集成多功能RGV設備的技術研究與應用*

呂德領

（上海拓璞數控科技股份有限公司，上海 201108）

引 言

有軌制導車（Rail Guided Vehicle, RGV）作為一種軌道式引導車，在物料運輸中具有高效的搬運能力和自動化的特點。隨著自動化的不斷發展，RGV的應用更加廣泛。

現有RGV設備普遍采用標準軌道，因軌道固定、行走平穩，停車位置比較準確，適合運送重型、大型工件。RGV具備自動化的特點，通過預設的程序和導航系統，RGV能夠自主操控和導航，實現自動化運行。RGV可以完成物料的取料、送料和搬運等操作，具有轉運貨物到指定位置的功能，適合完成物流生產線上簡單的任務。文獻[1]闡述了RGV在冷軋鋼管生產線物流系統上的成功應用。文獻[2]描述了一種RGV運輸車的結構組成及電氣系統設計，為車間的物料搬運工具提供了新的選擇。

某筒段工件以前采用RGV承載工件、人工對接的方式進行安裝，需要根據工件的位置人工調整姿態完成裝配，人員勞動強度較高，且對接精度不易掌握。為了提高對接精度和實現自動化，需要設備能夠自動到達指定位置，自動完成調姿對接及質心測量任務，同時還需具備防爆功能。應用自動化技術和設備并結合機械設計，可以在生產環節進行創新[3]，提供適合用戶的高效設備。

RGV特殊的使用環境及功能要求提高了設備的設計難度。經過不同方案的比較和論證，決定采用多功能集成的常規RGV平臺。設備的關鍵技術是采用視覺測量模塊及其算法來指導多軸調姿部分的運動。工件的姿態調整過程需要多軸協調控制，是一個較為復雜的驅動問題，需相互配合控制[4]。設備集成了質心測量功能，工件不需要再轉運到專用測量設備上就可完成質心的測量，提高了生產效率，實現了自動化。

1 設備整體介紹

設備采用模塊化設計，提高了設備不同配置的靈活性。設備由車體（行走）部分、調姿部分、視覺測量部分、質心測量部分、控制系統等組成，如圖1所示。

圖1 設備主要組成

RGV底部的車體部分用來驅動車體運動并支撐上方的調姿部分和質心測量部分。每臺RGV上設計有兩套調姿部分，調姿部分的運動軸從下至上依次為X軸（工件軸線水平方向）運動組件、Z軸（豎直方向）升降座組件、Y軸（工件徑向水平方向）運動組件和A軸（繞X軸滾轉）托座組件。

設備車體整體運動到指定位置，測量部分測量數據，調姿部分運動、回轉，使工件自動到達合適位置并完成對接任務。設備前后側調姿機構的各功能組件可同時或單獨運動，完成姿態調整。

2 設備功能介紹

2.1 車體部分

車體部分（圖2）為組合式結構，非整體焊接。電池和電柜安裝在底座上。底座采用雙驅動方式，驅動力足夠且運行平穩。RGV通過色帶進行導航，實現整車自動運動到指定位置。

圖2 車體部分

車輪外圓和擋邊處鑲嵌不銹鋼層，防止與車軌摩擦產生火花，表面硬度不低于HB260，提高表面硬度可以減少磨損。同種型號車輪的接觸外徑保持一致，使多個車輪接觸更均勻，運行更穩定。

車輪與車輪軸之間的軸承采用調心滾子軸承，其承載力大，并可對軸線之間的偏擺進行微量調整，保證運行的穩定性。車輪與車輪軸的連接采用高扭矩的KTR脹緊套，不僅裝配方便，同軸性也較好。

車體反撐組件將整個車體撐起，車輪離開軌道，調整車體達到一定水平度要求后開始測量質心，這是為了保證車體的穩定性，提高測量的精度。車體反撐組件的驅動方式是伺服電機帶動減速機和螺旋升降機，通過絲桿旋轉、絲母直線運動帶動其上套筒，使地腳座接觸地面，車體被反向撐起。中間的關節球頭可以調整車體升起過程中的角度偏差，修正車體及4個反撐組件的運行誤差。

