六軸自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)器人設(shè)計(jì)*

曾祥林，庹先國(guó),2，彭英杰，張貴宇,2,3，王 昆，陳 霏

(1.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，四川 宜賓 644000；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 宜賓 644000；3.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展，螺紋連接件被廣泛用于電器設(shè)備、汽車、手機(jī)等產(chǎn)品上[1]。 我國(guó)螺紋連接在自動(dòng)化鎖附方面，大部分鎖附工作復(fù)雜、鎖附精度較高仍需采用人工完成[2]。企業(yè)為追求高生產(chǎn)效率，對(duì)鎖附工具進(jìn)行了改進(jìn)，并未減少勞動(dòng)成本[3]。而人工手動(dòng)擰緊螺絲，存在工作效率低、勞動(dòng)成本高、質(zhì)量不均勻等問(wèn)題[4]?，F(xiàn)目前，有一些種類的自動(dòng)鎖螺絲機(jī)，采用四軸鎖附結(jié)構(gòu)、單片機(jī)控制方式實(shí)現(xiàn)螺絲的自動(dòng)輸送、擰緊、檢測(cè)等工序，簡(jiǎn)化螺絲緊固工序，達(dá)到減少勞動(dòng)力并提高生產(chǎn)效率的目的[5-7]。螺絲在規(guī)定的范圍內(nèi)可以通用，靈活性強(qiáng)，對(duì)于更換其它產(chǎn)品，需要更換夾具和調(diào)用相對(duì)應(yīng)的程序[8]。聶榮臻等[9]設(shè)計(jì)吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)運(yùn)用于家具行業(yè)，對(duì)螺絲規(guī)格型號(hào)有所限制。王月芹等[10]設(shè)計(jì)了基于PLC自動(dòng)鎖螺絲設(shè)備，主要用于單相國(guó)網(wǎng)電表接線端子自動(dòng)鎖螺絲。文獻(xiàn)[11-12]設(shè)計(jì)基于PLC的全自動(dòng)螺絲機(jī)，采用雙PLC控制系統(tǒng)，硬件成本高而鎖附效率較低。汪春華等[13]設(shè)計(jì)了基于工控機(jī)的多工位電動(dòng)螺栓擰緊機(jī)控制系統(tǒng)，主要用于大型控制設(shè)備螺絲鎖附。國(guó)外Moreira A H J等[14]利用基于Windows CE的嵌入式電腦開發(fā)了自動(dòng)鎖螺絲機(jī)，加工過(guò)程和加工信息可實(shí)時(shí)監(jiān)控，程序復(fù)雜度較高、可移植性較差。自動(dòng)鎖螺絲機(jī)存在螺絲鎖附效率較低、通用性較差、程序較復(fù)雜等不足。本文設(shè)計(jì)了六軸自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)器人，控制系統(tǒng)采用梯型曲線控制伺服電機(jī)，氣動(dòng)元件來(lái)簡(jiǎn)化螺絲鎖附工序，狀態(tài)機(jī)與模塊化相結(jié)合的方式完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了鎖附螺絲通用性、程序的移植性、螺絲鎖附效率。由傳動(dòng)制造轉(zhuǎn)向智能制造，進(jìn)一步提高自動(dòng)化螺絲裝備設(shè)備的工作效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)智能制造做出貢獻(xiàn)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為龍門刨床型，采用6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸(前X軸、后X軸、左Y軸、右Y軸、前Z軸、后Z軸)、4個(gè)鎖附工位(左前工位、右前工位、左后工位、右后工位)、雙供料機(jī)(前供料機(jī)、后供料機(jī))、雙電批(前電批、后電批)等結(jié)構(gòu)形式，提高設(shè)備鎖附螺絲的工作效率與獨(dú)立性，如圖3所示。在螺絲鎖附過(guò)程中，X軸承載Z軸及Z軸上的電批，并將其帶動(dòng)到待鎖附工件的螺絲孔位置，Y軸負(fù)責(zé)將待鎖附工件傳送到鎖附位置，Z軸是將帶動(dòng)電批完成取料、送料、鎖附功能。

圖1 六軸自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括定位、取料、鎖附三種功能，以此完成螺絲鎖附工作。待加工工件定位以三維直角坐標(biāo)模型作為螺絲機(jī)復(fù)位后的機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制模型，并采用絕對(duì)定位方式存儲(chǔ)待加工工件的螺絲孔的坐標(biāo)、參考點(diǎn)坐標(biāo)、原點(diǎn)坐標(biāo)及取料點(diǎn)坐標(biāo)，避免工件在鎖附過(guò)程中位置混淆。同時(shí)采用氣缸與夾具相結(jié)合的方式固定待鎖附工件，防止在螺絲鎖附過(guò)程中工件位置出現(xiàn)偏差，螺絲鎖附出現(xiàn)故障。當(dāng)電批鎖附過(guò)程中所產(chǎn)生的扭矩力大于預(yù)設(shè)的扭矩力，電批停止鎖附螺絲，完成該顆螺絲鎖附工作。

