機器人自動鎖螺釘裝配任務規劃與實驗＊

劉 鵬 秦 濤② 余偉偉 李 波②

（①湖北文理學院機械工程學院，湖北 襄陽 441053；②襄陽華中科技大學先進制造工程研究院技術中心，湖北 襄陽 441053）

螺釘是日常生活及工業生產中大量使用的小零件，一般用作零部件之間的固定，在工業生產中有重要地位[1]。目前鎖螺釘裝配大多數還是采用人工作業，存在工作效率底、勞動強度大等問題，而且人工裝配無法保證螺釘裝配精度和質量[2]。隨著現代化工業生產對自動化裝備的需求，出現了手持式螺釘擰緊機等半自動螺釘裝配機，一定程度上減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率，但仍然需要人工干預操作，自動化程度不高[3-4]。國外最早把機器人技術運用在工業生產中，達到了自動化生產的目的。文獻[5]設計了一種基于視覺反饋的螺釘裝配任務，提高了螺釘的裝配效率，同時為工業應用提供靈活且易于擴展的機器人裝配系統。文獻[6]利用PLC與機器人相結合，PLC控制機械手和電動扳手實現了鋼軌扣件的自動化裝配任務，提高了工作效率。使用機器人替換人工可實現裝配過程的完全自動化，裝配過程中無需人工操作，裝配的效率高、產品質量穩定，節約了人力成本，同時推動了機器人在工業生產中的應用[7]。

本文針對機器人自動鎖螺絲的需求，提出了基于工業機器人的自動鎖螺釘裝配系統，規劃了機器人自動鎖螺釘裝配任務及流程，設計了機器人自動鎖螺釘裝配系統的控制器的硬件和軟件，編寫了機器人自動鎖螺釘任務程序并調試，實現機器人自動鎖螺釘裝配，具有一定的工程應用價值。

1 機器人自動鎖螺釘裝配系統設計

1.1 系統總體設計

機器人自動鎖螺釘裝配系統由工業機器人單元、螺釘供給單元、物料裝配固定單元、末端執行器單元、物料托盤單元和報警指示單元6個工作單元組成。工業機器人是采用KUKA KRC4 6軸小型機器人，工業機器人單元控制每個關節軸電機運動，實現末端執行器的控制和切換，完成待裝配螺釘板的上料、鎖螺釘裝配和螺釘板下料入庫等自動化裝配全過程。螺釘供給單元自動分揀螺釘實現螺釘自動上料并計數。物料裝配固定單元使用氣缸作為執行元件固定待裝配零部件，減小裝配過程中位置誤差的影響。末端執行器單元包括氣動夾爪、電動螺絲批兩個工具，氣動夾爪使用氣源作為動力實現抓取與釋放的功能。電動螺絲批使用真空拾取螺釘和電動鎖緊。物料托盤單元用來放置待裝配螺釘零件的位置，能提供上料前一個準確的位置信息。報警指示單元的控制系統采用三菱FX5U型PLC邏輯控制器，控制鎖螺釘裝配系統各執行元件的指令發出及接收反饋信號，系統正常工作時顯示綠燈，系統報錯時顯示黃燈，系統存在硬件故障時顯示紅燈。機器人自動鎖螺釘裝配任務總體示意圖，如圖1所示。

圖1 機器人自動鎖螺釘裝配系統平臺

1.2 裝配任務規劃設計

（1）鎖螺釘裝配任務描述

機器人自動鎖螺釘裝配任務中機器人的運行過程關鍵點主要包括初始位置、螺釘板上料位置、螺釘板固定及螺釘裝配位置、螺釘供給位置共4個位置。機器人初始化末端執行器到達P0點，設置搬運程序和工具末端氣動夾爪切換命令，然后機器人開始執行設定好的自動鎖螺釘裝配任務。先到達P1點螺釘板預抓取位；末端氣動夾爪下行到達P2點抓取位；拾取待裝配螺釘板搬運至P3點螺釘板固定及螺釘裝配預定位；末端氣動夾爪下行到達P4點螺釘板固定及螺釘裝配位；氣動夾爪釋放待裝配螺釘板；末端執行器切換至電動螺絲批工具；運行到達P5點螺釘預抓取位；電動螺絲批下行到達P6點螺釘板抓取位置；拾取螺釘搬運至螺釘板固定位進行鎖螺釘裝配，完成一個鎖螺釘裝配循環。其運行軌跡如圖2所示。

