基于PLC 的桁架機(jī)器人螺釘鎖付系統(tǒng)研究

缸明義 ，唐開元 ，張 琪 ，夏興國(guó) ，李 博

(1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；4.安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

0 引 言

LED 面板燈是人們生活日常照明工具之一，它的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，如辦公室裝修、家裝、工裝。隨著工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)生產(chǎn)線柔性和自動(dòng)化程度要求的不斷提高，LED 面板燈生產(chǎn)線的員工逐漸被自動(dòng)化設(shè)備代替。螺釘鎖付是產(chǎn)品LED 面板燈裝配過(guò)程中最重要的一道工序，因此提高螺釘鎖付質(zhì)量和效率是極其有必要的?，F(xiàn)有的參考文獻(xiàn)針對(duì)自動(dòng)螺釘?shù)墓潭c(diǎn)鎖付研究，多數(shù)是針對(duì)自動(dòng)整列、供料、自動(dòng)篩選異形螺絲釘，自動(dòng)補(bǔ)給空料的方式，對(duì)于利用在線式偏移量補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行螺釘鎖付的研究卻很少。

本文研究設(shè)計(jì)的螺釘鎖付設(shè)備由一套X-Y-Z桁架機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)、螺絲自動(dòng)輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及鎖付系統(tǒng)等組成；適用性強(qiáng)，更換產(chǎn)品快捷，只需更換治具，設(shè)備程序單獨(dú)保存，相應(yīng)程序獨(dú)立保存，調(diào)出執(zhí)行程序即可。整套基于PLC 的螺釘鎖付機(jī)器人，主要對(duì)螺釘鎖付、外部框架、機(jī)器人末端執(zhí)行器等機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外，對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化、高精度的裝配。最后通過(guò)理論數(shù)據(jù)分析與實(shí)踐，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析，采用比較先進(jìn)且實(shí)用的自動(dòng)鎖螺釘控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于PLC 控制器的TCP/IP總線通訊方式，編寫自動(dòng)螺釘鎖付應(yīng)用的控制程序。整套系統(tǒng)減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于LED 面板燈生產(chǎn)自動(dòng)化甚至在整個(gè)行業(yè)的智能自動(dòng)化轉(zhuǎn)型方面具有指導(dǎo)借鑒的意義。

1 自動(dòng)鎖螺釘設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的桁架機(jī)器人自動(dòng)鎖螺釘設(shè)備主要由直線電動(dòng)缸定位系統(tǒng)、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（包括伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)）、西門子PLC 運(yùn)動(dòng)控制及相關(guān)模塊、臺(tái)達(dá)觸摸屏操作4 個(gè)部分組成?？紤]到整體設(shè)備在螺釘鎖付過(guò)程中需平穩(wěn)，無(wú)沖擊；尤其是加減速過(guò)程更加需要平穩(wěn)。本文采用PLC 搭載伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，可實(shí)時(shí)通訊且定位精確，同時(shí)也可通過(guò)觸摸屏進(jìn)行不同系列產(chǎn)品的柔性切換操作，簡(jiǎn)單易用，自動(dòng)化程度高。桁架機(jī)器人的機(jī)械核心部件是螺桿驅(qū)動(dòng)直線定位單元，可根據(jù)自動(dòng)鎖螺釘技術(shù)更改需要，將整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為X 方向運(yùn)動(dòng)、Y 方向運(yùn)動(dòng)以及Z 方向運(yùn)動(dòng)。X 軸定位單元：X軸定位系統(tǒng)單元由一根QLZ60 系列定位系統(tǒng)組成，具體技術(shù)指標(biāo)如下：主定位系統(tǒng)：長(zhǎng)度：1 506 mm；運(yùn)動(dòng)行程：1 389 mm，滑塊長(zhǎng)度：892 mm；螺桿規(guī)格：1610 系列；Y 軸定位單元：Y 軸定位單元由一根FYK30 系列定位系統(tǒng)組成，長(zhǎng)度：1 378 mm；運(yùn)動(dòng)行程：1 150 mm；滑塊長(zhǎng)度：756 mm；Z 軸的長(zhǎng)度：678 mm；運(yùn)動(dòng)行程：550 mm；可實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)。桁架機(jī)器人整體采用疊放式，驅(qū)動(dòng)部分：機(jī)器人系統(tǒng)采用臺(tái)灣臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的全數(shù)字式交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)作為動(dòng)力系統(tǒng)；X 軸與Y 軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，伺服電機(jī)規(guī)格型號(hào)為CA0604, 功率是400 W；行星減速器規(guī)格：HF-KP43，速比 1∶30；Z 軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：伺服電機(jī)規(guī)格型號(hào)為CA0604，功率是400 W，自動(dòng)鎖螺釘設(shè)備機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)鎖螺釘設(shè)備虛擬樣機(jī)