1.2 工作原理

六軸自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)器人以HMI觸摸屏為主站，PLC為從站，HMI觸摸屏與PLC之間采用以太網(wǎng)通訊，如圖2所示。

圖2 螺絲裝配設(shè)備邏輯思路圖

控制系統(tǒng)采用有限狀態(tài)機(jī)與模塊化相結(jié)合思想進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，完成6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間協(xié)調(diào)、獨(dú)立控制。提高了程序的可維護(hù)性、移植性、通用性，采用雙供料、四工位并行鎖附螺絲，提高螺絲鎖附效率。同時(shí)該方案采用多維控制方式，在手動(dòng)模式下，采用手動(dòng)方式對(duì)螺絲孔位置進(jìn)行定位以及其他操作。如出現(xiàn)螺絲鎖附故障時(shí)，需用手動(dòng)方式處理。自動(dòng)模式則是通過(guò)預(yù)設(shè)程序及其他螺絲鎖附參數(shù)，自動(dòng)運(yùn)行設(shè)備鎖附螺絲。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)控制是六軸自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)器人中最重要部分，伺服電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性將影響螺絲鎖附機(jī)器人的穩(wěn)定性能，伺服電機(jī)運(yùn)行精度將決定螺絲鎖付的成功率，伺服電機(jī)運(yùn)行速度改變機(jī)器的工作效率，因此螺絲孔坐標(biāo)位置在伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)中的實(shí)現(xiàn)方法尤為重要。伺服控制系統(tǒng)由6臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器組成，6臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用相互獨(dú)立控制方式，控制原理如圖3所示。

圖3 伺服控制原理圖

伺服驅(qū)動(dòng)器在收到控制指令時(shí)，向編碼器發(fā)送電機(jī)運(yùn)行方向與脈沖數(shù)，同時(shí)接收編碼器反饋的電機(jī)運(yùn)行信息，自動(dòng)調(diào)整電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，形成閉環(huán)控制。因螺絲尺寸較小，精度要求較高，控制系統(tǒng)采用位置控制模式、速度控制方式對(duì)伺服電機(jī)閉環(huán)控制，提升伺服電機(jī)運(yùn)行速度與準(zhǔn)確度，同時(shí)用絕對(duì)定位方式對(duì)螺絲孔坐標(biāo)進(jìn)行定位。螺絲鎖附過(guò)程中，6個(gè)伺服電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)且并行控制，節(jié)省螺絲鎖附時(shí)間。

六軸自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)器人是通過(guò)螺絲孔在三維坐標(biāo)軸的交點(diǎn)與陣列螺絲機(jī)上螺絲X方向位移和Y方向位移，再計(jì)算螺絲孔與交點(diǎn)X方向位移和Y方向位移，將兩段位移進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，從而得到螺絲孔至螺絲X方向位移和Y方向位移。六軸自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制采用梯型曲線算法，首先將梯型曲線離散化，如圖4所示，然后將距離分為k段，并按式(1)求出第k個(gè)采樣臺(tái)階處的脈沖頻率fk為：

(1)

(2)

其中，fk為第k個(gè)采樣臺(tái)k1階處引腳輸出的脈沖頻率，θ為步距角，N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)，s為電機(jī)移動(dòng)距離。根據(jù)脈沖頻率求出單個(gè)脈沖移動(dòng)位移，最后計(jì)算出脈沖信號(hào)數(shù)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑移動(dòng)至預(yù)定位置。

圖4 離散化梯形曲線

各段加速度、位移計(jì)算式為式(3)、式(4)：

(3)

(4)

在PLC控制器中，伺服驅(qū)動(dòng)器接收到PLC發(fā)出的脈沖方向、脈沖頻率、脈沖數(shù)量等信號(hào)控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向、速度與位移。因需要取螺絲與送螺絲兩段位移大于待鎖工件的移動(dòng)距離，需合理設(shè)置各軸電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各軸準(zhǔn)確定位，提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。脈沖數(shù)量與電機(jī)位移換算關(guān)系如式(5)：

(5)

式中，N表示電機(jī)運(yùn)動(dòng)位移的脈沖數(shù)量，SA表示物體運(yùn)動(dòng)的位移，Sν表示一個(gè)脈沖的線位移，Sn為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的位移，m表示同步輪的模數(shù)，z表示同步輪的齒輪數(shù)量，NC表示電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)量，θ表示步距角，M表示驅(qū)動(dòng)器設(shè)置的細(xì)分?jǐn)?shù)。m、z、θ隨電機(jī)變化而變化，細(xì)分是指把電機(jī)步距角微分，細(xì)分越大精度越高，電機(jī)運(yùn)行更穩(wěn)定。脈沖頻率隨細(xì)分?jǐn)?shù)增加而增加，將導(dǎo)致電機(jī)失步，堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

