CN105499953B - 基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***及方法，该***包括机器人，相机、机械手爪、缸体组合装置、计算机模块、活塞。该方法通过相机识别活塞，利用计算机模块根据特征得到活塞的位置，控制机器人，由机械手爪取抓取活塞，并将活塞装配到汽车发动机的缸体中。其中四个已完成连杆装配的活塞并排放置在铁架平台上，机械手爪安装在工业机器人末端，用于抓取活塞，夹紧活塞环，进行活塞装配。相机安装在手臂前端，用于识别定位活塞和缸体组合装置上的缸体。计算机模块通过信号线与机器人，相机，机械手抓，缸体组合装置相连，实现数据的处理和控制信号的传输。本发明能精确地高效地实现对活塞和发动机缸体的自动装配过程。

Description

基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***及方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***及方法。

背景技术

汽车发动机作为汽车提供动力的重要部件，是汽车的心脏。汽车发动机直接决定了汽车的安全性能，稳定性能，动力性能。在工业化生产中，活塞和缸体的装配是汽车发动机中最重要也是操作繁琐的一环。如果使用合理的装配方法，高效的操作方式，不仅能够提高汽车发动机的生产质量，提高生产效率，还能够减少工人的工作量，节约装配成本。

随着机器人的快速发展，特别是工业机器人，得到了广泛的应用。特别是在汽车生产行业，工业机器人以其高稳定性，高灵活性，高精确性备受青睐，现已在喷漆，焊接，搬运，安装等生产线上得到了大规模的使用。虽然如此，工业机器人在汽车生产行业仍具有巨大的发展潜力。

汽车发动机缸体自动化装配过程越来越受到重视，在我国专利CN101913076中提到了一种基于工业机器人的活塞、活塞销和连杆装配方法以及装置。此专利只是涉及到连杆和活塞的装配过程，但是未提及活塞和缸体装配这一重要的装配环节，如果将这两个过程连贯起来，将会极大的提高汽车发动机的装配效率。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的提供了一种基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***。

本发明采取的技术方案为：一种基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***，包括机器人、相机、机械手爪、缸体组合装置、计算机模块、活塞；

所述多个已装配完成的活塞并排放置在铁架平台上；

所述机械手爪安装在机器人末端，用于抓取活塞、夹紧活塞环，对活塞进行装配；

所述相机安装在机器人的手臂前端，用于识别定位活塞和缸体组合装置上的缸体；

所述计算机模块通过信号线分别与机器人、相机、机械手爪、缸体组合装置连接，实现数据的处理和控制信号的传输。

优选地，所述缸体组合装置包括交流伺服电机、缸体、夹合机构、基座，所述交流伺服电机安装在夹合机构上，所述夹合机构安装在基座上，所述缸体固定在夹合机构之间，通过交流伺服电机转动带动缸体一起转动，所述缸体上设有多个活塞槽。

优选地，所述活塞和缸体上的活塞槽均设置为四个。

优选地，所述交流伺服电机转动带动缸体360°旋转

优选地，所述计算机模块包括图像识别定位模块，手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块，中央控制模块，所述图像识别定位模块包含活塞定位和缸体的活塞槽定位，图像识别定位模块决定手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块的运作精度，图像识别定位模块输出的数据传送到中央控制模块，分别向手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块分配数据，协调控制，各部分模块将处理后的数据传送到各个设备实现整体装配工作。

优选地，所述缸体组合装置的工作准备过程如下：

步骤B1：建立交流伺服电机转角和缸***置的转换关系，确定缸体装配位置，调整交流伺服电机的转动速度，等待接受计算机模块发送装配信号；

步骤B2：计算机模块发送装配信号之后，将缸体转动到装配位置，等待活塞的安装；

步骤B3：待四个活塞安装完成，计算机模块发出转配完成信号，交流伺服电机慢速旋转180°，为活塞固定做好准备。

优选地，所述图像识别定位模块中活塞定位工作过程如下：

步骤C1：将相机获取的活塞图像进行灰度化处理，得到包含有多个活塞底部的灰度化图片；

步骤C2：使用模板匹配算法，将已存入的活塞图像外部圆轮廓特征模板，与包含有多个活塞底部的灰度化图片进行匹配，找到含有活塞图像的区域；

步骤C3：计算出图像中活塞的个数，如果活塞大于1个，则选择图片最左端的活塞，并用图像分割将其提取出来；

步骤C4：出厂活塞的底部都有方向特征标志，使用模板匹配算法，将含有特征的活塞图片模板，与提取出来的包含一个活塞图片进行匹配，识别出特征，并定位提取出这个活塞的位置；

