劉建春，杜欣宇，黃海濱，湯輝煌

(廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024)

小長徑比多軸自動鎖螺絲機運動控制系統(tǒng)設計*

劉建春，杜欣宇，黃海濱，湯輝煌

(廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024)

為解決常規(guī)鎖螺絲機柔性較差且無法應用于小長徑比螺絲的問題，開發(fā)了一套適用于小長徑比螺絲的多軸自動鎖螺絲機。根據(jù)鎖付工件的功能需求，基于八軸運動控制卡，開發(fā)了多軸自動鎖螺絲機的運動控制系統(tǒng)。并以50寸液晶電視背板為加工對象進行加工實驗，人工數(shù)量可減少86%，鎖付時間平均減少30%。實驗結果表明，該多軸自動鎖螺絲機能夠實現(xiàn)對螺絲的快速鎖付，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

小長徑比；多軸自動鎖螺絲機；運動控制系統(tǒng)

0 引言

在液晶電視生產(chǎn)過程中，常見的32寸到50寸背板螺絲數(shù)量可達20至64粒，在螺絲鎖付工位上需要安排4至7人，耗時11S至25S，已成為企業(yè)生產(chǎn)效率提高的瓶頸。另外，現(xiàn)在勞動力市場普遍存在用工荒問題，工人普遍不愿從事單調乏味無創(chuàng)造性的工作，人員流動很大，從而造成了產(chǎn)品質量不穩(wěn)定等問題。因此，企業(yè)為進一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，解決用工荒問題，急需全自動鎖螺絲機。

近些年來，國內(nèi)外許多學者對螺紋連接件自動鎖付工藝也進行了相關研究，例如，António H. J. Moreira[1]等人利用基于Windows CE的嵌入式電腦開發(fā)了自動鎖螺絲機，加工過程和加工信息可實時監(jiān)控，但嵌入式電腦擴展性及數(shù)據(jù)處理能力有限，難以進行復雜數(shù)據(jù)的處理；汪春華[2]等人設計了基于工控機的多工位電動螺栓擰緊機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了螺栓扭矩和轉角高精度控制以及擰緊機的智能化、網(wǎng)絡化，但無法實現(xiàn)小長徑比螺絲的鎖付；王月芹[3]等人，基于PLC設計了一套鎖螺絲自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了單相國網(wǎng)電表接線端子自動鎖螺絲控制功能，提高了生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質量，但PLC數(shù)據(jù)處理能力較差，難以處理復雜信息；陳俊志[4]等人設計了一種相向式雙工位自動鎖螺絲機，可通過雙工位交替鎖付螺絲，減少了由于電批取螺絲產(chǎn)生的時間消耗，但僅適用于尺寸較小且螺絲數(shù)量少的工件?？梢娔壳版i付研究主要是針對單軸鎖付小型工件，對尺寸較大的工件和小長徑比的螺絲鎖付沒有涉及。

本設備用于液晶電視背板燈條螺絲的鎖付。由于液晶電視背板上呈矩陣式排列的燈條螺絲通常采用長2.5mm的M3螺絲，其螺帽的直徑大于螺柱的長度，是小長徑比螺絲，不能采用普通的吹氣式供應螺絲，只能采用吸附式。本文基于鎖付工件及螺絲的特點，設計了小長徑比多軸自動鎖螺絲機運動控制系統(tǒng)，并以50寸背板為加工對象進行了相應實驗。

1 自動鎖螺絲機電氣系統(tǒng)設計

如圖1所示為小長徑比螺絲，由圖可看出，小長徑比螺絲具有帽徑較大而總長較短的特點，一般把螺絲長度L與螺絲帽徑D的比值L/D≤1.3的螺絲稱為小長徑比螺絲。由于螺絲的帽徑大于長度的尺寸特點，使得如果使用吹氣的輸送方法，則螺絲會在輸送管內(nèi)發(fā)生翻轉，造成無法正常輸送的問題，甚至可能造成輸送管的堵塞，因此這類螺絲通常采用吸附式的方法進行輸送?；诖嗽O計了小長徑比多軸自動鎖螺絲機的電氣控制系統(tǒng)。

圖1 小長徑比螺絲

多軸自動鎖螺絲機共有7個運動軸，分別為送料軸1個，前后運動軸(Y軸)1個，上下運動軸(Z軸)1個，電批運動軸(X軸)4個。為提高鎖付效率，需采用多軸聯(lián)動并對外部設備反饋信息進行處理，若采用PLC加觸摸屏方案，則難以實現(xiàn)多軸聯(lián)動，且編程復雜，系統(tǒng)交互性不好，故采用工控機加運動控制卡方案進行運動控制系統(tǒng)的開發(fā)。

