基于工業機器人的大三通魯班鎖裝配工作站系統的設計

羅洪霞

（廣州番禺職業技術學院，廣州 511483）

2015年5月19日，國務院正式印發《中國制造2025》，目標是使我國從制造業大國向制造業強國轉變。智能制造工程就是其中的五大工程之一，而高檔數控機床和機器人技術是其中的十大重點領域之一。工業機器人技術在智能制造、自動化生產中的作用越來越重要，是不可缺少的重要環節。工業機器人典型的應用場景有工業機器人上下料、打磨[1]、裝配、焊接[2]、雕刻、分揀以及碼垛等[3-4]。

魯班鎖是一種傳統的益智玩具，采用特殊的凹凸嚙合的榫卯結構，使其具有易拆難裝的特點。在魯班鎖生產過程中，人工組裝很容易因為人的熟練程度、疏忽和疲勞等出現組裝困難、效率低下等問題。本文將工業機器人技術應用于魯班鎖的裝配，設計了魯班鎖裝配工作站、魯班鎖配件的自動供料單元以及魯班鎖配件的夾具等，完成了整個系統的組裝、控制程序設計和調試，最終實現了大三通魯班鎖的裝配。使用工業機器人代替人完成魯班鎖的裝配，不僅具有系統穩定、速度快、質量高的優點，而且提高了生產效率，節約了人力成本。

1 大三通魯班鎖

魯班鎖源于榫卯結構。榫卯結構是我國一項精湛的傳統的木工技藝，凸出部分叫榫，凹進部分叫卯。這種凹凸結合的連接具有穩定、巧妙、美觀和環保的特點，被廣泛應用于木制家具和建筑結構，如山西應縣的木塔、故宮、上海世博會等。魯班鎖又被稱為八卦鎖、孔明鎖等，是古代益智玩具的代表，一直流傳至今。大三通魯班鎖是其中的一種，由3個配件組成。每個配件的榫卯形狀不同，組裝完成結構牢固，如圖1所示。

圖1 大三通魯班鎖

2 魯班鎖裝配工作站設計

魯班鎖裝配工作站利用現代工業機器人代替人工完成大三通魯班鎖的裝配。為了方便區分大三通魯班鎖的3個配件，將圖1中的3個配件從左到右依次命名為A、B、C。裝配時，先由機器人前往供料轉臺夾取魯班鎖配件A放置到裝配臺。同樣方法依次在供料轉臺夾取B、C塊，并至裝配臺進行裝配。根據魯班鎖裝配控制需要，工作站主要由工業機器人及夾具、裝配臺和供料轉臺3個部分組成，如圖2所示。

圖2 魯班鎖裝配工作站組成

工業機器人是大三通魯班鎖裝配動作的執行機構，能夠完成魯班鎖的抓取、放置和裝配。工作站采用ABB IRB120工業機器人，是目前比較流行的工業機器人品牌，質量為25 kg、載質量為3 kg，具有體積小、用途廣泛、工作范圍大以及投資低的特點。

夾具是專門針對此系統指定尺寸的大三通魯班鎖配套定制，采用優質平行氣缸夾取魯班鎖配件，結構件為6061鋁合金，表面陽極經過了氧化處理。

裝配臺固定在工作站平臺上，為大三通魯班鎖的裝配提供平臺。材質6061鋁合金外型尺寸為180 mm×200 mm×250 mm（含工件）。裝配平臺有3個裝配位，采用階梯式布局，避免轉裝配過程中各部件互相干涉。

供料轉臺通過轉臺的不斷旋轉，依次提供魯班鎖配件給機器人。轉臺采用鋁板作為底板，結構件為6061鋁合金，外型尺寸為300 mm×300 mm×350 mm（含工件）。旋轉平臺上有6個配件工位，可以放置6個魯班鎖配件。轉臺的旋轉由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的伺服電機驅動。轉臺上配置兩個傳感器：一個是金屬傳感器，用于檢測轉臺的原點；另一個是光電傳感器，用于檢測和反饋工件的到位狀況。

