SCARA 機器人在螺絲鎖付機中的應用★

秦國棟， 黃 磊

（1.嘉興職業技術學院， 浙江 嘉興 314000；

2.浙江天正智能電器有限公司， 浙江 嘉興 314000）

引言

在生產制造企業中，裝配是一個關鍵的環節[1]，而貼片、焊接、鎖付是裝配的重要工藝[2-3]。為了提高國內企業的核心競爭力，也為了解決自動化裝配的難點，我國對裝備制造業的重視程度不斷提高，不斷地提高產品生產加工的自動化程度，自動化螺絲鎖付設備也在逐步發展。在傳統的企業中，產品的螺絲鎖付環節多數采用人工鎖付，即工人使用電動或氣動螺絲刀鎖付，這樣使得該環節在整個加工環節中效率比較低下。近幾年越來越多的企業使用自動化設備[4-6]。同時，隨著產品種類的多樣化和復雜化，加上螺絲的種類逐漸呈現多樣化情況，企業產品生產鎖付階段做到高效、快速難度已經越來越大[7]。如果生產企業采用傳統的人工鎖付螺絲的方式已經不能滿足目前的生產需求，因此設計一臺具備高適應性、速度快、效率高、準確度高的螺絲鎖付裝置很有必要。

前期通過對調研，國內自動螺絲鎖付裝置大多數采用直角坐標結構，這種自動鎖付螺絲機的特點就是成本低，速度快，但對于復雜的鎖付產品無法使用、尤其是帶有墊片的螺絲基本無能為力[8]。為了提高企業在螺絲鎖付環節的自動化水平，本文介紹基于SCARA 機器人的自動螺絲鎖付裝置，該裝置比原有的鎖付結構更加具備適應性、快速性等特點。

1 項目研究背景

本項目主要應用與浙江天正電氣的交流接觸器生產線上。該公司的交流接觸器如圖1 所示。該交流接觸器在裝配環節，需要鎖付10 顆螺絲，上面5 顆，下面5 顆。通過多次調研和綜合考慮，準備采用雙機器人的設計，即第一臺機器人負責鎖付上面5 顆螺絲，第二臺負責鎖付下面5 顆螺絲，使用流水作業，節省鎖付時間。

下頁圖2 是天正交流接觸器生產線整個自動化改造的具體過程，在圖中可以清楚地看到改造后人員的減少情況。該公司在產線未自動化改造之前，整條交流接觸生產線需要7 位工作人員，在產線上安裝兩臺自動螺絲鎖付機之后，理論上減少3 名工人，即1 個底座組裝和2 個螺絲鎖付工位，但為了保障機器的正常運行，產線配備了一個輔助人員，通過改造產線最終減少了2 名工人。該企業總共有15 條接觸器的生產線，使用該自動螺絲鎖付機可節省30 個工人。該設計思路同樣可以用在公司的其他生產環節，可以整體提高該公司生產制造的自動化生產水平。

整個項目的設計目的是將SCARA 機器人應用到自動螺絲鎖付裝置中。整個項目首先設計一個自動上料裝置，把交流接觸器的所有底座組裝好后放入在上料平臺上，設備會有推動裝置將這些組裝件輸送到規定的鎖付位置上。其次是設計一個自動供螺絲裝置，該裝置主要作用是將螺絲通過振動盤篩選、排列后等待機械手抓取鎖付。最后設計一個雙SCARA 機器人的鎖付機構，利用SCARA 機器人的關節靈活性，實現螺絲的抓取、鎖付過程。增加一個PLC 控制器，可以控制整個鎖付機的控制、計數、報警等功能。

2 項目實施方案

2.1 總體方案

SCARA 機器人在螺絲鎖付機應用的設計思路如圖3 所示，設計總體框圖如圖4 所示。該設備包括6 個主要部分，包括自動傳輸裝置、自動供釘裝置、機器視覺裝置、螺釘抓取及鎖付裝置、機器人控制、整機控制及人機界面等。

2.2 傳輸裝置的自動化設計

傳輸裝置包含了傳輸帶、感應裝置和計數結構，傳送帶由PLC 控制，速度由工程人員設定的運行節拍決定，每鎖付5 個螺絲為一個節拍。在設備的進口、出口處的鋼柱上設計了一個光電感應開關，作用是當交流接觸器進入后和鎖付結束后均能觸發光電感應開關，該開關形成電信號，并且傳輸到PLC 的輸入口接收，實現檢測傳送帶物料是否正常和進出料計數功能。當系統檢測到傳輸帶的沒有物料送入主控PLC 則會停止傳輸帶動作直至報警停止[9-11]。

