石小仕，姚婭川，董林鷺，田萬春，吳昊翰

(四川輕化工大學 人工智能四川省重點實驗室，四川 宜賓 644004)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中螺絲被廣泛使用。根據(jù)家具和電子行業(yè)的統(tǒng)計，在裝配線上投入的螺絲鎖付人數(shù)占據(jù)裝配總人數(shù)的比例達25%左右。在工業(yè)生產(chǎn)中螺絲鎖付效率低下的問題受到了一些學者的關注，并開發(fā)出了各式的螺絲鎖付機器人。例如，有研究人員通過控制1.5 MPa～2 MPa的氣壓，將螺釘從供釘機吹至電批口，但吹氣式送釘?shù)姆桨竿ǔＶ贿m用于大長徑比的螺釘[1]；一些設計采用了PLC作為主控制器，但PLC體系結構封閉，且數(shù)據(jù)處理能力較差，難以處理復雜信息[2-3]；有學者通過對采集到的圖像進行霍夫變換識別出了螺孔區(qū)域，用連通域分析的方法識別出圖像上的螺孔中心，但機器視覺技術算法復雜，系統(tǒng)響應速度慢[4]。

現(xiàn)有的螺絲鎖付機器人大多采用較為昂貴的PLC，而引入STM32作為主控制器，既能降低成本，又能靈活地進行軟件設計。對于螺孔定位，目前普遍采用兩種方案，即人工手動示教和機器視覺定位。前者生產(chǎn)效率低，后者算法復雜。WIBOWO D B等人[5]應用DXF文件計算足跡面積，實現(xiàn)了通過足形進行醫(yī)學評估；熊思穎等人[6]利用布爾運算組合，基于AutoCAD平臺完成了工程圖紙三維重建。

受上述學者啟發(fā)，本研究提出一種基于工件DXF圖紙文件獲取螺孔坐標的方法；并在電機控制時，在樊留強[7]等人提出的五段S型曲線基礎上，將電機速度控制改進為七段S型曲控制。

1 整體設計

本研究提出的改進型雙工位螺絲鎖付機器人實物圖如圖1所示。

圖1 雙工位螺絲鎖付機器人結構簡圖1—龍門架；2—Z軸給進裝置；3—電批；4—托盤；5—工作平臺；6—供釘機；7—吸盤組；8—磁性無桿氣缸

圖1中，主控制器是內部3.3 V供電，具有72 MHz晶振頻率的STM32F103VET6。硬件系統(tǒng)主要由坐標數(shù)據(jù)提取與存儲模塊、HMI模塊、電機驅動模塊、氣路、傳感器陣列5部分組成[8]。其中，氣路又由氣缸、電磁閥、匯流板、真空發(fā)生器、吸盤組等氣動元件構成，主要完成工件夾緊、螺釘吸取以及成品送出功能。

本文的設計主要用于手機背殼螺絲鎖付。螺絲長徑比計算公式為：

(1)

式中：Ks—長徑比；Ls—螺絲總長，mm；Dn—螺帽直徑，mm。

某些手機背殼螺絲長徑比Ks≤1.2，屬于小長徑比的螺絲。若采用吹氣式方案進行螺絲輸送，小長徑比的螺絲容易在氣管內產(chǎn)生翻轉現(xiàn)象，導致輸送失敗。為提高螺絲鎖付的通用性，本研究采用吸氣方式作為送釘方案，以滿足不同長徑比螺絲。

當用戶開機后，機器會進行機械零點回歸，然后用戶在觸摸屏上選擇所需的DXF圖紙文件，系統(tǒng)會自動從文件中提取螺孔坐標，再將待鎖手機放到Y軸的托盤上，觸發(fā)EX-14A型超薄光電傳感器，開始螺絲鎖付環(huán)節(jié)，最后在氣動元件的協(xié)同作用下，成品進入送料環(huán)節(jié)。為防止意外發(fā)生，本研究在工件加工過程中加入了報警、急停處理。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 螺孔坐標數(shù)據(jù)提取

2.1.1 DXF文件及圖元查找

DXF文件是Autodesk公司開發(fā)的一種標準的開放性矢量數(shù)據(jù)交換文件格式。本研究中的DXF文件采用ASCLL類型，由6個段和1個文件結尾標志構成。

在本研究中，主要關注DXF文件的實體段，因為該段內包含了圓弧、直線、圓形等重要圖元信息。實體段內各組組碼和組值所表示的含義如表1所示。

表1 實體段組碼組值含義對照表

本文給出了逐一字節(jié)檢查附加字符串匹配整句的算法進行圖元查找。該算法根據(jù)DXF文件的組碼、組值，當CH376以字節(jié)為單位讀取DXF文件數(shù)據(jù)時，每讀出一個字節(jié)數(shù)據(jù)就會立即將此存入控制器SRAM中，如果讀到了字節(jié)“ ”即回車符，則證明讀取到了完整的一行數(shù)據(jù)。再通過C語言的strstr字符串匹配函數(shù)與所需圖元關鍵字進行對比，判別出所需的圖元標題。又由于DXF文件的組碼與組值是成對出現(xiàn)的，能夠成功得到所需圖元的相關參數(shù)。

