机械手组装线数字化引导与检测技术的协同应用与性能评估

摘要：本论文首先指出了机械手装配线当前面临的挑战和问题。接着，深入研究了机械手组装工艺，包括各个组装站的工艺流程，以及基于视觉引导策略和数字化引导技术的人工组装和自动组装。最后，提出了机械手自动检测方案，设计了检测方案思路，并进行了相应的实验，包括治工具模组、FUT/ Run in负载测试、重复精度测试、臂长与垂直度矫正等。本研究为机械手在装配线中的应用提供了全面而深入的理解，并提出了数字化引导与检测技术协同应用的有效解决方案。

关键词：机械手装配；数字化引导技术；自动检测方案；视觉引导

引言

机械手在现代制造领域中扮演着关键的角色，其广泛应用于装配线，为生产流程提供高效、精准的自动化解决方案。然而，随着制造业的不断发展，机械手组装生产线面临着诸多挑战，目前主要是人工操作电动工具及一些辅助治具进行装配，机械手的生产效率和错误率不能很好的得到保证，如零部件错误装配、装配精度要求的提高等问题。为解决这些挑战，本研究聚焦于数字化引导技术与自动检测方案的协同应用，旨在提高机械手组装线的性能与效率。

1机械手装配线的重要性和广泛应用

1.1机械手的概念

机械手是一种能够模仿人类手臂运动的机械装置，通常包括关节、执行器和传感器等组件，用于执行各种任务[1]。其设计灵感来自于人的手臂，可以通过程序控制进行精确而灵活的动作。

1.2机械手的广泛应用

机械手在工业装配线上广泛应用，其高度灵活性和可编程性使其成为自动化和智能化领域的重要组成部分。机械手擅长执行重复性、高精度的任务。例如，在物流领域，机械手用于搬运、分类和包装货物，提高物流操作的效率；在手术室中，机械手辅助手术，提供更精准的操作和更小的创伤等。

1.3目前存在的挑战和问题

目前机械手组装面临着一些挑战和问题，需要针对性的解决方案。

首先，在机械手组装过程中存在零部件装错问题，装配错误会影响整个系统的性能和稳定性。其次是检测安装扭力值，确保每个螺纹连接都达到正确的扭力值是确保机械手装配质量的重要指标。此外，追溯装配过程对于质量管理和问题排查至关重要，但当前装配线多使用手动记录，这容易出现遗漏和错误。最后，机械手装配完成后，必须确保其运行情况和精度能达到设计要求，然而，目前的手动检测耗时较长且不够精准。

基于此，本次研究将应用视觉引导策略和数字化引导技术，解决机械手组装线上的种种难题，并根据自动检测技术搭建多工集成测试平台，优化机械手组装性能。

2机械手组装工艺研究

2.1组装工艺流程

2.1.1第一站

在机械手组装过程中，首先进行基座的安装，确保系统有稳固的支撑。随后，固定警告标志以提醒操作人员注意安全事项。通过模块化连接器，为传输电流、信号或能量做好准备。安装马达和J1减速机，确保它们处于正确的位置和方向。对轴承座进行预加工，为后续的轴承安装做准备。最后，对7R轴和J4轴上的马达进行预加工，为它们的后续安装和调整提供基础。

在机械手组装过程中，采用自动锁付技术，将基座上的马达和减速机模组牢固地固定在位。同样利用自动锁付机制，确保限位螺丝牢固地固定在基座和其他组件，使机械手能在运动中能够准确地定位，提高其精度和可控性。自动锁付限位螺丝的使用简化了安装过程，同时确保了螺丝固定的扭力值和稳定性。

2.1.2第二站

第二站工作首先对J1轴的减速机进行位置校正，确保其在基座上的准确安装，以满足机械手的运动需求。使用自动锁付机制将X臂上的J2轴减速机牢固地固定在位，在Y臂、花键以及R轴从从轮上进行预加工处理，为后续的组装和调整提供准备。在机械手装配过程中，进行皮带的安装以及锁轴承座的预加工处理。使用调整固定钣金进行锁轴承座的调整，以确保其在正确的位置，并牢固地固定在机械手的结构上。

2.1.3第三站

在第三站，本研究利用自动锁付技术确保J4和J3轴上的马达模组、螺杆模组、花键螺帽以及X臂与Y臂模组安全锁定，保障其准确位置和可靠运行，为整体性能提供支持。

2.1.4第四站

首先，精确测量J3轴皮带的张紧度，确保达到标准，以保障该轴运动的准确性。接着，调整J3轴的固定机构，确保在运行中保持稳定和准确。然后，测量J4轴皮带的张紧度，确保保持适当张力，以确保J4轴运动平稳。进行J4轴固定机构的调整，确保在运行中保持稳固连接，保证可靠性。最后，利用自动锁付技术，确保J2轴上的马达被牢固锁定。

2.1.5第五站

第五站首先对J2、J3和J4轴上的马达进行理线操作，确保电线连接正确，以保障各轴的电气正常运行。随后将波浪管牢固固定，以确保机械手在运行中的结构稳定性。利用金属锁具固定侧板，确保机械手结构的牢固连接。最后，进行气管、地线和基座底部电线的连接操作，确保气动系统的安全正常地运行。

2.2基于视觉引导策略的人工组装

本次研究使用视觉引导技术，为人工组装提供直观的可视化引导，使操作员能够准确地完成装配任务，并引入监控系统，指导操作员正确选择零件和使用工具，确保在组装过程中选用正确的工具。

研究利用自动供料模组，实现对零部件的自动供应，提高装配效率并减少人工介入。通过引入扭力自动对比技术，确保锁付操作达到预定扭力值，提高组装质量。此外，实施自动防呆纠错机制，确保锁付操作按照正确的顺序进行，防止组装错误。通过监控锁付曲线，操作人员可以实时了解锁付过程中的变化，以便及时调整和优化组装策略。装配线还设立了不良材料集中收集点，对不良零部件进行集中处理，确保组装过程中的质量控制。

