章嘉浩, 魏曉晨, 馬丹, 嚴誠斌

(1.上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海 200023;2.燕山大學，河北 秦皇島 066004)

一種新型工業(yè)機器人工裝夾具檢測系統(tǒng)設計

章嘉浩1, 魏曉晨2, 馬丹1, 嚴誠斌1

(1.上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海 200023;2.燕山大學，河北 秦皇島 066004)

針對工裝夾具與工業(yè)機器人裝配過程中因電氣信號匹配修正、氣動回路檢測導致的多次拆卸問題，提出一種適用于工業(yè)機器人的新型工裝夾具檢測系統(tǒng)，通過機架、電氣、氣路各模塊功能模擬平臺，模擬電氣信號傳輸、氣動回路連接，進而調(diào)整工裝夾具的各項安裝參數(shù)，檢測氣動元件、電氣元件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)工裝夾具的預先裝配試錯。本測試系統(tǒng)對提高工裝夾具裝配效率，節(jié)省項目進度時間具有重要工程意義。

工裝夾具；工業(yè)機器人；檢測系統(tǒng)；信號匹配修正；信號傳輸

Abstract: Aiming at repeated disassembling necessitated on account of electrical signal match correction and test on pneumatic circuits in the course of assembling of industrial robots and jigs and fixtures, this paper puts forwards a novel system for tests of jigs and fixtures suitable for industrial robots. Transmission of electrical signal and connection of pneumatic circuits are simulated through the simulation platform for the frame as well as electrical and pneumatic modules, so that installation parameters of jigs and fixtures may be adjusted, and working states of pneumatic and electrical components may be tested to realize pre-assembly and error detection of jigs and fixtures. This test system has great engineering importance for the improvement of assembly efficiency of jigs and fixtures and for the saving of time in project implementation.

Keywords: jigs & fixtures；industrial robot；test system；signal match correction；signal transmission

0 引 言

隨著工業(yè)機器人行業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)機器人在汽車制造、電子電氣、橡膠塑料、化工、食品等領域得到廣泛應用[1]。工裝夾具作為工業(yè)機器人設備中必不可少的工藝裝備，在生產(chǎn)實踐中用來定位、夾緊，使工具處于相對穩(wěn)定的位置，從而達到加工和安裝的目的，其廣泛用于機械加工、裝配、檢驗、熱處理、焊接等工藝過程中[2-3]。

工裝夾具是機械裝備制造業(yè)中不可缺少的基礎工藝元素[4]。合理、正確地使用工裝夾具安裝和固定各個零部件，是有效完成工作任務的先決條件，對提高生產(chǎn)效率和縮減項目成本有著直接的影響。而對于現(xiàn)階段存在的裝配夾具多耗時、易反復等問題，則勢必導致工業(yè)生產(chǎn)過程中人力的浪費，降低了生產(chǎn)效率[5-6]。

近來，針對夾具控制方面的探索，采用PLC控制夾具運動的研究較廣泛，其中張國政[7]設計了基于PLC控制的氣動夾具，采用編制題型程序生成語句表，并實現(xiàn)成功調(diào)試；袁清珂[8]等人設計氣壓驅動系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，聯(lián)合控制工業(yè)機器人工裝夾具，提高了運動狀態(tài)下組件的穩(wěn)定性與實用性；蒙啟泳[9]設計了基于PLC控制的自動化夾具教學平臺，將夾具本體、氣壓控制、液壓控制有機結合，進一步實現(xiàn)夾具的有效控制。對于定位控制夾具運動的研究，吳玉光[10]提出了建立一系列夾具定位規(guī)則，實現(xiàn)了定位基準的自動布局，為夾具運動控制提供了一種有效方法。

為更有效的滿足實際工作中工裝夾具的檢測要求，在考慮多種裝配要素的基礎上，建立一套適用于工業(yè)機器人工裝夾具的檢測系統(tǒng)方案，采用模塊化設計思路，對氣動回路、電氣回路、組件干涉等裝配問題進行測試檢驗，實現(xiàn)在脫離與工業(yè)機器人連接的基礎上完成調(diào)試任務，達到縮短項目工程時間的目的。

