秦國棟， 黃 磊

（1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 嘉興 314000；

2.浙江天正智能電器有限公司， 浙江 嘉興 314000）

引言

在生產(chǎn)制造企業(yè)中，裝配是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[1]，而貼片、焊接、鎖付是裝配的重要工藝[2-3]。為了提高國內(nèi)企業(yè)的核心競爭力，也為了解決自動(dòng)化裝配的難點(diǎn)，我國對(duì)裝備制造業(yè)的重視程度不斷提高，不斷地提高產(chǎn)品生產(chǎn)加工的自動(dòng)化程度，自動(dòng)化螺絲鎖付設(shè)備也在逐步發(fā)展。在傳統(tǒng)的企業(yè)中，產(chǎn)品的螺絲鎖付環(huán)節(jié)多數(shù)采用人工鎖付，即工人使用電動(dòng)或氣動(dòng)螺絲刀鎖付，這樣使得該環(huán)節(jié)在整個(gè)加工環(huán)節(jié)中效率比較低下。近幾年越來越多的企業(yè)使用自動(dòng)化設(shè)備[4-6]。同時(shí)，隨著產(chǎn)品種類的多樣化和復(fù)雜化，加上螺絲的種類逐漸呈現(xiàn)多樣化情況，企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)鎖付階段做到高效、快速難度已經(jīng)越來越大[7]。如果生產(chǎn)企業(yè)采用傳統(tǒng)的人工鎖付螺絲的方式已經(jīng)不能滿足目前的生產(chǎn)需求，因此設(shè)計(jì)一臺(tái)具備高適應(yīng)性、速度快、效率高、準(zhǔn)確度高的螺絲鎖付裝置很有必要。

前期通過對(duì)調(diào)研，國內(nèi)自動(dòng)螺絲鎖付裝置大多數(shù)采用直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，這種自動(dòng)鎖付螺絲機(jī)的特點(diǎn)就是成本低，速度快，但對(duì)于復(fù)雜的鎖付產(chǎn)品無法使用、尤其是帶有墊片的螺絲基本無能為力[8]。為了提高企業(yè)在螺絲鎖付環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平，本文介紹基于SCARA 機(jī)器人的自動(dòng)螺絲鎖付裝置，該裝置比原有的鎖付結(jié)構(gòu)更加具備適應(yīng)性、快速性等特點(diǎn)。

1 項(xiàng)目研究背景

本項(xiàng)目主要應(yīng)用與浙江天正電氣的交流接觸器生產(chǎn)線上。該公司的交流接觸器如圖1 所示。該交流接觸器在裝配環(huán)節(jié)，需要鎖付10 顆螺絲，上面5 顆，下面5 顆。通過多次調(diào)研和綜合考慮，準(zhǔn)備采用雙機(jī)器人的設(shè)計(jì)，即第一臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)鎖付上面5 顆螺絲，第二臺(tái)負(fù)責(zé)鎖付下面5 顆螺絲，使用流水作業(yè)，節(jié)省鎖付時(shí)間。

下頁圖2 是天正交流接觸器生產(chǎn)線整個(gè)自動(dòng)化改造的具體過程，在圖中可以清楚地看到改造后人員的減少情況。該公司在產(chǎn)線未自動(dòng)化改造之前，整條交流接觸生產(chǎn)線需要7 位工作人員，在產(chǎn)線上安裝兩臺(tái)自動(dòng)螺絲鎖付機(jī)之后，理論上減少3 名工人，即1 個(gè)底座組裝和2 個(gè)螺絲鎖付工位，但為了保障機(jī)器的正常運(yùn)行，產(chǎn)線配備了一個(gè)輔助人員，通過改造產(chǎn)線最終減少了2 名工人。該企業(yè)總共有15 條接觸器的生產(chǎn)線，使用該自動(dòng)螺絲鎖付機(jī)可節(jié)省30 個(gè)工人。該設(shè)計(jì)思路同樣可以用在公司的其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以整體提高該公司生產(chǎn)制造的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的是將SCARA 機(jī)器人應(yīng)用到自動(dòng)螺絲鎖付裝置中。整個(gè)項(xiàng)目首先設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)上料裝置，把交流接觸器的所有底座組裝好后放入在上料平臺(tái)上，設(shè)備會(huì)有推動(dòng)裝置將這些組裝件輸送到規(guī)定的鎖付位置上。其次是設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)供螺絲裝置，該裝置主要作用是將螺絲通過振動(dòng)盤篩選、排列后等待機(jī)械手抓取鎖付。最后設(shè)計(jì)一個(gè)雙SCARA 機(jī)器人的鎖付機(jī)構(gòu)，利用SCARA 機(jī)器人的關(guān)節(jié)靈活性，實(shí)現(xiàn)螺絲的抓取、鎖付過程。增加一個(gè)PLC 控制器，可以控制整個(gè)鎖付機(jī)的控制、計(jì)數(shù)、報(bào)警等功能。

