基于视觉定位的螺纹拧紧装置及控制方法

1.本发明涉及螺纹拧紧装配技术领域，特别涉及一种基于视觉定位的螺纹 拧紧装置及控制方法。


背景技术：

2.目前，大部分生产企业仍采用手持式电动或气动工具对螺纹紧固件进行 装配工作，或使用专用的锁螺丝机实现半自动化螺丝拧紧功能，少部分采用 工装夹具+机器人的方式对螺纹紧固件进行装配，即通过工装夹具对待装配工 件进行初步定位，然后再利用搭载拧紧工具的机器人通过示教学习的方式来 控制运动轨迹及定位，完成螺丝装配拧紧过程，如肖海的《机器人螺栓拧紧 技术在发动机装配的应用》一文中先通过顶升机构中的导向销插入到发动机 托盘相应定位孔里，从而实现对发动机的定位；再通过压紧机构对发动机进 行处理，使各螺栓孔处于同一水平面，最后再设置规划机器人路径程序实现 对目标螺栓的定位以及拧紧处理。此外，还有少数采用机器视觉+机器人的方 式对螺纹紧固件进行联接处理，即通过视觉实现对螺栓的定位，再引导机器 人搭载拧紧工具对紧固件进行螺纹联接处理，如童震的《基于机器视觉的螺 丝锁付scara机器人关键技术研究》一文中通过设计夹具使视觉系统和拧紧 工具能够同时安装在scara机器人末端，并设计规划机器人的运动轨迹实现 对不同位置的螺纹孔进行拍照处理，最后引导机器人对led平板灯产品进行 螺纹联接与装配。
3.随着人工成本的不断提高，采用手持式工具对紧固件进行螺纹装配生产 成本高，拧紧精度受人为因素的影响较大；采用专用的锁螺丝机设备一般不 能灵活调整拧紧位置，也不能根据需要灵活设定或改变拧紧力矩，以获得更 高的拧紧控制精度；使用机器人示教方式对紧固件进行螺纹装配存在工装夹 具设计复杂以及对机器人重复定位精度要求较高的缺点，调整灵活性较差； 使用scara机器人视觉定位引导的方式进行螺纹拧紧只允许搭载重量较轻的 小型拧紧工具，而且拧紧作业一般应分布在一个平面上，不能适应多方位或 姿态的螺纹装配需求。
4.同时，机器人拧紧过程中，一般搭载市面上普遍使用的拧紧工具——电 批，它一般只能设定某一个确定的扭矩上限阈值，达到扭矩阈值就停止旋转， 这样一方面扭矩控制精度很低，另一方面也不能针对不同螺纹紧固件来设置 不同的拧紧扭矩值，并规划更合适的拧紧工艺流程以获得最佳的装配效果。 同时，这种拧紧工具普遍没有拧紧过程数据反馈功能，无法直接判断和警示 拧紧工艺过程的异常情况，也不能对拧紧数据进行进一步的溯源追踪和处理 保存。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提出一种基于视觉定位的螺纹拧紧装置及控制方 法，旨在适应多种螺纹装配位置和灵活设置拧紧力矩，提高螺纹拧紧控制精 度，获得更好的装配拧紧效果。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于视觉定位的螺纹拧紧装置，包 括：机器人、控制系统、用于输送待拧紧模块的上料机构、用于对所述待拧 紧模块进行拍照定位的视觉测量模块、用于根据视觉测量模块的拍摄结果对 所述待拧紧模块进行拧紧操作的拧紧工具，其中，所述控制系统分别与所述 机器人、拧紧工具通信连接，所述上料机构包括机架、传送带、料盘、物料 挡板、阻拦气缸、夹紧气缸和光电传感器，所述传送带安装于所述机架上， 所述料盘放置于所述传送带上，所述物料挡板安装于所述传送带的两侧，所 述阻拦气缸和夹紧气缸安装于所述物料挡板的同侧，且沿所述传送带的运行 方向前后依次设置，所述光电传感器安装于所述阻拦气缸的对侧，位于所述 传送带的运行方向稍靠后的位置；所述视觉测量模块安装于所述机架上，所 述拧紧工具安装于所述机器人上，且所述视觉测量模块位于所述拧紧作业区 的上方。
7.本发明进一步地技术方案是，所述拧紧工具包括与所述机器人连接的拧 紧轴、与所述拧紧轴连接的拧紧轴控制器，所述拧紧轴控制器位于所述拧紧 轴的末端位置，与所述拧紧轴相连。
