第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
本课题来源于河北省科技厅重点支撑项目“陶瓷托辊专用生产装备研发”，项目编号为 17211906D。
目前陶瓷托辊装配生产设备较为落后，人工劳动强度大，生产效率低，陶瓷托辊加工质量较差。陶瓷托辊装配生产中，轴承座装配到托辊毛坯两端是其中关键环节，由于托辊内部有棱柱与轴承座外壁有凹槽，对中困难，目前主要采用人工装配的方法实现。现场陶瓷托辊端口通过手动涂抹 AB 胶，然后搬运至压装机上手动定心，最后将轴承座放置在陶瓷托辊上方，手动调整轴承座使其凹槽与陶瓷托辊内壁棱柱完全配合，再将其压装。托辊与轴承座的装配，拟实现自动化装配存在以下困难：（1）AB 胶需现搅拌现用，时效性强，否则就会固化，其用量不好实现自动化控制；（2）AB 胶涂抹在陶瓷托辊内壁，其自动化涂抹方式不易实现；（3）轴承座凹槽与陶瓷托辊内壁棱柱需一一配合，否则无法压装，属于类环状多面体装配，其机械化、自动化装配不易实现。
针对上述轴承座安装过程中的问题，本课题进行轴承座自动装配系统的研发，在完成相关装备设计的基础上，进行控制系统设计，实现陶瓷托辊轴承座精准、快速、稳定的自动装配目的。
轴承座装配是生产陶瓷托辊的关键环节，若装配精度不高则后续所有零部件都不能正常安装，目前国内制造陶瓷托辊的企业大多采用半自动化的生产设备，生产效率低、质量不高，完全靠人工手动上下料、对中等操作进行装配，对操作工人的经验过于依赖，较低的装配成功率造成了很大的浪费，无法满足市场需求。所以急需研制新的高精度、高效率的自动化轴承座装配生产线系统。
全自动化及其智能化生产线才是陶瓷托辊生产厂的发展方向，把工件运输、加工、装配全部自动化、集成化，降低员工劳动量，保护人员安全，增加计算机技术、机械自动化控制和智能化算法，才能提高企业的自动化水平，降低生产成本，才能提高生产率，提高产品质量，增强企业核心竞争力，同时对于改善我国的陶瓷托辊制造现状也有很大的帮助。
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1.2 国内外研究现状
工业产品中除广泛使用圆形轴孔外，还经常使用非圆形轴孔，较典型的是带平键轴孔和花键轴孔，与普通圆形轴孔相比较，实现带键非圆轴孔的自动装配过程要复杂的多[1]。本文研究的自动装配工件轴承座与陶瓷托辊就属于非圆形轴孔，装配过程基本上是孔不动，轴相对于孔运动进行装配，类似于多面体装配，其如何更加方便快捷有效的自动装配引起了国内外研究学者的广泛研究。
在西方发达国家，工件的自动装配技术的研究与发展早于国内，并且随之研究自动装配生产线，已生产出自动装配的技术产品，同时，对零件的自动定向、连接方法、装配机构、装配系统及计算机仿真和装配技术标准的研究和开发等早已成为主要课题[2]。
在机械产品生产过程中，产品间的装配工作量占用了整个生产过程的大部分工作量，若全部使用人工装配且为了提高产品的产量则必须大量投入人力扩大生产，这样大量的人工加入，其用人成本必定会增加，产品的装配质量依赖于装配工人的个人经验与熟练程度，没有稳定性。随着我国工业的持续发展与人工成本的持续增长和人口老龄化程度的持续加重，越来越多的企业工厂开始采用机器人来逐步代替单一且重复度高的人工操作[3]。机器人通过多年来的应用发展，已经逐渐参与到人类的生活中的各个领域，体现出强劲的发展趋势，其中应用最广泛的就是工业机器人。现如今，机器人的研发、制造、和应用水平已经成为衡量一个国家工业自动化水平的重要标志[4]。
关于圆形轴孔与非圆形轴孔类的自动装配方法主要分为柔顺装配和视觉引导装配，都涉及到工业机器人的控制运用、各种光电传感器及计算机模拟仿真等先进自动化装配技术。
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第 2 章 陶瓷托辊和轴承座的定位检测
2.1 轴承座自动装配方案
本文研究对象为轴承座与陶瓷托辊，要实现的是将轴承座装配到陶瓷托辊毛坯内，轴承座与托辊毛坯模型如图 2-1 所示。
轴承座周向均匀分布三个凹槽，每一个凹槽可近似一个半圆孔，陶瓷托辊内壁均匀分布三个棱柱，棱柱可近似为一个半圆轴。轴承座与陶瓷托辊的自动装配类似进行三个轴孔的同时精准定位装配，但这三个轴孔在精准定位过程中却会有耦合影响，即任意一个凹槽与棱柱出现卡死现象，整个精准定位装配过程就无法进行。根据实际装配工艺，一般陶瓷托辊固定不动，轴承座采用自上而下的装配方式。因此，需测出陶瓷托辊的中心轴线与棱柱位置，凭此轴线，将其作为轴承座自上而下装配运动的基准线，保证两者装配轴线的同心度，确保轴承座与陶瓷托辊轴孔的装配质量。
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2.2 陶瓷托辊及轴承座自动装配方法研究
2.2.1 自动定位方法研究