2 項(xiàng)目實(shí)施方案

2.1 總體方案

SCARA 機(jī)器人在螺絲鎖付機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路如圖3 所示，設(shè)計(jì)總體框圖如圖4 所示。該設(shè)備包括6 個(gè)主要部分，包括自動(dòng)傳輸裝置、自動(dòng)供釘裝置、機(jī)器視覺裝置、螺釘抓取及鎖付裝置、機(jī)器人控制、整機(jī)控制及人機(jī)界面等。

2.2 傳輸裝置的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

傳輸裝置包含了傳輸帶、感應(yīng)裝置和計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)，傳送帶由PLC 控制，速度由工程人員設(shè)定的運(yùn)行節(jié)拍決定，每鎖付5 個(gè)螺絲為一個(gè)節(jié)拍。在設(shè)備的進(jìn)口、出口處的鋼柱上設(shè)計(jì)了一個(gè)光電感應(yīng)開關(guān)，作用是當(dāng)交流接觸器進(jìn)入后和鎖付結(jié)束后均能觸發(fā)光電感應(yīng)開關(guān)，該開關(guān)形成電信號(hào)，并且傳輸?shù)絇LC 的輸入口接收，實(shí)現(xiàn)檢測傳送帶物料是否正常和進(jìn)出料計(jì)數(shù)功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到傳輸帶的沒有物料送入主控PLC 則會(huì)停止傳輸帶動(dòng)作直至報(bào)警停止[9-11]。

2.3 自動(dòng)供釘裝置

供釘裝置的效率提升可以有效地提高整個(gè)鎖付裝置的生產(chǎn)效率，因此設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定高效的自動(dòng)供釘非常重要。該項(xiàng)目的自動(dòng)供釘裝置采用振動(dòng)盤方式，這種方式可以適應(yīng)交流接觸器帶墊片的螺絲，并且這種方式也相對(duì)成熟，節(jié)省開發(fā)周期。本裝置采用圓柱形振動(dòng)盤，這種振動(dòng)盤用于形狀簡單而規(guī)則，并且尺寸較小的物料，非常適用于交流接觸器的螺釘裝配。此外，該裝置還配備了若干傳感器，其作用是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中檢測關(guān)鍵部位螺釘是否順利到位以及檢測振動(dòng)盤中的螺釘是否存有余量等，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 SCARA 機(jī)器人應(yīng)用及控制

SCARA 機(jī)器人屬于關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有4 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，軸線相互直接平行，可在平面靈活運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有垂直關(guān)節(jié)，可以靈活地進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)。SCARA機(jī)器人可以模仿人的手臂運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)快速的取料、運(yùn)料，非常適用于裝配環(huán)節(jié)。本裝置采用臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的DRS40L3 關(guān)節(jié)機(jī)器人，該型號(hào)的SCARA 機(jī)器人具備速度高、精度準(zhǔn)、線性度和垂直度強(qiáng)的性能，可輕松的完成組裝、鎖螺絲、搬運(yùn)、包裝等工作，具備很高的性價(jià)比、節(jié)省空間，一致性和協(xié)同性均比較高。

SCARA 機(jī)器人類似人類的手臂，結(jié)構(gòu)合理，并且具有極強(qiáng)的易用性，同時(shí)具備高性價(jià)比，運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)普通關(guān)節(jié)式機(jī)器人，快了很多倍?；赟CARA機(jī)器人的全自動(dòng)鎖付螺絲機(jī)具備以下特點(diǎn)[12-13]：

1）適用與多場合，由于SCARA 機(jī)器人模擬人的手臂，多數(shù)裝配環(huán)節(jié)上均可使用該機(jī)器人，只需要更換夾具即可在不同的應(yīng)用場合或者鎖付產(chǎn)品中使用。

