智能布線機器人系統的設計與研究

王海亮，周臘吾，馬勉卓，龍樂云

(1.長沙理工大學，湖南 長沙 410114；2.湖南世優電氣股份有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引言

制造業的發展對于人類文明的重要性是不言而喻的，科學技術的每一次創新，都以制造業生產力的突飛猛進為表現[1]。某種程度上制造業能具體地反映一個國家的生產力水平，更能直接作為判斷一個國家是否是發達國家的依據。在全球所有發達國家的國民經濟中，制造業一向處于最為重要的位置[2]。

在電控柜生產制造領域，電能都是以導線作為載體，連接不同的元器件，布置在安裝板上，最終組裝成功能各異的電控柜來加以使用的[3－5]。目前在對電控柜進行具體設計生產制造時，安裝板上的剝線、壓端子、貼標簽、布線、擰端子螺絲等工序依然采用人工操作的方式[6－7]，不僅生產效率低，而且經常出現壓端子時線頭不標準的情況，時常會出現螺栓未擰或擰緊力不夠等工藝問題，造成器件損壞，嚴重影響產品質量。

智能布線機器人是現代控制領域中出現的一項新技術。進行智能布線設備的研發，將剝線、壓端子、貼標簽、布線、擰端子螺絲等工序實現智能化和自動化，大大提升工作效率，降低勞動強度和制造成本[8－10]。智能布線設備的研發對于提高自動化智能裝備制造業水平意義重大。

1 智能布線機器人系統的組成

智能機器人是依賴自身動力和編程所帶來的控制能力。按應用環境分為工業機器人和特種機器人；按功能分為操作型機器人、智能機器人、學習型機器人等適應性機器人[11]。智能機器人以其豐富的科技內涵和可重化的多樣化布局廣泛利用于多種領域[12－13]，智能布線機器人就屬于其中之一。

智能布線機器人由硬件系統和軟件系統組成，如圖1 所示。硬件系統主要包括移動單元、裁剝壓單元、接線單元以及輔助設備等。運動控制卡被廣泛地應用在國民經濟和社會生產的各個領域，智能布線機器人通過運動控制卡執行應用軟件，控制電動機、氣缸或液壓缸等元器件運動，并通過傳感器、開關等元器件檢測機械系統的狀態并反饋至運動控制卡。

圖1 智能布線機器人系統平臺

1) 移動單元。布線機器人的移動單元由X軸、Y 軸組成，其作用是通過控制X 軸、Y 軸的三個伺服電機，使安裝在X 軸橫梁上的多功能頭移動到機床布線板的指定位置，同時也可以和送線電機以及導線管升降電機配合完成在線槽內布線的工作。Y 軸2 個伺服電機需要同步運行，以達到平穩對稱。

2) 裁剝壓單元。裁剝壓單元主要包含了裁線、剝線、壓接端子及接線等功能。首先利用兩個夾線氣缸的閉合，夾住位于其中間的線纜，通過送線電機旋轉完成送線和收線運動。線纜在送線電機的作用下穿過下方導線管，到達指定位置，等待裁剝壓位移電機移動到裁線位置，由裁剝壓動力電機和送線電機配合完成裁線、剝絕緣層工作，然后端子輸送電機運送端子放入壓接模塊中，裁剝壓位移電機、裁剝壓動力電機、送線電機配合完成線纜和端子的插入和壓接，從而完成裁線、剝絕緣層和壓接端子的過程。

3) 接線單元。當線纜完成裁線、剝絕緣層和壓端子過程后，接線單元需要完成把做好的線纜接入指定元器件并上緊螺絲的工作。接線單元主要包括旋轉平臺、主夾爪控制、電批控制、換向夾爪控制、Z 軸控制以及導線管控制等功能。通過主夾爪夾取線纜，判斷是否需要旋轉多功能頭和是否需要讓線纜換向，判斷并執行完畢后，主夾爪到達指定接線的元器件孔位處，主夾爪推進電機控制線纜插入元器件孔位，電批動作上緊螺絲，從而完成接線步驟。

2 智能布線機器人的軟件開發

LabVIEW 是美國國家儀器公司 (National Instruments，NI) 開發的基于C 語言的圖形編程開發環境[14－16]。一個最基本的虛擬儀器通常由前面板、程序框圖及圖標連線端口3 部分組成[17－20]。利用LabVIEW 的調用動態鏈接的方法建立運動控制卡的驅動程序庫。LabVIEW 程序不僅易于編寫、執行效率高，而且能夠精確實現數據的可視化。這使得系統的靈活性、功能性大幅提高。

智能布線機器人軟件系統設計方案，包含了前面板用戶界面、路徑規劃、運動控制、歸零控制和輸出狀態及位置顯示等主要功能模塊和程序框圖，對涉及坐標數據處理和提取、點位運動控制、插補運動控制、輸出點位控制、初始化歸零等功能進行整合。LabVIEW 采用的圖形化編程模式，操作簡單、運行可靠及可視性好，可以對步驟和工藝進行邏輯控制，同時也可以有針對性地、便捷地調試程序。通過這些模塊完成了軟件系統對硬件執行機構的精準控制。軟件系統設計框圖如圖2 所示。

圖2 軟件系統設計框圖

3 智能布線機器人的試驗驗證

通過多次線纜制作試驗，本文設計的智能布線機器人設備能完成線纜制作的工作，線纜和端子分別采用圖3 (a)、(b) 中所示樣品，試驗結果見表1。

圖3 線纜、端子及漏銅線纜

表1 線纜制作參數及試驗結果

在線纜制作試驗過程中，總共制作了50 根線纜，其中2 次出現了銅絲未能完全壓入冷壓端子，即漏銅的情況，如圖3 (c) 所示，每根漏銅的單線漏出銅絲根數均為1 根。根據判定標準:19 金屬絲的金屬線為例，缺少1 根金屬絲是可以接受的。絕緣層包裹標準和拉拔力測試均達到判定要求，所以最終判定50 次制作線纜試驗合格。

最后在調試過程中對硬件線路進行檢查后，進行了上電檢測、運動控制卡IO 調試、電機運動調試，對硬件的各個運動控制參數進行了標定。

對智能布線機器人設備進行布線試驗，這是一個綜合性功能試驗。通過上位機導入線材表后，提取表格數據，通過既有數據執行軟件程序，布線機器人完成自動夾緊安裝板，自動送線，自動裁線、剝絕緣層，自動壓接冷壓端子頭，自動將線纜插入元器件，智能布線等所有功能。通過布線試驗驗證，對布線機器人實際布線成果進行查驗，智能布線機器人能夠完成上述所有功能，自動完成制線和布線工作。

4 結論

本文對工業制造中的布線、接線環節進行研究，通過運動控制卡，確定上位機和運動控制卡控制步進電機和伺服電機等執行機構的硬件方案。研究各類硬件性能參數，從方案、性能、成本等角度考慮，完成選型并確定滿足技術性能需求的硬件器件，最終完成系統平臺的搭建。軟件方面研究和設計布線機器人系統的運動控制軟件系統，包括用戶界面、路徑規劃模塊、運動控制模塊、歸零控制模塊、IO 及坐標顯示模塊以及具體的執行步驟。最終設計了一套可以智能完成布線、制線工作的機器人設備，并探索虛擬儀器技術在智能布線機器人上的應用，試驗結果證明了該平臺的可靠性和實用性。