成的二维模组和工业相机，如图2所示。视觉坐标获取原理如图3所示。

图2 末端定位装置组成

相机成像平面UV面平行于二维模组组成的XY平面且和机械手末端执行端平面平行。工作时，相机成像平面还平行于待装配的背板平面，且与背板平面的距离h固定。在这种情况下，相机坐标系与二维模组坐标系是平行平面的对应关系，根据相机成像原理，在物距h固定不变时，相机成像的大小及坐标位置和实景是线性关系[6]，因此其标定计算可以简化成对二维模组坐标系和相机坐标系间的平移旋转求解。B点为待装配背板平面上的孔中心在相机中UV平面的成像点，C点为待装水接头在二维模组平面XY坐标系中的坐标点，UV为相机坐标系，Oc为相机坐标系原点。

设B点在相机坐标系的坐标为(X1,Y1)，Oc点在二维模组XY平面的坐标为(X0,Y0)，α为UV坐标系与XY坐标系的夹角。B点在XY坐标系的坐标为(X,Y)，通过式（1）和式（2）可以换算出B点坐标值。

根据B点坐标值，二维模组驱动待装水接头由C点运动到B点，将水接头装入背板孔中。

底板上待装孔中心B的坐标确定后，4个固定螺丝孔在XY坐标系的坐标值也随之确定。二维模组驱动螺钉锁附机构将固定螺钉锁附。

末端结构组装完毕后，X0，Y0，α为固定值，可以通过标校获取。

2 装配系统设计

水接头装配系统组成如图4所示，由机器人系统、背板支撑定位系统、螺钉供钉锁固系统、水接头移栽系统、水接头供料系统等几个部分组成。

图4 装配系统结构组成

装配系统工作流程为：1）机器人在水接头供料盘中抓取水接头；2）机器人移动水接头到产品背板上方指定装配位置进行拍照定位；3）机器人将水接头装配到背板；4）供钉系统将紧固螺钉送到电批，电批完成螺钉的锁附。

机器人通过在第七轴上的移动来实现整个背板的装配覆盖需求。水接头供料盘中的水接头用完后，通过第七轴的运动，将水接头供料盘与水接头备料系统对接进行物料交换，完成下一批的水接头供料盘上料工作。水接头备料系统中的水接头由人工事先准备好。

2.1 机器人系统设计

机器人系统由六轴机器人和第七轴（导轨）组成，是自动化装配系统的重要组成部分。本装配系统中，由于装配范围为4 000 mm×1 500 mm，机器人本体在长度方向上无法覆盖，因此增加第七轴实现装配范围的覆盖。

工业机器人依据运行速度、定位精度、工作范围、售价、售后服务等原则选用。本装配系统中的机器人选用负载40 kg，臂展半径2 550 mm的六轴工业机器人，机器人重复定位精度为±0.06 mm。

第七轴采用齿轮齿条伺服电机驱动方案，由基座、滚珠滑块导轨副、齿轮齿条、减速机和伺服电机组成。第七轴的功能是弥补机器人臂展在装配长度方向的不足，只要在第七轴上选定几个合适的固定点，机器人在固定点通过臂展旋转即可实现装配范围的全覆盖，因此将机器人在第七轴上的运动设计为重复定位运动，以降低第七轴的设计加工精度和运动控制成本。

驱动系统设计是基于转动惯量和扭矩的匹配以及系统运行速度的需求来完成伺服电机和减速器的选型[7-8]。

第七轴负载折算到驱动齿轮轴上的转动惯量JA见式（3），换算到电机轴负载惯量JL1的计算见式（4）：

式中：MA为负载质量；i为系统减速比；JA1为减速器的转动惯量；R为驱动齿轮分度圆直径；JR为联轴器转动惯量。

伺服电机的负载匀速运动时连续工作转速n（转/分）的计算见式（5），负载匀速运动时连续输出扭矩TL的计算见式（6），负载加速时最大输出扭矩TH的计算见式（7）：

式中：V为机器人系统在第七轴上的最大运行速度；t为加/减速时间；g为重力加速度；μ为导轨摩擦系数；η为机械传输效率。

根据伺服电机选型原则：1）连续工作扭矩＜伺服电机额定扭矩；2）瞬时最大扭矩＜伺服电机最大扭矩（加速时）；3）负载惯量＜3倍电机转子惯量；4）连续工作转速＜电机额定转速。