2）不同的鎖付產(chǎn)品程序可單獨(dú)保存。每個(gè)系列的交流接觸器，首先由工程人員進(jìn)行示教和編程，完成后獨(dú)立保存?，F(xiàn)場工作人員在不同的交流接觸器生產(chǎn)過程中，只要找到對(duì)應(yīng)的程序即可，方便現(xiàn)場工作人員。

3）可準(zhǔn)確地檢測螺絲滑牙、浮鎖，工程設(shè)計(jì)人員在觸摸屏上設(shè)定多種處理不良螺絲的方法，自動(dòng)螺絲鎖付機(jī)則根據(jù)現(xiàn)場人員設(shè)定的不良螺絲處理方法進(jìn)行處理或者報(bào)警。

4）由于使用了關(guān)節(jié)機(jī)器人，比較類似人類操作，螺絲或者鎖付產(chǎn)品供料時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定供料，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

5）使用SCARA 機(jī)器人可直接提高生產(chǎn)效率，在實(shí)驗(yàn)室中整個(gè)裝置可以發(fā)到0.5 s 鎖付，在實(shí)際運(yùn)行過程中為了設(shè)備穩(wěn)定一般需要1 s 完成鎖付。

6）相對(duì)于市面上較多的線式鎖付機(jī)，具有更好的通用性。

2.5 機(jī)器視覺裝置設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺裝置使用千眼狼mini 系列工業(yè)攝像機(jī)，該攝像機(jī)可用于非接觸測量，為工業(yè)領(lǐng)域?qū)ｉT專門打造，具備大內(nèi)存、優(yōu)畫質(zhì)、高性能等特點(diǎn)。該攝像機(jī)全幅分辨率1 920×1 080，小畫幅最高支持22 000 fps，具有高清廣電級(jí)畫質(zhì)，滿足工業(yè)檢測使用。機(jī)器視覺部分，項(xiàng)目組利用了OpenCV 圖像算法，對(duì)工業(yè)攝像頭的采集畫面進(jìn)行分析，檢測螺絲的鎖付情況，提高系統(tǒng)的高可靠性，如果系統(tǒng)經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品位置不對(duì)，則系統(tǒng)可立即產(chǎn)生報(bào)警，并且做好錯(cuò)誤記錄，供工程人員分析。

2.6 自動(dòng)抓取及鎖付裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)取料部件由取料主體、氣缸、連接部件和吸取部件等部分組成，整體被固定在SCARA 機(jī)器人手臂上。鎖付部件由直線導(dǎo)軌、電批夾具、自動(dòng)或氣動(dòng)電批和夾頭等4 個(gè)部分組成。

3 結(jié)論

SCARA 關(guān)節(jié)機(jī)器人應(yīng)用與自動(dòng)化螺絲鎖付機(jī)中可以極大地提高生產(chǎn)效率。使用SCARA 機(jī)器人主要模仿人類的生產(chǎn)操作過程，達(dá)到快速穩(wěn)定的生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率并且減輕了生產(chǎn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。整個(gè)基于SCARA 關(guān)節(jié)機(jī)器人螺絲鎖付機(jī)使用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，可適應(yīng)多種生產(chǎn)場合和鎖付產(chǎn)品實(shí)際要求，并且程序和設(shè)備均做了冗余設(shè)計(jì)，可選擇單機(jī)器人和雙機(jī)器人結(jié)構(gòu)。具體的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1）實(shí)現(xiàn)天正交流接觸器產(chǎn)線中螺絲鎖付環(huán)節(jié)的自動(dòng)化生產(chǎn)提升，不僅可以節(jié)省人工，還可以為今后企業(yè)的數(shù)字化工廠和無人工廠提供一個(gè)技術(shù)支撐。

2）使用SCARA 機(jī)器人的自動(dòng)鎖付機(jī)，相對(duì)人工螺絲鎖付，定位準(zhǔn)確、精度高，提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品檔次也得到了提升。

3）SCARA 機(jī)器人應(yīng)用在螺絲鎖付機(jī)上，比以往3 軸垂直螺絲鎖付機(jī)具有運(yùn)動(dòng)靈活、速度更快、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足更多的鎖付產(chǎn)品。