章嘉浩, 魏曉晨, 馬丹, 嚴(yán)誠斌

(1.上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023;2.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

一種新型工業(yè)機(jī)器人工裝夾具檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章嘉浩1, 魏曉晨2, 馬丹1, 嚴(yán)誠斌1

(1.上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023;2.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

針對(duì)工裝夾具與工業(yè)機(jī)器人裝配過程中因電氣信號(hào)匹配修正、氣動(dòng)回路檢測(cè)導(dǎo)致的多次拆卸問題，提出一種適用于工業(yè)機(jī)器人的新型工裝夾具檢測(cè)系統(tǒng)，通過機(jī)架、電氣、氣路各模塊功能模擬平臺(tái)，模擬電氣信號(hào)傳輸、氣動(dòng)回路連接，進(jìn)而調(diào)整工裝夾具的各項(xiàng)安裝參數(shù)，檢測(cè)氣動(dòng)元件、電氣元件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)工裝夾具的預(yù)先裝配試錯(cuò)。本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)提高工裝夾具裝配效率，節(jié)省項(xiàng)目進(jìn)度時(shí)間具有重要工程意義。

工裝夾具；工業(yè)機(jī)器人；檢測(cè)系統(tǒng)；信號(hào)匹配修正；信號(hào)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(jī)器人行業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在汽車制造、電子電氣、橡膠塑料、化工、食品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。工裝夾具作為工業(yè)機(jī)器人設(shè)備中必不可少的工藝裝備，在生產(chǎn)實(shí)踐中用來定位、夾緊，使工具處于相對(duì)穩(wěn)定的位置，從而達(dá)到加工和安裝的目的，其廣泛用于機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、熱處理、焊接等工藝過程中[2-3]。

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

近來，針對(duì)夾具控制方面的探索，采用PLC控制夾具運(yùn)動(dòng)的研究較廣泛，其中張國政[7]設(shè)計(jì)了基于PLC控制的氣動(dòng)夾具，采用編制題型程序生成語句表，并實(shí)現(xiàn)成功調(diào)試；袁清珂[8]等人設(shè)計(jì)氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，聯(lián)合控制工業(yè)機(jī)器人工裝夾具，提高了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下組件的穩(wěn)定性與實(shí)用性；蒙啟泳[9]設(shè)計(jì)了基于PLC控制的自動(dòng)化夾具教學(xué)平臺(tái)，將夾具本體、氣壓控制、液壓控制有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)夾具的有效控制。對(duì)于定位控制夾具運(yùn)動(dòng)的研究，吳玉光[10]提出了建立一系列夾具定位規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了定位基準(zhǔn)的自動(dòng)布局，為夾具運(yùn)動(dòng)控制提供了一種有效方法。

為更有效的滿足實(shí)際工作中工裝夾具的檢測(cè)要求，在考慮多種裝配要素的基礎(chǔ)上，建立一套適用于工業(yè)機(jī)器人工裝夾具的檢測(cè)系統(tǒng)方案，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，對(duì)氣動(dòng)回路、電氣回路、組件干涉等裝配問題進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)在脫離與工業(yè)機(jī)器人連接的基礎(chǔ)上完成調(diào)試任務(wù)，達(dá)到縮短項(xiàng)目工程時(shí)間的目的。

1 工裝夾具檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(hào)傳輸、氣動(dòng)供給等電氣控制問題。為更準(zhǔn)確模擬工裝夾具與工業(yè)機(jī)器人裝配過程，暴露裝配問題，依據(jù)工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及控制過程，采用模塊化設(shè)計(jì)原則，構(gòu)建工裝夾具測(cè)試系統(tǒng)。

測(cè)試系統(tǒng)由設(shè)備臺(tái)架、工裝夾具組件模塊、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊、電氣驅(qū)動(dòng)模塊等組成。在工裝夾具裝配測(cè)試過程中，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊和電氣驅(qū)動(dòng)模塊固定安裝在設(shè)備臺(tái)架上，工裝夾具組件模塊的氣動(dòng)元件與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊連接，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)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(jī)器人第四、五、六軸的工裝夾具組件模塊當(dāng)中，并連接氣動(dòng)模塊與電氣模塊輸出管路，對(duì)工裝夾具進(jìn)行試錯(cuò)裝配。

1.1 工裝夾具組件系統(tǒng)