8.本发明进一步地技术方案是，所述拧紧轴包括拧紧批头、端盖、联轴器、 扭矩传感器、减速器、伺服电机和编码器，其中，所述端盖安装于所述拧紧 轴的前端，所述联轴器分别安装在所述端盖与所述扭矩传感器、所述扭矩传 感器与所述减速器之间，所述减速器与所述伺服电机连接，所述编码器安装 于所述伺服电机的末端。
9.本发明进一步地技术方案是，所述视觉测量模块包括视觉测量组件和安 装支架，所述安装支架的顶部为l形，所述安装支架的底部安装于所述机架上， 所述视觉测量组件通过l形安装板安装于所述安装支架的顶部。
10.本发明进一步地技术方案是，所述视觉组件包括从上至下依次同轴设置 的相机、光学镜头和环形光源，其中，所述相机通过相机安装板安装于所述l 形安装板上，所述光学镜头与所述相机的c接口螺纹连接，所述环形光源通过 环形光源安装板安装于所述l形安装板上。
11.本发明进一步地技术方案是，所述料盘包括支撑板和对称安装于所述支 撑板底部两端的立柱。
12.本发明进一步地技术方案是，所述待拧紧模块包括被拧电机、被拧电机 安装板和安装螺栓，所述被拧电机上有多个连接螺栓需要被拧紧。
13.本发明进一步地技术方案是，所述控制系统包括计算机、交换机、机器 人控制柜、示教器，其中，所述交换机分别与所述视觉测量模块、机器人控 制柜、计算机连接，所述机器人控制柜与所述机器人连接。
14.为实现上述目的，本发明还提出一种基于视觉定位的螺纹拧紧装置控制 方法，所述方法应用于如上所述的基于视觉定位的螺纹拧紧装置，所述方法 包括以下步骤：
15.在所述光电传感器检测到所述料盘时，所述阻拦气缸对所述料盘进行阻 拦处理，所述夹紧气缸对所述料盘进行夹紧处理，并将夹紧信号发送至所述 控制系统中的计算机；
16.所述控制系统中的计算机根据所述夹紧信号控制所述视觉测量模块对所 述待拧紧模块进行拍照定位，并将所述待拧紧模块上螺栓的位置信息发送至 所述机器人；
17.所述机器人带动所述拧紧工具对螺栓进行拧紧处理，并将拧紧信息发送 给所述控制系统中的计算机；
18.所述控制系统中的计算机根据所述拧紧信息绘制拧紧过程曲线，并显示 和存储拧紧结果。
19.本发明进一步地技术方案是，所述控制系统中的计算机根据所述拧紧信 息绘制拧紧过程曲线，并显示和存储拧紧结果的步骤之后还包括：
20.所述控制系统中的计算机根据所述拧紧信息判断是否达到预期的拧紧要 求；
21.若达到预期的拧紧要求，所述控制系统中的计算机则对已进行拧紧处理 的螺栓数量统计来判断是否完成本次所有待拧紧的螺栓拧紧任务，若已完成 所有螺栓的拧紧任务，所述机器人则进行回零点运动，所述相机测量模块停 止拍照，流程结束；
22.若没达到预期的拧紧要求，则判断是否存在螺纹拧紧缺陷；
23.若不存在拧紧缺陷，所述控制系统中的计算机则控制所述拧紧工具对螺 栓实现二次拧紧处理；
24.若存在螺纹拧紧缺陷，所述控制系统中的计算机则显示并记录拧紧异常 信息。
25.本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置及方法的有益效果是：
26.1、针对手持式拧紧工具存在生产成本高、拧紧精度受人为因素影响较大 的问题，本发明采用机器人搭载拧紧工具的方式对螺栓进行快速地拧紧处理， 有利于提高生产效率、降低生产成本，提高螺纹装配自动化程度；
27.2、针对专用锁螺丝机设备和机器人示教方式装配时不能灵活调整拧紧位 置，也不能根据需要灵活设定或改变拧紧力矩问题，本发明采用视觉对各种 形状布局的螺纹孔进行拍照定位，并可准确设置不同的扭矩目标值，可获得 更高的拧紧控制精度，通用性较强；；
28.3、针对scara机器人拧紧装配方位和载荷局限性问题，本发明采用与负 载相匹配的六轴工业机器人+视觉的方案，解决了因机器人自由度对机器人活 动空间的限制以及机器人的装配超载问题；
29.4、针对机器人搭载的普通电批无法根据拧紧过程中不同螺纹紧固件设置 不同的拧紧工艺、扭矩控制精度较低、以及没有拧紧过程数据反馈功能的问 题，本发明采用具有扭矩闭环控制功能的拧紧工具并根据扭矩控制
‑