2.3基于数字化引导技术的自动组装

在人工组装的基础上，研究通过数字化引导技术，实现了自动组装过程中的视觉定位和角度位置的智能补偿，提高装配的精度。并引入了智能快换电锁模组，使电锁工具能够迅速实现更换，有效提高了自动组装的效率。

此外，研究建立了标准生产流程与作业规范，通过数据存储、数据可视化与硬件相结合的模式，增加作业防呆，防止作业错误。并且收集存储制造过程中的相关生产测试数据，实现过程以及结果的追溯。通过多设备互联，屏幕显示指引各工序状态，实现各设备的设备状态监控，实时掌握生产状态。

3机械手自动检测方案

3.1检测方案设计思路

在机械手装配领域，组装完成后还需对产品进行检测，本次研究引入多工集成测试平台，以实现对多个参数的同时测量，提高检测效率和全面性。检测系统设计载具接头自动对插系统，以确保测试载具与被测对象之间的精准对接，提高测试的准确性。同时，引入智能快换测试模组，使测试模组能够快速、灵活地更换，以适应不同测试需求，提高测试的灵活性。一键测试系统集成五个测试功能于一体，提高了测试效率和便捷性，如图3-1所示。最后，检测数据将实时上传至MES，完成装配线数据的共享和分析。

3.2自动检测实验

3.2.1治工具模组

此模块将针对治工具的设计和应用进行自动检测实验。在实验中，研究关注治工具模组的性能、精度、以及与机械手组装线的协同性。通过自动化的检测过程验证治工具模组在实际操作中的稳定性和有效性，为机械手组装线的后续工作提供可靠的基础支持，如图3-1所示。

3.2.2FUT/ Run in负载测试

FUT/ Run in负载测试旨在评估机械手组装线中FUT（功能单元测试）和Run in（磨合测试）阶段的性能和负载承受能力[2]。通过负载测试，研究可以验证机械手在运行和磨合过程中的稳定性、可靠性，以及其在不同负载条件下的适应性。

实验根据负载测试的目的设定测试条件，包括负载级别、持续时间和运动轨迹，随后机械手按照预设条件执行各项任务。在测试过程中，机械手的运动、负载承受情况和系统性能等数据被设备如实记录，这一实验将为确保机械手在实际生产中达到预期性能提供重要数据支持，如图3-1所示。

3.2.3重复精度测试

在工业生产领域，机械手多担任重复且高精度的工作，重复精度测试旨在评估机械手在多次操作中的稳定性和一致性[3]。

在实验开始前，首先需对机械手进行初始校准，确保准确性。之后根据需要选定典型任务，并设置重复次数和时间间隔，让机械手按任务执行多次测试，确保初始条件相同。此过程中，自动检测设备将自动记录执行结果，包括位置、速度等。上传至MES的数据将通过统计学方法和图表被分析，评估一致性和精度。根据测试结果，如果发现有重复性问题，进行机械手的调整和优化。可能需要重新校准、更换零部件或进行维护。在进行调整和优化后，重新进行一轮重复精度测试，以验证改进是否有效，确保机械手的性能得到提升，如图3-1所示。

3.2.4臂长与垂直度矫正

在机械手处于初始状态时，首先测量臂长和垂直度的初始数值作为基准。然后，根据设计规格和生产要求设定臂长和垂直度的目标值，确保机械手达到预定的准确性。根据测量结果和目标值，对机械手的臂长和垂直度进行调整。调整完成后，再次测量机械手的臂长和垂直度，确保调整效果符合设定的目标。进行多次运动测试，验证机械手在不同工作姿态下臂长和垂直度的稳定性，确保在各种情况下都能保持准确。对机械手在调整后的性能进行评估，确保其在生产线上能够满足要求的臂长和垂直度标准，如图3-1所示。

3.3实验结果评估

本次实验评估数字化引导技术与自动检测技术的协同应用对生产效率的影响，包括装配速度和工作周期的改善等方面，以确保系统在生产线上的高效运行。

通过MES制造执行系统（Manufacturing Execution System）提供的机械手组装生产线的运行效率，包括产量、产能利用率、停机时间等指标显示，本研究生产效率得到了有效提升。根据系统显示关于产品质量的数据，如不良品率、良品率、质量趋势等，显示本次研究机械手质量良好，组装错误率较原有生产线降低。本次实验证明，数字化引导技术与自动检测技术在机械手装配中的协同应用是一条可行的生产优化路径。

4结语

通过对机械手组装线的数字化引导与检测技术协同应用进行深入研究，本文取得了一系列积极的实验结果。首先，通过数字化引导技术，成功解决了零部件错误装配的问题，为机械手的高效运行提供了可靠保障。其次，基于视觉引导策略和数字化引导技术的自动组装方案，显著提高了组装精度和生产效率。然而，研究也意识到实验中存在一些不足，如在特定条件下性能的波动。未来，针对不足之处，研究将引入更先进的算法和技术，以增强系统的稳定性和鲁棒性，为制造业的智能化发展做出更为重要的贡献。

参考文献

[1]杨楚歆，梁华轩，阮毅等.基于多轴机械手的超声波雷达PCBA自动组装设备研究[J].机电工程技术，2023，52（08）：72-80.

[2]秦春林，石建刚，任帅.枕簧智能组装机器人系统方案设计与分析[J].机床与液压，2023，51（07）：122-129.

[3]王新平，王永刚，王子浩.铁路货车制动梁组装机械手移动控制方法[J].铁道机车车辆，2022，42（04）：96-101.