2.2 調姿部分

調姿部分分為主動調姿的前調姿部分和從動調姿的后調姿部分，兩個調姿部分的組件可單獨運行也可同步運行，如圖3所示。

圖3 調姿部分

X軸驅動組件的電機帶動減速機和絲桿旋轉，將運動轉化為直線運動，工件沿導軌做平行運動。同時絲桿帶有壓力傳感器，可反饋信號用于檢測X軸軸向力值，當發生碰撞或受到非工作力作用時，如果檢測到力值超過一定的合理范圍，系統會停止工作并報警提示。

Z軸驅動組件的伺服電機通過減速機與兩臺螺旋升降機直聯，同步帶動升降機絲母上升或下降，升降座左右側面各固定直線導軌，可作為升降運動的導向，實現升降座的豎直運動。

螺旋升降機為蝸輪蝸桿結構，帶有自鎖功能，同時電機帶有抱閘功能，可防止升降座在失電或意外情況下下落而造成工件損壞或人員傷亡。

Y軸運動是工件徑向水平方向的運動，其驅動是通過電機、減速機、絲桿帶動運動座沿著直線導軌方向運動。A軸運動是工件圍繞X軸軸線的旋轉運動。A軸的支撐環承載工件，支撐環位于Y軸移動座的兩個滾輪上，通過與A軸驅動的齒輪齒圈嚙合實現圍繞工件軸線的滾轉。

2.3 視覺測量部分

2.3.1 視覺測量機構

視覺測量部分有兩套視覺測量機構，分別安裝在RGV前后兩側。視覺測量機構通過直線導軌安裝在調姿部分上，可實現不同工位的測量要求。

每套視覺測量機構（圖4）帶有3組視覺測量組件（由工業相機、鏡頭和光源組成），每組由2個相機組成一個雙目視覺模塊。測量以軟件為核心，通過控制器實時采集待測工件的測量圖像，經交會得到工件特征的三維坐標，用來控制工件的姿態調整，完成對接動作。

圖4 視覺測量機構

雙目視覺是由經過位置標定的兩個相機同時拍攝測量點，得出測量點相對于相機的空間位置關系，通過工業以太網與上位工控機連接進行控制。通過標準棋盤格標定板對每個雙目視覺模塊進行精度檢查實現標定。標定板拍攝張數要能覆蓋整個測量空間及整個測量視場，標定圖片的數量通常為15～25張。圓形或方塊特征的像素數應盡量大于20，標定板的成像尺寸應大致占整幅畫面的1/4，標定過程中相機的光圈、焦距不能改變。通過與其他測量方式（激光跟蹤儀、三坐標測量機等）測量數據的對比驗證相機參數標定的準確性和可靠性。

2.3.2 視覺測量算法

雙目視覺測量主要基于視差原理（圖5），根據左右兩個相機成像平面上產生的視差，采用三角法進行三維信息獲取，因此可以測量物體的三維尺寸及空間特征點的三維坐標。每個雙目視覺模塊均能獨立測量，通過標定算法建立3個模塊之間的空間位姿關系，即可實現測量對象上多個特征的同步測量?；谔卣鞯膱D像主要利用圖像角點、邊緣輪廓等特征信息進行圖像配準，此類方法柔性較好、速度快、效率高[5]。

圖5 雙目視覺測量

基線距B為兩個相機的中心距，相機的焦距為f。設兩相機在同一時刻觀測物體空間的同一特征點p=(xc,yc,zc)，分別獲取了點p的圖像，圖像坐標分別為pleft= (xleft,yleft)，pright= (xright,yright)?，F在兩相機的圖像在同一個平面上，則特征點p的Y坐標值相同，即yleft=yright=y，則由三角幾何關系可得：

通過對工件特征點坐標位置的測量計算，改變工件姿態到一定的空間位置。根據粗定位結果，利用最小二乘法并結合圖像擬合的方法實現目標邊界的高精度定位。

2.3.3 視覺測量工藝流程

3個配置相同的雙目視覺模塊對粘貼在工件表面的若干標志點（標記點陣）進行三維測量，通過運動前后測量得到的3組標記點陣的三維坐標計算工件之間的相對位姿關系，反饋給調姿機構，引導對接。具體調姿對接流程如圖6所示。