转角监控 的方法针对不同螺栓及紧固件的材料特性来设置相对应的拧紧工艺，从而达 到较好的控制效果，同时利用计算机中的上位软件与拧紧工具进行通讯，实 时采集拧紧数据并绘制拧紧曲线，有利于对拧紧过程的分析及拧紧结果的判 断，并对拧紧过程数据做进一步的存储，便于实现对装配数据的溯源与跟踪。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的 附图。
31.图1是本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置较佳实施例的系统组成示意 图；
32.图2是本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置较佳实施例中传送带以及待 拧紧模块的结构示意图；
33.图3是拧紧工具的整体结构示意图；
34.图4是拧紧工具的另一角度的整体结构示意图；
35.图5是拧紧工具的又一角度的整体结构示意图；
36.图6是拧紧工具的结构示意图；
37.图7是视觉测量模块的结构示意图；
38.图8是本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置控制方法的具体流程示意图；
39.图9是图像处理流程示意图；
40.图10是拧紧扭矩
‑
时间模型示意图；
41.图11是拧紧过程力矩
‑
角度
‑
时间图；
42.图12是拧紧过程力矩
‑
角度
‑
时间局部放大图；
43.图13是计算机的拧紧曲线界面图。
44.附图标号说明：
45.机器人1；待拧紧模块2；视觉测量模块3；拧紧工具4；机架5；传送带6； 料盘7；物料挡板8；阻拦气缸9；夹紧气缸10；光电传感器11；被拧电机12； 被拧电机安装板13；计算机14；交换机15；机器人控制柜16；示教器17；气 泵18；支撑板19；立柱20；拧紧轴21；拧紧轴控制器22；拧紧批头23；端盖24；联轴器25；扭矩传感器26；减速器27；伺服电机28；编码器29；安装支 架30；l形安装板31；相机32；光学镜头33；环形光源34；相机安装板35；环 形光源安装板36。
46.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、 前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下 各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则 该方向性指示也相应地随之改变。
49.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、
ꢀ“
第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者 隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以 明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义， 包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同 时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须 是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾 或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保 护范围之内。
50.为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于视觉定位的螺 纹拧紧装置，该装置利用视觉测量模块为机器人提供被拧对象上待装配螺纹 的准确位置，从而引导机器人移动到恰当位置和姿态，利用拧紧工具采用扭 矩闭环控制和角度监测方法实现对螺钉的拧紧过程，以达到将螺纹连接的轴 向预紧力控制在适当的范围的目的。根据拧紧