圖2 機器人自動鎖螺釘裝配任務描述

（2）鎖螺釘裝配任務流程圖

通過PLC編程實現總體編程，PLC與機器人進行數據通信，配置好I/O點，關聯PLC與機器人的輸入輸出點，最終實現整體系統設計。如圖3所示。

圖3 機器人自動鎖螺釘裝配任務流程圖

2 控制系統設計

機器人自動鎖螺釘裝配的控制系統主要包含2個部分：機器人控制單元和PLC控制單元。為了實現機器人自動鎖螺釘裝配任務，需要對2個控制系統進行程序設置。首先需要配置各自的通訊地址，使用機器人自帶示教器完成系統的地址設置，使用GXWorks3軟件完成三菱PLC系統的地址設置。然后使用WorkVisual6.0軟件進行機器人I/O端輸入輸出口的信息映射，在三菱PLC中配置工作站外部執行器和傳感器的I/O端信息[8]。最后分別在示教中完成機器人端的程序的編寫，GXWorks3軟件中完成PLC邏輯控制程序的編寫。

2.1 控制系統硬件組成及架構

針對機器人自動鎖螺釘裝配系統平臺的運動控制，其系統數據傳送單元包括交換機、三菱PLC FX5U-32MT/ES、KUKA KRC4控制器和觸摸屏。采用EtherNet/IP總線通訊進行數字控制。交換機作為通訊中間端口承接機器人控制系統和PLC控制系統進行報文信息之間傳送。采集螺釘裝配過程中傳感器信息，由I/O模塊輸出端控制機器人末端執行器，采用結構化文本和連續功能圖兩種方式實現自動鎖螺釘裝配任務[9-10]。系統控制架構圖如圖4所示。

圖4 系統控制架構圖

2.2 控制器 I/O 的分配

實際工作環境中以PLC作為主控制系統，將PLC與機器人等設備I/O口進行連接，接收現場傳感器和機器人等發送來的信號。表1為PLC端I/O口配置信息，表2為機器人端I/O口配置信息。

表1 PLC端I/O口分配

表2 機器人端I/O口分配

2.3 程序設計

（1）根據系統的控制流程分析，編寫PLC控制程序。程序主要分為兩大部分，一部分為觸摸屏按鍵控制程序，一部分為PLC與KUKA KRC4控制器之間觸發通訊程序。如圖5所示。

圖5 機器人鎖螺釘裝配系統控制程序

（2）編寫外部啟動程序，使用示教器進行程序的匯編。在示教器中編寫程序先是編寫主程序與PLC之間建立數據傳輸，然后在主程序中調用子程序。如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3 實驗驗證

基于實驗室多功能機器人工作站搭建自動鎖螺釘裝配任務系統平臺，按照以上設計的程序以及參數設定進行驗證。使用前打開空壓機以及機器人總電源，并檢查示教器開關按鍵處于手動模式并確保工作機器人工作范圍內是否安全以及機器人是否處于原點位置。

3.1 實驗流程

啟動工作站，將編寫的程序下載到程序運行端，通過上位機啟動按鈕觸發系統運行。機器人實現自動化鎖螺釘裝配，關鍵點動作如圖7所示。

圖7 機器人自動鎖螺釘裝配實驗過程圖

3.2 實驗數據分析

通過實驗測試機器人自動鎖螺釘裝配任務，平臺經過12 h連續運行，每隔1 h測試0.5 h并記錄1次數據。測試中實際記錄結果如表3所示。

表3 測試結果記錄表

機器人自動鎖螺釘裝配任務的效率計算公式

式中：T測試總時間；TA外界因素影響系統停機時間；TB設備自身故障引起系統停機時間。

實際測試結果的記錄數據經整理計算，結果如表4所示。

表4 數據整理結果表

測試結果：裝配螺釘總個數為1 768顆，其中未成功裝配個數為27顆(滑絲或未裝配到位等)，總體裝配成功率為98.4%。由式（1）計算可知平臺自動鎖螺釘裝配的效率達到95.8%，充分驗證了機器人自動鎖螺釘裝配系統的穩定性，能夠滿足自動鎖螺釘裝配需求。此外，自動鎖螺釘裝配任務在連續運行情況下，每分鐘裝配螺釘數量在8～9顆左右，可大大減輕工人重復工作的強度，降低勞動力，節約成本，研究成果具有應用和推廣價值。

4 結語

面對自動鎖螺釘裝配任務的需求，使用實驗室多功能機器人工作站搭建自動鎖螺釘裝配任務系統平臺。提出了基于三菱PLC和KUKAKRC4機器人的控制系統，設計了自動鎖螺釘裝配任務系統控制程序，利用組態的方式實現了機器人控制器、可編程邏輯控制器和上位機之間的通訊。配置KUKA機器人與三菱FX5U型PLC之間的I/O端口信息，使用機器人自帶示教器規劃了自動鎖螺釘裝配任務的實現路徑點信息，編寫運行控制程序。通過對系統平臺的實驗測試，記錄平臺工作12 h鎖螺釘裝配的數量，分析了自動鎖螺釘裝配成功率為98.4%，驗證了自動鎖螺釘裝配系統的穩定性，能有效提高螺釘的裝配效率，為后續工廠信息化、集成化打下堅實基礎。