2 螺釘機(jī)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)鎖螺釘末端執(zhí)行器由末端連接底座、橫移氣缸、螺絲電批、外接氣嘴、螺釘吸嘴及線性滑軌等組成，桁架機(jī)器人通過(guò)控制Z 軸的下壓由線性滑軌負(fù)責(zé)將電批頭移動(dòng)至所需的位置；該款機(jī)器人末端執(zhí)行器具有很高的兼顧性且可快速更換，機(jī)器人末端執(zhí)行器在螺絲鎖付過(guò)程中可根據(jù)的LED面板燈邊長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；本文采用的是自動(dòng)鎖螺釘是吸附式方式，螺釘通過(guò)電批頭的壓縮空氣產(chǎn)生的吸附力，取走單個(gè)螺釘，再運(yùn)行定位到面板燈產(chǎn)品孔位上，可以實(shí)現(xiàn)雙顆螺絲的送料，電批下行自動(dòng)鎖進(jìn)產(chǎn)品上，完成雙顆螺絲及雙顆以上的送料。

3 自動(dòng)鎖螺釘機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在自動(dòng)鎖螺釘設(shè)備中，螺釘供料效率對(duì)于整個(gè)LED 面板燈螺釘鎖付起著至關(guān)重要的作用；因此在選擇螺釘時(shí)，為保證出料順暢，根據(jù)LED 平板燈對(duì)螺釘?shù)男枨?，首先要針?duì)自動(dòng)螺釘鎖付設(shè)備的所需的螺釘，對(duì)螺釘供料機(jī)進(jìn)行選型。利用桁架機(jī)械手3個(gè)自由度進(jìn)行螺釘鎖附，在進(jìn)行螺絲鎖付前通過(guò)機(jī)械手末端執(zhí)行裝置抓取，所以螺釘在被抓取時(shí)需要保證桁架機(jī)器人能良好的平面定位精度。

圖2 螺釘機(jī)末端執(zhí)行器

為提高螺釘鎖付的穩(wěn)定性和可靠性，本文選用可調(diào)力矩的電批，選用的螺釘供料機(jī)其柄體裝有正、反轉(zhuǎn)旋鈕開關(guān),可按實(shí)際需要先擇旋轉(zhuǎn)方向；當(dāng)打開啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，螺釘機(jī)出料刀頭不旋轉(zhuǎn)，只有當(dāng)?shù)额^壓下，離合器上時(shí)，刀頭才開始旋轉(zhuǎn)，以保證使用安全。根據(jù)裝卸螺釘機(jī)力矩大小、調(diào)整力矩套、順時(shí)針力矩加大、逆時(shí)針力矩減少，上面有刻度線。內(nèi)有孔屏式消聲器，使排氣噪聲顯著降低。參數(shù)如表1 所示。

表1 全自動(dòng)螺釘供料機(jī)技術(shù)指標(biāo)

本文基于PLC 控制系統(tǒng)集成等組合而成，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)械手鎖螺絲環(huán)節(jié)取代人工完成工件的自動(dòng)裝卸功能。由桁架機(jī)器人、鎖螺絲機(jī)、機(jī)器人工作平臺(tái)、電氣控制系統(tǒng)等組成；其中電氣控制系統(tǒng)控制基于PLC 控制，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器與PLC 信號(hào)之間的交互，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)桁架機(jī)器人的3 個(gè)關(guān)節(jié)，進(jìn)行往復(fù)操作運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)控制圖

機(jī)器人工作平臺(tái)上裝有可調(diào)行程的推桿氣缸，未上料時(shí)氣缸是保持與工作臺(tái)齊平狀態(tài)，且氣缸上載有定位塊，目的是保證平板燈放上去四周位置不晃動(dòng)；系統(tǒng)按照預(yù)先編寫的程序完成執(zhí)行各自負(fù)責(zé)的工作區(qū)域，工作時(shí)兩臺(tái)桁架機(jī)器人同步進(jìn)行。具體操作流程如下：開機(jī)前，先預(yù)調(diào)好螺絲刀扭矩并將開關(guān)按下，此時(shí)螺絲刀并未旋轉(zhuǎn)；一臺(tái)桁架機(jī)器人鎖螺釘機(jī)移動(dòng)至螺絲供料機(jī)上方，并下移，末端吸嘴開始吸氣，將螺釘吸入下端管內(nèi)；Z 軸帶動(dòng)末端可以快速旋轉(zhuǎn)切換到所需角度，按照操作空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行待螺釘鎖付的LED 面板燈，四頭對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行選擇性自動(dòng)打螺絲，達(dá)到預(yù)定扭矩后，螺絲刀停止轉(zhuǎn)動(dòng)；即完成單次鎖多顆螺釘?shù)娜蝿?wù)。兩臺(tái)桁架機(jī)器人鎖螺釘步驟完成后，氣缸帶動(dòng)螺絲刀進(jìn)行復(fù)位，完成的產(chǎn)品經(jīng)線軌滑道自動(dòng)流入包裝工位?？梢栽谄桨鍩羯湘i4 顆螺釘，可以高速度、高精度的完成一塊LED 面板燈平均25 s。工作流程如圖4 所示。