过程产生的数据绘制扭矩
‑
转角
‑ꢀ
时间曲线，以便对螺栓拧紧结果做进一步分析判断，确保螺栓装配质量达到 预期要求。同时利用上位软件及通信功能，计算机对拧紧过程数据做进一步 的储存和记录，便于后续查看拧紧过程数据和问题的溯源。
51.如图1至图7所示，本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置较佳实施例包括： 机器人1、控制系统、用于输送待拧紧模块2的上料机构、用于对待拧紧模块2 进行拍照定位的视觉测量模块3、用于根据视觉测量模块3的拍摄结果对待拧 紧模块2进行拧紧操作的拧紧工具4，其中，控制系统分别与机器人1、拧紧工 具4通信连接，上料机构包括机架5、传送带6、料盘7、物料挡板8、阻拦气缸 9、夹紧气缸10和光电传感器11，传送带6安装于机架5上，料盘7放置于传送 带6上，物料挡板8安装于传送带6的两侧，阻拦气缸9和夹紧气缸10安装于物 料挡板8的同侧，且沿传送带6的运行方向前后依次设置，光电传感器11安装 于阻拦气缸9的对侧，位于传送带6的运行方向稍靠后的位置；视觉测量模块3 安装于机架5上，拧紧工具4安装于机器人1上，且视觉测量模块3位于拧紧作 业区域的上方。
52.其中，待拧紧模块2可以包括被拧电机12、被拧电机安装板13和多个拧紧 螺栓。控制系统包括计算机14、交换机15、机器人控制柜16、示教器17，其 中，交换机15分别与视觉测量模块3、机器人控制柜16、计算机14连接，机器 人控制柜16与机器人1连接。
53.作为一种实施方式，本实施例还包括气泵18，该气泵18分别与阻拦气缸9、 夹紧气缸10连接。
54.具体地，计算机14与视觉测量模块3之间采用以太网中的vision gige协议 来进行通讯，机器人1和计算机14之间采用以太网中的tcp/ip协议来进行通 讯，所述的拧紧工具4和计算机14之间采用特定的协议来进行串口通讯。
55.所述料盘7包括料盘支撑板19和对称安装于所述支撑板19底部两端的立 柱20。所述料盘7主要用于托运所述待拧紧模块2，即所述被拧电机12、被拧 电机安装板13和安装螺栓。
56.本实施例中，物料挡板8安装在传送带6的两侧，对料盘7起到导向和阻拦 的作用；阻拦气缸9安装在传送带6运行方向的前方，主要对料盘7起到阻拦的 作用；夹紧气缸10安装在阻拦气缸9后面合适的位置，主要起到对料盘7进行 夹紧作用；光电传感器11安装在阻拦气缸9的对侧，且相对于传送带6的运行 方向稍微靠后合适的位置，主要起到对料盘7的检测作用，判断是否有物料经 过。
57.本实施例可以在复杂的环境下利用视觉测量模块3对不同规格大小的目 标螺栓进行拍照处理，并结合视觉原点和机器人1拧紧位置参考点是产品上的 同一点可知螺栓相对于视觉原点的偏移量等于螺栓相对于机器人1拧紧位置 参考点的偏移量，从而实现对目标螺栓的精准定位，进而引导机器人1带着拧 紧工具4快速的对相应的螺栓进行拧紧处理，同时，控制系统中的计算机根据 拧紧工具4发送的拧紧数据绘制拧紧过程曲线并显示拧紧结果，必要时触发拧 紧工具4进行重复拧紧工作以便达到预期设置的拧紧目标，同时对拧紧过程数 据做进一步的储存和记录，便于后续查看拧紧过程数据和问题的溯源。
58.进一步地，本实施例中，拧紧工具4包括与机器人1连接的拧紧轴21、与 拧紧轴21连接的拧紧轴控制器22，拧紧轴控制器22位于拧紧轴21的末端位置， 与拧紧轴21相连。
59.拧紧轴21包括拧紧批头23、端盖24、联轴器25、扭矩传感器26、减速器 27、伺服电机28和编码器29，其中，端盖24安装于拧紧轴21的前端，联轴器 25分别安装在端盖24与扭
矩传感器26、扭矩传感器26与减速器27之间，减速 器27与伺服电机28连接，编码器29安装于伺服电机的末端。