如前面 2.1 节分析可知，轴承座与陶瓷托辊的位置识别是实现精准装配的关键，也是实现自动装配的难题。针对轴承座与陶瓷托辊的精准定位难题，主要解决的方案如图 2-5 所示。PC 机根据相机采集的图像，计算出图像中的目标信息与装配基准的差异值，通过尺度变换后，将最终计算出的数值结果传输到机器人PLC 控制柜，调整装配参数后进而控制机器人精准定位运动，完成轴承座的有效抓取与装配的控制。本文所提出的一种图像定位算法，但该算法不依赖目标物体上的拐角点和 Mark 点，能快速实现机器人的精准定位。
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3.1 机器人运动分析.....................................27
3.1.1 机器人模型建立..............................27
3.1.2 机器人运动方程正解解析............................30
第 4 章 轴承座装配机器人轨迹规划.............................41
4.1 笛卡尔空间轨迹规划........................................41
4.1.1 基于正弦曲线的空间直线规划.........................42
4.1.2 基于直线拐角处圆弧衔接轨迹规划............................46
第 5 章 轴承座自动装配系统路径规划及离线仿真............................57
5.1 轴承座自动装配系统离线仿真模型...................................57
5.1.1 ABB Robot Studio 软件.....................................57
5.1.2 装配系统仿真模型的建立....................................58
第 6 章 轴承座自动装配监控系统设计
6.1 硬件选型
6.1.1 工业相机选型
本项目采用的工业相机为海康威视的 MV-CA005-20GC COMS 千兆以太网工业面阵相机，镜头选用的型号为 MVL-HF0628M-6MP，相机如图 6-1 所示，其主要参数如表 6-1 所示。
轴承座自动装配控制系统设计初步选用西门子 S7 系列的 PLC，根据西门子S7 系列 PLC 输入输出点数的多少可以分为小型 PLC、中型 PLC 和大型 PLC。小型 PLC 的输入输出的点数小于 256 个。优点是价格便宜、体积轻巧，缺点是功能单一，一般用于小规模生产线的控制。小型 PLC 的经典型号为 S7-200。中型 PLC 的输入输出点数在 256 个和 1024 个之间。中型 PLC 不仅能够接收数字量和模拟量的输入，而且具有数字通讯功能和网络通讯功能，功能更加的多样化。中型 PLC 可用于中小规模以及连续生产线的控制。中型 PLC 的经典型号为S7-300。大型 PLC 的输入输出点数在 1024 个以上。相比小型 PLC，大型 PLC价格较贵、体积较大，但是功能更加的强大。大型 PLC 具有通讯功能、过程控制功能、中断功能、远程监控功能等。
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总结与展望
总结
本文主要针对陶瓷托辊轴承座自动装配难题进行了研究，根据两者的外部结构，提出基于机器视觉的图像定位检测方法，开发了轴承座自动装配系统，通过分析装配流程，开发了基于组态王上位机监控系统，论文的研究内容总结如下：
（1）针对轴承座与陶瓷托辊的装配难题，提出了基于机器视觉自动装配的方法，采用高斯滤波、Canny 算子进行陶瓷托辊与轴承座的图像边缘提取，接着运用 MATLAB 进行装配圆心的提取、陶瓷托辊棱柱的定位与轴承座凹槽的定位，完成了轴承座与陶瓷托辊的图像识别定位处理算法。
（2）为保证轴承座的装配精度，建立了轴承座装配机器人 D-H 模型与机器人的正逆运动学方程式，在笛卡尔空间与关节空间进行了运动轨迹规划，提出了采用基于直线拐角处圆弧衔接与基于 S 曲线的五段位置插值函数综合处理的轨迹规划方法。
（3）在 Solid Works 和 Robot Studio 基础上搭建了陶瓷托辊轴承座自动装配系统生产线模型，设计了各子系统中机器人的运动路径，如进行了轴承座装配机器人路径规划、涂胶机器人路径规划、陶瓷托辊上下料机器人路径规划，完善了整体装配系统的运动路径设计，并建立了各子系统间的逻辑运动关系，保证自动装配系统的顺序运行。
（4）根据轴承座的装配工艺流程，设计了基于 PLC 和组态王的上位机监控系统，并按照监控要求设计了自动装配系统的监控界面，实现对装配生产线的在线实时监控与管理，提高生产运营的工作效率。
参考文献（略）