機(jī)器人雙軸伺服變距擰緊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

常 凱，鄭德超，白洪飛

CHANG Kai, ZHENG De-chao, BAI Hong-fei

（中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

0 引言

在汽車變速箱的裝配中，螺栓的擰緊是一項(xiàng)必不可少的環(huán)節(jié)。尤其在合箱裝配的過程中，更是需要對多個(gè)螺栓擰緊操作。所有的螺栓都需要穩(wěn)定可靠的擰緊來保證變速器的性能。傳統(tǒng)的操作人員采用氣動扳手?jǐn)Q緊螺栓方式存在著擰緊精度差、人力成本增加和螺栓漏擰風(fēng)險(xiǎn)的缺陷。

本文以法士特汽車傳動有限公司某重卡變速器裝配線項(xiàng)目為背景，介紹一種機(jī)器人雙軸伺服變距擰緊控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)6自由度機(jī)器人帶動雙擰緊軸的伺服變距機(jī)構(gòu)對變速器后蓋多對螺栓進(jìn)行多次地精確定位，并由專業(yè)的擰緊系統(tǒng)完成變速器后蓋螺栓的擰緊任務(wù)。控制系統(tǒng)目前已實(shí)現(xiàn)兩個(gè)品種變速器后蓋合箱螺栓擰緊的裝配。

1 擰緊對象的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 擰緊對象的結(jié)構(gòu)

法士特傳動有限公司某重卡變速器裝配線的后蓋裝配工位需要擰緊變速器后蓋合箱的19個(gè)螺栓（A～S），變速器的殼體有9檔和12檔兩個(gè)品種。技術(shù)協(xié)議要求螺栓擰緊力矩為55Nm（精度為±3Nm），節(jié)拍為150s，運(yùn)行的程序可在9檔和12檔兩個(gè)后蓋殼體之間切換，滿足這兩個(gè)不同尺寸殼體19個(gè)螺栓的擰緊要求。其中12檔變速器后蓋殼體螺栓分布如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了達(dá)到擰緊力矩精度和避免漏擰螺栓的要求，我們需要采用專業(yè)的擰緊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，每次擰緊結(jié)束可反饋擰緊結(jié)果。假如擰緊系統(tǒng)采用多軸甚至19軸同時(shí)擰緊，設(shè)備成本是相當(dāng)高的。

在這里我們采用兩軸擰緊系統(tǒng)，通過一種伺服變距傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)擰緊軸對每一對螺栓間距的調(diào)整，再經(jīng)過6自由度機(jī)器人完成這兩個(gè)擰緊軸對這對螺栓的精確定位，通過10次擰緊軸間距的調(diào)整、機(jī)器人的定位和擰緊軸的啟動最終完成所有螺栓的擰緊任務(wù)。每次機(jī)器人和伺服變距機(jī)構(gòu)對兩個(gè)螺栓定位的時(shí)間大概需要6秒，每對螺栓擰緊過程大概需要7秒，因此這10對（19個(gè)）螺栓全部擰緊完成大概需要130秒，在技術(shù)協(xié)議要求的節(jié)拍范圍內(nèi)。由于設(shè)備運(yùn)行的自動化，工藝布局上可要求主裝配線可在此工位對后蓋殼體進(jìn)行精確定位，前一工位操作人員需要將19個(gè)螺栓預(yù)置到螺孔中。

圖1 某12檔變速器后蓋殼體合箱螺栓分布

2 伺服變距傳動機(jī)構(gòu)

在伺服變距傳動機(jī)構(gòu)中，我們采用伺服電機(jī)拖動比例為1:1的皮帶輪帶動一側(cè)是左旋螺紋另一側(cè)是右旋螺紋的絲杠使兩個(gè)擰緊軸進(jìn)行相對運(yùn)動，可按照任意一組螺栓的間距調(diào)整。由于兩個(gè)擰緊軸的運(yùn)行是對稱的，在其中一個(gè)擰緊軸兩端，我們安裝了行程檢測開關(guān)和零點(diǎn)檢測的開關(guān)，分別用于變距機(jī)構(gòu)內(nèi)外限位和零點(diǎn)位置的檢測，整個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。將伺服變距傳動機(jī)構(gòu)固定在機(jī)器人第6軸的法蘭盤上，由機(jī)器人帶動該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對任意一對螺栓的精確定位。