本自動鎖螺絲機運動控制系統(tǒng)，主要由上位機、下位機、運動執(zhí)行模塊和功能執(zhí)行模塊總體四部分組成，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成圖

上位機為工控機，主要負責與用戶的交互，存儲加工信息及對下位機反饋信息進行邏輯處理等；下位機為運動控制卡，通過接受上位機發(fā)送的命令，直接控制機構運動和執(zhí)行相應功能，并收集執(zhí)行器的反饋信息，傳遞給上位機，供其進行邏輯計算；運動執(zhí)行模塊負責將機構移動到指定的位置；功能執(zhí)行模塊負責完成鎖付相關的工作，包括電批鎖付與重置(Start和reset)，排列機送螺絲(排列機通電)，排列機固定(電磁鐵通電)，螺絲吸附(真空泵電磁閥通電)等，如圖3所示，為運動控制卡輸出點位控制外部設備接線圖。

運動控制卡選擇研為8軸運動控制卡IMC3082E，控制卡可接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對設備的遠程控制和監(jiān)測，并可通過集線器/路由器擴展，最多可同時連接64塊控制卡，方便系統(tǒng)擴散與集成。

圖3 外部設備控制圖

2 自動鎖螺絲機控制軟件設計

由于電視機背板尺寸不同，相應的燈條螺絲間距也不相同。隨著產(chǎn)品型號更新?lián)Q代加快，要求產(chǎn)品換型時間短，可迅速對電批位置進行精確調整。同時為了提高產(chǎn)品質量，除了加工過程中按加工程序自動進行螺絲鎖付外，還需對鎖付質量進行實時監(jiān)測。

2.1 鎖付工作流程

自動鎖螺絲機開啟后系統(tǒng)會自動配置相應默認參數(shù)。工人將工件放到鎖螺絲機送料平臺上，選擇相應工件型號，自動生成加工程序，這時，電批伺服電機會帶動電批進行位置調節(jié)；若為新型號，則需先新建工件型號，輸入工件信息并保存。最后開始加工操作，運動控制卡實時讀取反饋參數(shù)，記錄螺絲鎖付完成情況，并顯示在主界面上。當螺絲全部鎖付完成后，工件由送料平臺送出。若有鎖付不合格的螺絲，系統(tǒng)會提示需要補鎖的螺絲編號；若全部鎖付合格，則鎖付過程結束。具體螺絲鎖付流程如圖4所示。

圖4 工件螺絲鎖付流程圖

鎖付過程根據(jù)上位機發(fā)送指令，經(jīng)過運動控制卡驅動各軸電機運動，再通過運動控制卡讀取電機、電批、排列機等反饋信號[5]，實現(xiàn)快速高效的螺絲鎖付。

鎖付質量的判定主要依靠電批的反饋信號，在鎖付前設定好電批扭力，當鎖付結束時，螺絲扭矩達到設定值，電批會將扭矩到達信號反饋給運動控制卡。因此，若在規(guī)定時間內(nèi)，控制卡接收到電批的反饋信號，則鎖付正確完成，反之，則鎖付有問題[6-8]，記錄下相應孔位信息，并報警，提醒人工補鎖。

2.2 軟件主流程設計

根據(jù)工件螺絲鎖付流程，確定軟件的主控制流程如圖5所示。

圖5 軟件主控制流程

軟件自動配置默認加工參數(shù)，讀取工件螺絲孔位信息，并根據(jù)孔位信息控制伺服電機運動到指定位置鎖付相應螺絲，各個電批反饋鎖付轉矩是否達到設定值信息給控制卡，判斷螺絲是否鎖付成功，如果成功就在顯示界面上對應孔位顯示為綠色，否則顯示為紅色。重復執(zhí)行以上過程直到工件鎖付完成。

2.3 路徑優(yōu)化

分析螺絲鎖付流程可知，若要提升加工效率，減少總加工時間，除了提高各軸電機轉速外，還應盡量減小各軸運動行程，減少加減速次數(shù)，合理安排各軸運動時序。

如圖6虛線所示，初始路徑為從A點開始，首先豎直向上移動L1，再水平向左移動L3，最后豎直向下移動L4，鎖付完成后按原路徑返回取螺絲，同時工件向前移動至下一螺絲孔位，重復以上運動直到工件完全鎖付完成。L2為機構干涉范圍，即若要使電批順利向下運動并鎖付螺絲，水平移動距離至少應等于L2。綜合考慮機械結構、路徑最短及避免干涉等因素，得出L1=5mm，L3=78mm，L4=245.46mm。

