六軸自動鎖附螺絲機器人設計*

曾祥林，庹先國,2，彭英杰，張貴宇,2,3，王 昆，陳 霏

(1.四川輕化工大學自動化與信息工程學院，四川 宜賓 644000；2.人工智能四川省重點實驗室，四川 宜賓 644000；3.西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著自動化技術不斷發(fā)展，螺紋連接件被廣泛用于電器設備、汽車、手機等產品上[1]。 我國螺紋連接在自動化鎖附方面，大部分鎖附工作復雜、鎖附精度較高仍需采用人工完成[2]。企業(yè)為追求高生產效率，對鎖附工具進行了改進，并未減少勞動成本[3]。而人工手動擰緊螺絲，存在工作效率低、勞動成本高、質量不均勻等問題[4]?，F(xiàn)目前，有一些種類的自動鎖螺絲機，采用四軸鎖附結構、單片機控制方式實現(xiàn)螺絲的自動輸送、擰緊、檢測等工序，簡化螺絲緊固工序，達到減少勞動力并提高生產效率的目的[5-7]。螺絲在規(guī)定的范圍內可以通用，靈活性強，對于更換其它產品，需要更換夾具和調用相對應的程序[8]。聶榮臻等[9]設計吹氣式螺絲自動安裝機運用于家具行業(yè)，對螺絲規(guī)格型號有所限制。王月芹等[10]設計了基于PLC自動鎖螺絲設備，主要用于單相國網電表接線端子自動鎖螺絲。文獻[11-12]設計基于PLC的全自動螺絲機，采用雙PLC控制系統(tǒng)，硬件成本高而鎖附效率較低。汪春華等[13]設計了基于工控機的多工位電動螺栓擰緊機控制系統(tǒng)，主要用于大型控制設備螺絲鎖附。國外Moreira A H J等[14]利用基于Windows CE的嵌入式電腦開發(fā)了自動鎖螺絲機，加工過程和加工信息可實時監(jiān)控，程序復雜度較高、可移植性較差。自動鎖螺絲機存在螺絲鎖附效率較低、通用性較差、程序較復雜等不足。本文設計了六軸自動鎖附螺絲機器人，控制系統(tǒng)采用梯型曲線控制伺服電機，氣動元件來簡化螺絲鎖附工序，狀態(tài)機與模塊化相結合的方式完成系統(tǒng)設計，提高了鎖附螺絲通用性、程序的移植性、螺絲鎖附效率。由傳動制造轉向智能制造，進一步提高自動化螺絲裝備設備的工作效率以及產品的質量，為實現(xiàn)智能制造做出貢獻。

1 結構與工作原理

1.1 結構設計

本系統(tǒng)結構設計為龍門刨床型，采用6個運動軸(前X軸、后X軸、左Y軸、右Y軸、前Z軸、后Z軸)、4個鎖附工位(左前工位、右前工位、左后工位、右后工位)、雙供料機(前供料機、后供料機)、雙電批(前電批、后電批)等結構形式，提高設備鎖附螺絲的工作效率與獨立性，如圖3所示。在螺絲鎖附過程中，X軸承載Z軸及Z軸上的電批，并將其帶動到待鎖附工件的螺絲孔位置，Y軸負責將待鎖附工件傳送到鎖附位置，Z軸是將帶動電批完成取料、送料、鎖附功能。

圖1 六軸自動鎖附螺絲機機器人機械結構

該結構設計主要包括定位、取料、鎖附三種功能，以此完成螺絲鎖附工作。待加工工件定位以三維直角坐標模型作為螺絲機復位后的機械結構的控制模型，并采用絕對定位方式存儲待加工工件的螺絲孔的坐標、參考點坐標、原點坐標及取料點坐標，避免工件在鎖附過程中位置混淆。同時采用氣缸與夾具相結合的方式固定待鎖附工件，防止在螺絲鎖附過程中工件位置出現(xiàn)偏差，螺絲鎖附出現(xiàn)故障。當電批鎖附過程中所產生的扭矩力大于預設的扭矩力，電批停止鎖附螺絲，完成該顆螺絲鎖附工作。

