小長(zhǎng)徑比多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉建春，杜欣宇，黃海濱，湯輝煌

(廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

小長(zhǎng)徑比多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉建春，杜欣宇，黃海濱，湯輝煌

(廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

為解決常規(guī)鎖螺絲機(jī)柔性較差且無(wú)法應(yīng)用于小長(zhǎng)徑比螺絲的問(wèn)題，開發(fā)了一套適用于小長(zhǎng)徑比螺絲的多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)。根據(jù)鎖付工件的功能需求，基于八軸運(yùn)動(dòng)控制卡，開發(fā)了多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。并以50寸液晶電視背板為加工對(duì)象進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，人工數(shù)量可減少86%，鎖付時(shí)間平均減少30%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)螺絲的快速鎖付，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

小長(zhǎng)徑比；多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

0 引言

在液晶電視生產(chǎn)過(guò)程中，常見(jiàn)的32寸到50寸背板螺絲數(shù)量可達(dá)20至64粒，在螺絲鎖付工位上需要安排4至7人，耗時(shí)11S至25S，已成為企業(yè)生產(chǎn)效率提高的瓶頸。另外，現(xiàn)在勞動(dòng)力市場(chǎng)普遍存在用工荒問(wèn)題，工人普遍不愿從事單調(diào)乏味無(wú)創(chuàng)造性的工作，人員流動(dòng)很大，從而造成了產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此，企業(yè)為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，解決用工荒問(wèn)題，急需全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)螺紋連接件自動(dòng)鎖付工藝也進(jìn)行了相關(guān)研究，例如，António H. J. Moreira[1]等人利用基于Windows CE的嵌入式電腦開發(fā)了自動(dòng)鎖螺絲機(jī)，加工過(guò)程和加工信息可實(shí)時(shí)監(jiān)控，但嵌入式電腦擴(kuò)展性及數(shù)據(jù)處理能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理；汪春華[2]等人設(shè)計(jì)了基于工控機(jī)的多工位電動(dòng)螺栓擰緊機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了螺栓扭矩和轉(zhuǎn)角高精度控制以及擰緊機(jī)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)小長(zhǎng)徑比螺絲的鎖付；王月芹[3]等人，基于PLC設(shè)計(jì)了一套鎖螺絲自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單相國(guó)網(wǎng)電表接線端子自動(dòng)鎖螺絲控制功能，提高了生產(chǎn)線自動(dòng)化生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，但PLC數(shù)據(jù)處理能力較差，難以處理復(fù)雜信息；陳俊志[4]等人設(shè)計(jì)了一種相向式雙工位自動(dòng)鎖螺絲機(jī)，可通過(guò)雙工位交替鎖付螺絲，減少了由于電批取螺絲產(chǎn)生的時(shí)間消耗，但僅適用于尺寸較小且螺絲數(shù)量少的工件。可見(jiàn)目前鎖付研究主要是針對(duì)單軸鎖付小型工件，對(duì)尺寸較大的工件和小長(zhǎng)徑比的螺絲鎖付沒(méi)有涉及。

本設(shè)備用于液晶電視背板燈條螺絲的鎖付。由于液晶電視背板上呈矩陣式排列的燈條螺絲通常采用長(zhǎng)2.5mm的M3螺絲，其螺帽的直徑大于螺柱的長(zhǎng)度，是小長(zhǎng)徑比螺絲，不能采用普通的吹氣式供應(yīng)螺絲，只能采用吸附式。本文基于鎖付工件及螺絲的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了小長(zhǎng)徑比多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并以50寸背板為加工對(duì)象進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

1 自動(dòng)鎖螺絲機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示為小長(zhǎng)徑比螺絲，由圖可看出，小長(zhǎng)徑比螺絲具有帽徑較大而總長(zhǎng)較短的特點(diǎn)，一般把螺絲長(zhǎng)度L與螺絲帽徑D的比值L/D≤1.3的螺絲稱為小長(zhǎng)徑比螺絲。由于螺絲的帽徑大于長(zhǎng)度的尺寸特點(diǎn)，使得如果使用吹氣的輸送方法，則螺絲會(huì)在輸送管內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，造成無(wú)法正常輸送的問(wèn)題，甚至可能造成輸送管的堵塞，因此這類螺絲通常采用吸附式的方法進(jìn)行輸送?；诖嗽O(shè)計(jì)了小長(zhǎng)徑比多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。