氣動(dòng)元器件實(shí)現(xiàn)螺絲的自動(dòng)輸送、擰緊、檢測(cè)等功能，通過(guò)設(shè)備來(lái)簡(jiǎn)化螺絲鎖附工序，達(dá)到減少勞動(dòng)力成本及人工誤操作帶來(lái)的影響[15]。為避免在鎖附過(guò)程中工件的位置出現(xiàn)偏差以及破壞待鎖附工件，提高工件在螺絲鎖附過(guò)程中的準(zhǔn)確性與成功率。氣路系統(tǒng)由氣缸、真空發(fā)生器、壓力表、電磁閥等氣動(dòng)元件組成，主要實(shí)現(xiàn)夾緊工件、吸取螺絲功能。在吸取螺絲過(guò)程中，需考慮螺絲的長(zhǎng)徑比，計(jì)算公式如式(6)：

(6)

其中，K為長(zhǎng)徑比；Ls為螺絲總廠，單位mm；Dn為螺帽直徑，單位mm。經(jīng)試驗(yàn)研究表明長(zhǎng)徑比K≥1.3時(shí)[16]，使用吹送式的螺釘取送方式出現(xiàn)的故障率較小。

因帶鎖附工件背板使用的螺絲是小長(zhǎng)徑比的螺絲，采用吹送式進(jìn)行螺絲輸送容易產(chǎn)生螺絲翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。本文采用吸氣式方式輸送螺絲，降低螺絲輸送過(guò)程中的故障率，達(dá)到了工藝要求。氣動(dòng)原理圖如圖5所示。

圖5 氣動(dòng)回路原理圖

氣源通過(guò)安全閥，保證系統(tǒng)安全性。壓力表檢測(cè)氣路中的氣源實(shí)時(shí)壓力，根據(jù)待加工工件材質(zhì)與螺絲型號(hào)，控制閥門，改變氣路壓力大小。氣路主要控制左右工位夾具、前后電批批嘴，通過(guò)控制閥門來(lái)控制夾具夾緊待加工工件，以及包括批嘴采用吸氣式吸取螺絲。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)備存在多任務(wù)、多狀態(tài)、多運(yùn)動(dòng)軸等特點(diǎn)，為防止設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)邏輯紊亂、后續(xù)維護(hù)困難等現(xiàn)象，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)與模塊化相結(jié)合方式。

2.3.1 狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)是表示多個(gè)離散狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間遷移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型[17]，螺絲在鎖附過(guò)程中的任意時(shí)刻都處于所有狀態(tài)序列中的某一狀態(tài)，達(dá)到某一狀態(tài)后或接收到狀態(tài)轉(zhuǎn)移指令時(shí)，其中包括如何響應(yīng)螺絲鎖附過(guò)程出現(xiàn)外來(lái)事件，狀態(tài)機(jī)會(huì)從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)[18]。在實(shí)際應(yīng)用中，有限狀態(tài)機(jī)根據(jù)是否輸入信號(hào)分為Moore型和Mealy型兩類。Moore型有限狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān);Mealy 型有限狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)不僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān)，而且與所有輸入信號(hào)有關(guān)，有利于減少模型中狀態(tài)的數(shù)量[19]。

M=(S,s0,Σ,Λ,T,G)

(7)

式中，S為狀態(tài)有限集合，S={s0,s1,...,sn};s0為初始狀態(tài);Σ為輸入信號(hào)的有限集合，Σ={σ0，σ1，...，σn}；Λ為輸出信號(hào)的有限集合，Λ={λ0，λ1，...，λn}；T為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)的有限集合;G為輸出函數(shù)的有限集合。

因六軸自動(dòng)鎖附機(jī)器人螺絲鎖附任務(wù)與觸發(fā)其狀態(tài)的條件較多，本文采用有限狀態(tài)機(jī)模型，部分工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作狀態(tài)圖

系統(tǒng)狀態(tài)包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)兩個(gè)主要狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)包括電機(jī)運(yùn)行與電批運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)運(yùn)行包含6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的伺服電機(jī)加速、減速、勻速運(yùn)行狀態(tài)。停止?fàn)顟B(tài)包括設(shè)備空閑與報(bào)警狀態(tài)，其中空閑狀態(tài)包括供料機(jī)空閑、電批空閑、工位空閑，報(bào)警包括螺絲鎖附報(bào)警、電批未吸取螺絲報(bào)警、伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警、電批空轉(zhuǎn)報(bào)警、指示燈報(bào)警五種狀態(tài)。根據(jù)該系統(tǒng)工作狀態(tài)，建立了螺絲鎖附控制系統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各狀態(tài)間并行控制與多任務(wù)調(diào)度。

