基于SCARA 機器人的自動化螺絲鎖付機研究

秦國棟，黃磊

（1.嘉興職業(yè)技術(shù)學院；2.浙江天正智能電器有限公司，浙江嘉興 314000）

在中國制造2025和工業(yè)4.0的大背景下，我國制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出生機勃勃的態(tài)勢，制造規(guī)模和制造水平得到了比較可觀的改善和提高[1]。在生產(chǎn)制造企業(yè)中，裝配是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而貼片、焊接、鎖付是裝配的重要工藝[2-3]。為了提高國內(nèi)企業(yè)的核心競爭力，也為了解決自動化裝配的難點，我國在不斷提高對裝備制造業(yè)的重視程度和產(chǎn)品生產(chǎn)加工的自動化程度，自動化螺絲鎖付設備也在逐步發(fā)展。大多數(shù)企業(yè)對于產(chǎn)品的螺絲鎖付都是采取工人用電動螺絲刀手動鎖付的方式，該制造環(huán)節(jié)使生產(chǎn)加工的效率變得很低。隨著人口紅利一年一年地減弱，產(chǎn)品的螺絲鎖付環(huán)節(jié)必須提高自動化程度[4-6]。此外，隨著產(chǎn)品的種類變得復雜化，螺絲的種類也逐漸呈現(xiàn)出多樣化，企業(yè)要想實現(xiàn)高效、快速的螺絲鎖付，其難度越來越大[7]。如果生產(chǎn)企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的人工鎖付螺絲的方式，不僅速度慢、效率低，而且螺絲鎖付的精度也沒有辦法得到保證。因此，設計一臺具備高適應性、速度快、效率高、準確度高的鎖螺絲系統(tǒng)十分有必要。

通過對市場的調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)自動螺絲鎖付裝置大多采用直角坐標全自動鎖付螺絲機，該自動鎖付螺絲機的特點是成本低、速度快，但是對于復雜的鎖付產(chǎn)品無法使用[8]。為了進一步提高自動螺絲鎖付機的自動化水平，本文介紹了基于SCARA機器人的自動螺絲鎖付裝置，基于SCARA機器人的自動螺絲鎖付裝置比直角坐標全自動鎖付螺絲機有更加多樣的使用場景。

一、項目研究背景

本項目來源于浙江省嘉興市科技局的公益項目，應用于浙江天正智能電器有限公司接觸器生產(chǎn)線的自動化改造項目，該公司生產(chǎn)線自動化改造的具體過程以及改造后減少工人的數(shù)量情況如圖1所示。浙江天正智能電器有限公司在自動螺絲鎖付機未安裝到產(chǎn)線之前，整條生產(chǎn)線需要7位工作人員，通過安裝兩臺自動螺絲鎖付機代替了1個底座組裝和2個螺絲鎖付工位，理論上減少了3名工人，為了保障機器的正常運行，生產(chǎn)線上增加了一個機器管理的輔助人員，最終減少了2名工人。浙江天正智能電器有限公司總共有15條接觸器的生產(chǎn)線，使用自動螺絲鎖付機可節(jié)省30個工人，自動螺絲鎖付機在經(jīng)過改裝后，還可以用于該公司的其他產(chǎn)線上，所以自動螺絲鎖付機可以大大提高企業(yè)的自動化生產(chǎn)水平，減少工人的使用量，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

圖1 本項目在產(chǎn)線自動化改造中的應用位置

本項目的主要目的是開發(fā)一個配備基于SCARA機器人的自動螺絲鎖付裝置，主要開發(fā)內(nèi)容如下：

1.自動上料裝置：根據(jù)生產(chǎn)線要求，自動螺絲鎖付裝置把待鎖付的產(chǎn)品放置在輸送線上，自動輸送到工作平臺，按指定的位置定位，鎖付完成后，輸送到下一個工位。在傳送期間，自動螺絲鎖付裝置按照規(guī)劃的鎖付路徑依次擰緊相應的螺釘。

2.抓取螺絲機械手結(jié)構(gòu)及控制器設計：為了能夠準確地抓取螺絲并將螺絲放置在對應位置上，控制電批啟動、停止及扭矩大小，本項目設計了一個機械裝置及其對應的PLC控制器[8-9]，以保證順利鎖付且不會出現(xiàn)漏鎖、浮鎖、滑絲等不良品，并且鎖付機檢測到不良品后能夠報警或者將不良品自動選出。

