改進(jìn)型雙工位螺絲鎖付機(jī)器人設(shè)計(jì)*

石小仕，姚婭川，董林鷺，田萬(wàn)春，吳昊翰

(四川輕化工大學(xué) 人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 宜賓 644004)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中螺絲被廣泛使用。根據(jù)家具和電子行業(yè)的統(tǒng)計(jì)，在裝配線(xiàn)上投入的螺絲鎖付人數(shù)占據(jù)裝配總?cè)藬?shù)的比例達(dá)25%左右。在工業(yè)生產(chǎn)中螺絲鎖付效率低下的問(wèn)題受到了一些學(xué)者的關(guān)注，并開(kāi)發(fā)出了各式的螺絲鎖付機(jī)器人。例如，有研究人員通過(guò)控制1.5 MPa～2 MPa的氣壓，將螺釘從供釘機(jī)吹至電批口，但吹氣式送釘?shù)姆桨竿ǔＶ贿m用于大長(zhǎng)徑比的螺釘[1]；一些設(shè)計(jì)采用了PLC作為主控制器，但PLC體系結(jié)構(gòu)封閉，且數(shù)據(jù)處理能力較差，難以處理復(fù)雜信息[2-3]；有學(xué)者通過(guò)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行霍夫變換識(shí)別出了螺孔區(qū)域，用連通域分析的方法識(shí)別出圖像上的螺孔中心，但機(jī)器視覺(jué)技術(shù)算法復(fù)雜，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢[4]。

現(xiàn)有的螺絲鎖付機(jī)器人大多采用較為昂貴的PLC，而引入STM32作為主控制器，既能降低成本，又能靈活地進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。對(duì)于螺孔定位，目前普遍采用兩種方案，即人工手動(dòng)示教和機(jī)器視覺(jué)定位。前者生產(chǎn)效率低，后者算法復(fù)雜。WIBOWO D B等人[5]應(yīng)用DXF文件計(jì)算足跡面積，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)足形進(jìn)行醫(yī)學(xué)評(píng)估；熊思穎等人[6]利用布爾運(yùn)算組合，基于AutoCAD平臺(tái)完成了工程圖紙三維重建。

受上述學(xué)者啟發(fā)，本研究提出一種基于工件DXF圖紙文件獲取螺孔坐標(biāo)的方法；并在電機(jī)控制時(shí)，在樊留強(qiáng)[7]等人提出的五段S型曲線(xiàn)基礎(chǔ)上，將電機(jī)速度控制改進(jìn)為七段S型曲控制。

1 整體設(shè)計(jì)

本研究提出的改進(jìn)型雙工位螺絲鎖付機(jī)器人實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 雙工位螺絲鎖付機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—龍門(mén)架；2—Z軸給進(jìn)裝置；3—電批；4—托盤(pán)；5—工作平臺(tái)；6—供釘機(jī)；7—吸盤(pán)組；8—磁性無(wú)桿氣缸

圖1中，主控制器是內(nèi)部3.3 V供電，具有72 MHz晶振頻率的STM32F103VET6。硬件系統(tǒng)主要由坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取與存儲(chǔ)模塊、HMI模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、氣路、傳感器陣列5部分組成[8]。其中，氣路又由氣缸、電磁閥、匯流板、真空發(fā)生器、吸盤(pán)組等氣動(dòng)元件構(gòu)成，主要完成工件夾緊、螺釘吸取以及成品送出功能。

本文的設(shè)計(jì)主要用于手機(jī)背殼螺絲鎖付。螺絲長(zhǎng)徑比計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ks—長(zhǎng)徑比；Ls—螺絲總長(zhǎng)，mm；Dn—螺帽直徑，mm。

某些手機(jī)背殼螺絲長(zhǎng)徑比Ks≤1.2，屬于小長(zhǎng)徑比的螺絲。若采用吹氣式方案進(jìn)行螺絲輸送，小長(zhǎng)徑比的螺絲容易在氣管內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致輸送失敗。為提高螺絲鎖付的通用性，本研究采用吸氣方式作為送釘方案，以滿(mǎn)足不同長(zhǎng)徑比螺絲。

當(dāng)用戶(hù)開(kāi)機(jī)后，機(jī)器會(huì)進(jìn)行機(jī)械零點(diǎn)回歸，然后用戶(hù)在觸摸屏上選擇所需的DXF圖紙文件，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從文件中提取螺孔坐標(biāo)，再將待鎖手機(jī)放到Y(jié)軸的托盤(pán)上，觸發(fā)EX-14A型超薄光電傳感器，開(kāi)始螺絲鎖付環(huán)節(jié)，最后在氣動(dòng)元件的協(xié)同作用下，成品進(jìn)入送料環(huán)節(jié)。為防止意外發(fā)生，本研究在工件加工過(guò)程中加入了報(bào)警、急停處理。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 螺孔坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取