1.2 工作原理

六軸自動鎖附螺絲機器人以HMI觸摸屏為主站，PLC為從站，HMI觸摸屏與PLC之間采用以太網通訊，如圖2所示。

圖2 螺絲裝配設備邏輯思路圖

控制系統(tǒng)采用有限狀態(tài)機與模塊化相結合思想進行編程設計，完成6個運動軸之間協(xié)調、獨立控制。提高了程序的可維護性、移植性、通用性，采用雙供料、四工位并行鎖附螺絲，提高螺絲鎖附效率。同時該方案采用多維控制方式，在手動模式下，采用手動方式對螺絲孔位置進行定位以及其他操作。如出現(xiàn)螺絲鎖附故障時，需用手動方式處理。自動模式則是通過預設程序及其他螺絲鎖附參數(shù)，自動運行設備鎖附螺絲。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 伺服電機運動控制設計

伺服電機控制是六軸自動鎖附螺絲機器人中最重要部分，伺服電機運行穩(wěn)定性將影響螺絲鎖附機器人的穩(wěn)定性能，伺服電機運行精度將決定螺絲鎖付的成功率，伺服電機運行速度改變機器的工作效率，因此螺絲孔坐標位置在伺服電機運動中的實現(xiàn)方法尤為重要。伺服控制系統(tǒng)由6臺伺服驅動器組成，6臺伺服驅動器之間采用相互獨立控制方式，控制原理如圖3所示。

圖3 伺服控制原理圖

伺服驅動器在收到控制指令時，向編碼器發(fā)送電機運行方向與脈沖數(shù)，同時接收編碼器反饋的電機運行信息，自動調整電機運行狀態(tài)，形成閉環(huán)控制。因螺絲尺寸較小，精度要求較高，控制系統(tǒng)采用位置控制模式、速度控制方式對伺服電機閉環(huán)控制，提升伺服電機運行速度與準確度，同時用絕對定位方式對螺絲孔坐標進行定位。螺絲鎖附過程中，6個伺服電機同步運動且并行控制，節(jié)省螺絲鎖附時間。

六軸自動鎖附螺絲機器人是通過螺絲孔在三維坐標軸的交點與陣列螺絲機上螺絲X方向位移和Y方向位移，再計算螺絲孔與交點X方向位移和Y方向位移，將兩段位移進行代數(shù)運算，從而得到螺絲孔至螺絲X方向位移和Y方向位移。六軸自動鎖附螺絲機器人運動控制采用梯型曲線算法，首先將梯型曲線離散化，如圖4所示，然后將距離分為k段，并按式(1)求出第k個采樣臺階處的脈沖頻率fk為：

(1)

(2)

其中，fk為第k個采樣臺k1階處引腳輸出的脈沖頻率，θ為步距角，N為電機驅動器細分數(shù)，s為電機移動距離。根據脈沖頻率求出單個脈沖移動位移，最后計算出脈沖信號數(shù)量，進而實現(xiàn)電機平滑移動至預定位置。

圖4 離散化梯形曲線

各段加速度、位移計算式為式(3)、式(4)：

(3)

(4)

在PLC控制器中，伺服驅動器接收到PLC發(fā)出的脈沖方向、脈沖頻率、脈沖數(shù)量等信號控制伺服電機運動的方向、速度與位移。因需要取螺絲與送螺絲兩段位移大于待鎖工件的移動距離，需合理設置各軸電機的運行參數(shù)，實現(xiàn)各軸準確定位，提高電機運行穩(wěn)定性。脈沖數(shù)量與電機位移換算關系如式(5)：

(5)

式中，N表示電機運動位移的脈沖數(shù)量，SA表示物體運動的位移，Sν表示一個脈沖的線位移，Sn為電機轉動一圈的位移，m表示同步輪的模數(shù)，z表示同步輪的齒輪數(shù)量，NC表示電機旋轉一周的脈沖數(shù)量，θ表示步距角，M表示驅動器設置的細分數(shù)。m、z、θ隨電機變化而變化，細分是指把電機步距角微分，細分越大精度越高，電機運行更穩(wěn)定。脈沖頻率隨細分數(shù)增加而增加，將導致電機失步，堵轉現(xiàn)象。