圖2 伺服變距傳動機(jī)構(gòu)

在這里伺服電機(jī)采用位置控制模式，它運(yùn)行的角度由每次PLC控制器發(fā)送的脈沖數(shù)量決定。我們通過傳動機(jī)構(gòu)的一些參數(shù)（絲杠的導(dǎo)程等）可計(jì)算出控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖所傳送到絲杠上兩個(gè)擰緊軸移動相應(yīng)的距離。這樣，將計(jì)算結(jié)果按比例設(shè)置到伺服電機(jī)的控制器相應(yīng)的參數(shù)中，我們對伺服電機(jī)位置運(yùn)行編程時(shí)不用脈沖個(gè)數(shù)而采用距離的單位（毫米）即可。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

邏輯控制系統(tǒng)是以西門子PLC S7-1200為核心搭建起來的。通過估算伺服變距機(jī)構(gòu)的重量，我們選用型號為IRB4600的ABB 6自動度機(jī)器人。為了滿足用戶擰緊精度的要求，螺栓的擰緊采用的阿特拉斯擰緊系統(tǒng)。為了保證變距機(jī)構(gòu)運(yùn)行的精度，我們選用安川伺服電機(jī)及其控制器帶動變距機(jī)構(gòu)。

通過輸入信號，PLC可檢測變距機(jī)構(gòu)回零的信息、伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和后蓋殼體到位等信息。根據(jù)檢測到的信息，它再通過輸出信號調(diào)整伺服電機(jī)的行走位置和控制后蓋殼體的放行等。

此外，配置S7-1200系列的PROFIBUS-DP總線主站模塊CM 1243-5可將機(jī)器人系統(tǒng)和擰緊機(jī)系統(tǒng)連到DP總線上，通過設(shè)置它們之間通訊的控制字和狀態(tài)字等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC控制擰緊軸的啟停、接收螺栓的擰緊結(jié)果和啟動機(jī)器人軌跡的行走和位置的檢測等信息交互，完成螺栓擰緊全部的邏輯。將人機(jī)界面與S7-1200本體的以太網(wǎng)接口相連的并進(jìn)行編程操作，可達(dá)到在人機(jī)界面上手動調(diào)整設(shè)備和反饋設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的目的。由此建立起來的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)的基本方案和硬件選擇確定后，我們在西門子的調(diào)試軟件博途中進(jìn)行硬件組態(tài)。首先添加PLC的CPU、I/O擴(kuò)展模塊和DP通訊主站模塊CM 1243-5（地址為2），然后將擰緊機(jī)和機(jī)器人作為從站連接到DP總線上（地址分別為3和4），接著還要設(shè)置這兩個(gè)從站與PLC數(shù)據(jù)交互的地址，最后將人機(jī)界面的IP分配到與PLC一個(gè)網(wǎng)段并連接到以太網(wǎng)接口上。

在軟件博途中，我們可通過添加工藝對象的功能組態(tài)變距傳動機(jī)構(gòu)的伺服軸。在工藝軸對象中，我們可設(shè)置伺服驅(qū)動器的使能、狀態(tài)信號，變距機(jī)構(gòu)的零點(diǎn)、限位檢測信號及回原點(diǎn)的方式。工藝軸設(shè)置完畢后，在程序中我們只要調(diào)用工藝軸相應(yīng)的功能塊就可實(shí)現(xiàn)伺服軸的回零，伺服帶動變距機(jī)構(gòu)行走相應(yīng)的位置和伺服的使能、復(fù)位等。

