传感技术在装配系统中应用

1、 说明

在现代市场需求及越来越多可用的自动化装置和机器人的推动下，一种新型的装配系统在去年应运而生。在两篇关键性的文献中（41，80），描述了这种在全球化推动下产生的装配系统从1980年以前典型的专一装配机器到应用了机器人和灵活伺服机构的可改装系统的演变。它还指出一种理想的装配系统应该具有较高的生产效率、良好的灵活性和机敏性。后两点说明在传统的收工装配车间中也非常容易实现，且仍然在各个领域和各个国家占有重要的低位，但是在高自动化系统中却较难实现。在特殊的灵巧性装配工作中，i.e人们喜欢由装配机器人来完成装配工作。因此，在工业应用中要求具有可靠高效的感知反馈环节。所以，不论在开发新型装配车间的思想中还是对现有转配车间的自动化改造中和解决最近产生的装配问题中，无不体现了传感器的重要性。

传感器在装配工作中的重要性远比监视机械工具的重要性大，一般的传感器在装配车间经常具有广泛的应用，甚至比在高自动化的机械系统中的应用更加频繁。这是因为在装配操作比一般其它操作都难，经常产生或要求复杂的运动。另外，即使是装配机器人在已规划的工作环境中操作，像工件的形位误差、未知的工件位置等可变因素也经常影响装配进程。而且，装配任务的品质要求使其包含自动检测环节成为必要。

适当传感器的安装也适用于像工业机器人、可操作的气动伺服装置等具有较低的位置精度和顺向的经济优势的标准的机械。

传感器的另一种优势表现在具体的操作过程阶段。事实上，相同的传感器可以被用于对简单、快速的操作和轨道插入的过程控制，自从传感器自身可以在操作阶段提供正确路径所必须的信息，一种高位置精度的末端机构不再需要经历自学习阶段。另外，自从传感器能够补偿计算机辅助设计的收搜索精度时，使得线下操作过程更加容易和有效。

自从传感器的重要性在1978年的一篇主旨性文章中（149）被强调以后，装配系统的变革是显著的，很多工厂开始在他们的装配车间使用传感器，在传感技术的影响下机器人的研究也创造出了很多效益各种新型的传感器，各种新型的传感器也已经投入到了市场。正因如此，它在考察和讨论传感技术的发展现状种都非常的重要，不论在工业还是为获得传感器的主要应用、现存问题和发展趋势的研究。 2、装配系统操作

除了像清理、去毛刺等辅助任务外，在装配车需要传感器的主要操作可以分为以下几类：

? 部件匹配：径孔匹配，孔径匹配。多孔径匹配是这种需要传感器辅助装配中的典型操作，因为单一或多孔径的配合很容

易受到配合间距、零件误差和装配机器人精度的影响。

? 工件连接：这种工作估计占据了整个装配工作的50%。例如：

? 需要监视和检查扭矩的等连接质量的螺栓连接装配。 ? 必须控制应力的压力配合。

? 必须检查材料多少及连续性的胶合及密封装配。 ? 在航空制造业非常流行的铆接装配。

? 工件处理：自动进给装置和机器人手抓在工件的位置不完全预知或在操作过程中可以自身被改变的时候，经常要求有好

的感知能力。

? 工件识别：对生产线上随即提供工件的位置和角度的识别是不可缺少传感器的典型应用。

? 为较好的控制提供检测：在印刷电路板（PCBs）上焊接电子元器件，必须控制焊点体积和形状，是这种应用的典型例子。 另外，传感器在新兴产业和应用领路也是同样的有用或不可或缺：

? SMDs（表面贴片元器件）的自动焊接在现代电子工业，特别是在3-MIDs（摸具器件一体化）领域非常的盛行。 ? 在汽车工对装配过程中，对很难控制和处理的易变形工件的装配。 ? 为重复利用，在产品状况不可预知条件下的自动拆解工作。 ? 尺寸效应可能导致不可预见后果的微型工件组合。