步骤C5：将得到的位置与对应的活塞数据，传送到中央控制模块进行处理。

优选地，图像识别定位模块中缸体活塞槽定位工作过程如下：

步骤D1: 对活塞槽进行编号，接受控制模块数据，决定需要识别活塞槽编号；

步骤D2: 将相机获取的缸体图像进行灰度化处理，得到具有四个活塞槽的灰度化的图片；

步骤D3: 使用模板匹配算法，将已存入得缸体活塞槽外部轮廓图像模板，与包含四个活塞槽缸体的灰度化图像进行比较，识别并定位四个活塞槽的位置；

步骤D4: 根据编号确定需要装配的活塞槽，将得到位置数据传输给中央控制模块。

一种基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配方法，包括如下步骤：

步骤A1：调整相机参数，建立机器人的机械手爪和相机坐标系之间的转换关系，设定机器人初始准备位置点、缸体图像采集位置点和缸体固定位置点；

步骤A2：移动机器人到初始点，相机开始采集铁架工作台上的活塞图像，计算机模块根据活塞图像识别出活塞，并计算活塞的个数，确定所要抓取的活塞；

步骤A3：计算机模块提取所要抓取活塞的特征，计算得到活塞位置；

步骤A4：根据活塞位置，计算机模块控制机器人移动并操作机械手爪抓取活塞，将已抓取的活塞，移动到缸体组合装置的正上方图像采集位置点，在装配过程中，长时间未识别到活塞或者识别出错，计算机模块报警；

步骤A5：交流伺服电机工作，将缸体转动到固定位置，相机采集缸体图像，根据缸体图像特征识别出活塞槽；

步骤A6：根据计算机模块得到的活塞槽的位置，选择其中一个活塞槽，并作标记，控制机器人移动，将活塞移动到该活塞槽的正上方，利用机械手爪将活塞推入活塞槽中；

步骤A7：将机器人移动到初始点，若装配活塞个数未满4个，重复步骤A2，A3，A4，A5，A6，将四个活塞依次送入到缸体的活塞槽中；

步骤A8：装配工作完成后，机器人回到初始点，交流伺服电机工作，将装配好活塞的缸体转到一个固定位置，为活塞的固定做准备。

采用上述技术方案，本发明产生的技术效果有：

1、机器人的定位装配都是由摄像头的引导完成的，根据计算机模块数据处理得到位置，与传统的示教相比，该过程灵活性和精确性；

2、缸体组合装置可以灵活转动，易于维护和控制，使装配过程可操作性更强，同时更方便于汽车发动机之后的装配；

3、整个***的控制过程都是由计算机模块完成，各个部分工作独立，相互协调，增加了机器人***的稳定性，极大地完善了机器人功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为缸体组合装置的侧视结构图；

图3为缸体组合装置的俯视结构图；

图4为计算机模块结构示意图；

图5为本发明整体装配过程流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的结构示意图，包括机器人11、相机12、机械手爪13、缸体组合装置14、计算机模块17、活塞19；多个已装配完成的活塞19并排放置在铁架平台20上，装配完成的活塞19是指活塞已经装好连杆和销子；机械手爪13为适应活塞结构而设计，机械手爪13安装在机器人11末端，用于抓取活塞19、夹紧活塞环，对活塞19进行装配；相机12安装在机器人11的手臂前端，随机器人11移动，用于识别定位活塞19和缸体组合装置14上的缸体15；计算机模块17通过信号线18分别与机器人11、相机12、机械手爪13、缸体组合装置14连接，实现数据的处理和控制信号的传输。机器人11为YASKAWA DX200 MH24关节机器人，相机12为大恒MER-030-120UC型摄像机。

如图2和图3所示，缸体组合装置的结构示意图，缸体组合装置14包括交流伺服电机16、缸体15、夹合机构21、基座22，交流伺服电机16安装在夹合机构21上，夹合机构21安装在基座22上，缸体15固定在夹合机构21之间，通过交流伺服电机16的转动带动缸体15 做360°转动，缸体15上设有多个活塞槽31。活塞19和缸体15上的活塞槽31均设置为四个，缸体选用奥迪A4L发动机的缸体。

缸体组合装置14的工作准备过程如下：

步骤B1；建立交流伺服电机16转角和缸体15位置的转换关系，确定缸体15装配位置，调整交流伺服电机16的转动速度，等待接受计算机模块17发送装配信号；

步骤B2：计算机模块17发送装配信号之后，将缸体15转动到装配位置，等待活塞19的安装；

步骤B3：待四个活塞19安装完成，计算机模块17发出转配完成信号，交流伺服电机16慢速旋转180°，为活塞19固定做好准备。

如图4所示，本发明算机模块结构示意图，计算机模块17包括图像识别定位模块，手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块，中央控制模块，所述图像识别定位模块包含活塞19定位和缸体15的活塞槽31定位，图像识别定位模块决定手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块的运作精度，图像识别定位模块输出的数据传送到中央控制模块，分别向手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块分配数据，协调控制，各部分模块将处理后的数据传送到各个设备实现整体装配工作。