圖6 調姿對接流程

2.4 質心測量部分

2.4.1 機械結構

質心測量部分支撐于車體部分上，主要由稱重傳感器、傾角傳感器、升降組件和車體反撐組件組成，如圖7所示。

圖7 質心測量部分

當需要質心測量時，反撐組件驅動車體升起，車輪脫離軌道。傾角傳感器檢測稱重傳感器上平臺支架的水平度，當水平度達到要求時，升降機構降低，平臺支架所有質量壓到稱重傳感器上，開始質心測量。

不需要質心測量時，平臺支架被升降機構頂升，平臺支架與稱重傳感器脫離，稱重傳感器不受力，這樣可以提高傳感器的使用壽命。

對各功能部件的質量、質心進行合理布置尤為重要。合理的質量特性分配既是滿足總體指標要求的重要保證，又是降低設計加工成本的有力保障[6]。

2.4.2 質心測量原理與算法

質心測量算法基于靜態質心技術，四點支撐法是目前應用較為廣泛的一種質心測量方法。采用4個稱重傳感器共同組成支撐測量平臺[7]，通過支反力與重力之間的“力與力矩平衡關系”直接測量工件質量，間接測量坐標系與實際幾何坐標系的關系并計算出工件的質心。

初始安裝確定好工件放置位置后，可使工件質心落在4個傳感器的中心位置。工件放置后，為了確保質心的測量精度，通過兩端的調姿部分調整工件使得工件坐標系和4個傳感器形成的坐標系平行且兩坐標系原點之間的距離可測。圖8為質心測量示意圖。4個傳感器呈矩形分布，工件的質量（重力）即為4個傳感器的受力之和：

圖8 質心測量示意圖

根據力平衡與力矩平衡原理，可得工件質心計算公式：

式中：P為工件質量（重力）；GX為工件X方向質心；GY為工件Y方向質心；Pi為第i個質心傳感器受力大小，i=1,2,3,4；Xi和Yi分別為第i個質心傳感器的X坐標值和Y坐標值，i=1,2,3,4。

2.5 設備防爆介紹

對RGV上各種可能引燃引爆的零部件采取相應的預防和防護措施，有效避免設備運行引起爆炸的危險。采用安全成熟的結構配置，確保機械傳動平穩、牢固，減少發熱或不發熱；采用隔爆或防止摩擦產生火花的零部件；采用防爆元器件，如控制箱、觸摸屏、聲光報警器、安全觸邊、接近開關、防爆接線盒、電源裝置聯接器、各型伺服電機等，并取得相應級別的防爆合格證書，確保各種電氣設備能在有爆炸危險的場所使用。

在設計過程中，對于機械部分有相對運動的熱表面和容易產生碰撞火花的地方，通過更換材料、添加防護及更改結構降低爆炸風險。例如，采用鑲嵌不銹鋼層的車輪可以防止車輪與鐵軌摩擦產生火花，達到防爆的目的。為了防止靜電電荷積累，車輛上所有的金屬部件都有良好接地，對地電阻滿足相應要求。

3 結束語

本文的RGV設備以自動化、模塊化為設計理念，具有轉運、多軸調姿、視覺測量、質心測量和防爆功能。執行部分采用伺服電機控制，可以靈活適應各部分間的自動化配合。在實際應用中，設備能夠快速準確地到達指定位置，位置精度滿足要求，多軸運動、位姿調整配合靈活，運動精度優于使用要求。該設備的應用降低了人工勞動強度，縮短了使用時間，效率提高約50%。設備的視覺測量模塊精度較高，采用視覺測量數據引導多軸的位置狀態調整，通過調整工件姿態完成了指定的工藝動作。設備具有質心測量功能，用戶不再需要專門的質心測量設備即可在本設備完成測量，簡化了流程，提高了生產效率?；谝曈X測量的調姿工作替代了繁瑣、笨重的人工操作，提高了效率和對接精度。對于要求在特殊環境下完成自動化流程的RGV設備，本文的設計和應用經驗具有參考意義。