工裝夾具裝配在機(jī)器人末端第六軸處，其運(yùn)動(dòng)位姿受工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制，并涉及線路導(dǎo)線，零件干涉、運(yùn)動(dòng)位姿極限等機(jī)構(gòu)問題，因此為更直觀、透徹的模擬工裝夾具隨機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(cè)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(jī)器人末端實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)計(jì)工裝夾具組件系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人第四軸、第五軸、第六軸機(jī)構(gòu)，依次模擬對(duì)應(yīng)在實(shí)際工業(yè)機(jī)器人中的各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人線纜固定架用于機(jī)器人抓手處信號(hào)線纜走線布局固定使用，工業(yè)機(jī)工業(yè)機(jī)器人第六軸機(jī)構(gòu)與工裝夾具用法蘭連接，工裝夾具上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在工業(yè)機(jī)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(dòng)模塊檢測(cè)系統(tǒng)

工裝夾具在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中常用氣動(dòng)裝置作為夾具運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源，因此在工裝夾具實(shí)際安裝前，必須對(duì)氣動(dòng)模塊中的各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)測(cè)試，檢測(cè)氣動(dòng)回路是否通暢，調(diào)節(jié)滿足夾具運(yùn)動(dòng)的氣壓壓力等多項(xiàng)工況指標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)工裝夾具氣動(dòng)模塊的檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)氣動(dòng)模塊檢測(cè)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(gòu)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(dòng)輸入口。在此基礎(chǔ)上，所述電磁閥采用三線制24 V磁性開關(guān)，氣缸通過24 V磁性開關(guān)的信號(hào)反饋模塊控制氣缸行程，為便于觀測(cè)氣缸運(yùn)行狀態(tài)，安裝指示燈系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置磁性開關(guān)正負(fù)電源線和信號(hào)反饋線連接，24 V磁性開關(guān)正負(fù)電源線與電源正負(fù)極相連接，信號(hào)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(fù)極相連接。通過電氣回路控制電磁閥開關(guān)，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)回路整體控制，并參照指示燈暗滅判斷運(yùn)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(dòng)回路

1.3 電氣模塊檢測(cè)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)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(jī)器人端子排的信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)示教編程控制，到達(dá)與工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的工作效果。通常情況下，工裝夾具的電氣元件信號(hào)端與工業(yè)機(jī)器人控制柜中的信號(hào)端子排連接，結(jié)合編程控制實(shí)現(xiàn)工裝夾具的張開閉合，完成工作任務(wù)。

為模擬工業(yè)機(jī)器人電氣控制過程，實(shí)現(xiàn)電氣元件的各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)，設(shè)計(jì)電氣模塊檢測(cè)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(gòu)成。如圖3所示，對(duì)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(fù)極與真空發(fā)生器連接，進(jìn)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(fù)極連接三位五通電磁閥，進(jìn)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(shè)計(jì)完成，采用電氣控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)回路，檢測(cè)電氣信號(hào)傳輸是否有誤。

圖3 電氣控制圖

1.4 模塊連接與測(cè)試步驟

圖4 PLC控制流程圖

對(duì)整體檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)測(cè)試，首先將工裝夾具安裝于平臺(tái)工裝夾具組件模塊處，將線纜通過線纜固定架進(jìn)行走線布局，控制工裝夾具組件中第四軸、第五軸、第六軸機(jī)構(gòu)依次模擬對(duì)應(yīng)工業(yè)機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第六軸機(jī)構(gòu)與工裝夾具用法蘭連接，將工裝夾具安裝完成后，將各氣動(dòng)元件與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊連接，確保氣路回路的暢通以及氣動(dòng)元器件的正常使用。將氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊中的驅(qū)動(dòng)部件，與電氣驅(qū)動(dòng)模塊連接，通過電氣控制的方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)功能。將氣動(dòng)回路連接完成后，打開氣源，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊與電氣驅(qū)動(dòng)模塊相連接，部件可以進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試或自動(dòng)測(cè)試，真空發(fā)生器可進(jìn)行自動(dòng)工作，通過按鈕進(jìn)行啟動(dòng)。氣缸需要通過磁性開關(guān)信號(hào)反饋，以此判斷氣缸行程是否達(dá)到極限位置。磁性開關(guān)與電源模塊相連接，隨后將信號(hào)反饋線與指示燈相連接，當(dāng)氣缸上下移動(dòng)到位后，通過指示燈暗滅狀態(tài)判斷運(yùn)動(dòng)是否正常，圖4所示為PLC控制流程圖。

檢測(cè)在運(yùn)動(dòng)過程中，是否發(fā)生部件干涉、運(yùn)動(dòng)卡死以及機(jī)構(gòu)卡頓等現(xiàn)象，隨后觀察輸入信號(hào)是否有效地輸入到位，氣動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)邏輯是否符合設(shè)計(jì)流程，反饋信號(hào)是否與設(shè)計(jì)所需信號(hào)一致。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