圖1 小長(zhǎng)徑比螺絲

多軸自動(dòng)鎖螺絲機(jī)共有7個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，分別為送料軸1個(gè)，前后運(yùn)動(dòng)軸(Y軸)1個(gè)，上下運(yùn)動(dòng)軸(Z軸)1個(gè)，電批運(yùn)動(dòng)軸(X軸)4個(gè)。為提高鎖付效率，需采用多軸聯(lián)動(dòng)并對(duì)外部設(shè)備反饋信息進(jìn)行處理，若采用PLC加觸摸屏方案，則難以實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，且編程復(fù)雜，系統(tǒng)交互性不好，故采用工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)。

本自動(dòng)鎖螺絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由上位機(jī)、下位機(jī)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊和功能執(zhí)行模塊總體四部分組成，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成圖

上位機(jī)為工控機(jī)，主要負(fù)責(zé)與用戶的交互，存儲(chǔ)加工信息及對(duì)下位機(jī)反饋信息進(jìn)行邏輯處理等；下位機(jī)為運(yùn)動(dòng)控制卡，通過(guò)接受上位機(jī)發(fā)送的命令，直接控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和執(zhí)行相應(yīng)功能，并收集執(zhí)行器的反饋信息，傳遞給上位機(jī)，供其進(jìn)行邏輯計(jì)算；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)將機(jī)構(gòu)移動(dòng)到指定的位置；功能執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)完成鎖付相關(guān)的工作，包括電批鎖付與重置(Start和reset)，排列機(jī)送螺絲(排列機(jī)通電)，排列機(jī)固定(電磁鐵通電)，螺絲吸附(真空泵電磁閥通電)等，如圖3所示，為運(yùn)動(dòng)控制卡輸出點(diǎn)位控制外部設(shè)備接線圖。

運(yùn)動(dòng)控制卡選擇研為8軸運(yùn)動(dòng)控制卡IMC3082E，控制卡可接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，并可通過(guò)集線器/路由器擴(kuò)展，最多可同時(shí)連接64塊控制卡，方便系統(tǒng)擴(kuò)散與集成。

圖3 外部設(shè)備控制圖

2 自動(dòng)鎖螺絲機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

由于電視機(jī)背板尺寸不同，相應(yīng)的燈條螺絲間距也不相同。隨著產(chǎn)品型號(hào)更新?lián)Q代加快，要求產(chǎn)品換型時(shí)間短，可迅速對(duì)電批位置進(jìn)行精確調(diào)整。同時(shí)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，除了加工過(guò)程中按加工程序自動(dòng)進(jìn)行螺絲鎖付外，還需對(duì)鎖付質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1 鎖付工作流程

自動(dòng)鎖螺絲機(jī)開啟后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配置相應(yīng)默認(rèn)參數(shù)。工人將工件放到鎖螺絲機(jī)送料平臺(tái)上，選擇相應(yīng)工件型號(hào)，自動(dòng)生成加工程序，這時(shí)，電批伺服電機(jī)會(huì)帶動(dòng)電批進(jìn)行位置調(diào)節(jié)；若為新型號(hào)，則需先新建工件型號(hào)，輸入工件信息并保存。最后開始加工操作，運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)時(shí)讀取反饋參數(shù)，記錄螺絲鎖付完成情況，并顯示在主界面上。當(dāng)螺絲全部鎖付完成后，工件由送料平臺(tái)送出。若有鎖付不合格的螺絲，系統(tǒng)會(huì)提示需要補(bǔ)鎖的螺絲編號(hào)；若全部鎖付合格，則鎖付過(guò)程結(jié)束。具體螺絲鎖付流程如圖4所示。