2.1.1 DXF文件及圖元查找

DXF文件是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放性矢量數(shù)據(jù)交換文件格式。本研究中的DXF文件采用ASCLL類(lèi)型，由6個(gè)段和1個(gè)文件結(jié)尾標(biāo)志構(gòu)成。

在本研究中，主要關(guān)注DXF文件的實(shí)體段，因?yàn)樵摱蝺?nèi)包含了圓弧、直線(xiàn)、圓形等重要圖元信息。實(shí)體段內(nèi)各組組碼和組值所表示的含義如表1所示。

表1 實(shí)體段組碼組值含義對(duì)照表

本文給出了逐一字節(jié)檢查附加字符串匹配整句的算法進(jìn)行圖元查找。該算法根據(jù)DXF文件的組碼、組值，當(dāng)CH376以字節(jié)為單位讀取DXF文件數(shù)據(jù)時(shí)，每讀出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)就會(huì)立即將此存入控制器SRAM中，如果讀到了字節(jié)“ ”即回車(chē)符，則證明讀取到了完整的一行數(shù)據(jù)。再通過(guò)C語(yǔ)言的strstr字符串匹配函數(shù)與所需圖元關(guān)鍵字進(jìn)行對(duì)比，判別出所需的圖元標(biāo)題。又由于DXF文件的組碼與組值是成對(duì)出現(xiàn)的，能夠成功得到所需圖元的相關(guān)參數(shù)。

本文設(shè)變量str1和str2為字符數(shù)組，分別用于存儲(chǔ)組值和組碼的字符串。圖元查找算法流程如圖2所示。

圖2 圖元查找算法流程

2.1.2 螺孔相關(guān)圖元分析

從DXF文件中查找出的所有圖元信息，并不一定都是能夠利用的數(shù)據(jù)。因此，要分析出工件螺孔的具體坐標(biāo)數(shù)據(jù)，還要根據(jù)工件螺孔特征，找出判別螺孔的規(guī)律。

本文以手機(jī)封裝背殼為例，分析螺孔相關(guān)圖元的過(guò)程，如圖3所示。

圖3 手機(jī)封裝背殼CAD圖

圖3中，工件螺孔均為圓形，但是僅依靠這一特征仍然無(wú)法準(zhǔn)確分析出正確螺孔，所以，本文還需要分析圖形之間的依附關(guān)系。螺釘是由螺帽和螺桿組成，螺帽的直徑大于螺桿直徑，因此在CAD繪制時(shí)，螺孔在圖形上即為嵌套了一大一小圓形的同心圓。但由于干擾數(shù)據(jù)的存在，增加篩選同心圓的方式還不能完全分析出工件中的螺孔。最后，還應(yīng)該增加螺釘?shù)膰?guó)標(biāo)規(guī)格參數(shù)用作判定條件，過(guò)濾出符合條件的同心圓。

本文中，手機(jī)封裝背殼螺釘主要規(guī)格為國(guó)標(biāo)M1.4、M1.7和M2等，所用螺釘具體參數(shù)如表2所示。

表2 所用螺釘參數(shù)表

總結(jié)螺孔相關(guān)圖元分析步驟，本文首先從提取出的所有圖元信息中，篩選出圓形CIRCLE圖元，然后通過(guò)圓心對(duì)比的方式查找出同心圓，最后引入所用螺釘參數(shù)作為參考值，選出最小半徑符合要求的同心圓，并將其圓心存為螺孔坐標(biāo)。

2.2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

2.2.1 電機(jī)速度控制算法

為克服電機(jī)失步、過(guò)沖問(wèn)題，本文采用S型電機(jī)速度控制算法，其模型如圖4所示。

圖4 S型速度控制法模型

各段變加速度j、加速度a和速度v的計(jì)算式為：

(2)

(3)

(4)

為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度控制，本文首先對(duì)各階段速度進(jìn)行離散化，求出第k個(gè)采樣臺(tái)階處的脈沖頻率fk：

(5)

式中：fk—第k個(gè)采樣臺(tái)階處的脈沖頻率；θ—步進(jìn)角；N—驅(qū)動(dòng)器分頻數(shù)。

然后筆者設(shè)置定時(shí)器的TIM_CCMR和TIM_CR1寄存器，開(kāi)啟定時(shí)器PWM模式，占空比設(shè)為50%；通過(guò)對(duì)ARR寄存器中的裝載值進(jìn)行更新，來(lái)決定輸出脈沖頻率。ARR寄存器中的裝載值為：