1 工裝夾具檢測系統(tǒng)方案設計

工裝夾具的安裝過程不是單一的組件裝配問題，更涉及信號傳輸、氣動供給等電氣控制問題。為更準確模擬工裝夾具與工業(yè)機器人裝配過程，暴露裝配問題，依據(jù)工業(yè)機器人本體結構及控制過程，采用模塊化設計原則，構建工裝夾具測試系統(tǒng)。

測試系統(tǒng)由設備臺架、工裝夾具組件模塊、氣動驅動模塊、電氣驅動模塊等組成。在工裝夾具裝配測試過程中，氣動驅動模塊和電氣驅動模塊固定安裝在設備臺架上，工裝夾具組件模塊的氣動元件與氣動驅動模塊連接，氣動驅動模塊的驅動部件與電氣控制模塊連接，將工裝夾具安裝在帶有工業(yè)機器人第四、五、六軸的工裝夾具組件模塊當中，并連接氣動模塊與電氣模塊輸出管路，對工裝夾具進行試錯裝配。

1.1 工裝夾具組件系統(tǒng)

工裝夾具裝配在機器人末端第六軸處，其運動位姿受工業(yè)機器人各關節(jié)驅動控制，并涉及線路導線，零件干涉、運動位姿極限等機構問題，因此為更直觀、透徹的模擬工裝夾具隨機構的運動過程，暴露工裝夾具裝配過程中存在的問題，特此開發(fā)工裝夾具組件測試系統(tǒng)。

圖1 工裝夾具組件系統(tǒng)

如圖1所示，為模擬工業(yè)機器人末端實際運動情況，設計工裝夾具組件系統(tǒng)包括工業(yè)機器人第四軸、第五軸、第六軸機構，依次模擬對應在實際工業(yè)機器人中的各關節(jié)驅動機構，實行旋轉運動。工業(yè)機器人線纜固定架用于機器人抓手處信號線纜走線布局固定使用，工業(yè)機工業(yè)機器人第六軸機構與工裝夾具用法蘭連接，工裝夾具上下移動機構安裝在工業(yè)機器人第六軸伸出部分，用來控制工裝夾具的軸向平移。

1.2 氣動模塊檢測系統(tǒng)

工裝夾具在工業(yè)機器人的應用中常用氣動裝置作為夾具運動的驅動源，因此在工裝夾具實際安裝前，必須對氣動模塊中的各項設備進行調(diào)節(jié)測試，檢測氣動回路是否通暢，調(diào)節(jié)滿足夾具運動的氣壓壓力等多項工況指標。

為實現(xiàn)工裝夾具氣動模塊的檢測要求，設計氣動模塊檢測系統(tǒng)，本系統(tǒng)由氣源三聯(lián)件、節(jié)流閥、電磁閥、真空發(fā)生器、氣缸等組件構成。如圖2所示，氣源三聯(lián)件的輸出管路上裝有節(jié)流閥，節(jié)流閥的輸出端連接有三位五通電磁閥，電磁閥一端與真空發(fā)生器連接，另一端與氣缸連接，真空發(fā)生器的輸出端連接至工裝夾具氣動輸入口。在此基礎上，所述電磁閥采用三線制24 V磁性開關，氣缸通過24 V磁性開關的信號反饋模塊控制氣缸行程，為便于觀測氣缸運行狀態(tài)，安裝指示燈系統(tǒng)進行檢測，設置磁性開關正負電源線和信號反饋線連接，24 V磁性開關正負電源線與電源正負極相連接，信號反饋線與第一指示燈的正極相連接，第一指示另一端與24 V電源負極相連接。通過電氣回路控制電磁閥開關，實現(xiàn)氣動回路整體控制，并參照指示燈暗滅判斷運行狀態(tài)。

1-氣源三聯(lián)件；2-節(jié)流閥；3-三位五通電磁閥；4-氣缸；5-真空發(fā)生器；6-吸盤圖2 氣動回路

1.3 電氣模塊檢測系統(tǒng)

