基于SCARA 机器人的自动化螺丝锁付机研究

秦国栋，黄磊

（1.嘉兴职业技术学院；2.浙江天正智能电器有限公司，浙江嘉兴 314000）

在中国制造2025和工业4.0的大背景下，我国制造产业的发展呈现出生机勃勃的态势，制造规模和制造水平得到了比较可观的改善和提高[1]。在生产制造企业中，装配是一个关键的环节，而贴片、焊接、锁付是装配的重要工艺[2-3]。为了提高国内企业的核心竞争力，也为了解决自动化装配的难点，我国在不断提高对装备制造业的重视程度和产品生产加工的自动化程度，自动化螺丝锁付设备也在逐步发展。大多数企业对于产品的螺丝锁付都是采取工人用电动螺丝刀手动锁付的方式，该制造环节使生产加工的效率变得很低。随着人口红利一年一年地减弱，产品的螺丝锁付环节必须提高自动化程度[4-6]。此外，随着产品的种类变得复杂化，螺丝的种类也逐渐呈现出多样化，企业要想实现高效、快速的螺丝锁付，其难度越来越大[7]。如果生产企业仍采用传统的人工锁付螺丝的方式，不仅速度慢、效率低，而且螺丝锁付的精度也没有办法得到保证。因此，设计一台具备高适应性、速度快、效率高、准确度高的锁螺丝系统十分有必要。

通过对市场的调研，笔者发现目前国内自动螺丝锁付装置大多采用直角坐标全自动锁付螺丝机，该自动锁付螺丝机的特点是成本低、速度快，但是对于复杂的锁付产品无法使用[8]。为了进一步提高自动螺丝锁付机的自动化水平，本文介绍了基于SCARA机器人的自动螺丝锁付装置，基于SCARA机器人的自动螺丝锁付装置比直角坐标全自动锁付螺丝机有更加多样的使用场景。

一、项目研究背景

本项目来源于浙江省嘉兴市科技局的公益项目，应用于浙江天正智能电器有限公司接触器生产线的自动化改造项目，该公司生产线自动化改造的具体过程以及改造后减少工人的数量情况如图1所示。浙江天正智能电器有限公司在自动螺丝锁付机未安装到产线之前，整条生产线需要7位工作人员，通过安装两台自动螺丝锁付机代替了1个底座组装和2个螺丝锁付工位，理论上减少了3名工人，为了保障机器的正常运行，生产线上增加了一个机器管理的辅助人员，最终减少了2名工人。浙江天正智能电器有限公司总共有15条接触器的生产线，使用自动螺丝锁付机可节省30个工人，自动螺丝锁付机在经过改装后，还可以用于该公司的其他产线上，所以自动螺丝锁付机可以大大提高企业的自动化生产水平，减少工人的使用量，提高产品的生产质量。

图1 本项目在产线自动化改造中的应用位置

本项目的主要目的是开发一个配备基于SCARA机器人的自动螺丝锁付装置，主要开发内容如下：

1.自动上料装置：根据生产线要求，自动螺丝锁付装置把待锁付的产品放置在输送线上，自动输送到工作平台，按指定的位置定位，锁付完成后，输送到下一个工位。在传送期间，自动螺丝锁付装置按照规划的锁付路径依次拧紧相应的螺钉。

2.抓取螺丝机械手结构及控制器设计：为了能够准确地抓取螺丝并将螺丝放置在对应位置上，控制电批启动、停止及扭矩大小，本项目设计了一个机械装置及其对应的PLC控制器[8-9]，以保证顺利锁付且不会出现漏锁、浮锁、滑丝等不良品，并且锁付机检测到不良品后能够报警或者将不良品自动选出。

3.设计一个基于视觉检测产品位置正确与否的装置：该装置可以检测由于各种原因输送到平台上的断路器的位置信息，如发现位置信息不对，该装置将及时报警，减少不良品且保护锁付装置。

二、项目实施方案

（一）总体方案

基于机器人的全自动螺丝锁付机的总体结构如图2所示，总体框图如图3所示。基于机器人的全自动螺丝锁付机包括自动传输装置、自动供钉装置、机器视觉装置、螺钉抓取及锁付装置、机器人控制、整机控制及人机界面六个主要部分。

图2 全自动螺丝锁付机结构图

图3 全自动螺丝锁付机总体框图

（二）自动传输装置

自动传输装置包含传输带和计数结构，在传输带的进口处和出口处的钢柱上各设置一个光电感应开关，当每个料进入和出去时，均能触发光电感应开关，形成电信号，该信号传输到PLC的输入口，完成传输带PLC的进料计数功能。当系统检测到传输带的螺丝过多时，主控PLC会控制传输带的电机减慢速度直至报警停止[10-11]。

（三）自动供钉装置

自动供钉装置由供钉底座、电机、供钉组件、储钉结构四个部分组成。自动供钉装置上端可以安装8组钉夹，主要目的是应对比较复杂的锁付产品，用以存放不同型号的螺钉，如果产品比较单一，则只需安装一组钉夹。螺钉选型方法是滑台上的供钉组件由丝杠带动前后移动实现选型，螺钉定位则由装置上的零位开关和电机编码器控制实现。自动供钉装置除了选钉动作是通过伺服电机驱动实现外，其余动作均通过电磁阀控制气缸实现。此外，自动供钉装置还有若干传感器，传感器的作用是在系统运作过程中，检测关键部位螺钉是否顺利到位以及检测钉管中的螺钉是否存有余量，传感器的使用能提高系统的安全性能。