齿轮齿条的设计参照GB/T 3480。由于第七轴运动不存在高速度长时间传动的条件，所以可以不计算齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，对齿轮齿条的强度设计满足齿形弯曲强度即可。为降低制造成本，齿轮齿条选用货架产品。

滚珠导轨副的选型参见厂家产品样本手册。关于滚珠导轨副及齿轮齿条的润滑，本设备没有采用润滑油泵供油的集中润滑方式，滚珠导轨副采用定期注润滑脂润滑的方法，齿轮齿条采用定期注润滑油至毡齿轮的润滑方法（利用毡齿轮与齿条的啮合使齿条表面形成润滑油膜）。本设备其他滚珠导轨副的润滑均采用定期注润滑脂的润滑方式。

2.2 背板支撑定位系统设计

背板支撑定位系统由支撑架工装和定位基准工装组成。支撑架工装实现产品装配平面与第七轴导轨平面平行并保持固定高度。定位基准工装实现装配背板的长边平行于第七轴的中心线，且在更换产品背板时保证待装背板的位置精度，采用背板的两个直角边作为定位基准。工装背板支撑采用方管型材焊接加工组装而成，与地面接触的支撑部分采用可调机构，便于安装调整。

2.3 螺钉供钉锁固系统设计

螺钉供钉锁固系统实现固定水接头的4颗螺钉的自动供钉及定力矩、定旋入深度的锁固功能，由供钉系统和电批组成。供钉系统由振动排序料斗和吹钉系统组成。工作时，供钉系统将螺钉送至机器人末端的水接头移栽系统上的电批，由电批完成螺钉的锁固。供钉系统采用电批供应商推荐的产品，方便安装调试。电批具备锁固力矩的设定与测量、拧旋角度的设定与测量功能。紧固螺钉的旋入深度由拧旋角度控制。

2.4 水接头移栽系统设计

水接头移栽系统装在机器人末端，如图5所示，由XY直线模组、水接头装夹模块、相机组件、电批组件等组成。水接头移栽系统由连接法兰同机器人末端相连。

图5 水接头移栽系统

水接头移栽系统安装于机器人末端，因此整个系统的质量受机器人负载大小的限制。机器人负载为40 kg，本移栽系统设计质量≤32 kg。

XY直线模组由驱动滚珠丝杆、承载滚珠导轨副和伺服电机组成。器件选用货架产品，伺服电机与模组的滚珠丝杆采用联轴器直连形式。

滚珠丝杆的转动惯量JB的计算见式（8），负载惯量JW的计算见式（9），换算到电机轴负载惯量JL的计算见式（10）。

式中：MB为滚珠丝杆质量；D为滚珠丝杆直径；M为负载重量；P为丝杆导程；J1为联轴器转动惯量。

正常工作时，XY直线模组平面呈水平状态。伺服电机负载匀速时输出转矩Tw的计算见式（11），加速转矩Ta的计算见式（12），转速n的计算见式（13）。

根据上面计算的数据，伺服电机的选型原则是选择合适的XY轴驱动伺服电机。

水接头的抓取及装配插入由水接头装夹模块实现，水接头装夹模块如图6所示，由插入气缸、直线导轨、气控柔性浮动器、夹爪驱动气缸、夹爪等组成。气缸、直线导轨和气控柔性浮动器采用货架产品。夹爪采用V型定位夹持方式来抓取夹持水接头[9-10]。夹爪夹持水接头的圆柱部分，两个销钉插入水接头的固定螺丝孔中，实现了水接头的定位。XY直线模组将待装水接头送到装入孔上方后，由插入气缸将水接头插入。当水接头进入孔中设定距离时，气控柔性浮动器解锁，水接头在一定范围内处于浮动状态，防止刚性装入损坏水接头。装入力由插入气缸的气压实现，同时通过检测气缸的活塞位置识别水接头的装入状态。为了提高装配效率，机器人末端配备了4个夹爪，机器人末端一次取料可完成4个水接头的装配，缩短了机器人取料时间。

图6 水接头装夹模块

相机组件由工业相机、光源和激光测距器组成，如图7所示。相机组件是一个典型的工业机器人的视觉组成部分[11]。

图7 相机组件

光源可避免环境光影响相机成像质量。激光测距器实时测量相机的物距，并反馈给机器人控制系统，保持像距在固定值范围内，使相机成像尺寸坐标与实物保持稳定的对应关系。相机成像像距取100 mm，视野为40 mm×30 mm，每个像素对应0.01 mm。工业相机和光源的选型由视觉设备集成商提供。