工業(yè)機器人采用外部接線端子排連接外部電氣模塊，通過與工業(yè)機器人端子排的信號傳輸，實現(xiàn)示教編程控制，到達與工業(yè)機器人運動相結合的工作效果。通常情況下，工裝夾具的電氣元件信號端與工業(yè)機器人控制柜中的信號端子排連接，結合編程控制實現(xiàn)工裝夾具的張開閉合，完成工作任務。

為模擬工業(yè)機器人電氣控制過程，實現(xiàn)電氣元件的各項參數(shù)檢測，設計電氣模塊檢測系統(tǒng)，如圖3所示，電氣模塊系統(tǒng)由第一電氣模塊控制器、第二電器模塊控制器、第三電氣模塊控制器、24 V電源、真空發(fā)生器、電磁閥等組件構成。如圖3所示，對電氣組件依次連接，第一電氣模塊控制器一端與24 V正極連接，24 V電源負極與真空發(fā)生器連接，進而連接第一電氣模塊控制器另一端完成閉合回路；第二電氣模塊控制器一端與24 V電源正極連接，電源負極連接三位五通電磁閥，進而連接第二電氣模塊控制器另一端完成閉合回路，第三電氣模塊控制器連接支路與第二電氣模塊控制器連接支路相同，由此電氣控制模塊設計完成，采用電氣控制系統(tǒng)控制氣動回路，檢測電氣信號傳輸是否有誤。

圖3 電氣控制圖

1.4 模塊連接與測試步驟

圖4 PLC控制流程圖

對整體檢測平臺進行檢測測試，首先將工裝夾具安裝于平臺工裝夾具組件模塊處，將線纜通過線纜固定架進行走線布局，控制工裝夾具組件中第四軸、第五軸、第六軸機構依次模擬對應工業(yè)機器人中的驅動機構，做旋轉運動。第六軸機構與工裝夾具用法蘭連接，將工裝夾具安裝完成后，將各氣動元件與氣動驅動模塊連接，確保氣路回路的暢通以及氣動元器件的正常使用。將氣動驅動模塊中的驅動部件，與電氣驅動模塊連接，通過電氣控制的方式，實現(xiàn)自動檢測功能。將氣動回路連接完成后，打開氣源，氣動驅動模塊與電氣驅動模塊相連接，部件可以進行手動測試或自動測試，真空發(fā)生器可進行自動工作，通過按鈕進行啟動。氣缸需要通過磁性開關信號反饋，以此判斷氣缸行程是否達到極限位置。磁性開關與電源模塊相連接，隨后將信號反饋線與指示燈相連接，當氣缸上下移動到位后，通過指示燈暗滅狀態(tài)判斷運動是否正常，圖4所示為PLC控制流程圖。

檢測在運動過程中，是否發(fā)生部件干涉、運動卡死以及機構卡頓等現(xiàn)象，隨后觀察輸入信號是否有效地輸入到位，氣動元件的運動邏輯是否符合設計流程，反饋信號是否與設計所需信號一致。

2 系統(tǒng)實驗檢測

為檢驗測試系統(tǒng)的實用性，安裝常用工裝夾具對測試平臺進行實驗檢測，根據(jù)信號參數(shù)、元件位置、指示燈暗滅等檢測因素，調(diào)整工裝夾具的安裝過程，解決測試過程中裝配問題，隨后依據(jù)測試系統(tǒng)各模塊的檢測信號，安裝工裝夾具至工業(yè)機器人第六軸處，并結合機器人本體控制系統(tǒng)，編程運動程序，對工裝夾具的工作性能進行設備檢測。