图像识别定位模块中活塞定位工作过程如下：

步骤C1：将相机12获取的活塞图像进行灰度化处理，得到包含有多个活塞19底部的灰度化图片；

步骤C2：使用模板匹配算法，将已存入的活塞图像外部圆轮廓特征模板，与包含有多个活塞19底部的灰度化图片进行匹配，找到含有活塞图像的区域；

步骤C3：计算出图像中活塞的个数，如果活塞19大于1个，则选择图片最左端的活塞，并用图像分割将其提取出来；

步骤C4：出厂活塞19的底部都有方向特征标志，使用模板匹配算法，将含有特征的活塞图片模板，与提取出来的包含一个活塞图片进行匹配，识别出特征，并定位提取出这个活塞19的位置；

步骤C5：将得到的位置与对应的活塞数据，传送到中央控制模块进行处理。

图像识别定位模块中缸体活塞槽定位工作过程如下：

步骤D1: 对活塞槽31进行编号，接受控制模块数据，决定需要识别活塞槽31编号；

步骤D2: 将相机12获取的缸体图像进行灰度化处理，得到具有四个活塞槽31的灰度化的图片；

步骤D3: 使用模板匹配算法，将已存入得缸体活塞槽31外部轮廓图像模板，与包含四个活塞槽缸体的灰度化图像进行比较，识别并定位四个活塞槽31的位置；

步骤D4: 根据编号确定需要装配的活塞槽31，将得到位置数据传输给中央控制模块。

图5为本发明整体装配过程流程图，包括如下步骤：

步骤A1：调整相机12参数，建立机器人11的机械手爪13和相机12坐标系之间的转换关系，设定机器人11初始准备位置点、缸体15图像采集位置点和缸体15固定位置点；

步骤A2：移动机器人11到初始点，相机12开始采集铁架工作台20上的活塞图像，计算机模块17根据活塞图像识别出活塞19，并计算活塞19的个数，确定所要抓取的活塞19；

步骤A3：计算机模块17提取所要抓取活塞19的特征，计算得到活塞19位置；

步骤A4：根据活塞19位置，计算机模块17控制机器人11移动并操作机械手爪13抓取活塞19，将已抓取的活塞19，移动到缸体组合装置14的正上方图像采集位置点，在装配过程中，长时间未识别到活塞19或者识别出错，计算机模块17报警；

步骤A5：交流伺服电机16工作，将缸体15转动到固定位置，相机12采集缸体15图像，根据缸体15图像特征识别出活塞槽31；

步骤A6：根据计算机模块17得到的活塞槽31的位置，选择其中一个活塞槽31，并作标记，控制机器人11移动，将活塞19移动到该活塞槽31的正上方，利用机械手爪13将活塞19推入活塞槽31中；

步骤A7：将机器人11移动到初始点，若装配活塞19个数未满4个，重复步骤A2，A3，A4，A5，A6，将四个活塞19依次送入到缸体15的活塞槽31中；

步骤A8：装配工作完成后，机器人11回到初始点，交流伺服电机16工作，将装配好活塞19的缸体15转到一个固定位置，为活塞19的固定做准备。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***，其特征在于：包括机器人（11）、相机（12）、机械手爪（13）、缸体组合装置（14）、计算机模块（17）、活塞（19）；

多个已装配完成的所述活塞（19）并排放置在铁架平台（20）上；

所述机械手爪（13）安装在机器人（11）末端，用于抓取活塞（19）、夹紧活塞环，对活塞（19）进行装配；

所述相机（12）安装在机器人（11）的手臂前端，用于识别定位活塞（19）和缸体组合装置（14）上的缸体（15）；

所述计算机模块（17）通过信号线（18）分别与机器人（11）、相机（12）、机械手爪（13）、缸体组合装置（14）连接，实现数据的处理和控制信号的传输；

所述缸体组合装置（14）包括交流伺服电机（16）、缸体（15）、夹合机构（21）、基座（22），所述交流伺服电机（16）安装在夹合机构（21）上，所述夹合机构（21）安装在基座（22）上，所述缸体（15）固定在夹合机构（21）之间，通过交流伺服电机（16）转动带动缸体（15）一起转动，所述缸体（15）上设有多个活塞槽（31）；