（四）机器视觉装置

机器视觉装置使用工业摄像头，本系统采用1 400万像素的工业CCD摄像头。工业CCD摄像头具有高精度、高效率、高速度的特点。工业CCD摄像头配备有OpenCV图像算法，该图像算法相对比较成熟，可以极大地提高开发效率，加快系统的开发。使用工业摄像头检测的优点是非接触测量，检测产品部件是否在准确的位置上，不损伤观测者和被测者的特点，提高系统的高可靠性，可以快速地检测、分析和识别任务，提高生产效率。如果系统经过检测发现产品位置不对，系统就可以立即报警，提醒工作人员及时排除错误。

（五）自动抓取及锁付装置

自动取料部件包括：取料主体、气缸、连接部件和吸取部件，自动取料部件安装在关节机器人的手臂上。锁付部件包括直线导轨、电批夹具、自动电批和夹头四个部分。其中，直线导轨安装在锁付机主体上；电批夹具的一端垂直安装在直线导轨上，并且必须与气缸垂直相连；电动电批则垂直固定在电批的夹具上；夹头垂直固定在锁付机主体下部。

（六）SCARA 机器人控制

自动锁付机使用平面4轴的SCARA关节机器人。SCARA机器人具备灵活的自由度，可以实现快速的取料、运料、定位等动作，并且能节省空间，一致性和协同性均较高。本系统采用台达公司生产的DRS40L3关节机器人，该机器人具备高性能的速度、精度、线性度和垂直度性能，能够轻松地完成组装、锁螺丝、搬运、包装等动作，并且具备很高的性价比。

SCARA机器人类似于人类的手臂，结构合理，并且具有极强的易用性，同时具备高性价比，运动速度比普通关节式机器人快了很多倍。基于SCARA机器人的全自动锁付螺丝机具备以下几个特点[12-13]：

1.适用性强：不同的应用场合或者锁付产品只需要更换夹具即可。

2.锁付设备程序可单独保存：变更使用场合或者锁付产品时，调出对应的程序即可使用，无需再次编程，方便现场工作人员进行操作。

3.可准确地检测螺丝滑牙、浮锁：程序员只需在触摸屏上设定多种处理不良螺丝的方法，锁付螺丝机便会根据事先设定的不良螺丝处理方法进行处理或者报警。

4.由于使用了关节机器人，比较类似人类操作，螺丝或者锁付产品在供料时能够实现稳定供料，系统更加稳定。

5.效率更高：一颗螺丝一般只需要1秒即可完成锁付，实验室的最快速度可以达到0.5秒。

6.通用性强：适合在线式锁付机。

（七）其他控制模块

整机主控部分使用PLC控制，PLC选用欧姆龙公司的2块CP1W-40EDT，该PLC具有24点输入和16点输出，也可连接扩展单元，具备程序简单、性能稳定、开发周期快等特点，并且整机的控制部分也进行了模块化设计，可以方便地扩展关节机器人。在任务量较小或者成本有要求时，工作人员可以使用单个关节机器人，在任务量较大时，工作人员可以使用两个关节机器人，只需要增加相应型号的PLC即可。人机界面采用触摸屏设计，本系统使用深圳昆仑通态TPC7062TD的触摸屏，该触摸屏具有成熟、稳定的特点，界面操作人员容易接受，操作界面如图4所示，整个界面包含运行界面、手动界面、参数设置、OEE数据、IO表五个子界面。运行界面包含启动和暂停按钮、产量、生产节拍和报警信息。手动界面列出各个气缸伸出、退回、螺丝刀启停等按钮。手动界面主要是给工程技术人员或企业操作人员调试系统使用。参数设置界面主要是对参数界面中相应的参数进行调整，可改变设备在全自动运行时机构的动作时间以及各机构间动作衔接的情况，从而使设备达到理想的运行状态。IO表界面出厂设置能方便电气工程师检查和调试设备。

图4 全自动螺丝锁付机人机界面

三、总结

本次设计的自动化螺丝锁付机使用了SCARA关节机器人，该关节机器人可以模仿人类的生产操作过程，减轻了工人的劳动强度，极大地提高了生产效率。自动化螺丝锁付机使用了模块化的结构设计，可根据不同的使用场合和锁付产品的实际要求，选择采用单机器人设计或多机器人设计。自动化螺丝锁付机具体的创新点如下：

1.实现合作企业断路器生产中螺丝锁付环节的自动化提升，节省人力，为今后该产品实现自动化生产提供技术支撑。

2.提升产品档次，生产线上使用专用设备和机器人，定位准确，既提高了精度，提高了质量，又提高了效率。

3.使用4轴机器手臂，比市场上常见的3轴垂直螺丝锁付机运动更加灵活、速度更快、空间利用率更高，并且能够适应更多的锁付产品。

4.整机采用双工位设计，采用机器人协同控制，且选用国产机器人，为今后的产线整体升级和产线柔性生产奠定了理论基础。