圖4 工件螺絲鎖付流程圖

鎖付過(guò)程根據(jù)上位機(jī)發(fā)送指令，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)各軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡讀取電機(jī)、電批、排列機(jī)等反饋信號(hào)[5]，實(shí)現(xiàn)快速高效的螺絲鎖付。

鎖付質(zhì)量的判定主要依靠電批的反饋信號(hào)，在鎖付前設(shè)定好電批扭力，當(dāng)鎖付結(jié)束時(shí)，螺絲扭矩達(dá)到設(shè)定值，電批會(huì)將扭矩到達(dá)信號(hào)反饋給運(yùn)動(dòng)控制卡。因此，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，控制卡接收到電批的反饋信號(hào)，則鎖付正確完成，反之，則鎖付有問(wèn)題[6-8]，記錄下相應(yīng)孔位信息，并報(bào)警，提醒人工補(bǔ)鎖。

2.2 軟件主流程設(shè)計(jì)

根據(jù)工件螺絲鎖付流程，確定軟件的主控制流程如圖5所示。

圖5 軟件主控制流程

軟件自動(dòng)配置默認(rèn)加工參數(shù)，讀取工件螺絲孔位信息，并根據(jù)孔位信息控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置鎖付相應(yīng)螺絲，各個(gè)電批反饋鎖付轉(zhuǎn)矩是否達(dá)到設(shè)定值信息給控制卡，判斷螺絲是否鎖付成功，如果成功就在顯示界面上對(duì)應(yīng)孔位顯示為綠色，否則顯示為紅色。重復(fù)執(zhí)行以上過(guò)程直到工件鎖付完成。

2.3 路徑優(yōu)化

分析螺絲鎖付流程可知，若要提升加工效率，減少總加工時(shí)間，除了提高各軸電機(jī)轉(zhuǎn)速外，還應(yīng)盡量減小各軸運(yùn)動(dòng)行程，減少加減速次數(shù)，合理安排各軸運(yùn)動(dòng)時(shí)序。

如圖6虛線所示，初始路徑為從A點(diǎn)開始，首先豎直向上移動(dòng)L1，再水平向左移動(dòng)L3，最后豎直向下移動(dòng)L4，鎖付完成后按原路徑返回取螺絲，同時(shí)工件向前移動(dòng)至下一螺絲孔位，重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)直到工件完全鎖付完成。L2為機(jī)構(gòu)干涉范圍，即若要使電批順利向下運(yùn)動(dòng)并鎖付螺絲，水平移動(dòng)距離至少應(yīng)等于L2。綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)、路徑最短及避免干涉等因素，得出L1=5mm，L3=78mm，L4=245.46mm。

但是，該路徑從A點(diǎn)出發(fā)到回到A點(diǎn)，電機(jī)需進(jìn)行6次加減速，由于各軸行程相對(duì)較短，這樣電機(jī)主要工作在加減速過(guò)程，很少運(yùn)行于高速穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)還使得機(jī)臺(tái)的振動(dòng)情況較為嚴(yán)重，故對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化，其路徑示意圖如圖6實(shí)線所示。

在優(yōu)化路徑過(guò)程中，以機(jī)臺(tái)坐標(biāo)系及坐標(biāo)原點(diǎn)為坐標(biāo)系和坐標(biāo)原點(diǎn)，采用樣條插值的方法求出路徑方程[9]。為減少計(jì)算量，提取運(yùn)動(dòng)路徑中關(guān)鍵路徑BC段進(jìn)行樣條插值，其中，B點(diǎn)為螺絲剛好被取出時(shí)的坐標(biāo)點(diǎn)，C點(diǎn)為電批在豎直向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中剛好不發(fā)生干涉的坐標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)，樣條曲線BC與直線CD相切于C點(diǎn)，與直線AB相切于B點(diǎn)，這樣可保證在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中順暢的運(yùn)行。在AB段和DE段采用豎直方向運(yùn)動(dòng)，主要是因?yàn)?，AB段為電批取螺絲，需使電批豎直運(yùn)動(dòng)才能更好的取到螺絲，而DE段為螺絲鎖付，同樣需要電批的豎直運(yùn)動(dòng)。此外，由于DE段鎖付螺絲時(shí)，進(jìn)給速度與電批轉(zhuǎn)速、螺絲長(zhǎng)度、牙距相關(guān)[10]，而BD段為空行程，可在電機(jī)允許速度下盡可能加快速度。