3.設計一個基于視覺檢測產(chǎn)品位置正確與否的裝置：該裝置可以檢測由于各種原因輸送到平臺上的斷路器的位置信息，如發(fā)現(xiàn)位置信息不對，該裝置將及時報警，減少不良品且保護鎖付裝置。

二、項目實施方案

（一）總體方案

基于機器人的全自動螺絲鎖付機的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，總體框圖如圖3所示。基于機器人的全自動螺絲鎖付機包括自動傳輸裝置、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六個主要部分。

圖2 全自動螺絲鎖付機結(jié)構(gòu)圖

圖3 全自動螺絲鎖付機總體框圖

（二）自動傳輸裝置

自動傳輸裝置包含傳輸帶和計數(shù)結(jié)構(gòu)，在傳輸帶的進口處和出口處的鋼柱上各設置一個光電感應開關(guān)，當每個料進入和出去時，均能觸發(fā)光電感應開關(guān)，形成電信號，該信號傳輸?shù)絇LC的輸入口，完成傳輸帶PLC的進料計數(shù)功能。當系統(tǒng)檢測到傳輸帶的螺絲過多時，主控PLC會控制傳輸帶的電機減慢速度直至報警停止[10-11]。

（三）自動供釘裝置

自動供釘裝置由供釘?shù)鬃?、電機、供釘組件、儲釘結(jié)構(gòu)四個部分組成。自動供釘裝置上端可以安裝8組釘夾，主要目的是應對比較復雜的鎖付產(chǎn)品，用以存放不同型號的螺釘，如果產(chǎn)品比較單一，則只需安裝一組釘夾。螺釘選型方法是滑臺上的供釘組件由絲杠帶動前后移動實現(xiàn)選型，螺釘定位則由裝置上的零位開關(guān)和電機編碼器控制實現(xiàn)。自動供釘裝置除了選釘動作是通過伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)外，其余動作均通過電磁閥控制氣缸實現(xiàn)。此外，自動供釘裝置還有若干傳感器，傳感器的作用是在系統(tǒng)運作過程中，檢測關(guān)鍵部位螺釘是否順利到位以及檢測釘管中的螺釘是否存有余量，傳感器的使用能提高系統(tǒng)的安全性能。

（四）機器視覺裝置

機器視覺裝置使用工業(yè)攝像頭，本系統(tǒng)采用1 400萬像素的工業(yè)CCD攝像頭。工業(yè)CCD攝像頭具有高精度、高效率、高速度的特點。工業(yè)CCD攝像頭配備有OpenCV圖像算法，該圖像算法相對比較成熟，可以極大地提高開發(fā)效率，加快系統(tǒng)的開發(fā)。使用工業(yè)攝像頭檢測的優(yōu)點是非接觸測量，檢測產(chǎn)品部件是否在準確的位置上，不損傷觀測者和被測者的特點，提高系統(tǒng)的高可靠性，可以快速地檢測、分析和識別任務，提高生產(chǎn)效率。如果系統(tǒng)經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品位置不對，系統(tǒng)就可以立即報警，提醒工作人員及時排除錯誤。

（五）自動抓取及鎖付裝置

自動取料部件包括：取料主體、氣缸、連接部件和吸取部件，自動取料部件安裝在關(guān)節(jié)機器人的手臂上。鎖付部件包括直線導軌、電批夾具、自動電批和夾頭四個部分。其中，直線導軌安裝在鎖付機主體上；電批夾具的一端垂直安裝在直線導軌上，并且必須與氣缸垂直相連；電動電批則垂直固定在電批的夾具上；夾頭垂直固定在鎖付機主體下部。

（六）SCARA 機器人控制

自動鎖付機使用平面4軸的SCARA關(guān)節(jié)機器人。SCARA機器人具備靈活的自由度，可以實現(xiàn)快速的取料、運料、定位等動作，并且能節(jié)省空間，一致性和協(xié)同性均較高。本系統(tǒng)采用臺達公司生產(chǎn)的DRS40L3關(guān)節(jié)機器人，該機器人具備高性能的速度、精度、線性度和垂直度性能，能夠輕松地完成組裝、鎖螺絲、搬運、包裝等動作，并且具備很高的性價比。