4.2 程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為三部分：PLC程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

PLC程序主要由伺服變距機(jī)構(gòu)運(yùn)行，機(jī)器人控制和擰緊機(jī)控制三個(gè)模塊組成。伺服變距機(jī)構(gòu)運(yùn)行模塊可實(shí)現(xiàn)變距機(jī)構(gòu)的手動回零和擰緊軸間距的自動調(diào)整。機(jī)器人控制模塊可完成機(jī)器人啟動信號的發(fā)送和對螺栓定位完成信號的接收。擰緊機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)螺栓擰緊信號的發(fā)送和擰緊結(jié)果的接收。通過調(diào)用這些模塊，主程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的邏輯控制，功能流程圖如圖4所示。

具體的對圖1中的變速器后蓋螺栓，我們按照兩兩一對的規(guī)則把它們分為10組（A與K、B與L、C與M、D與N、E與O、F與P、G與Q、H與R、I與S、O與J）進(jìn)行定位擰緊。其中，O螺栓進(jìn)行了兩次分組，因此設(shè)備在對G與O螺栓定位后進(jìn)行擰緊操作，而對O與J螺栓定位后就不需要對O螺栓進(jìn)行擰緊操作了。由此，我們在擰緊機(jī)中設(shè)置一個(gè)單軸擰緊程序，在最后一次擰緊時(shí)采用PLC中擰緊控制模塊的調(diào)用即可。

機(jī)器人編程采用Rapid語言。在程序中，通過手動設(shè)置機(jī)器人運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)位并在自動程序中應(yīng)用機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動等指令形成對每一組螺栓定位的軌跡。控制系統(tǒng)需要機(jī)器人完成對10組螺栓的10次定位，為此我們在機(jī)器人系統(tǒng)中設(shè)置了12個(gè)模塊。除了10套對10組螺栓定位的軌跡運(yùn)行模塊外，還有兩個(gè)模塊分別用于機(jī)器人返回原位的軌跡運(yùn)行和是否在原位的檢測。主程序通過循環(huán)檢測與PLC通訊的輸入信號，調(diào)用每一組螺栓軌跡運(yùn)行模塊和返回原位模塊。

在人機(jī)界面中，我們設(shè)置了自動運(yùn)行，擰緊操作、狀態(tài)顯示、9檔殼體伺服變距調(diào)整和12檔殼體伺服變距調(diào)整五個(gè)界面。自動運(yùn)行界面可切換投入裝配的箱體型號和顯示設(shè)備投入自動運(yùn)行時(shí)每一個(gè)螺栓的擰緊結(jié)果。擰緊操作界面實(shí)現(xiàn)切換擰緊程序和手動操作擰緊軸運(yùn)行等功能。在狀態(tài)顯示界面，操作者可查看伺服電機(jī)、機(jī)器人和擰緊機(jī)的工作狀態(tài)。在任意一個(gè)伺服變距設(shè)置界面中（例如12檔殼體伺服變距設(shè)置界面），調(diào)試人員都需要根據(jù)殼體螺栓的分組查找該殼體機(jī)械圖紙中每一對螺栓的間距，再按照1～10組螺栓擰緊的的先后順序把它們填入該界面保存到系統(tǒng)中。

圖4 PLC程序流程圖

圖5 12檔變速器殼體變距設(shè)置人機(jī)界面

圖6 設(shè)備在裝配現(xiàn)場的運(yùn)行情況

5 結(jié)論

論述了一種機(jī)器人雙軸伺服變距定位的擰緊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成某重卡變速器兩個(gè)品種后蓋合箱19個(gè)螺栓的全自動化擰緊，一定程度上提高了變速器整線裝配的效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)多品種柔性裝配。目前，設(shè)備從2013年開始應(yīng)用于法士特汽車傳動有限公司某重卡變速器裝配線體中（如圖6所示），使該變速器的年產(chǎn)量達(dá)到5萬多臺，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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