2.1 四爪夾具裝配檢測

圖5 四爪夾具裝配故障檢測

如圖5所示，檢測平臺左側為工裝夾具組件模塊，將四爪夾具安裝至工裝夾具組件模塊的第六軸伸出部分，設置各氣動元件與氣動驅動模塊連接，檢測氣動回路是否連接正確，將電氣驅動模塊的各控制按鈕與氣動回路中各電磁閥連接，并通過指示燈暗滅檢測電氣回路是否連接正確。在此基礎上，根據(jù)四爪夾具的實際應用要求，對各磁性開關運動順序進行編程操作，完成后進行通電測試。觀察四爪夾具的運動幅度，判斷是否存在干涉，運動卡死等結構故障，調(diào)整氣壓參數(shù)、檢測各電氣信號是否正常，并通過指示燈判斷運行狀態(tài)，以此修正運動過程中出現(xiàn)的各項問題。

圖6 工業(yè)機器人工裝夾具測試實驗

針對檢測過程中出現(xiàn)的各類問題，提出解決方案，而后安裝四爪夾具于工業(yè)機器人末端。如圖6所示，四爪夾具通過法蘭與工業(yè)機器人第六軸連接，參照檢測系統(tǒng)調(diào)試后的安裝過程，將電纜線、氣路管道通過線纜固定架走線，避免線機纏繞等裝配問題；參照檢測裝置中的氣動模塊調(diào)試過程，根據(jù)氣泵壓強等各項參數(shù)，調(diào)節(jié)氣動連接裝置、氣缸連接裝置、電磁閥連接裝置；參照檢測裝置中電氣模塊調(diào)試過程，將氣動裝置與工業(yè)機器人電氣信號柜總端子排連接，并依據(jù)調(diào)試信號進行邏輯設定；通過對工業(yè)機器人進行示教編程，工裝夾具可在隨機器人運動過程中實現(xiàn)夾取、放置物件的工作任務要求。

通過對四爪夾具實驗運動控制檢測，并基于工業(yè)機器人本體系統(tǒng)安裝四爪夾具進行運動測試，實驗證明經(jīng)檢測系統(tǒng)安裝調(diào)試后，可有效避免工裝夾具與工業(yè)機器人安裝過程中的各項問題，實現(xiàn)工裝夾具與工業(yè)機器人的快速裝配，提高工裝夾具裝配效率。

3 結束語

本文基于工業(yè)機器人本體系統(tǒng)，設計工裝夾具組件、氣動檢測、電氣檢測模塊，構建工裝夾具檢測系統(tǒng)，解決自動化行業(yè)中工裝夾具與工業(yè)機器人裝配出現(xiàn)的多次反復修正與微調(diào)問題。實驗證明，工業(yè)機器人工作夾具檢測系統(tǒng)能多方面、多層次暴露裝配問題，免除實際裝配中返工以及重復裝配等過程，降低人工裝配用時，提高裝配工作效率。

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Design of a Novel Test System for Jigs and Fixtures of Industrial Robots

Zhang Jiahao, Wei Xiaochen, Ma Dan ,Yan Chengbin

(Shanghai Electrical Automation Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200023, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.035

TU547.6

A

1000-3886(2017)03-0116-03

定稿日期: 2017-03-21

本項研究工作得到了上海市科學技術委員會的資助，資助課題(編號：17DZ2283400)

章嘉浩(1962-)，男，上海人，1984年畢業(yè)于上海大學工商管理學院精密儀器儀表專業(yè)，工程師，從事電氣自動化系統(tǒng)設計、制作及系統(tǒng)集成，工業(yè)控制(機器人)領域的教育培訓解決方案制定與實施。 魏曉晨(1992-) 男, 河北省人，碩士生，就讀于燕山大學機械電子工程專業(yè)，從事機器人結構方面研究。 馬丹(1981-)，女，上海人，2003年畢業(yè)于上海交通大學計算機科學與技術專業(yè)，工程師，從事電氣自動化系統(tǒng)設計，工業(yè)機器人應用，機電類職業(yè)培訓標準題庫開發(fā)。 嚴誠斌(1991-)，男，上海人，2013年畢業(yè)于上海電機學院機電一體化專業(yè)，從事電氣自動化系統(tǒng)設計、方案設計，工業(yè)控制(機器人)領域的教育培訓解決方案制定與實施。