2.3.2 模塊化設(shè)計(jì)

基于IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，采用現(xiàn)代軟件模塊化方式對(duì)程序進(jìn)行編程設(shè)計(jì)[20]。其核心思想是增強(qiáng)程序塊的獨(dú)立性、可讀性、移植性，減少模塊與模塊之間內(nèi)部信息交流。如圖7所示。

圖7 程序模塊圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為電機(jī)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、原點(diǎn)回歸模塊、氣缸模塊、報(bào)警模塊，其中電機(jī)模塊分前X軸電機(jī)模塊、后X軸電機(jī)模塊、左Y軸電機(jī)模塊、右Y軸電機(jī)模塊、前Z軸電機(jī)模塊、后Z軸電機(jī)模塊。采用模塊化軟件設(shè)計(jì)，提高程序可讀性與時(shí)效性，便于其他設(shè)計(jì)人員后續(xù)檢查修改。

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，制造了六軸運(yùn)動(dòng)控制的自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)器人設(shè)備?，F(xiàn)對(duì)已完成設(shè)計(jì)加工并裝配的樣機(jī)進(jìn)行螺釘鎖附實(shí)驗(yàn)，以加工1500個(gè)不同型號(hào)螺絲的手機(jī)殼為實(shí)驗(yàn)樣本，手機(jī)螺絲尺寸為M1.0(螺絲直徑)×3.0(螺絲牙長(zhǎng)度)×1.5(螺絲頭直徑)×0.4(螺絲頭厚度) 、M1.4(螺絲直徑)×4.0(螺絲牙長(zhǎng)度)×1.85(螺絲頭直徑)×0.3(螺絲頭厚度) 兩種，設(shè)定電機(jī)速度4000 rpm，電批的扭矩為0.35 N·M，電批轉(zhuǎn)速為600 rpm，采集到螺絲鎖附成功率如表1、螺絲鎖附效率如圖8所示。

表1 螺絲擰緊成功率

由表1知，把1500個(gè)手機(jī)隨機(jī)分為三組，每組鎖附500個(gè)手機(jī)上的螺絲。測(cè)試結(jié)果表明：人工鎖附螺絲的成功率相對(duì)其它兩種設(shè)備鎖附螺絲的成功率較低，六軸鎖附螺絲成功率最高。人工長(zhǎng)時(shí)間鎖附螺絲受人為因素影響，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量高低不同，而四軸鎖附螺絲與六軸鎖附螺絲因設(shè)備本身原因，使產(chǎn)品質(zhì)量較均勻，最優(yōu)的是六軸機(jī)器人鎖附螺絲，成功率高、質(zhì)量均勻，達(dá)到了理想的狀態(tài)。。

圖8 螺絲鎖附效率圖

由圖8可知，0.5小時(shí)統(tǒng)計(jì)已鎖附好的手機(jī)個(gè)數(shù)，三種方式鎖附螺絲的結(jié)果顯示，四軸機(jī)器人與六軸機(jī)器人鎖附手機(jī)個(gè)數(shù)差距不大，人工鎖附手機(jī)出現(xiàn)一定數(shù)量的偏差。隨時(shí)間增加，六軸機(jī)器人鎖附效率提高，四軸機(jī)器人鎖附效率較恒定，人工鎖附效率隨時(shí)間增加變得較緩慢。主要原因是六軸機(jī)器人結(jié)構(gòu)上比四軸機(jī)器人多兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸、兩個(gè)鎖附工位、一個(gè)供料機(jī)、一個(gè)電批。同時(shí)在控制上采用電批與供料機(jī)不空閑原理，利用設(shè)備空閑時(shí)間鎖附螺絲，從而提高鎖附螺絲的工作效率。而四軸機(jī)器人則按照傳統(tǒng)工作方式加工，單電批、單供料機(jī)鎖附螺絲，工作效率較穩(wěn)定。人工鎖附存在工人在長(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，從而影響生產(chǎn)效率，導(dǎo)致鎖附的手機(jī)個(gè)數(shù)逐漸降低。隨著時(shí)間的增加，人工鎖螺絲的手機(jī)數(shù)與機(jī)器的生產(chǎn)效率相比，差距越來(lái)越大。

4 結(jié)論

本文研究了六軸自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)器人螺絲鎖附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用梯形加減速算法與積分模型相結(jié)合方式協(xié)同控制伺服電機(jī)，減少螺絲孔定位誤差。通過(guò)狀態(tài)機(jī)與模塊化方法對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)軟件可移植性與可維護(hù)性，實(shí)現(xiàn)了不同種螺絲鎖附功能，解決了工件背板人工擰螺絲工作效率低，質(zhì)量參差不齊等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，螺絲鎖附成功率達(dá)99.8%，達(dá)到預(yù)期效果。