电批组件由批头、驱动气缸和导轨组成，如图8 所示。XY直线模组驱动电批组件到达螺纹孔上方后，气缸1驱动电批沿导轨向下运动，使夹钉器接触螺孔，供钉系统通过供钉软管将螺钉送到夹钉器的吹钉入口，螺钉进入螺孔后，气缸2驱动电批下降，完成螺钉锁附工作。

图8 电批组件

2.5 水接头供料系统设计

水接头供料系统由水接头供料盘和水接头备料系统组成，如图4所示。水接头按照特定要求摆放在料盘中，料盘跟随机器人一起移动。料盘一次性存放156个水接头。备料系统最多可存储6套料盘，由水平横移机构和垂直升降机构组成，水平横移机构实现水接头供料盘在机器人底座和水接头备料系统之间的移动，垂直升降机构实现备料系统中料盘的上下运动。

3 视觉系统的标校

相机标定是机器视觉系统实际应用的必需步骤，由视觉图像处理和标校模板组成。通过相机标定，可以获得图像平面信息与实际空间信息的位置映射关系，进而可以得到机器人及末端XY模组的运动参数。本系统中的视觉图像特征处理及计算由视觉设备集成商提供，用于获取图像特征的模型及相机坐标系、机器人坐标系和XY二维模组坐标系的转换标定的标校工具由结构设计提供。标校工具如图9所示，由底板、锥销和图形模板组成。

图9 标校工具

3.1 相机坐标系在XY 直线模组坐标系中的标定

如图9所示，将锥销的锥柄部分装入机器人末端的水接头装夹夹爪中，操控机器人使末端的水接头移栽系统的XY二维模组坐标平面平行于底板，使相机与底板保持100 mm的像距。复位XY二维模组，移动机器人，观察相机图像，使相机成像中心与图形模板的一个图形孔中心大致重合，锁定机器人，驱动XY二维模组，使夹爪中锥销对准相机拍摄的图形，驱动夹爪插入气缸使锥销插入图形模板孔中（注意插入前锁定气控柔性浮动器），待图形模板孔与锥销同心后，记录此时的XY二维模组的锥销中心坐标值(X,Y)，保持图形模板不动，提起锥销，复位XY模组，记录复位后的相机坐标系成像图形孔中心坐标值(X1,Y1)。重复定位另一个图形孔，获得另一组坐标值，根据式（1）和式（2）解算出相机的X0，Y0，α值。

3.2 相机成像中心在机器人坐标系中的标定

水接头的装配需要将机器人末端移动到背板上的水接头待装配孔上方，使末端水接头移栽系统上的相机捕获背板上的待装配孔，这样才能开展水接头的装配工作，而这一动作是通过机器人的运动实现的，因此需要标定相机成像中心与机器人坐标系的关系。标定过程为：复位XY二维模组，操控机器人末端至图形模板上方某一位置，驱动夹爪插入气缸使锥销插入图形模板孔，使图形模板孔与锥销同心（同样插入前锁定气控柔性浮动器），记录这一位置的机器人末端中心坐标值(Xa,Ya)，保持图形模板不动，提起锥销，再一次操控机器人，观察相机图像，使相机图像中心与已定位的孔中心重合，读取此刻的机器人末端中心坐标值(Xb,Yb)，则相机成像中心与机器人末端中心的平面偏差由式（14）和式（15）获得。

4 结束语

本文通过增加第七轴运动系统和基于机器视觉的独立误差修正机构解决机器人覆盖范围小以及绝对定位精度低的问题，其工作原理及设计调试技术已在基于工业机器人的水接头装配系统中得到验证。该设备已用于产品生产，实现了水接头装配的全部工艺要求，运行平稳可靠，装配质量满足产品生产装配要求。目前装配效率为3 个/min，水接头组装良率为98.9%，螺丝锁附良率为99.2%，后期拟通过优化控制策略，同时适当提高运动速度，缩短运动时间，进一步提高组装效率。文中提出的在无法多次测量定位误差的条件下提高工业机器人绝对运动定位精度的基于机器视觉的独立误差修正机构及其标校方法，相比于其他误差补偿方法，具有实施成本低、调试简单、运行可靠、工程实用性强的优点。