2.2 氣動回路設計

氣動元器件實現(xiàn)螺絲的自動輸送、擰緊、檢測等功能，通過設備來簡化螺絲鎖附工序，達到減少勞動力成本及人工誤操作帶來的影響[15]。為避免在鎖附過程中工件的位置出現(xiàn)偏差以及破壞待鎖附工件，提高工件在螺絲鎖附過程中的準確性與成功率。氣路系統(tǒng)由氣缸、真空發(fā)生器、壓力表、電磁閥等氣動元件組成，主要實現(xiàn)夾緊工件、吸取螺絲功能。在吸取螺絲過程中，需考慮螺絲的長徑比，計算公式如式(6)：

(6)

其中，K為長徑比；Ls為螺絲總廠，單位mm；Dn為螺帽直徑，單位mm。經試驗研究表明長徑比K≥1.3時[16]，使用吹送式的螺釘取送方式出現(xiàn)的故障率較小。

因帶鎖附工件背板使用的螺絲是小長徑比的螺絲，采用吹送式進行螺絲輸送容易產生螺絲翻轉現(xiàn)象。本文采用吸氣式方式輸送螺絲，降低螺絲輸送過程中的故障率，達到了工藝要求。氣動原理圖如圖5所示。

圖5 氣動回路原理圖

氣源通過安全閥，保證系統(tǒng)安全性。壓力表檢測氣路中的氣源實時壓力，根據待加工工件材質與螺絲型號，控制閥門，改變氣路壓力大小。氣路主要控制左右工位夾具、前后電批批嘴，通過控制閥門來控制夾具夾緊待加工工件，以及包括批嘴采用吸氣式吸取螺絲。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設計

該設備存在多任務、多狀態(tài)、多運動軸等特點，為防止設備運行中出現(xiàn)邏輯紊亂、后續(xù)維護困難等現(xiàn)象，系統(tǒng)軟件設計采用狀態(tài)機與模塊化相結合方式。

2.3.1 狀態(tài)機

狀態(tài)機是表示多個離散狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間遷移和動作等行為的數(shù)學模型[17]，螺絲在鎖附過程中的任意時刻都處于所有狀態(tài)序列中的某一狀態(tài)，達到某一狀態(tài)后或接收到狀態(tài)轉移指令時，其中包括如何響應螺絲鎖附過程出現(xiàn)外來事件，狀態(tài)機會從當前狀態(tài)轉移到下一個狀態(tài)[18]。在實際應用中，有限狀態(tài)機根據是否輸入信號分為Moore型和Mealy型兩類。Moore型有限狀態(tài)機的輸出信號僅與現(xiàn)態(tài)有關;Mealy 型有限狀態(tài)機的輸出信號不僅與現(xiàn)態(tài)有關，而且與所有輸入信號有關，有利于減少模型中狀態(tài)的數(shù)量[19]。

M=(S,s0,Σ,Λ,T,G)

(7)

式中，S為狀態(tài)有限集合，S={s0,s1,...,sn};s0為初始狀態(tài);Σ為輸入信號的有限集合，Σ={σ0，σ1，...，σn}；Λ為輸出信號的有限集合，Λ={λ0，λ1，...，λn}；T為狀態(tài)轉移函數(shù)的有限集合;G為輸出函數(shù)的有限集合。

因六軸自動鎖附機器人螺絲鎖附任務與觸發(fā)其狀態(tài)的條件較多，本文采用有限狀態(tài)機模型，部分工作狀態(tài)轉換如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作狀態(tài)圖

系統(tǒng)狀態(tài)包括系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)停止狀態(tài)兩個主要狀態(tài)，系統(tǒng)運行狀態(tài)包括電機運行與電批運行狀態(tài)，電機運行包含6個運動軸的伺服電機加速、減速、勻速運行狀態(tài)。停止狀態(tài)包括設備空閑與報警狀態(tài)，其中空閑狀態(tài)包括供料機空閑、電批空閑、工位空閑，報警包括螺絲鎖附報警、電批未吸取螺絲報警、伺服驅動器報警、電批空轉報警、指示燈報警五種狀態(tài)。根據該系統(tǒng)工作狀態(tài)，建立了螺絲鎖附控制系統(tǒng)有限狀態(tài)機模型，實現(xiàn)了系統(tǒng)各狀態(tài)間并行控制與多任務調度。