60.本实施例中，拧紧工具4的拧紧轴21控制驱动器安装在拧紧轴21末端位置， 与所述拧紧轴21相连，主要起到对拧紧轴21的驱动控制以及信号传输的作用。
61.本实施例中，视觉测量模块3主要通过对被拧电机12及配套紧固装置进行 拍照处理，从而得出目标螺栓的准确位置。
62.该视觉测量模块3包括视觉测量组件和安装支架30，安装支架30的顶部为 l形，安装支架30的底部安装于机架5上，视觉测量组件通过l形安装板31安装 于安装支架30的顶部。
63.其中，视觉组件包括从上至下依次同轴设置的相机32、光学镜头33和环 形光源34，其中，相机32通过相机安装板35安装于l形安装板31上，光学镜头 33与相机32的c接口螺纹连接，环形光源34通过环形光源安装板36安装于l形 安装板31上。
64.本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置的整体的工作过程是：
65.系统启动运行后，利用安装在传送带6上并处于相机32视野下方的光电传 感器11对载有被拧电机12和配套紧固装置的料盘7进行检测，当料盘7触发光 电传感器11时，阻拦气缸9动作并伸出对料盘7进行阻拦处理，同时停止运行 传送带6并触发夹紧气缸10动作，对料盘7进行夹紧处理，此时安装在传送带6 旁支架上方的相机32对处在相机32下方的被拧电机12及被拧电机安装板和安 装螺栓进行拍照处理，并将拍照后的处理结果即被拧电机和被拧电机安装板 之间紧固螺栓相对于视觉原点的偏移量传递给控制系统中的计算机，控制系 统中的计算机在接收到被拧电机紧固螺栓相对于视觉原点的偏移量后通过 tcp/ip协议的方式将被拧电机紧固螺栓相对于视觉原点的偏移量发送给机器 人1，然后机器人1带着拧紧工具4运动至相应螺栓的位置进行拧紧处理，并将 拧紧数据通过串口通讯的方式发送至控制系统，最后控制系统根据拧紧数据 绘制拧紧曲线和显示结果，同时根据拧紧结果进行二次拧紧或运动到下一个 螺栓位置进行拧紧处理，直到所有待拧紧的螺栓拧紧结束后该装置退出控制 流程进入等待执行状态。
66.本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置的有益效果是：
67.1、针对手持式拧紧工具存在生产成本高、拧紧精度受人为因素影响较大 的问题，本发明采用机器人搭载拧紧工具的方式对螺栓进行快速地拧紧处理， 有利于提高生产效率、降低生产成本，提高螺纹装配自动化程度；
68.2、针对专用锁螺丝机设备和机器人示教方式装配时不能灵活调整拧紧位 置，也不能根据需要灵活设定或改变拧紧力矩问题，本发明采用视觉对各种 形状布局的螺纹孔进行拍照定位，并可准确设置不同的扭矩目标值，可获得 更高的拧紧控制精度，通用性较强；；
69.3、针对scara机器人拧紧装配方位和载荷局限性问题，本发明采用与负 载相匹配的六轴工业机器人+视觉的方案，解决了因机器人自由度对机器人活 动空间的限制以及机器人的装配超载问题；
70.4、针对机器人搭载的普通电批无法根据拧紧过程中不同螺纹紧固件设置 不同的拧紧工艺、扭矩控制精度较低、以及没有拧紧过程数据反馈功能的问 题，本发明采用具有扭矩闭环控制功能的拧紧工具并根据扭矩控制
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转角监控 的方法针对不同螺栓及紧固件
的材料特性来设置相对应的拧紧工艺，从而达 到较好的控制效果，同时利用计算机中的上位软件与拧紧工具进行通讯，实 时采集拧紧数据并绘制拧紧曲线，有利于对拧紧过程的分析及拧紧结果的判 断，并对拧紧过程数据做进一步的存储，便于实现对装配数据的溯源与跟踪。
71.为实现上述目的，本发明还提出一种基于视觉定位的螺纹拧紧装置控制 方法，所述方法应用于如上所述的基于视觉定位的螺纹拧紧装置，所述方法 包括以下步骤：
72.在所述光电传感器检测到所述料盘时，所述阻拦气缸对所述料盘进行阻 拦处理，所述夹紧气缸对所述料盘进行夹紧处理，并将夹紧信号发送至所述 控制系统中的计算机；