关于传感技术在转配系统中应用的文献是非常广泛的，甚至更为广泛的机器人学领域也包括。这篇文章是在对各种参考文献辩证的分析和对CIRP成员、传感器生产厂家和使用装配车间的工业界的用户以问卷的形式调查后写的。 像机械式、电容式、电感式或微动开关式传感器均不在本文的考虑之列，即使在装配车间有着大量的应用。 2、 装配系统的传感器

根据传感器在上述工作中的典型应用，可以被分为以下3大类：

? 应力传感器，能够测量由于两个或更多的工件接触而产生的应力，像测量机器手指抓去物体或孔径接触应力等。它们的

主要操作处理功能单元可以被分作： ? 力传感器； ? 触觉传感器；

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? 传感适配器。

? 三维空间传感器，可以测量三维空间量（工件形状、位置识别、定位、或简单判别物体的存在）。按照前面的规则，它们

也可以分作预处理测量（像抓取前的工件识别和定位）或后处理测量（像在装配过程中最后的工件检测） 。这种类型的传感器主要了一分为： ? 光学传感器； ? 视觉传感器； ? 机械探头； ? 位置传感器。

? 其他传感器。其他一些典型的传感器应用在一些专门的试验或其他一些与装配操作相关的检测任务。其中，最最要的一

些是：

? 温度传感器； ? 压力传感器； ? 听觉传感器； ? 加速度传感器。

表1 总结了应力和三维传感器在装配操作中应用。

作为对文献资料的分析结果，图1a给出了在装配系统中用到的主要几种类型传感器的图解分布。图1b 显示了力学和视觉传感器在装配操作中的应用分布。 3.1 力学传感器

使用力学传感器的构思是能够产生一个与两个物体接触力相对应的信号，在自动装配系统中采用的第一种解决方案是获得一个电压信号提供可靠的反馈。

这种类型的传感器可以分作两大类：数字式和模拟式传感器。第二种分类方法是基于传感器所能测量的力的维数：从一维传感器（如通常我们所知道的称重传感器）到能够测量6个自由度上的力和力矩的力/力矩传感器（F/T 传感器）。再一种分类方式是根据的它们的原理。最普遍的是测量由作用在可形变结构上的外力所引起的拉伸量。这种测量方式通常表现在电子应力计上（由于它们的高可靠性、易操作性和低成本），但是，其他的一些系统也采用诸如压电式、电感式、电容式或涡电流式传感器，电位器等。力学传感器在装配系统中的重要性同样也体现在操作者对它的选型和安装过程中，如图2所示。传感器的选型，基于不同的考虑，主要涉及到传感器所能测量的力的维数、重量、体积及灵敏度等。 比较常见的应用有：

? 用于由程序错误或其它不可预知的情况引出的过载识别。这种应用主要通过安装在关节部位可以测量一到三个方向力的

数字传感器来控制。为防止机构之间的碰撞，这种装置可以与伺服系统集成在一起。

? 抓取，涉及到抓取力的控制，通常由安装在机器手指上的单向力传感器或通过更多传感器测量关节部位的载荷来实现。 ? 通过安装在关节部位的力传感器判别工件是否丢失。只要现场的工件对测力传感器有影响，这种操作就具有可行性。通

过对该传感器的输出与一个参考值的比较，丢失的工件将可能被发觉。适用于螺栓连接、压力连接、铆接或插入式操作。 在螺栓连接操作中，力传感器用来测量力矩，通常与电动板手集成在一起。一种典型的配置如图3所示的用涡电流传感器测量力矩的结构。两个有纵向狭缝的空心圆柱被安装在主力矩轴上的同轴线圈上。一套固定在空心圆筒周围的线圈由高频电流供电。通过轴的旋转，在线圈上有一个相对表面面积成比例的感应电流。通过主轴的扭转，对准狭缝发生变化，造成相对表面面积增加，通过测量线圈能量的减少一种变化的涡电流就能被检测到。