(6)

式中：fin—定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘頻率；PSC—定時(shí)器預(yù)分頻系數(shù)。

為減少占用CPU的運(yùn)算時(shí)間，事先計(jì)算出各個(gè)采樣點(diǎn)處的定時(shí)器裝載值，建立數(shù)組存儲(chǔ)起來(lái)，采用查表的方式獲取裝載值。

2.2.2 位移控制及鎖付路徑優(yōu)化

本研究采用的步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，驅(qū)動(dòng)器脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)為4，同步輪周長(zhǎng)為83.96 mm。各參數(shù)計(jì)算公式為：

(7)

(8)

(9)

式中：Sd—單脈沖步進(jìn)距離；Cw—同步輪周長(zhǎng)；NUM—?jiǎng)蛩俣蚊}沖數(shù)；M—單位時(shí)間內(nèi)速度的采樣點(diǎn)數(shù)；fi—第i個(gè)采樣臺(tái)階處對(duì)應(yīng)的脈沖頻率；K—加速段中的三檔速度階段。

將以上數(shù)據(jù)代入公式，可求得單脈沖的步進(jìn)距離約為0.105 mm。將所需的位移距離轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)目，再乘以Sd，便可使得三軸精確運(yùn)動(dòng)到指定位置。

同時(shí)，必須在托盤(pán)和工件上選取一點(diǎn)作為參考點(diǎn)(程序零點(diǎn))，使得電機(jī)帶動(dòng)電批準(zhǔn)確位移到待鎖螺孔處。絕對(duì)零點(diǎn)的校準(zhǔn)與否直接影響著螺孔的定位精度。螺孔之間的位移距離應(yīng)相對(duì)于絕對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得出每個(gè)待鎖螺孔所需的位移距離后，將其轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中得出的經(jīng)驗(yàn)，本文進(jìn)行鎖付路徑優(yōu)化，首先將工件四角的螺孔鎖付，保證托盤(pán)上的工件在鎖付過(guò)程中平穩(wěn)而不翹角，然后再將剩余的待鎖螺孔按照逆時(shí)針依次鎖付完成。

2.3 HMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)的可移植性，本研究采用Modbus協(xié)議作為工業(yè)觸摸屏與控制器之間的通信協(xié)議[10]。HMI系統(tǒng)界面中每個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子界面，每一級(jí)界面又包含若干個(gè)功能二級(jí)界面[11]。在接收觸摸按鍵值后，主設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的界面跳轉(zhuǎn)，并向從設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求；當(dāng)從設(shè)備收到請(qǐng)求后，先對(duì)信息幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，然后進(jìn)行功能碼判斷[12]；一切無(wú)誤后，設(shè)備會(huì)給予主設(shè)備回應(yīng)，主設(shè)備分析回應(yīng)信息幀，最后對(duì)界面內(nèi)容進(jìn)行刷新，進(jìn)入正常的人機(jī)交互狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本研究將設(shè)計(jì)完成的雙工位螺絲鎖付機(jī)器人投放到工廠實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)中，安排測(cè)試人員對(duì)機(jī)器進(jìn)行12 h不間斷打螺測(cè)試，每間隔1 h對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄，結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)記錄表

同時(shí)，本研究在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)安排4位工人每隔3 h輪班替換進(jìn)行人工鎖付，記錄人工鎖付工件成功數(shù)量。

人、機(jī)鎖付工件成功數(shù)對(duì)比如圖5所示。

圖5 人、機(jī)鎖付工件成功數(shù)對(duì)比

由圖5可以看出：在相同鎖付時(shí)間內(nèi)，機(jī)器鎖付工件數(shù)量遠(yuǎn)大于人工鎖付數(shù)量；人工鎖付的折線(xiàn)波動(dòng)較大，在人員輪班時(shí)出現(xiàn)了4次高峰，說(shuō)明人工鎖付存在一定的疲勞性，而機(jī)器鎖付折線(xiàn)較為平整，表明機(jī)器鎖付螺絲具有更好的穩(wěn)定性。

由表3可得：機(jī)器鎖螺絲效率約為95.3%，成功率約為99.2%；由此證明：改進(jìn)型雙工位螺絲鎖付機(jī)器人穩(wěn)定性好、效率高、成功率高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種改進(jìn)的雙工位螺絲鎖付機(jī)器人，給出了一種自動(dòng)提取DXF文件中孔坐標(biāo)的方法；運(yùn)用了S型速度控制算法改進(jìn)了電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的平滑性；優(yōu)化了鎖付路徑，解決了實(shí)際生產(chǎn)中工件受力不平衡的問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，該機(jī)器可以提高生產(chǎn)效率、降低人力成本。