圖6 螺絲鎖付運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

利用Matlab求得插值函數(shù)如公式(1)：

(1)

軌跡曲線如圖7所示。

圖7 軌跡曲線圖

3 實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)完成后以50寸液晶電視機(jī)背板為對(duì)象進(jìn)行燈條螺絲鎖付實(shí)驗(yàn)。

按照鎖付工作流程，將電視機(jī)背板的相關(guān)信息輸入程序中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄加工時(shí)間，查看鎖螺絲運(yùn)動(dòng)控制軟件的信息記錄。鎖付實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

1.電批 2.燈條 3.待鎖付孔位 4.電視背板 5.排列機(jī)圖8 鎖付現(xiàn)場(chǎng)

在鎖付過(guò)程中，采用分段控制速度的方法，分為取螺絲階段，設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度為V1，空行程階段，設(shè)置速度為V2和鎖螺絲階段，設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度為V3，在圖6中，電批豎直向下運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)過(guò)程為取螺絲階段，最遠(yuǎn)為10mm，從D運(yùn)動(dòng)到E點(diǎn)為鎖螺絲階段，長(zhǎng)度為10mm，其他階段均為空行程階段。本次試驗(yàn)中，設(shè)置V1=50mm/s，V2=300mm/s，根據(jù)電批轉(zhuǎn)速，螺絲長(zhǎng)度及牙距，計(jì)算得出V3=12.5mm，通過(guò)200組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果平均值如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由上表可看出，在達(dá)到與人工鎖付相同的質(zhì)量下，鎖付時(shí)間縮短了30%，鎖付成功率平均數(shù)為98.5%，符合企業(yè)生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

使用工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方案，結(jié)合VB.net語(yǔ)言對(duì)自動(dòng)鎖螺絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，具有編程方便，開發(fā)效率高的特點(diǎn)，對(duì)于提高設(shè)備開發(fā)效率具有重要意義。同時(shí)，工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方案，還具有擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，可有效提高設(shè)備的利用率。最后，利用50寸液晶電視背板進(jìn)行燈條鎖付實(shí)驗(yàn)，相比于人工鎖付，時(shí)間減少了30%，鎖付成功率為98.5%，證明該鎖螺絲機(jī)可實(shí)現(xiàn)小長(zhǎng)徑比螺絲的自動(dòng)鎖付，大大降低人工成本。

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(編輯 李秀敏)

The Design on Motion Control System of Multi-axis Automatic Tightening Equipment

LIU Jian-chun, DU Xin-yu, HUANG Hai-bin, TANG Hui-huang

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen Fujian 361024，China)

This paper is mainly to design a multi-axis automatic tightening equipment, which is used for solving the problem that most of the multi-axis automatic tightening equipment on the market is less flexible and not fit for small aspect radio screws .Besides,a motion control system which is based on 8-axis motion control card is designed.Then an experiment is conducted to tighten the screws of the light bars on the 50-inch LCD TV backplane. The result proves that the automatic tightening reduces about 30% in time on average than the manual tightening, and the number of workers can reduce 86%. The result indicates that the multi-axis automatic tightening equipment can tighten the screws quickly, which is significant for improving efficiency and reducing cost.

small aspect radio；multi-axis automatic tightening equipment; motion control system

1001-2265(2017)05-0061-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.016

2016-07-06；

2016-10-12

2016年福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目引導(dǎo)性項(xiàng)目(2016H0040)

劉建春(1972—)，男，福建永春人，廈門理工學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)閿?shù)控與機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，(E-mail)xmjcliu@163.com。

TH165;TG659

A