所述计算机模块（17）包括图像识别定位模块，手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块，中央控制模块，所述图像识别定位模块包含活塞（19）定位和缸体（15）的活塞槽（31）定位，所述图像识别定位模块决定手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块的运作精度，所述图像识别定位模块输出的数据传送到中央控制模块，分别向手爪控制模块，机器人控制模块，缸体装配控制模块分配数据，协调控制，各部分模块将处理后的数据传送到各个设备实现整体装配工作；

所述图像识别定位模块中活塞定位工作过程如下：

步骤C1：将相机（12）获取的活塞图像进行灰度化处理，得到包含有多个活塞（19）底部的灰度化图片；

步骤C2：使用模板匹配算法，将已存入的活塞图像外部圆轮廓特征模板，与包含有多个活塞（19）底部的灰度化图片进行匹配，找到含有活塞图像的区域；

步骤C3：计算出图像中活塞的个数，如果活塞（19）大于1个，则选择图片最左端的活塞，并用图像分割将其提取出来；

步骤C4：出厂活塞（19）的底部都有方向特征标志，使用模板匹配算法，将含有特征的活塞图片模板，与提取出来的包含一个活塞图片进行匹配，识别出特征，并定位提取出这个活塞（19）的位置；

步骤C5：将得到的位置与对应的活塞数据，传送到中央控制模块进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***，其特征在于：所述活塞（19）和缸体（15）上的活塞槽（31）均设置为四个。

3.根据权利要求1所述的基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***，其特征在于：所述交流伺服电机（16）转动带动缸体（15）做360°旋转。

4.根据权利要求1所述的基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***，其特征在于：所述缸体组合装置（14）的工作准备过程如下：

步骤B1；建立交流伺服电机（16）转角和缸体（15）位置的转换关系，确定缸体（15）装配位置，调整交流伺服电机（16）的转动速度，等待接收计算机模块（17）发送装配信号；

步骤B2：计算机模块（17）发送装配信号之后，将缸体（15）转动到装配位置，等待活塞（19）的安装；

步骤B3：待四个活塞（19）安装完成，计算机模块（17）发出转配完成信号，交流伺服电机（16）慢速旋转180°，为活塞（19）固定做好准备。

5.根据权利要求1所述的基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***，其特征在于：所述图像识别定位模块中缸体活塞槽定位工作过程如下：

步骤D1: 对活塞槽（31）进行编号，接受控制模块数据，决定需要识别活塞槽（31）编号；

步骤D2: 将相机（12）获取的缸体图像进行灰度化处理，得到具有四个活塞槽（31）的灰度化的图片；

步骤D3: 使用模板匹配算法，将已存入得缸体活塞槽（31）外部轮廓图像模板，与包含四个活塞槽缸体的灰度化图像进行比较，识别并定位四个活塞槽（31）的位置；

步骤D4: 根据编号确定需要装配的活塞槽（31），将得到位置数据传输给中央控制模块。

6.一种基于权利要求1至5中任意一项所述的基于工业机器人的汽车发动机活塞、缸体装配***的汽车发动机活塞、缸体装配方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A1：调整相机（12）参数，建立机器人（11）的机械手爪（13）和相机（12）坐标系之间的转换关系，设定机器人（11）初始准备位置点、缸体（15）图像采集位置点和缸体（15）固定位置点；

步骤A2：移动机器人（11）到初始点，相机（12）开始采集铁架工作台（20）上的活塞图像，计算机模块（17）根据活塞图像识别出活塞（19），并计算活塞（19）的个数，确定所要抓取的活塞（19）；

步骤A3：计算机模块（17）提取所要抓取活塞（19）的特征，计算得到活塞（19）位置；

步骤A4：根据活塞（19）位置，计算机模块（17）控制机器人（11）移动并操作机械手爪（13）抓取活塞（19），将已抓取的活塞（19），移动到缸体组合装置（14）的正上方图像采集位置点，在装配过程中，长时间未识别到活塞（19）或者识别出错，计算机模块（17）报警；

步骤A5：交流伺服电机（16）工作，将缸体（15）转动到固定位置，相机（12）采集缸体（15）图像，根据缸体（15）图像特征识别出活塞槽（31）；

步骤A6：根据计算机模块（17）得到的活塞槽（31）的位置，选择其中一个活塞槽（31），并作标记，控制机器人（11）移动，将活塞（19）移动到该活塞槽（31）的正上方，利用机械手爪（13）将活塞（19）推入活塞槽（31）中；

步骤A7：将机器人（11）移动到初始点，若装配活塞（19）个数未满4个，重复步骤A2，A3，A4，A5，A6，将四个活塞（19）依次送入到缸体（15）的活塞槽（31）中；

步骤A8：装配工作完成后，机器人（11）回到初始点，交流伺服电机（16）工作，将装配好活塞（19）的缸体（15）转到一个固定位置，为活塞（19）的固定做准备。

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