立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化改造控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

趙冬梅，李支茂，榮 云

（西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

1 引言

與其他機(jī)械聯(lián)接方式相比，鉚接技術(shù)具有成本低、工藝簡便的優(yōu)點(diǎn)，早年主要用于航空航天領(lǐng)域，如飛機(jī)蒙皮鉚接，屬于軍用技術(shù)[1]，普及度低；近年來，鉚接技術(shù)迅速發(fā)展，逐漸運(yùn)用于民用領(lǐng)域，如汽車車身、機(jī)箱控制柜等生產(chǎn)。西方發(fā)達(dá)國家的鉚接技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)、電、光一體化，正向智能化方向邁進(jìn)，具有自動(dòng)化程度高、鉚接精度高和質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，如美國HAEGER公司的824OT-4e XYZ-R自動(dòng)鉚接線和英國HENROB公司生產(chǎn)的三層板材自動(dòng)鉚接系統(tǒng)[2-3]，但相關(guān)技術(shù)處于壟斷狀態(tài)；目前，國內(nèi)各工廠的鉚接機(jī)主要是傳統(tǒng)型立式液壓鉚釘機(jī)，一般只具有壓鉚功能，少數(shù)配備自動(dòng)出釘裝置，其余為人工操作，自動(dòng)化與柔性化程度極低，同時(shí)人工鉚接效率低，質(zhì)量穩(wěn)定性差[4-5]；僅有少量價(jià)格高昂的自動(dòng)化鉚接機(jī)，大多數(shù)中小型企業(yè)無法承受巨額成本，普及率低，同時(shí)關(guān)于鉚接路徑規(guī)劃的研究鮮有報(bào)道。故對現(xiàn)存的立式鉚釘機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造成為了最佳選擇，具有成本低，適用性強(qiáng)和改造周期短的特點(diǎn)[6]，同時(shí)進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃，提高鉚接效率。工業(yè)機(jī)器人是人工智能發(fā)展的產(chǎn)物，一般具有（3～6）個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，具有高度柔性，對提高生產(chǎn)效率具有重要意義[7]。鑒于此，實(shí)驗(yàn)室與四川綿陽某電子器械公司合作，以該公司的立式鉚釘機(jī)（配有出釘裝置）為基礎(chǔ)，提出了相應(yīng)的自動(dòng)化改造及設(shè)計(jì)方案，研制了一種基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)送板裝置，與立式鉚釘機(jī)配合可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)鉚接，精度要求為（0.1～0.15）mm。以西門子S7-200為控制器[8]，結(jié)合軟硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)闡述了立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化改造控制系統(tǒng)的開發(fā)。

2 立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的組成

立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的三大組成部分，如圖1所示。包括自動(dòng)送板裝置、自動(dòng)取板裝置和工業(yè)機(jī)器人，其中自動(dòng)取板裝置與工業(yè)機(jī)器人通過法蘭聯(lián)接，十字滑臺(tái)的行程為（400×400）mm，預(yù)留兩端安全距離5mm，加工板件的最大尺寸為（390×390）mm。

圖1 立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)Fig.1 The Vertical Rivet Machine Automatic System

