智能布線機器人系統(tǒng)的設(shè)計與研究

王海亮，周臘吾，馬勉卓，龍樂云

(1.長沙理工大學，湖南 長沙 410114；2.湖南世優(yōu)電氣股份有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引言

制造業(yè)的發(fā)展對于人類文明的重要性是不言而喻的，科學技術(shù)的每一次創(chuàng)新，都以制造業(yè)生產(chǎn)力的突飛猛進為表現(xiàn)[1]。某種程度上制造業(yè)能具體地反映一個國家的生產(chǎn)力水平，更能直接作為判斷一個國家是否是發(fā)達國家的依據(jù)。在全球所有發(fā)達國家的國民經(jīng)濟中，制造業(yè)一向處于最為重要的位置[2]。

在電控柜生產(chǎn)制造領(lǐng)域，電能都是以導線作為載體，連接不同的元器件，布置在安裝板上，最終組裝成功能各異的電控柜來加以使用的[3－5]。目前在對電控柜進行具體設(shè)計生產(chǎn)制造時，安裝板上的剝線、壓端子、貼標簽、布線、擰端子螺絲等工序依然采用人工操作的方式[6－7]，不僅生產(chǎn)效率低，而且經(jīng)常出現(xiàn)壓端子時線頭不標準的情況，時常會出現(xiàn)螺栓未擰或擰緊力不夠等工藝問題，造成器件損壞，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

智能布線機器人是現(xiàn)代控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)。進行智能布線設(shè)備的研發(fā)，將剝線、壓端子、貼標簽、布線、擰端子螺絲等工序?qū)崿F(xiàn)智能化和自動化，大大提升工作效率，降低勞動強度和制造成本[8－10]。智能布線設(shè)備的研發(fā)對于提高自動化智能裝備制造業(yè)水平意義重大。

1 智能布線機器人系統(tǒng)的組成

智能機器人是依賴自身動力和編程所帶來的控制能力。按應用環(huán)境分為工業(yè)機器人和特種機器人；按功能分為操作型機器人、智能機器人、學習型機器人等適應性機器人[11]。智能機器人以其豐富的科技內(nèi)涵和可重化的多樣化布局廣泛利用于多種領(lǐng)域[12－13]，智能布線機器人就屬于其中之一。

智能布線機器人由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖1 所示。硬件系統(tǒng)主要包括移動單元、裁剝壓單元、接線單元以及輔助設(shè)備等。運動控制卡被廣泛地應用在國民經(jīng)濟和社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，智能布線機器人通過運動控制卡執(zhí)行應用軟件，控制電動機、氣缸或液壓缸等元器件運動，并通過傳感器、開關(guān)等元器件檢測機械系統(tǒng)的狀態(tài)并反饋至運動控制卡。

圖1 智能布線機器人系統(tǒng)平臺

1) 移動單元。布線機器人的移動單元由X軸、Y 軸組成，其作用是通過控制X 軸、Y 軸的三個伺服電機，使安裝在X 軸橫梁上的多功能頭移動到機床布線板的指定位置，同時也可以和送線電機以及導線管升降電機配合完成在線槽內(nèi)布線的工作。Y 軸2 個伺服電機需要同步運行，以達到平穩(wěn)對稱。

2) 裁剝壓單元。裁剝壓單元主要包含了裁線、剝線、壓接端子及接線等功能。首先利用兩個夾線氣缸的閉合，夾住位于其中間的線纜，通過送線電機旋轉(zhuǎn)完成送線和收線運動。線纜在送線電機的作用下穿過下方導線管，到達指定位置，等待裁剝壓位移電機移動到裁線位置，由裁剝壓動力電機和送線電機配合完成裁線、剝絕緣層工作，然后端子輸送電機運送端子放入壓接模塊中，裁剝壓位移電機、裁剝壓動力電機、送線電機配合完成線纜和端子的插入和壓接，從而完成裁線、剝絕緣層和壓接端子的過程。

3) 接線單元。當線纜完成裁線、剝絕緣層和壓端子過程后，接線單元需要完成把做好的線纜接入指定元器件并上緊螺絲的工作。接線單元主要包括旋轉(zhuǎn)平臺、主夾爪控制、電批控制、換向夾爪控制、Z 軸控制以及導線管控制等功能。通過主夾爪夾取線纜，判斷是否需要旋轉(zhuǎn)多功能頭和是否需要讓線纜換向，判斷并執(zhí)行完畢后，主夾爪到達指定接線的元器件孔位處，主夾爪推進電機控制線纜插入元器件孔位，電批動作上緊螺絲，從而完成接線步驟。