在压力配合中，由于没有旋转组件，测量力就相对比较的简单。在市场上可以找得到这种集成了压力传感器的液压系统。这种方式通过控制系统监视压力功能和压头的位置。

在嵌入式配合中，力的测量是成功完成操作的基本测量，一种普通的应用就是在机器人关节部位安装的力矩传感器：在线6自由度的检测允许检测异常，因此，应用在恢复程序和产生新的柔性动作。 3.2 触觉传感器

我们可以这样定义触觉传感器，一种可以测量两个物体之间的接触压力的装置。它和力传感器的不同在于它所提供的功能上，不仅仅测量合力，而且还可以感知力在接触面上的分布，适用于对两个组件接触面更加详细的测量评估。

这种传感器被做成包含一系列敏感单元的矩阵薄片，能够测量整个接触表面的受力情况。为了在处理和转配操作过程中获得详细的接触状况信息，从这种装置输出的数据通过模式识别技术可能被细分。

数种传感变送原理已经在这种传感器中试验。其中一种由导电弹性材料组成敏感单元的传感器，它原理是随作用压力的改变其电阻发生变化（压阻效应）。通过测量每个敏感单元的电阻使评估压力分布成为可能。

当前可用的第二种变送器由聚二乙烯构成敏感单元—影视用来传播和接收超声波。每个基本单元基于一个阴性的衬底并被一层薄薄的橡胶覆盖着。在工作过程中，这些敏感单元发射出超声波脉冲，穿过橡胶层碰到物体表面是再次返回到敏感单

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元，脉冲的传播时间是和接触压力的大小成比例的（因为橡胶层的厚度是随接触压力的改变而改变的）并且能够被这些敏感单元检测出来。

触觉传感器通常安装在机器手指的指尖表面或直接与被抓取或被装配工件相接处的工作台表面。如图4 所示。 典型的应用涉及到：

? 识别工件及其位置判别。这种操作可以通过安装在工作台上的触觉敏感阵列来实现：通过对敏感表面压力分布的分析，

工件及其位置就会被检测到。

? 确认抓取操作（工件是否到位、抓取力控制等）。获取机械手抓和工件之间的接触压力分布及更加详细的信息，如检测

具体的抓取位置，探测工件是否有滑动等。

? 辅助执行高精度的嵌入式配合。与力学传感器相似，触觉传感器也可以用来主动消除前入式配合的偏差。校正可以在检

测手指与被抓取物体的接触压力中执行，如图4a所示；或检测整个工件与工作台的压力功能中实现，如图4b所示。 在使用这些传感器时涉及到的主要问题表现在以下两个方面：敏感单元表面的易损性和为得到可靠的传感器输出而执行的复杂算法。特别是第一个方面是至关重要的，因为它很大程度上限制了这种传感器在工业实践中的应用，如我们熟知的一样，在工业环境中的长时间实用会造成传感器的敏感表面快速的磨损寄传感器输出信号的不稳定。通常用一些可更换的垫子来解决这个问题。

3.3具有感知能力的柔性装置

众所周知， 在轴孔配合操作中，为了能根据装配过程中产生的力量和力矩，修改机器手爪的位置和方向，避免卡死现象，并正确地完成操作，自动控制装置应该遵守一个适当的规则 。这就是伺服装置的工作原理，特别是像RCC设备（远程伺服中心），这种用以完成轴孔配合检测系统，是最典型、最实用代表。

这些设备.依靠一个适当的结构找到适合于系统的中心，接近于轴和孔之间的一阶接触点， RCC标准配置是基于3个分别被安装在两块板上的能保证适当柔性的弹性轴承，来完成机械关节和抓取器的链接。 其他装备，虽形式不同以往，但都是基于已在各种实验中取得成功的这一原则（4,119）

然而一个RCC不能被视为一个传感器，因为它不生产一个可用于主动控制的操作与主题相关的物理量信号，它可感知变形。这就是熟知的IRCC（仪器化了的RCC） 。它也可以估计设备的变形值和在装配过程中使用多大的力。IRCC的行为像一个力传感器，但此外，它在其它方向上的柔性， 使得它适用于快速插入装配。

