基于工業(yè)機(jī)器人的大三通魯班鎖裝配工作站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅洪霞

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 511483）

2015年5月19日，國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，目標(biāo)是使我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。智能制造工程就是其中的五大工程之一，而高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人技術(shù)是其中的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在智能制造、自動(dòng)化生產(chǎn)中的作用越來越重要，是不可缺少的重要環(huán)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人典型的應(yīng)用場景有工業(yè)機(jī)器人上下料、打磨[1]、裝配、焊接[2]、雕刻、分揀以及碼垛等[3-4]。

魯班鎖是一種傳統(tǒng)的益智玩具，采用特殊的凹凸嚙合的榫卯結(jié)構(gòu)，使其具有易拆難裝的特點(diǎn)。在魯班鎖生產(chǎn)過程中，人工組裝很容易因?yàn)槿说氖炀毘潭?、疏忽和疲勞等出現(xiàn)組裝困難、效率低下等問題。本文將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于魯班鎖的裝配，設(shè)計(jì)了魯班鎖裝配工作站、魯班鎖配件的自動(dòng)供料單元以及魯班鎖配件的夾具等，完成了整個(gè)系統(tǒng)的組裝、控制程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了大三通魯班鎖的裝配。使用工業(yè)機(jī)器人代替人完成魯班鎖的裝配，不僅具有系統(tǒng)穩(wěn)定、速度快、質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，而且提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力成本。

1 大三通魯班鎖

魯班鎖源于榫卯結(jié)構(gòu)。榫卯結(jié)構(gòu)是我國一項(xiàng)精湛的傳統(tǒng)的木工技藝，凸出部分叫榫，凹進(jìn)部分叫卯。這種凹凸結(jié)合的連接具有穩(wěn)定、巧妙、美觀和環(huán)保的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于木制家具和建筑結(jié)構(gòu)，如山西應(yīng)縣的木塔、故宮、上海世博會(huì)等。魯班鎖又被稱為八卦鎖、孔明鎖等，是古代益智玩具的代表，一直流傳至今。大三通魯班鎖是其中的一種，由3個(gè)配件組成。每個(gè)配件的榫卯形狀不同，組裝完成結(jié)構(gòu)牢固，如圖1所示。

圖1 大三通魯班鎖

2 魯班鎖裝配工作站設(shè)計(jì)

魯班鎖裝配工作站利用現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人代替人工完成大三通魯班鎖的裝配。為了方便區(qū)分大三通魯班鎖的3個(gè)配件，將圖1中的3個(gè)配件從左到右依次命名為A、B、C。裝配時(shí)，先由機(jī)器人前往供料轉(zhuǎn)臺(tái)夾取魯班鎖配件A放置到裝配臺(tái)。同樣方法依次在供料轉(zhuǎn)臺(tái)夾取B、C塊，并至裝配臺(tái)進(jìn)行裝配。根據(jù)魯班鎖裝配控制需要，工作站主要由工業(yè)機(jī)器人及夾具、裝配臺(tái)和供料轉(zhuǎn)臺(tái)3個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2 魯班鎖裝配工作站組成

工業(yè)機(jī)器人是大三通魯班鎖裝配動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠完成魯班鎖的抓取、放置和裝配。工作站采用ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人，是目前比較流行的工業(yè)機(jī)器人品牌，質(zhì)量為25 kg、載質(zhì)量為3 kg，具有體積小、用途廣泛、工作范圍大以及投資低的特點(diǎn)。

夾具是專門針對此系統(tǒng)指定尺寸的大三通魯班鎖配套定制，采用優(yōu)質(zhì)平行氣缸夾取魯班鎖配件，結(jié)構(gòu)件為6061鋁合金，表面陽極經(jīng)過了氧化處理。

裝配臺(tái)固定在工作站平臺(tái)上，為大三通魯班鎖的裝配提供平臺(tái)。材質(zhì)6061鋁合金外型尺寸為180 mm×200 mm×250 mm（含工件）。裝配平臺(tái)有3個(gè)裝配位，采用階梯式布局，避免轉(zhuǎn)裝配過程中各部件互相干涉。

供料轉(zhuǎn)臺(tái)通過轉(zhuǎn)臺(tái)的不斷旋轉(zhuǎn)，依次提供魯班鎖配件給機(jī)器人。轉(zhuǎn)臺(tái)采用鋁板作為底板，結(jié)構(gòu)件為6061鋁合金，外型尺寸為300 mm×300 mm×350 mm（含工件）。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上有6個(gè)配件工位，可以放置6個(gè)魯班鎖配件。轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)上配置兩個(gè)傳感器：一個(gè)是金屬傳感器，用于檢測轉(zhuǎn)臺(tái)的原點(diǎn)；另一個(gè)是光電傳感器，用于檢測和反饋工件的到位狀況。

3 魯班鎖裝配工作站控制

3.1 供料轉(zhuǎn)臺(tái)控制

供料轉(zhuǎn)臺(tái)控制器采用三菱PLC，型號為FX3U-32MT，輸入輸出分配表分別如表1和表2所示。其中，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服電機(jī)為信捷交流伺服電機(jī)MS5H-60STE，驅(qū)動(dòng)器型號為YZ-ACSD608。