圖4 設(shè)備工作流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)分析

本文螺絲鎖附桁架機(jī)器人吸取螺絲抓取與擰緊螺釘主要由Z 軸的下壓與擰緊狀態(tài)決定，因此本文將Z 軸末端下壓過(guò)程擰緊螺釘狀態(tài)作為主要?jiǎng)討B(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并在穩(wěn)定運(yùn)行下通過(guò)偏移量補(bǔ)償值來(lái)分析桁架機(jī)器人的穩(wěn)定性。執(zhí)行面板燈螺絲鎖付動(dòng)作時(shí)，目標(biāo)物面板燈進(jìn)入桁架機(jī)械臂操作空間范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)射型傳感器發(fā)送交互信號(hào)給機(jī)器人發(fā)送實(shí)時(shí)的待吸取螺釘指令，協(xié)調(diào)計(jì)算處理機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與面板燈滑道時(shí)間，實(shí)時(shí)快速的在移動(dòng)滑軌上進(jìn)行雙機(jī)多工位的面板燈鎖螺釘作業(yè)生產(chǎn)；觸摸屏操作界面如圖5 所示。

圖5 主菜單顯示界面

點(diǎn)擊圖5 中的“手動(dòng)調(diào)試”按鈕，進(jìn)入手動(dòng)調(diào)試界面當(dāng)前機(jī)器人末端位置；當(dāng)單軸操作超出極限位置時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；可點(diǎn)擊消除報(bào)錯(cuò)；點(diǎn)擊回原點(diǎn)，機(jī)器人可回到原點(diǎn)處；點(diǎn)擊“主菜單”按鈕，可返回主界面；整個(gè)系統(tǒng)界面操作簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)線操作人員實(shí)用，大幅度提高開機(jī)使用效率。

本研究中面板燈螺釘鎖付動(dòng)作過(guò)程中，有下壓與擰緊兩個(gè)過(guò)程，對(duì)于擰緊進(jìn)給，需要控制進(jìn)給速度，保證桁架機(jī)器人在進(jìn)行鎖附狀態(tài)這一過(guò)程內(nèi)，桁架機(jī)器人末端盡量的穩(wěn)定且處于垂直不抖動(dòng)；桁架機(jī)器人從吸螺釘、移動(dòng)及擰緊過(guò)程實(shí)際是直線運(yùn)動(dòng)，桁架機(jī)器人執(zhí)行擰緊指令動(dòng)作，桁架機(jī)器人此時(shí)正好執(zhí)行減速動(dòng)作即為“混合運(yùn)動(dòng)”：兩個(gè)命令之間銜接時(shí)，得到新的合成加速度曲線路徑為柔順平滑軌跡，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6 所示，由曲線圖可知，桁架機(jī)器人在執(zhí)行自動(dòng)鎖緊任務(wù)時(shí)速度變化平滑且高速穩(wěn)定，軸末端加減速曲線銜接處變平滑。

圖6 合成加速度曲線圖

桁架機(jī)器人自動(dòng)鎖螺釘作業(yè)效果統(tǒng)計(jì)如表2 所示，分析得出，桁架機(jī)器人自動(dòng)鎖螺釘機(jī)在執(zhí)行螺釘鎖付過(guò)程中，除與供料的效率有關(guān)，還與面板燈孔徑大小不一有關(guān)，最終得出總體自動(dòng)鎖螺釘合格率成功率可穩(wěn)定保持在97.85%范圍內(nèi)，整套設(shè)備系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效的執(zhí)行在線式的雙機(jī)多工位的自動(dòng)鎖螺釘生產(chǎn)作業(yè)。

表2 面板燈螺釘鎖附合格率統(tǒng)計(jì)分析

5 結(jié) 論

5.1 為提高對(duì)自動(dòng)鎖付螺絲靈活性，本文采用雙機(jī)多工位的桁架機(jī)器人，在不同尺寸的LED 面板燈適應(yīng)性進(jìn)行了研究，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)桁架機(jī)器人的轉(zhuǎn)矩控制、速度、加速度控制進(jìn)行細(xì)化，通過(guò)理論數(shù)據(jù)分析與實(shí)踐，可實(shí)現(xiàn)螺釘鎖付的效率為1.042 s/pcs，精度為±0.025 mm。