具有感知能力的柔性装置通常有两种形式。其一，由传感器与内部装置结构组成一体化的结构器件（64）；其二，由各种独立安装的无源器件和安装在机器人关节上的力传感器组成（18，93，157）。

关于第一种方法的例子在文献第33页中所提到的用来感知和执行的气动装置中有相关的说明。该设备由3个简单的气动传感器和三个径向安装的驱动器组成 。横向负荷会导致相应的传感器增加输出的压力，并导致横向驱动器扩充，造成在线装配装置在应力方向上的运动.一种附带F /T传感器的柔性系统被用在了盘行结扎机器人装配系统中。

第二种应用的例子描述在（84页）：安装在腕部无源器件是为了在螺旋操作中补偿横向和角偏差，如果误差太大，被动系统不能正确运作;这种情况是由一个光学传感器检测到一个孔洞，检测力传感器能停止插入和激活这个孔洞的搜索程序，一个有趣的研究关于螺栓和洞角度之间的最高容许的偏差，设计这种有用的设备在（51页）中做了相关的介绍。

在 145页中描述了一个特别配置。一个5轴柔性肘节已经被用于在了紧密配合插入中，如图5示。这个装置可以根据两个不同的策略不被用作：在纯粹被动的调整中，通过调整马达的扭矩来设置每个轴向的刚度; 在纯粹纯主动调整中，通过力传感器所产生的信号实现对每个轴的进行闭环控制。 通常来说，有关这些系统主要问题可归纳如下：

? 较低的适应性：在大多数例中，根据部件的尺寸，配置一个无源器件要人工设置；

? 要正确的使用这些系统，一般需要部件上存在倒角.然而在没有倒角的轴孔配合中就需要辅助的传感器； ? 该伺服系统可解决横向或斜插入困难。

3.4 光学传感器

光学传感器可被定义为一个使用光从环境中获得信息的仪器，它们基于两个部分：一个光发射器（灯 发光二极管，低功率激光，等等）和一个接收器如光电三极管，光美电阻，最终排列在单一或二维阵列上的一个PSD（位置敏感设备）。从光源发出的光可被设计成透镜，镜子，光纤维，等的接受器接受。在测量功能方面工作原则的多样性可得到实现。在这里，光学传感器可主要分为以下几类：

? 二进制传感器（102） 。他们能感知存在着的通过对象被中断或反射的光束。如果妥善放置.它们能提供一部分位置和

方向的资料;

? 位移传感器（109） 。他们测量一个基于参考距离方面对象的小位移，发光体所产生的光经过物体表面的漫反射并聚焦

在PSD上。 如果PSD的表面是移动的.光斑（由PSD截获）的移动与其一致，并产生变化的输出信号（三角原则）。这

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种传感器通过感知弹型结构的形变也可以用作力的测量。

? 激光扫描仪（132） ，他们激光束主要是对工作区扫描和检测反射光阵列传感器.这些装置通常能够提供关于整体扫描

表面上反射光线的强度的信息，用以侦测异常（用参考地图比较它）或关于在扫描表面中高的部分（三角原则手段） 。 为的是侦测缺陷失踪部件等'

? 光学测微机 这些光学传感器能够 识别一部分的尺度和位置。 典型的配置构成是能发出1 束平行的光通量灯和由线性

光敏元件所做出的一个接收机.一个通量被对象中断的部分的宽度和位置可以很容易地检测出来.这些装置敏感度通常达到1 0时;（高达0.1um）激光扫描测微计可获得更好的价值。 在集成设备中. 这些传感器较为普遍的应用在以下方面

? 部件识别.光学侧微机或二进制传感器可以侦测到的一些部分的特征（ 形状. 位置或方向） 。一个有趣的应用是在自

动进给中面向不稳定物体所出现的问题（15.113.137.162） 。在这些位置点.事实上标准装置（滑动片， 叶片，扇贝等）不足以正确给零件定位;二进制的传感器可应用于侦测沿所假定进给方向部分的位置，相应的，来启用更方便程序（推出部分，驱动器定位程序.等） 。另一个应用是通过放置在末端二进制传感器阵列确定抓取对象的位置和形状。 ? 组装前后的检查。 关于位移传感器的典型应用： 测量电路板的变形.测量电子元件针脚的挠度，现场部分的检测，测