鉚接工藝流程為：工業(yè)機(jī)器人從堆板處取板－放至送板裝置的工作臺(tái)－運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)－自動(dòng)出釘－鉚接－運(yùn)動(dòng)至下一目標(biāo)點(diǎn)－自動(dòng)出釘－鉚接－完成所有孔鉚接－運(yùn)動(dòng)至加工原點(diǎn)－工業(yè)機(jī)器人取板－準(zhǔn)備加工下一工件。實(shí)現(xiàn)整套裝置的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)和精確定位是控制系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，采用單一工業(yè)機(jī)器人配合多臺(tái)自動(dòng)送板裝置協(xié)同工作，可實(shí)現(xiàn)并行鉚接，提高鉚接效率。根據(jù)立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的工藝流程，利用模塊化思想將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)功能模塊，包括：工業(yè)機(jī)器人取板控制、自動(dòng)回原點(diǎn)控制、自動(dòng)鉚接控制和最優(yōu)路徑規(guī)劃。下面將詳細(xì)闡述上面四個(gè)功能模塊的控制策略。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用西門子S7-200（CPU224CN）型PLC作為主控制器，其他硬件包括數(shù)字量擴(kuò)展模塊、位置控制模塊、各類傳感器和開關(guān)裝置等，系統(tǒng)硬件組態(tài)，如圖2所示。其中空氣開關(guān)作用于主回路，可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；交直流轉(zhuǎn)換器將220V交流電轉(zhuǎn)換成24V直接電，為PLC、功能模塊及傳感器提供直流電源；數(shù)字量擴(kuò)展模塊提供邏輯信號接口；位置控制模塊[9]控制X、Y、Z三個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)精確定位運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)硬件以PLC為基礎(chǔ)，通過通信端口依次連接數(shù)字量和位置控制模塊，各數(shù)字信號均采用繼電器隔離，以提高系統(tǒng)的搞干擾能力，確保安全、可靠運(yùn)行。PC端利用STEP7-Micro/WIN32 軟件編寫、調(diào)試控制程序，利用 VC++（MFC）[10-11]編寫最優(yōu)路徑規(guī)劃界面。

依據(jù)自動(dòng)鉚接工藝的要求，確定外圍設(shè)備的輸入輸出信號：其中數(shù)字輸入信號15組，包括整套系統(tǒng)的啟停、備妥、限位、故障等信號；數(shù)字輸出信號6組，包括自動(dòng)取、送板裝置的電磁鐵、出釘裝置氣缸電磁換向閥和立式壓鉚機(jī)壓鉚等驅(qū)動(dòng)信號，以及裝置與工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)交換信號。利用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向的精確定位運(yùn)動(dòng)，由三個(gè)EM253位置控制模塊分別組態(tài)并單獨(dú)控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)主要硬件配置，如表1所示。

圖2 硬件組態(tài)連接Fig.2 The Hardware Configuration Connection

表1 控制系統(tǒng)硬件配置Tab.1 The Hardware Configuration of Control System

4 控制方案設(shè)計(jì)

4.1 工業(yè)機(jī)器人控制

立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的工業(yè)機(jī)器人為ABB公司的1410型焊接機(jī)器人[12]，作用于鉚接過程中的開始和結(jié)束階段，主要功能是精確拾取和放置加工工件。鉚接開始前，工業(yè)機(jī)器人從堆板處拾取工件，移動(dòng)并放至送板裝置的工作臺(tái)面，工業(yè)機(jī)器人的精度為0.05mm，滿足精度要求，可實(shí)現(xiàn)精確放置；鉚接結(jié)束后，工業(yè)機(jī)器人從工作臺(tái)取下工件放置于碼垛區(qū)，準(zhǔn)備下一次取板鉚接。單臺(tái)工業(yè)機(jī)器人可與多套送板裝置協(xié)同運(yùn)行，提高設(shè)備布置的靈活性和鉚接效率；同時(shí)機(jī)器人避免了人工操作時(shí)偶然因素的影響，有利于提高鉚接質(zhì)量和穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)與機(jī)器人的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，需要實(shí)現(xiàn)雙方狀態(tài)信號的通信，利用中間繼電器完成輸入輸出信號的轉(zhuǎn)換，具體控制原理，如圖3所示。