為檢驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用性，安裝常用工裝夾具對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，根據(jù)信號(hào)參數(shù)、元件位置、指示燈暗滅等檢測(cè)因素，調(diào)整工裝夾具的安裝過程，解決測(cè)試過程中裝配問題，隨后依據(jù)測(cè)試系統(tǒng)各模塊的檢測(cè)信號(hào)，安裝工裝夾具至工業(yè)機(jī)器人第六軸處，并結(jié)合機(jī)器人本體控制系統(tǒng)，編程運(yùn)動(dòng)程序，對(duì)工裝夾具的工作性能進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)。

2.1 四爪夾具裝配檢測(cè)

圖5 四爪夾具裝配故障檢測(cè)

如圖5所示，檢測(cè)平臺(tái)左側(cè)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(shè)置各氣動(dòng)元件與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊連接，檢測(cè)氣動(dòng)回路是否連接正確，將電氣驅(qū)動(dòng)模塊的各控制按鈕與氣動(dòng)回路中各電磁閥連接，并通過指示燈暗滅檢測(cè)電氣回路是否連接正確。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)四爪夾具的實(shí)際應(yīng)用要求，對(duì)各磁性開關(guān)運(yùn)動(dòng)順序進(jìn)行編程操作，完成后進(jìn)行通電測(cè)試。觀察四爪夾具的運(yùn)動(dòng)幅度，判斷是否存在干涉，運(yùn)動(dòng)卡死等結(jié)構(gòu)故障，調(diào)整氣壓參數(shù)、檢測(cè)各電氣信號(hào)是否正常，并通過指示燈判斷運(yùn)行狀態(tài)，以此修正運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的各項(xiàng)問題。

圖6 工業(yè)機(jī)器人工裝夾具測(cè)試實(shí)驗(yàn)

針對(duì)檢測(cè)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(jī)器人末端。如圖6所示，四爪夾具通過法蘭與工業(yè)機(jī)器人第六軸連接，參照檢測(cè)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(jī)纏繞等裝配問題；參照檢測(cè)裝置中的氣動(dòng)模塊調(diào)試過程，根據(jù)氣泵壓強(qiáng)等各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)節(jié)氣動(dòng)連接裝置、氣缸連接裝置、電磁閥連接裝置；參照檢測(cè)裝置中電氣模塊調(diào)試過程，將氣動(dòng)裝置與工業(yè)機(jī)器人電氣信號(hào)柜總端子排連接，并依據(jù)調(diào)試信號(hào)進(jìn)行邏輯設(shè)定；通過對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行示教編程，工裝夾具可在隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)夾取、放置物件的工作任務(wù)要求。

通過對(duì)四爪夾具實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)控制檢測(cè)，并基于工業(yè)機(jī)器人本體系統(tǒng)安裝四爪夾具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試后，可有效避免工裝夾具與工業(yè)機(jī)器人安裝過程中的各項(xiàng)問題，實(shí)現(xiàn)工裝夾具與工業(yè)機(jī)器人的快速裝配，提高工裝夾具裝配效率。

3 結(jié)束語

本文基于工業(yè)機(jī)器人本體系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工裝夾具組件、氣動(dòng)檢測(cè)、電氣檢測(cè)模塊，構(gòu)建工裝夾具檢測(cè)系統(tǒng)，解決自動(dòng)化行業(yè)中工裝夾具與工業(yè)機(jī)器人裝配出現(xiàn)的多次反復(fù)修正與微調(diào)問題。實(shí)驗(yàn)證明，工業(yè)機(jī)器人工作夾具檢測(cè)系統(tǒng)能多方面、多層次暴露裝配問題，免除實(shí)際裝配中返工以及重復(fù)裝配等過程，降低人工裝配用時(shí)，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(xiàng)研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，資助課題(編號(hào)：17DZ2283400)

章嘉浩(1962-)，男，上海人，1984年畢業(yè)于上海大學(xué)工商管理學(xué)院精密儀器儀表專業(yè)，工程師，從事電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作及系統(tǒng)集成，工業(yè)控制(機(jī)器人)領(lǐng)域的教育培訓(xùn)解決方案制定與實(shí)施。 魏曉晨(1992-) 男, 河北省人，碩士生，就讀于燕山大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，從事機(jī)器人結(jié)構(gòu)方面研究。 馬丹(1981-)，女，上海人，2003年畢業(yè)于上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工程師，從事電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，機(jī)電類職業(yè)培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)題庫開發(fā)。 嚴(yán)誠斌(1991-)，男，上海人，2013年畢業(yè)于上海電機(jī)學(xué)院機(jī)電一體化專業(yè)，從事電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)，工業(yè)控制(機(jī)器人)領(lǐng)域的教育培訓(xùn)解決方案制定與實(shí)施。