表1 供料轉(zhuǎn)臺(tái)主要輸入分配表

表2 供料轉(zhuǎn)臺(tái)主要輸出分配表

YZ-ACSD608為全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用最新32位數(shù)字信號處理器（Digital Singnal Processor，DSP），16位電子齒輪，20～50 V直流輸入，支持50～500 W交流伺服電動(dòng)機(jī)，2500/1250線編碼器，具有欠壓、過壓、堵轉(zhuǎn)以及過熱保護(hù)等。該驅(qū)動(dòng)器控制信號接口在驅(qū)動(dòng)器上標(biāo)識為“Signal”，PU+（+5 V）和PU-（PU）為脈沖控制信號，脈沖上升沿有效。為了可靠響應(yīng)脈沖，脈沖寬度應(yīng)大于1.2 μs，如采用+12 V或+24 V時(shí)需串電阻。DIR+（+5 V）和DIR-（DIR）為方向信號，高/低電平有效，使用時(shí)方向信號要優(yōu)先于脈沖信號以保障可靠換向。DIP開關(guān)功能選擇SW1=OFF、SW2=OFF即位置模式，控制方式為“脈沖+方向”。伺服電機(jī)脈沖控制信號為Y0，方向控制信號為Y3。

“脈沖+方向”位置控制模式時(shí)，一圈的脈沖數(shù)為4倍的編碼器線數(shù)與電子齒輪之比。例如：2 000線的編碼器，電子齒輪為4∶1，則一圈的脈沖數(shù)為2 000。指令脈沖頻率為一圈的脈沖數(shù)與需要電機(jī)運(yùn)行的速度的乘積（計(jì)算時(shí)需注意進(jìn)行1 min為60 s的換算）。例如：一圈的脈沖數(shù)為2 000，需要電機(jī)運(yùn)行的速度為1 500 r·min-1，則指令脈沖頻率為5 000。伺服驅(qū)動(dòng)器開機(jī)后，紅燈綠燈都亮一次，而后綠燈亮、紅燈滅為正常工作狀態(tài)。例如，遇紅燈閃爍則為報(bào)警狀態(tài)，此時(shí)可根據(jù)紅燈不同的閃爍現(xiàn)象判斷報(bào)警原因，也可通過Modbus讀取報(bào)警代碼進(jìn)行查詢。

轉(zhuǎn)臺(tái)圓盤上均勻分布6個(gè)工件位，一次放置2套A、B、C配件。程序控制流程為“上電→旋轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)（配件A到位）→機(jī)器人取走配件A→轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)60°（配件B到位）→機(jī)器人取走配件B→轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)60°（配件C到位）→機(jī)器人取走配件C”，完成一個(gè)大三通魯班鎖的供料，后續(xù)依次類推。程序如圖3所示。

圖3 供料轉(zhuǎn)臺(tái)控制程序

3.2 工業(yè)機(jī)器人控制

根據(jù)大三通魯班鎖裝配的需要，工業(yè)機(jī)器人代替人完成裝配，模擬人的裝配動(dòng)作過程。一個(gè)完整的大三通魯班鎖的裝配程序控制流程為“上電→回到原點(diǎn)→從供料轉(zhuǎn)臺(tái)取走配件A→去裝配臺(tái)放配件A→從供料轉(zhuǎn)臺(tái)取走配件B→去裝配臺(tái)裝配件B（B從A中穿過）→從供料轉(zhuǎn)臺(tái)取走配件C→去裝配臺(tái)裝配件C（C套在A上）→推配件B”。工業(yè)機(jī)器人與供料轉(zhuǎn)臺(tái)之間的溝通信號，如表3和表4所示。

表3 工業(yè)機(jī)器人主要輸入分配表

表4 工業(yè)機(jī)器人主要輸出分配表

為了提高工業(yè)機(jī)器人程序的編寫效率，先離線編寫并調(diào)試好程序，再下載到工業(yè)機(jī)器人硬件單元，根據(jù)實(shí)際工作站中的各個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行校準(zhǔn)。這樣不僅可提高編程效率和設(shè)備的利用率，而且降低了設(shè)備事故率。

4 結(jié)語

基于工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的大三通魯班鎖裝配工作站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大三通魯班鎖的智能自動(dòng)裝配。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工業(yè)機(jī)器人代替了傳統(tǒng)的人工，提高了裝配效率。工作站中的供料轉(zhuǎn)臺(tái)能夠自動(dòng)提供魯班鎖配件給工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)配件的自動(dòng)供料。裝配工作站的系統(tǒng)組成簡單，易于實(shí)現(xiàn)。工業(yè)機(jī)器人在裝配過程中能夠準(zhǔn)確完成裝配動(dòng)作，且不會(huì)疲勞，速度快，在大量裝配魯班鎖生產(chǎn)過程中比人工具有明顯優(yōu)勢。此外，系統(tǒng)中還增加了觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，可通過觸摸屏遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)啟停，實(shí)時(shí)顯示魯班鎖的裝配狀態(tài)等。