SCARA機器人類似于人類的手臂，結(jié)構(gòu)合理，并且具有極強的易用性，同時具備高性價比，運動速度比普通關(guān)節(jié)式機器人快了很多倍?；赟CARA機器人的全自動鎖付螺絲機具備以下幾個特點[12-13]：

1.適用性強：不同的應用場合或者鎖付產(chǎn)品只需要更換夾具即可。

2.鎖付設備程序可單獨保存：變更使用場合或者鎖付產(chǎn)品時，調(diào)出對應的程序即可使用，無需再次編程，方便現(xiàn)場工作人員進行操作。

3.可準確地檢測螺絲滑牙、浮鎖：程序員只需在觸摸屏上設定多種處理不良螺絲的方法，鎖付螺絲機便會根據(jù)事先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(guān)節(jié)機器人，比較類似人類操作，螺絲或者鎖付產(chǎn)品在供料時能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定供料，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

5.效率更高：一顆螺絲一般只需要1秒即可完成鎖付，實驗室的最快速度可以達到0.5秒。

6.通用性強：適合在線式鎖付機。

（七）其他控制模塊

整機主控部分使用PLC控制，PLC選用歐姆龍公司的2塊CP1W-40EDT，該PLC具有24點輸入和16點輸出，也可連接擴展單元，具備程序簡單、性能穩(wěn)定、開發(fā)周期快等特點，并且整機的控制部分也進行了模塊化設計，可以方便地擴展關(guān)節(jié)機器人。在任務量較小或者成本有要求時，工作人員可以使用單個關(guān)節(jié)機器人，在任務量較大時，工作人員可以使用兩個關(guān)節(jié)機器人，只需要增加相應型號的PLC即可。人機界面采用觸摸屏設計，本系統(tǒng)使用深圳昆侖通態(tài)TPC7062TD的觸摸屏，該觸摸屏具有成熟、穩(wěn)定的特點，界面操作人員容易接受，操作界面如圖4所示，整個界面包含運行界面、手動界面、參數(shù)設置、OEE數(shù)據(jù)、IO表五個子界面。運行界面包含啟動和暫停按鈕、產(chǎn)量、生產(chǎn)節(jié)拍和報警信息。手動界面列出各個氣缸伸出、退回、螺絲刀啟停等按鈕。手動界面主要是給工程技術(shù)人員或企業(yè)操作人員調(diào)試系統(tǒng)使用。參數(shù)設置界面主要是對參數(shù)界面中相應的參數(shù)進行調(diào)整，可改變設備在全自動運行時機構(gòu)的動作時間以及各機構(gòu)間動作銜接的情況，從而使設備達到理想的運行狀態(tài)。IO表界面出廠設置能方便電氣工程師檢查和調(diào)試設備。

圖4 全自動螺絲鎖付機人機界面

三、總結(jié)

本次設計的自動化螺絲鎖付機使用了SCARA關(guān)節(jié)機器人，該關(guān)節(jié)機器人可以模仿人類的生產(chǎn)操作過程，減輕了工人的勞動強度，極大地提高了生產(chǎn)效率。自動化螺絲鎖付機使用了模塊化的結(jié)構(gòu)設計，可根據(jù)不同的使用場合和鎖付產(chǎn)品的實際要求，選擇采用單機器人設計或多機器人設計。自動化螺絲鎖付機具體的創(chuàng)新點如下：

1.實現(xiàn)合作企業(yè)斷路器生產(chǎn)中螺絲鎖付環(huán)節(jié)的自動化提升，節(jié)省人力，為今后該產(chǎn)品實現(xiàn)自動化生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

2.提升產(chǎn)品檔次，生產(chǎn)線上使用專用設備和機器人，定位準確，既提高了精度，提高了質(zhì)量，又提高了效率。

3.使用4軸機器手臂，比市場上常見的3軸垂直螺絲鎖付機運動更加靈活、速度更快、空間利用率更高，并且能夠適應更多的鎖付產(chǎn)品。

4.整機采用雙工位設計，采用機器人協(xié)同控制，且選用國產(chǎn)機器人，為今后的產(chǎn)線整體升級和產(chǎn)線柔性生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。