2.3 自動供釘裝置

供釘裝置的效率提升可以有效地提高整個鎖付裝置的生產效率，因此設計一個穩定高效的自動供釘非常重要。該項目的自動供釘裝置采用振動盤方式，這種方式可以適應交流接觸器帶墊片的螺絲，并且這種方式也相對成熟，節省開發周期。本裝置采用圓柱形振動盤，這種振動盤用于形狀簡單而規則，并且尺寸較小的物料，非常適用于交流接觸器的螺釘裝配。此外，該裝置還配備了若干傳感器，其作用是在系統運行過程中檢測關鍵部位螺釘是否順利到位以及檢測振動盤中的螺釘是否存有余量等，提高了系統的可靠性。

2.4 SCARA 機器人應用及控制

SCARA 機器人屬于關節型機器人，具有4 個旋轉關節，軸線相互直接平行，可在平面靈活運動，同時具有垂直關節，可以靈活地進行垂直運動。SCARA機器人可以模仿人的手臂運動，可以實現快速的取料、運料，非常適用于裝配環節。本裝置采用臺達公司生產的DRS40L3 關節機器人，該型號的SCARA 機器人具備速度高、精度準、線性度和垂直度強的性能，可輕松的完成組裝、鎖螺絲、搬運、包裝等工作，具備很高的性價比、節省空間，一致性和協同性均比較高。

SCARA 機器人類似人類的手臂，結構合理，并且具有極強的易用性，同時具備高性價比，運動速度相對普通關節式機器人，快了很多倍。基于SCARA機器人的全自動鎖付螺絲機具備以下特點[12-13]：

1）適用與多場合，由于SCARA 機器人模擬人的手臂，多數裝配環節上均可使用該機器人，只需要更換夾具即可在不同的應用場合或者鎖付產品中使用。

2）不同的鎖付產品程序可單獨保存。每個系列的交流接觸器，首先由工程人員進行示教和編程，完成后獨立保存。現場工作人員在不同的交流接觸器生產過程中，只要找到對應的程序即可，方便現場工作人員。

3）可準確地檢測螺絲滑牙、浮鎖，工程設計人員在觸摸屏上設定多種處理不良螺絲的方法，自動螺絲鎖付機則根據現場人員設定的不良螺絲處理方法進行處理或者報警。

4）由于使用了關節機器人，比較類似人類操作，螺絲或者鎖付產品供料時能夠實現穩定供料，系統更加穩定。

5）使用SCARA 機器人可直接提高生產效率，在實驗室中整個裝置可以發到0.5 s 鎖付，在實際運行過程中為了設備穩定一般需要1 s 完成鎖付。

6）相對于市面上較多的線式鎖付機，具有更好的通用性。

2.5 機器視覺裝置設計

機器視覺裝置使用千眼狼mini 系列工業攝像機，該攝像機可用于非接觸測量，為工業領域專門專門打造，具備大內存、優畫質、高性能等特點。該攝像機全幅分辨率1 920×1 080，小畫幅最高支持22 000 fps，具有高清廣電級畫質，滿足工業檢測使用。機器視覺部分，項目組利用了OpenCV 圖像算法，對工業攝像頭的采集畫面進行分析，檢測螺絲的鎖付情況，提高系統的高可靠性，如果系統經過檢測發現產品位置不對，則系統可立即產生報警，并且做好錯誤記錄，供工程人員分析。

2.6 自動抓取及鎖付裝置設計

自動取料部件由取料主體、氣缸、連接部件和吸取部件等部分組成，整體被固定在SCARA 機器人手臂上。鎖付部件由直線導軌、電批夾具、自動或氣動電批和夾頭等4 個部分組成。

3 結論

SCARA 關節機器人應用與自動化螺絲鎖付機中可以極大地提高生產效率。使用SCARA 機器人主要模仿人類的生產操作過程，達到快速穩定的生產，提高了生產效率并且減輕了生產工人的勞動強度。整個基于SCARA 關節機器人螺絲鎖付機使用了模塊化的設計方式，可適應多種生產場合和鎖付產品實際要求，并且程序和設備均做了冗余設計，可選擇單機器人和雙機器人結構。具體的創新點如下：

1）實現天正交流接觸器產線中螺絲鎖付環節的自動化生產提升，不僅可以節省人工，還可以為今后企業的數字化工廠和無人工廠提供一個技術支撐。

2）使用SCARA 機器人的自動鎖付機，相對人工螺絲鎖付，定位準確、精度高，提高了生產效率，產品檔次也得到了提升。

3）SCARA 機器人應用在螺絲鎖付機上，比以往3 軸垂直螺絲鎖付機具有運動靈活、速度更快、空間利用率高等優點，可以滿足更多的鎖付產品。