73.所述控制系统中的计算机根据所述夹紧信号控制所述视觉测量模块对所 述待拧紧模块进行拍照定位，并将所述待拧紧模块的位置信息发送至所述机 器人；
74.所述机器人带动所述拧紧工具对螺栓进行拧紧处理，并将拧紧信息发送 给所述控制系统中的计算机；
75.所述控制系统中的计算机根据所述拧紧信息绘制拧紧过程曲线，并显示 和存储拧紧结果。
76.进一步地，所述控制系统中的计算机根据所述拧紧信息绘制拧紧过程曲 线，并显示和存储拧紧结果的步骤之后还包括：
77.所述控制系统中的计算机根据所述拧紧信息判断是否达到预期的拧紧要 求；
78.若达到预期的拧紧要求，所述控制系统中的计算机则对已进行拧紧处理 的螺栓数量统计来判断是否完成本次所有螺栓拧紧任务，若已完成所有螺栓 的拧紧任务，所述机器人则进行回零点运动，所述相机测量模块停止拍照， 流程结束；
79.若没达到预期的拧紧要求，则判断是否存在螺纹拧紧缺陷；
80.若不存在拧紧缺陷，所述控制系统中的计算机则控制所述拧紧工具对螺 栓实现二次拧紧处理；
81.若存在螺纹拧紧缺陷，所述控制系统则显示并记录拧紧异常信息。
82.以下结合图8至图13所示对本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置控制方 法进行进一步的阐述。
83.如图8所示，本发明基于视觉定位的螺纹拧紧装置控制方法的具体流程如 下：
84.步骤1：在系统进入初始化前进行以下准备工作：
85.1)根据系统方案的需求完成对相机、机器人、实验对象等的选型工作， 最终确定以海康威视600万像素的黑白工业相机、普通光学镜头、环形光源及 控制器、拧紧工具以及型号为abb－1410的六轴机器人作为实验对象；
86.2)在安装在机器人末端的拧紧工具批头处安装标定针，完成工具坐标系 的建立工作；
87.3)完成机器人运动控制程序的编写以及拧紧工具的拧紧工艺设计工作；
88.4)将网线分别将计算机、相机、机器人控制器柜通过千兆网卡的交换机 连接起来，并将上述的三者的网络地址设置在同一个网段；
89.5)完成视觉图像处理程序的编写，其中包括对相机的标定、手眼标定、 模板匹配、建立模板坐标系等，以及利用找圆工具等对螺栓的螺帽进行拟合 圆以便确认圆心位置；
90.6)完成上位软件的编写，该上位软件的功能包括：
91.a)计算机和机器人的通讯功能，该功能用于计算机接收来自机器人发来 的机器人准备就绪信号和计算机向机器人发送螺栓的螺帽中心点位置信息以 及拧紧工具拧紧完毕信号；
92.b)计算机和相机的通讯功能，该功能用于计算机实时对相机发送操作指 令和计算机实时接收相机反馈的实时图像或单个图像，用于后续的图像处理；
93.c)计算机和拧紧工具的通讯功能，该功能用于计算机实时对拧紧工具发 送操作指令及拧紧工艺参数和计算机实时接收拧紧工具反馈的实时拧紧数据， 用于后续的曲线绘制；
94.d)实时显示相机拍摄画面的功能，该功能用于实时显示相机拍摄画面的 图像，便于对相机的拍摄画面有更直观的了解；
95.e)调用图像处理程序的功能，该功能用于调用相机拍摄的图像来进行处 理，并输出图像中螺栓的螺帽中心点经图像处理程序处理后的坐标值；
96.f)螺栓的螺帽中心点坐标的显示功能，该功能用于显示螺栓的螺帽中心 点在机器人工具坐标系下的坐标值；
97.g)根据拧紧数据实时绘制扭矩
‑
转角
‑
时间曲线的功能，该功能能够直观 的了解拧紧过程中的力矩变化趋势；
98.h)保存和查看拧紧数据的功能，该功能可以保存实时拧紧数据，并且根 据需要对历史拧紧数据进行查看。
99.步骤2：在完成上述初始化前的准备工作后，系统进入初始化状态，该状 态包括：机器人进行回原运动，检测各个部件的功能是否正常，确认电路、 通讯是否正常，根据螺栓的类型发送相应拧紧工艺参数；
100.步骤3：将装有被拧电机及其安装板和紧固螺栓的料盘放到传送带上并启 动运行传送带，处在料盘上方的电机及紧固装置跟随传送带一起运动；同时 启动光电传感器对料盘进行检测；