2 智能布線機器人的軟件開發(fā)

LabVIEW 是美國國家儀器公司 (National Instruments，NI) 開發(fā)的基于C 語言的圖形編程開發(fā)環(huán)境[14－16]。一個最基本的虛擬儀器通常由前面板、程序框圖及圖標連線端口3 部分組成[17－20]。利用LabVIEW 的調(diào)用動態(tài)鏈接的方法建立運動控制卡的驅(qū)動程序庫。LabVIEW 程序不僅易于編寫、執(zhí)行效率高，而且能夠精確實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。這使得系統(tǒng)的靈活性、功能性大幅提高。

智能布線機器人軟件系統(tǒng)設(shè)計方案，包含了前面板用戶界面、路徑規(guī)劃、運動控制、歸零控制和輸出狀態(tài)及位置顯示等主要功能模塊和程序框圖，對涉及坐標數(shù)據(jù)處理和提取、點位運動控制、插補運動控制、輸出點位控制、初始化歸零等功能進行整合。LabVIEW 采用的圖形化編程模式，操作簡單、運行可靠及可視性好，可以對步驟和工藝進行邏輯控制，同時也可以有針對性地、便捷地調(diào)試程序。通過這些模塊完成了軟件系統(tǒng)對硬件執(zhí)行機構(gòu)的精準控制。軟件系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2 所示。

圖2 軟件系統(tǒng)設(shè)計框圖

3 智能布線機器人的試驗驗證

通過多次線纜制作試驗，本文設(shè)計的智能布線機器人設(shè)備能完成線纜制作的工作，線纜和端子分別采用圖3 (a)、(b) 中所示樣品，試驗結(jié)果見表1。

圖3 線纜、端子及漏銅線纜

表1 線纜制作參數(shù)及試驗結(jié)果

在線纜制作試驗過程中，總共制作了50 根線纜，其中2 次出現(xiàn)了銅絲未能完全壓入冷壓端子，即漏銅的情況，如圖3 (c) 所示，每根漏銅的單線漏出銅絲根數(shù)均為1 根。根據(jù)判定標準:19 金屬絲的金屬線為例，缺少1 根金屬絲是可以接受的。絕緣層包裹標準和拉拔力測試均達到判定要求，所以最終判定50 次制作線纜試驗合格。

最后在調(diào)試過程中對硬件線路進行檢查后，進行了上電檢測、運動控制卡IO 調(diào)試、電機運動調(diào)試，對硬件的各個運動控制參數(shù)進行了標定。

對智能布線機器人設(shè)備進行布線試驗，這是一個綜合性功能試驗。通過上位機導入線材表后，提取表格數(shù)據(jù)，通過既有數(shù)據(jù)執(zhí)行軟件程序，布線機器人完成自動夾緊安裝板，自動送線，自動裁線、剝絕緣層，自動壓接冷壓端子頭，自動將線纜插入元器件，智能布線等所有功能。通過布線試驗驗證，對布線機器人實際布線成果進行查驗，智能布線機器人能夠完成上述所有功能，自動完成制線和布線工作。

4 結(jié)論

本文對工業(yè)制造中的布線、接線環(huán)節(jié)進行研究，通過運動控制卡，確定上位機和運動控制卡控制步進電機和伺服電機等執(zhí)行機構(gòu)的硬件方案。研究各類硬件性能參數(shù)，從方案、性能、成本等角度考慮，完成選型并確定滿足技術(shù)性能需求的硬件器件，最終完成系統(tǒng)平臺的搭建。軟件方面研究和設(shè)計布線機器人系統(tǒng)的運動控制軟件系統(tǒng)，包括用戶界面、路徑規(guī)劃模塊、運動控制模塊、歸零控制模塊、IO 及坐標顯示模塊以及具體的執(zhí)行步驟。最終設(shè)計了一套可以智能完成布線、制線工作的機器人設(shè)備，并探索虛擬儀器技術(shù)在智能布線機器人上的應用，試驗結(jié)果證明了該平臺的可靠性和實用性。