3 魯班鎖裝配工作站控制

3.1 供料轉臺控制

供料轉臺控制器采用三菱PLC，型號為FX3U-32MT，輸入輸出分配表分別如表1和表2所示。其中，驅動轉臺的伺服電機為信捷交流伺服電機MS5H-60STE，驅動器型號為YZ-ACSD608。

表1 供料轉臺主要輸入分配表

表2 供料轉臺主要輸出分配表

YZ-ACSD608為全數字交流伺服電機驅動器，采用最新32位數字信號處理器（Digital Singnal Processor，DSP），16位電子齒輪，20～50 V直流輸入，支持50～500 W交流伺服電動機，2500/1250線編碼器，具有欠壓、過壓、堵轉以及過熱保護等。該驅動器控制信號接口在驅動器上標識為“Signal”，PU+（+5 V）和PU-（PU）為脈沖控制信號，脈沖上升沿有效。為了可靠響應脈沖，脈沖寬度應大于1.2 μs，如采用+12 V或+24 V時需串電阻。DIR+（+5 V）和DIR-（DIR）為方向信號，高/低電平有效，使用時方向信號要優先于脈沖信號以保障可靠換向。DIP開關功能選擇SW1=OFF、SW2=OFF即位置模式，控制方式為“脈沖+方向”。伺服電機脈沖控制信號為Y0，方向控制信號為Y3。

“脈沖+方向”位置控制模式時，一圈的脈沖數為4倍的編碼器線數與電子齒輪之比。例如：2 000線的編碼器，電子齒輪為4∶1，則一圈的脈沖數為2 000。指令脈沖頻率為一圈的脈沖數與需要電機運行的速度的乘積（計算時需注意進行1 min為60 s的換算）。例如：一圈的脈沖數為2 000，需要電機運行的速度為1 500 r·min-1，則指令脈沖頻率為5 000。伺服驅動器開機后，紅燈綠燈都亮一次，而后綠燈亮、紅燈滅為正常工作狀態。例如，遇紅燈閃爍則為報警狀態，此時可根據紅燈不同的閃爍現象判斷報警原因，也可通過Modbus讀取報警代碼進行查詢。

轉臺圓盤上均勻分布6個工件位，一次放置2套A、B、C配件。程序控制流程為“上電→旋轉回到原點（配件A到位）→機器人取走配件A→轉臺旋轉60°（配件B到位）→機器人取走配件B→轉臺旋轉60°（配件C到位）→機器人取走配件C”，完成一個大三通魯班鎖的供料，后續依次類推。程序如圖3所示。

圖3 供料轉臺控制程序

3.2 工業機器人控制

根據大三通魯班鎖裝配的需要，工業機器人代替人完成裝配，模擬人的裝配動作過程。一個完整的大三通魯班鎖的裝配程序控制流程為“上電→回到原點→從供料轉臺取走配件A→去裝配臺放配件A→從供料轉臺取走配件B→去裝配臺裝配件B（B從A中穿過）→從供料轉臺取走配件C→去裝配臺裝配件C（C套在A上）→推配件B”。工業機器人與供料轉臺之間的溝通信號，如表3和表4所示。

表3 工業機器人主要輸入分配表

表4 工業機器人主要輸出分配表

為了提高工業機器人程序的編寫效率，先離線編寫并調試好程序，再下載到工業機器人硬件單元，根據實際工作站中的各個點位進行校準。這樣不僅可提高編程效率和設備的利用率，而且降低了設備事故率。

4 結語

基于工業機器人設計的大三通魯班鎖裝配工作站系統，實現了大三通魯班鎖的智能自動裝配。系統運行穩定，工業機器人代替了傳統的人工，提高了裝配效率。工作站中的供料轉臺能夠自動提供魯班鎖配件給工業機器人，實現了系統配件的自動供料。裝配工作站的系統組成簡單，易于實現。工業機器人在裝配過程中能夠準確完成裝配動作，且不會疲勞，速度快，在大量裝配魯班鎖生產過程中比人工具有明顯優勢。此外，系統中還增加了觸摸屏進行人機交互，可通過觸摸屏遠程控制系統啟停，實時顯示魯班鎖的裝配狀態等。