101.步骤4：当料盘触发光电传感器时，阻拦气缸动作并伸出对料盘进行阻拦 处理，同时停止运行传送带并触发夹紧气缸动作，对料盘进行夹紧处理；
102.步骤5：计算机收到来自机器人的夹紧气缸动作到位信号后触发相机对传 送带上的被拧电机及其安装板和紧固螺栓进行拍照处理，并调用图像处理程 序对所拍摄的图像进行处理，最后计算机将处理结果即所需拧紧螺栓的中心 点位置发送给机器人；
103.步骤6：机器人带着拧紧工具运动到相应的螺栓处进行拧紧处理并将拧紧 过程数据通过串口通讯的方式发送至计算机；
104.步骤7：计算机根据拧紧数据进行拧紧过程曲线绘制以及显示拧紧拧紧结 果；
105.步骤8：根据拧紧数据判断本次拧紧任务是否达到预期的拧紧要求，若达 到预期的拧紧要求，则流程跳转至步骤13，判断是否完成本次的拧紧任务； 若未达到预期的拧紧要求，则流程跳转至步骤9，判断是否存在螺纹拧紧缺陷；
106.步骤9：根据拧紧数据中的扭矩变化趋势判断是否存在螺纹拧紧缺陷，若 存在螺纹拧紧缺陷，则流程跳转至步骤12，显示并记录拧紧异常信息；若不 存在螺纹拧紧缺陷，则流程跳转至步骤10，拧紧工具对螺栓进行二次拧紧处 理；
107.步骤10：计算机发送再次拧紧信号，拧紧工具对螺栓实现二次拧紧处理；
108.步骤11：判断拧紧次数是否超过3次，若拧紧次数超过3次则认为是拧紧 异常，跳转至步骤12显示并记录拧紧异常信息；若拧紧次数不超过3次，则流 程跳转至步骤8，重新判断是否达到预期的拧紧要求；
109.步骤12：显示拧紧结果异常并记录相应的拧紧异常信息；
110.步骤13：根据计算机对已进行拧紧处理的螺栓数量统计来判断是否完成 本次所有螺栓拧紧任务，若已完成所有螺栓的拧紧任务，则流程跳转至步骤 14；若未完成所有螺栓的拧紧任务，则流程跳转至步骤3，重新启动传送带；
111.步骤14：本次拧紧任务已完成，机器人进行回零点运动，相机停止拍照， 流程结束。
112.如图9所示，为图像的处理流程，在图像处理流程前需要进行相机标定、 手眼标定等工作，确保视觉测量系统能够直接应用到本发明的实验中，其中 图像处理流程包括图像采集、模板匹配、建立模板坐标系、图像滤波处理、 图像动态阈值分割处理、膨胀腐蚀处理以及利用找圆工具确定螺栓中心点位 置的过程，其中图像采集是通过上位软件触发相机进行拍照，并将照片采集 到上位软件进行图像处理；模板匹配是根据被拧电机尾部的形状特征建立匹 配模板，用于确认相机的拍照处理对象；建立模板坐标系是根据模板匹配的 特征建立坐标系，主要用于确定并缩小图像处理区域；图像滤波处理主要是 对目标图像的噪声进行抑制，进行有选择性增强或者抑制，从而突出所需的 图像特征，增强视觉识别效果；动态阈值分割处理主要是取得能够反应图像 整体和局部的二值化图像，进而提高所抓取特征的轮廓对比度，降低了后期 图像处理的复杂度；膨胀腐蚀处理主要是突出螺帽的特征，同时减小背景的 干扰因素，使螺帽的形状在图像中更加清晰；利用找圆工具主要的目的是寻 找的螺帽头部的圆并确定其中心点位置。
113.如图10所示，为拧紧过程的扭矩控制模型图，其中拧紧工艺包括以下几 个阶段：寻帽阶段、螺纹缺陷检测阶段、拧紧阶段、拧紧保持阶段、反拧阶 段，具体工艺如下：
114.1.寻帽阶段(0
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t1)：批头或套筒慢速转动一圈，使批头或套筒与螺栓 相结合；
115.2.螺纹缺陷检测阶段(t1–
t2)：电批转动使螺栓下旋，期间检测扭矩是 否有异常增大情况，若出现异常增大的情况则说明螺纹存在缺陷；
116.3.贴合点检测阶段(t2–
t3)：该阶段检测贴合扭矩，螺栓螺帽下端在t3与联接体贴合，称t3为贴合时刻，对应的点为贴合点；
117.4.拧紧阶段(t3–
t4)：该阶段从贴合点开始根据设置的目标扭矩利用扭 矩法进行拧紧，直到达到设定扭矩值时切换至下一阶段，该阶段可以针对不 同螺栓设置不同的目标扭矩；