2.3.2 模塊化設計

基于IEC 61131-3標準，采用現(xiàn)代軟件模塊化方式對程序進行編程設計[20]。其核心思想是增強程序塊的獨立性、可讀性、移植性，減少模塊與模塊之間內部信息交流。如圖7所示。

圖7 程序模塊圖

系統(tǒng)軟件設計主要分為電機模塊、數(shù)據處理模塊、原點回歸模塊、氣缸模塊、報警模塊，其中電機模塊分前X軸電機模塊、后X軸電機模塊、左Y軸電機模塊、右Y軸電機模塊、前Z軸電機模塊、后Z軸電機模塊。采用模塊化軟件設計，提高程序可讀性與時效性，便于其他設計人員后續(xù)檢查修改。

3 試驗測試結果分析

根據系統(tǒng)軟硬件設計，制造了六軸運動控制的自動鎖附螺絲機器人設備?，F(xiàn)對已完成設計加工并裝配的樣機進行螺釘鎖附實驗，以加工1500個不同型號螺絲的手機殼為實驗樣本，手機螺絲尺寸為M1.0(螺絲直徑)×3.0(螺絲牙長度)×1.5(螺絲頭直徑)×0.4(螺絲頭厚度) 、M1.4(螺絲直徑)×4.0(螺絲牙長度)×1.85(螺絲頭直徑)×0.3(螺絲頭厚度) 兩種，設定電機速度4000 rpm，電批的扭矩為0.35 N·M，電批轉速為600 rpm，采集到螺絲鎖附成功率如表1、螺絲鎖附效率如圖8所示。

表1 螺絲擰緊成功率

由表1知，把1500個手機隨機分為三組，每組鎖附500個手機上的螺絲。測試結果表明：人工鎖附螺絲的成功率相對其它兩種設備鎖附螺絲的成功率較低，六軸鎖附螺絲成功率最高。人工長時間鎖附螺絲受人為因素影響，導致產品的質量高低不同，而四軸鎖附螺絲與六軸鎖附螺絲因設備本身原因，使產品質量較均勻，最優(yōu)的是六軸機器人鎖附螺絲，成功率高、質量均勻，達到了理想的狀態(tài)。。

圖8 螺絲鎖附效率圖

由圖8可知，0.5小時統(tǒng)計已鎖附好的手機個數(shù)，三種方式鎖附螺絲的結果顯示，四軸機器人與六軸機器人鎖附手機個數(shù)差距不大，人工鎖附手機出現(xiàn)一定數(shù)量的偏差。隨時間增加，六軸機器人鎖附效率提高，四軸機器人鎖附效率較恒定，人工鎖附效率隨時間增加變得較緩慢。主要原因是六軸機器人結構上比四軸機器人多兩個運動軸、兩個鎖附工位、一個供料機、一個電批。同時在控制上采用電批與供料機不空閑原理，利用設備空閑時間鎖附螺絲，從而提高鎖附螺絲的工作效率。而四軸機器人則按照傳統(tǒng)工作方式加工，單電批、單供料機鎖附螺絲，工作效率較穩(wěn)定。人工鎖附存在工人在長時間工作后會出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，從而影響生產效率，導致鎖附的手機個數(shù)逐漸降低。隨著時間的增加，人工鎖螺絲的手機數(shù)與機器的生產效率相比，差距越來越大。

4 結論

本文研究了六軸自動鎖附螺絲機器人螺絲鎖附結構設計，采用梯形加減速算法與積分模型相結合方式協(xié)同控制伺服電機，減少螺絲孔定位誤差。通過狀態(tài)機與模塊化方法對系統(tǒng)軟件進行設計，提高了系統(tǒng)軟件可移植性與可維護性，實現(xiàn)了不同種螺絲鎖附功能，解決了工件背板人工擰螺絲工作效率低，質量參差不齊等問題。實驗結果表明，設備運行穩(wěn)定，螺絲鎖附成功率達99.8%，達到預期效果。