但是，該路徑從A點出發(fā)到回到A點，電機需進行6次加減速，由于各軸行程相對較短，這樣電機主要工作在加減速過程，很少運行于高速穩(wěn)定狀態(tài)，同時還使得機臺的振動情況較為嚴重，故對路徑進行優(yōu)化，其路徑示意圖如圖6實線所示。

在優(yōu)化路徑過程中，以機臺坐標系及坐標原點為坐標系和坐標原點，采用樣條插值的方法求出路徑方程[9]。為減少計算量，提取運動路徑中關鍵路徑BC段進行樣條插值，其中，B點為螺絲剛好被取出時的坐標點，C點為電批在豎直向下運動過程中剛好不發(fā)生干涉的坐標點，同時，樣條曲線BC與直線CD相切于C點，與直線AB相切于B點，這樣可保證在運動過程中順暢的運行。在AB段和DE段采用豎直方向運動，主要是因為，AB段為電批取螺絲，需使電批豎直運動才能更好的取到螺絲，而DE段為螺絲鎖付，同樣需要電批的豎直運動。此外，由于DE段鎖付螺絲時，進給速度與電批轉速、螺絲長度、牙距相關[10]，而BD段為空行程，可在電機允許速度下盡可能加快速度。

圖6 螺絲鎖付運動簡圖

利用Matlab求得插值函數(shù)如公式(1)：

(1)

軌跡曲線如圖7所示。

圖7 軌跡曲線圖

3 實驗

設計完成后以50寸液晶電視機背板為對象進行燈條螺絲鎖付實驗。

按照鎖付工作流程，將電視機背板的相關信息輸入程序中進行實驗，記錄加工時間，查看鎖螺絲運動控制軟件的信息記錄。鎖付實驗現(xiàn)場如圖8所示。

1.電批 2.燈條 3.待鎖付孔位 4.電視背板 5.排列機圖8 鎖付現(xiàn)場

在鎖付過程中，采用分段控制速度的方法，分為取螺絲階段，設置運動速度為V1，空行程階段，設置速度為V2和鎖螺絲階段，設置運動速度為V3，在圖6中，電批豎直向下運動到A點過程為取螺絲階段，最遠為10mm，從D運動到E點為鎖螺絲階段，長度為10mm，其他階段均為空行程階段。本次試驗中，設置V1=50mm/s，V2=300mm/s，根據(jù)電批轉速，螺絲長度及牙距，計算得出V3=12.5mm，通過200組實驗，結果平均值如表4所示。

表4 實驗結果統(tǒng)計

由上表可看出，在達到與人工鎖付相同的質量下，鎖付時間縮短了30%，鎖付成功率平均數(shù)為98.5%，符合企業(yè)生產(chǎn)要求。

4 結論

使用工控機加運動控制卡的控制方案，結合VB.net語言對自動鎖螺絲機運動控制系統(tǒng)進行開發(fā)，具有編程方便，開發(fā)效率高的特點，對于提高設備開發(fā)效率具有重要意義。同時，工控機加運動控制卡的控制方案，還具有擴展性好的特點，可有效提高設備的利用率。最后，利用50寸液晶電視背板進行燈條鎖付實驗，相比于人工鎖付，時間減少了30%，鎖付成功率為98.5%，證明該鎖螺絲機可實現(xiàn)小長徑比螺絲的自動鎖付，大大降低人工成本。

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(編輯 李秀敏)

The Design on Motion Control System of Multi-axis Automatic Tightening Equipment

LIU Jian-chun, DU Xin-yu, HUANG Hai-bin, TANG Hui-huang

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen Fujian 361024，China)

This paper is mainly to design a multi-axis automatic tightening equipment, which is used for solving the problem that most of the multi-axis automatic tightening equipment on the market is less flexible and not fit for small aspect radio screws .Besides,a motion control system which is based on 8-axis motion control card is designed.Then an experiment is conducted to tighten the screws of the light bars on the 50-inch LCD TV backplane. The result proves that the automatic tightening reduces about 30% in time on average than the manual tightening, and the number of workers can reduce 86%. The result indicates that the multi-axis automatic tightening equipment can tighten the screws quickly, which is significant for improving efficiency and reducing cost.

small aspect radio；multi-axis automatic tightening equipment; motion control system

1001-2265(2017)05-0061-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.016

2016-07-06；

2016-10-12

2016年福建省科技計劃項目引導性項目(2016H0040)

劉建春(1972—)，男，福建永春人，廈門理工學院教授，博士，研究方向為數(shù)控與機器人應用技術，(E-mail)xmjcliu@163.com。

TH165;TG659

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