118.5.拧紧保持阶段(t4–
t5)：该阶段从达到设定扭矩开始，将拧紧扭矩保 持一段时间，这个保持时间可以根据需要进行设置；
119.6.反拧阶段(t5–
t6)：该阶段对拧紧批头进行适当的反转控制，并非实 际意义上对螺栓进行反松(卸钉)处理，主要是为了卸掉保持力矩以及减小 批头与螺栓之间的摩擦力，便于批头的拔出同时不影响原来的拧紧效果，反 拧角度范围在1到10度之间，可根据现场实际情况进行设置。
120.为了使该控制模型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图 对该模型作进一步的描述。
121.如图11所示，该图是根据上述控制模型的实际应用效果图，其中带三角 形标识的为拧紧过程中的角度曲线，带圆形标识的为拧紧过程中的扭矩曲线， 这两条曲线分别对应左边的角度刻度线和右边的扭矩刻度线，其中横轴为时 间轴，每个数据点的采集间隔平均为50ms。
122.由图11可知，拧紧工具从开始大致转动半圈的时候寻帽成功，该阶段扭 矩传感器测得的扭矩从零缓缓上升到一定值，并切换到螺纹缺陷检测阶段； 在螺纹缺陷检测阶段拧紧工具快速转动使螺栓下旋，并实时监测扭矩值，扭 矩达到设定的贴合点扭矩值时切换至拧紧阶段；在拧紧阶段拧紧工具根据扭 矩法对电批进行控制，使拧紧扭矩逐渐上升至设定值，当达到扭矩设定值时 切换至拧紧保持阶段；在拧紧保持阶段拧紧工具根据所设定的保持时间将上 一阶段的目标扭矩保持一段时间，达到保持时间时切换至反拧阶段；在反拧 阶段拧紧工具根据位置模式进行适当反转控制，卸掉保持扭矩以及减小批头 与螺栓之间的摩擦力，但同时不影响前面的拧紧效果，图11中该阶段的反拧 角度为8度，图11中的反拧阶段的局部放大图如图12所示。
123.如图13所示，为本发明开发的上位软件中的拧紧曲线显示界面，该上位 软件基于.net语言在visual studio进行开发，其包括通讯、图像显示、图像处 理、拧紧曲线显示、拧紧工艺设置等功能。其中图像处理功能为调用美国 cognex公司旗下的visionpro软件生成的图像处理文件来对所拍摄的图像进行 处理。
124.本发明基于视觉定位的螺纹拧紧方法的有益效果是：
125.1、针对手持式拧紧工具存在生产成本高、拧紧精度受人为因素影响较大 的问题，本发明采用机器人搭载拧紧工具的方式对螺栓进行快速地拧紧处理， 有利于提高生产效率、降低生产成本，提高螺纹装配自动化程度；
126.2、针对专用锁螺丝机设备和机器人示教方式装配时不能灵活调整拧紧位 置，也不能根据需要灵活设定或改变拧紧力矩问题，本发明采用视觉对各种 形状布局的螺纹孔进行拍照定位，并可准确设置不同的扭矩目标值，可获得 更高的拧紧控制精度，通用性较强；；
127.3、针对scara机器人拧紧装配方位和载荷局限性问题，本发明采用与负 载相匹配的六轴工业机器人+视觉的方案，解决了因机器人自由度对机器人活 动空间的限制以及机器人的装配超载问题；
128.4、针对机器人搭载的普通电批无法根据拧紧过程中不同螺纹紧固件设置 不同的拧紧工艺、扭矩控制精度较低、以及没有拧紧过程数据反馈功能的问 题，本发明采用具有扭矩闭环控制功能的拧紧工具并根据扭矩控制
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转角监控 的方法针对不同螺栓及紧固件的材料特性来设置相对应的拧紧工艺，从而达 到较好的控制效果，同时利用计算机中的上位软件与拧紧工具进行通讯，实 时采集拧紧数据并绘制拧紧曲线，有利于对拧紧过程的分析及拧紧结果的判 断，并对拧紧过程数据做进一步的存储，便于实现对装配数据的溯源与跟踪。
129.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换， 或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。