圖3 工業(yè)機(jī)器人控制流程圖Fig.3 Industrial Robot Control Flowchart

4.2 自動(dòng)回原點(diǎn)控制

為了提高工件鉚接質(zhì)量的穩(wěn)定性，需要設(shè)置一個(gè)精確的系統(tǒng)原點(diǎn)，自動(dòng)送板裝置的工作臺(tái)每次均從該原點(diǎn)出發(fā)，鉚接結(jié)束后自動(dòng)回到原點(diǎn)，等待下一次鉚接。采用了西門子EM253位置控制模塊的自動(dòng)尋參功能，鉚接完畢后工作臺(tái)按預(yù)定的方向高速移動(dòng)搜索參考點(diǎn)，光電檢測裝置檢測到工作臺(tái)信號后，工作臺(tái)降低速度緩慢靠近系統(tǒng)原點(diǎn)，直至尋參完畢，同時(shí)兼顧了鉚接效率和原點(diǎn)定位精度。影響原點(diǎn)定位的直接因素是檢測裝置的檢測精度，為此選用了激光對射型光電開關(guān)，系統(tǒng)原點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以消除重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)累積誤差的影響，有利于保證工件加工質(zhì)量，同時(shí)為程序設(shè)計(jì)提供了方便，具體控制方案，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)回原點(diǎn)控制流程圖Fig.4 Automatic Return Origin Control Flowchart

4.3 自動(dòng)鉚接控制

一道完整的鉚接工序包括目標(biāo)點(diǎn)定位、出鉚釘和壓鉚釘三個(gè)動(dòng)作，是立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心。控制流程，如圖5所示。工作臺(tái)從原點(diǎn)出發(fā)運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)，到達(dá)后沿Z向下降，自動(dòng)出釘裝置出鉚釘，立式鉚釘機(jī)壓鉚釘，沿Z向上升，移動(dòng)至下一目標(biāo)點(diǎn)，重復(fù)完成鉚接動(dòng)作，當(dāng)所有目標(biāo)點(diǎn)鉚接結(jié)束后，工作臺(tái)沿預(yù)定方向搜索并回系統(tǒng)原點(diǎn)，等待工業(yè)機(jī)器人取板。

十字滑臺(tái)具有一定的負(fù)載限制，當(dāng)負(fù)載過大時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生丟步或者過沖現(xiàn)象，經(jīng)PROE計(jì)算，負(fù)載質(zhì)量約為128kg，屬于重載范疇，利用多段速度的思想，遠(yuǎn)距離高速移動(dòng)，近距離低速靠近，可有效避免工作臺(tái)因慣性造成的定位誤差；自動(dòng)送板裝置利用了導(dǎo)柱導(dǎo)套的自由導(dǎo)向特性來消除鉚接距離差，從而克服鉚接變形的產(chǎn)生，故Z向運(yùn)動(dòng)距離需與鉚釘高度、工件厚度相匹配。

圖5 自動(dòng)鉚接控制流程圖Fig.5 Automatic Riveting Control Flowchart

4.4 最優(yōu)路徑規(guī)劃

鉚接效率的直接影響因素是目標(biāo)點(diǎn)的定位時(shí)間，針對不同位置和不同數(shù)目的孔時(shí)，規(guī)劃一條合理的路徑使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短，對提高系統(tǒng)鉚接效率具有重要作用。若一共需要鉚接n個(gè)點(diǎn)，分別標(biāo)記編號1，2…n，則要求鉚機(jī)機(jī)從原點(diǎn)出發(fā)，依次鉚接n個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)只經(jīng)過一次，最后回到原點(diǎn)，所需的時(shí)間最短，設(shè)定位速度不變，則各點(diǎn)的距離之和應(yīng)該最小。這是一種TSP（旅行員售貨）問題，其數(shù)學(xué)優(yōu)化模型可以描述為：

式中：（fi，j）—鉚釘機(jī)完成一個(gè)循環(huán)所走的距離之和；w（i，j）—鉚接點(diǎn) i與點(diǎn) j之間的權(quán)值，即距離；x（i，j）—運(yùn)動(dòng)方向，即 x（i，j）＝1 表示沿點(diǎn) i到點(diǎn) j，x（i，j）＝0 代表由點(diǎn)j到點(diǎn) i；uk為中間狀態(tài)變量。

優(yōu)化前需要對某些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)目標(biāo)點(diǎn) A（xA，yA）、B（xB，yB），則線段AB在x、y方向上的投影分別是 xA-xB、yA-yB，由于x、y向的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，應(yīng)該以兩點(diǎn)間的投影代替實(shí)際距離，故選擇較大的投影值代替AB間的距離，即權(quán)值w（A，B），依此類推，代入優(yōu)化模型便可求出最佳路徑。

