機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)規(guī)劃與實驗＊

劉 鵬 秦 濤② 余偉偉 李 波②

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

螺釘是日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的小零件，一般用作零部件之間的固定，在工業(yè)生產(chǎn)中有重要地位[1]。目前鎖螺釘裝配大多數(shù)還是采用人工作業(yè)，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(zhì)量[2]。隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)對自動化裝備的需求，出現(xiàn)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(yù)操作，自動化程度不高[3-4]。國外最早把機器人技術(shù)運用在工業(yè)生產(chǎn)中，達(dá)到了自動化生產(chǎn)的目的。文獻[5]設(shè)計了一種基于視覺反饋的螺釘裝配任務(wù)，提高了螺釘?shù)难b配效率，同時為工業(yè)應(yīng)用提供靈活且易于擴展的機器人裝配系統(tǒng)。文獻[6]利用PLC與機器人相結(jié)合，PLC控制機械手和電動扳手實現(xiàn)了鋼軌扣件的自動化裝配任務(wù)，提高了工作效率。使用機器人替換人工可實現(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，節(jié)約了人力成本，同時推動了機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[7]。

本文針對機器人自動鎖螺絲的需求，提出了基于工業(yè)機器人的自動鎖螺釘裝配系統(tǒng)，規(guī)劃了機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)及流程，設(shè)計了機器人自動鎖螺釘裝配系統(tǒng)的控制器的硬件和軟件，編寫了機器人自動鎖螺釘任務(wù)程序并調(diào)試，實現(xiàn)機器人自動鎖螺釘裝配，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 機器人自動鎖螺釘裝配系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

機器人自動鎖螺釘裝配系統(tǒng)由工業(yè)機器人單元、螺釘供給單元、物料裝配固定單元、末端執(zhí)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(yè)機器人是采用KUKA KRC4 6軸小型機器人，工業(yè)機器人單元控制每個關(guān)節(jié)軸電機運動，實現(xiàn)末端執(zhí)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(xiàn)螺釘自動上料并計數(shù)。物料裝配固定單元使用氣缸作為執(zhí)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(zhí)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(xiàn)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(zhǔn)確的位置信息。報警指示單元的控制系統(tǒng)采用三菱FX5U型PLC邏輯控制器，控制鎖螺釘裝配系統(tǒng)各執(zhí)行元件的指令發(fā)出及接收反饋信號，系統(tǒng)正常工作時顯示綠燈，系統(tǒng)報錯時顯示黃燈，系統(tǒng)存在硬件故障時顯示紅燈。機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)總體示意圖，如圖1所示。

圖1 機器人自動鎖螺釘裝配系統(tǒng)平臺

1.2 裝配任務(wù)規(guī)劃設(shè)計

（1）鎖螺釘裝配任務(wù)描述

機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)中機器人的運行過程關(guān)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(zhí)行器到達(dá)P0點，設(shè)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(zhí)行設(shè)定好的自動鎖螺釘裝配任務(wù)。先到達(dá)P1點螺釘板預(yù)抓取位；末端氣動夾爪下行到達(dá)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(yù)定位；末端氣動夾爪下行到達(dá)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(zhí)行器切換至電動螺絲批工具；運行到達(dá)P5點螺釘預(yù)抓取位；電動螺絲批下行到達(dá)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(huán)。其運行軌跡如圖2所示。

圖2 機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)描述

（2）鎖螺釘裝配任務(wù)流程圖

通過PLC編程實現(xiàn)總體編程，PLC與機器人進行數(shù)據(jù)通信，配置好I/O點，關(guān)聯(lián)PLC與機器人的輸入輸出點，最終實現(xiàn)整體系統(tǒng)設(shè)計。如圖3所示。

圖3 機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)流程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人自動鎖螺釘裝配的控制系統(tǒng)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(xiàn)機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)，需要對2個控制系統(tǒng)進行程序設(shè)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(tǒng)的地址設(shè)置，使用GXWorks3軟件完成三菱PLC系統(tǒng)的地址設(shè)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(zhí)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(tǒng)硬件組成及架構(gòu)

針對機器人自動鎖螺釘裝配系統(tǒng)平臺的運動控制，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)字控制。交換機作為通訊中間端口承接機器人控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)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(zhí)行器，采用結(jié)構(gòu)化文本和連續(xù)功能圖兩種方式實現(xiàn)自動鎖螺釘裝配任務(wù)[9-10]。系統(tǒng)控制架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制架構(gòu)圖

2.2 控制器 I/O 的分配

實際工作環(huán)境中以PLC作為主控制系統(tǒng)，將PLC與機器人等設(shè)備I/O口進行連接，接收現(xiàn)場傳感器和機器人等發(fā)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(shè)計

（1）根據(jù)系統(tǒng)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(fā)通訊程序。如圖5所示。

圖5 機器人鎖螺釘裝配系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸，然后在主程序中調(diào)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(wù)系統(tǒng)平臺，按照以上設(shè)計的程序以及參數(shù)設(shè)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(guān)按鍵處于手動模式并確保工作機器人工作范圍內(nèi)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(fā)系統(tǒng)運行。機器人實現(xiàn)自動化鎖螺釘裝配，關(guān)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(shù)據(jù)分析

通過實驗測試機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)，平臺經(jīng)過12 h連續(xù)運行，每隔1 h測試0.5 h并記錄1次數(shù)據(jù)。測試中實際記錄結(jié)果如表3所示。

表3 測試結(jié)果記錄表

機器人自動鎖螺釘裝配任務(wù)的效率計算公式

式中：T測試總時間；TA外界因素影響系統(tǒng)停機時間；TB設(shè)備自身故障引起系統(tǒng)停機時間。

實際測試結(jié)果的記錄數(shù)據(jù)經(jīng)整理計算，結(jié)果如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)整理結(jié)果表

測試結(jié)果：裝配螺釘總個數(shù)為1 768顆，其中未成功裝配個數(shù)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(dá)到95.8%，充分驗證了機器人自動鎖螺釘裝配系統(tǒng)的穩(wěn)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(wù)在連續(xù)運行情況下，每分鐘裝配螺釘數(shù)量在8～9顆左右，可大大減輕工人重復(fù)工作的強度，降低勞動力，節(jié)約成本，研究成果具有應(yīng)用和推廣價值。

4 結(jié)語

面對自動鎖螺釘裝配任務(wù)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(wù)系統(tǒng)平臺。提出了基于三菱PLC和KUKAKRC4機器人的控制系統(tǒng)，設(shè)計了自動鎖螺釘裝配任務(wù)系統(tǒng)控制程序，利用組態(tài)的方式實現(xiàn)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(guī)劃了自動鎖螺釘裝配任務(wù)的實現(xiàn)路徑點信息，編寫運行控制程序。通過對系統(tǒng)平臺的實驗測試，記錄平臺工作12 h鎖螺釘裝配的數(shù)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(tǒng)的穩(wěn)定性，能有效提高螺釘?shù)难b配效率，為后續(xù)工廠信息化、集成化打下堅實基礎(chǔ)。