量胶粘物或密封物厚度.典型的优势在于非接触测量（例如 ：操作更快. 固定装置安装传感器.等） ：相对的.它们的准确性，受到表面反射性的影响. 也可以通过光学测量机来检查.例如在（150） ，在插入前激光传感器能正确控制几何螺栓型螺丝。

? 嵌入式误差补偿。 可采取很多的方法来解决这一问题。第一例子 由光学测微机组成的用来检测集成电子系统插入孔的

位置（62.97） ： 印刷电路板和机械手之间的定位误差 是通过扩大激光束投影在PSD上的电子板的洞穴的被感知到。 3.5 视觉系统

视觉系统的一个非常强大的装置，它通过在相对较短的时间从图象提取大量的资料，来识别制造环境（140）但是由于其高成本，其方便性需要有适当评估和考虑到与其他更常规传感器，其安装执行情况有差异。

在组装系统中.这一装置已得到广泛的应用（123） 。尤其是最近几年.，其中一个很深刻的印象是精度提高和已获得计算速度：高分辨率CCD相机因合理的成本目前使用的很普遍。

由于一个视觉系统任务是获得一个图象和提取物它的三维信息.它操作使用是有限的，例如部分识别.部件检查和错误补偿.

图.7显示的在电路板检测中一个典型应用。

差动变压位移传感器常常用于在装配过程中需要直线移动的设备的位置控制；一个例子是，1. 引言

由于现代市场需要及自动化、机器人学设备的发展之下，新型装备系统去年得到了一定发展。最近的两场演讲报告描述了全球化经济大潮下装备系统的发展； P7-10

一些典型装置的例子：

零部件识别。在这领域一个最普通的应用是确定随意放置于托盘中的物体的位置和方向（32，140，152）。（70，121）页：一个特殊系统描叙并涉及基于3D现场模型，用于识别在工业现场中处于任意方向的零部件的灰度标尺系统的开发。其它一些例子是多功能系统关于跟踪和扫描在传送带上，朝自动送料机传送的不稳定物体的工作尺寸的三维测量技术（P140）。举一个有趣的例子，一种定量分析三维几何实体信息的方法是对单一的实体图片及其镜像的描述进行计算。 开机前和使用中组装设备检查. 大量的应用已付诸实践，特别是在电子装配这一领域。一个特例是由SMD元件组分装配而成的，它说明使用视觉系统以在焊接及有墓碑效应的加工等步骤之前查明诸如组分误放或缺少元件等反常现象是有必要的。一个关键的问题是配置的照明系统可以大大简化图像分析；一个商业系统的例子如图8所示：一个可编程的光学系统，周围安放相机的物镜，环绕4个可以产生适当阴影的，独立驱动元件来检测诸如缺少零件，导柱没有核准等问题。光学结构检测常用于获取及整理粘接焊料分布情况的三维图像，色彩使软焊料过量或不足引起的工位确定难的问题变得容易。

插入误差补偿。在这个应用领域，最常见的设备仍然与电路装配有关。例如，一个与机器人手臂联为一体的特殊传感器，其作用就是使确定电容器引脚在电路板上的装配位置变得容易。由于机器人手臂上安装的旋转系统，一个相机能呈现两个图像。这样一个三角立体测量程序在图像上运行。这个问题以前是用使用两台相机来解决的。

使用视觉系统在装配过程中出现的主要问题有：a）测量准确度，它取决与许多参数，例如相机效果，光学透镜效果，光线，测量范围等等;b）系统口径测量，值得一提的是装配为体的关键是操作必须十分准确;c）十分昂贵的软件开发;d）大量三维图像处理时间. 3.6机械探测

众所周知，机械探测能通过探针和物体表面的接触来定位物体上的点。探针一旦接触物体表面就会发生弯曲，一个探测信号

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