以10個(gè)鉚接點(diǎn)為例，用VC++編寫了相應(yīng)的路徑規(guī)劃算法，操作人員只需要按任意順序輸入所有目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)便可以得到并顯示最優(yōu)路徑，MFC界面與路徑規(guī)劃結(jié)果，如圖6所示。再將路徑規(guī)劃結(jié)果通過串口通信輸入PLC自動(dòng)替換原目標(biāo)點(diǎn)數(shù)值。

圖6 最優(yōu)路徑規(guī)劃Fig.6 Optimal Path Planning

5 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)室根據(jù)立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化改造的目標(biāo)規(guī)劃了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)原型機(jī)，系統(tǒng)裝置，如圖7所示。由于客觀原因，立式鉚釘機(jī)無法安裝在實(shí)驗(yàn)室，故設(shè)計(jì)了相應(yīng)的替代裝置：角鋼焊接的支架固定在課桌上模擬鉚釘機(jī)，支架上方的固定銷釘模擬自動(dòng)出釘裝置。該套系統(tǒng)可以有效地完成取板、放板、裝夾、目標(biāo)點(diǎn)定位、模擬鉚接、自動(dòng)回原點(diǎn)等動(dòng)作，故通過該系統(tǒng)可以驗(yàn)證經(jīng)改造后的立式鉚釘機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

5.1 自動(dòng)化結(jié)果分析

選取三種不同尺寸的鈑金件（板上孔徑相同、位置不同）作為實(shí)驗(yàn)工件，每種工件進(jìn)行30次鉚接動(dòng)作，測量、記錄并統(tǒng)計(jì)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：各設(shè)備按預(yù)定程序協(xié)同工作，振動(dòng)小，穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化鉚接；經(jīng)多次測量，工業(yè)機(jī)器人放板的重復(fù)精度為（0.04～0.06）mm，工作臺(tái)的重復(fù)定位誤差為（0.04～0.07）mm，在設(shè)計(jì)允許誤差范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)過程中固定銷釘均能準(zhǔn)確插入工件，可實(shí)現(xiàn)精確放板與定位。實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，自動(dòng)化、實(shí)用性與加工質(zhì)量穩(wěn)定性較高。

圖7 實(shí)驗(yàn)原型機(jī)Fig.7 The Experimental Prototype

5.2 路徑規(guī)劃結(jié)果分析

針對三種實(shí)驗(yàn)工件，利用最優(yōu)路徑規(guī)劃算法得到相應(yīng)的最優(yōu)路徑，再分別選取其他任意三條路徑，進(jìn)行鉚接實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)完成鉚接全過程所需時(shí)間結(jié)果，如表2所示。由表2可知：針對每種工件，按對應(yīng)的最優(yōu)路徑運(yùn)行時(shí)耗時(shí)最短，鉚接效率最高。

6 結(jié)語

以立式鉚釘機(jī)為基礎(chǔ)對其進(jìn)行了自動(dòng)化改造，根據(jù)改造要求，引入了工業(yè)機(jī)器人，以西門子S7-200為下位機(jī)開發(fā)了控制系統(tǒng)。完成了電氣硬件組態(tài)；利用模塊化思想設(shè)計(jì)了每個(gè)功能模塊的控制方案；以工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的最短距離為尋優(yōu)目標(biāo)，進(jìn)行了最優(yōu)路徑規(guī)劃并編寫了相應(yīng)的算法。利用實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的驗(yàn)證原型機(jī)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：工業(yè)機(jī)器人放板和工作臺(tái)重復(fù)定位精度較高，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；最優(yōu)路徑規(guī)劃可以獲取最短鉚接時(shí)間，最大限度地提高鉚接效率；整套系統(tǒng)運(yùn)行可靠，鉚接質(zhì)量穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)鉚接，克服了人工鉚接效率低和質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，為中小型企業(yè)立式鉚釘機(jī)的自動(dòng)化改造提供了一種可靠方案。

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