本文設變量str1和str2為字符數(shù)組，分別用于存儲組值和組碼的字符串。圖元查找算法流程如圖2所示。

圖2 圖元查找算法流程

2.1.2 螺孔相關圖元分析

從DXF文件中查找出的所有圖元信息，并不一定都是能夠利用的數(shù)據(jù)。因此，要分析出工件螺孔的具體坐標數(shù)據(jù)，還要根據(jù)工件螺孔特征，找出判別螺孔的規(guī)律。

本文以手機封裝背殼為例，分析螺孔相關圖元的過程，如圖3所示。

圖3 手機封裝背殼CAD圖

圖3中，工件螺孔均為圓形，但是僅依靠這一特征仍然無法準確分析出正確螺孔，所以，本文還需要分析圖形之間的依附關系。螺釘是由螺帽和螺桿組成，螺帽的直徑大于螺桿直徑，因此在CAD繪制時，螺孔在圖形上即為嵌套了一大一小圓形的同心圓。但由于干擾數(shù)據(jù)的存在，增加篩選同心圓的方式還不能完全分析出工件中的螺孔。最后，還應該增加螺釘?shù)膰鴺艘?guī)格參數(shù)用作判定條件，過濾出符合條件的同心圓。

本文中，手機封裝背殼螺釘主要規(guī)格為國標M1.4、M1.7和M2等，所用螺釘具體參數(shù)如表2所示。

表2 所用螺釘參數(shù)表

總結螺孔相關圖元分析步驟，本文首先從提取出的所有圖元信息中，篩選出圓形CIRCLE圖元，然后通過圓心對比的方式查找出同心圓，最后引入所用螺釘參數(shù)作為參考值，選出最小半徑符合要求的同心圓，并將其圓心存為螺孔坐標。

2.2 電機運動控制

2.2.1 電機速度控制算法

為克服電機失步、過沖問題，本文采用S型電機速度控制算法，其模型如圖4所示。

圖4 S型速度控制法模型

各段變加速度j、加速度a和速度v的計算式為：

(2)

(3)

(4)

為了對步進電機進行速度控制，本文首先對各階段速度進行離散化，求出第k個采樣臺階處的脈沖頻率fk：

(5)

式中：fk—第k個采樣臺階處的脈沖頻率；θ—步進角；N—驅動器分頻數(shù)。

然后筆者設置定時器的TIM_CCMR和TIM_CR1寄存器，開啟定時器PWM模式，占空比設為50%；通過對ARR寄存器中的裝載值進行更新，來決定輸出脈沖頻率。ARR寄存器中的裝載值為：

(6)

式中：fin—定時器內部時鐘頻率；PSC—定時器預分頻系數(shù)。

為減少占用CPU的運算時間，事先計算出各個采樣點處的定時器裝載值，建立數(shù)組存儲起來，采用查表的方式獲取裝載值。

2.2.2 位移控制及鎖付路徑優(yōu)化

本研究采用的步進電機步距角為1.8°，驅動器脈沖細分數(shù)為4，同步輪周長為83.96 mm。各參數(shù)計算公式為：

(7)

(8)

(9)

式中：Sd—單脈沖步進距離；Cw—同步輪周長；NUM—勻速段脈沖數(shù)；M—單位時間內速度的采樣點數(shù)；fi—第i個采樣臺階處對應的脈沖頻率；K—加速段中的三檔速度階段。

將以上數(shù)據(jù)代入公式，可求得單脈沖的步進距離約為0.105 mm。將所需的位移距離轉化為脈沖數(shù)目，再乘以Sd，便可使得三軸精確運動到指定位置。

同時，必須在托盤和工件上選取一點作為參考點(程序零點)，使得電機帶動電批準確位移到待鎖螺孔處。絕對零點的校準與否直接影響著螺孔的定位精度。螺孔之間的位移距離應相對于絕對零點進行計算，得出每個待鎖螺孔所需的位移距離后，將其轉換成脈沖數(shù)。根據(jù)實際生產(chǎn)中得出的經(jīng)驗，本文進行鎖付路徑優(yōu)化，首先將工件四角的螺孔鎖付，保證托盤上的工件在鎖付過程中平穩(wěn)而不翹角，然后再將剩余的待鎖螺孔按照逆時針依次鎖付完成。

2.3 HMI系統(tǒng)設計

為提高螺絲機HMI系統(tǒng)的可移植性，本研究采用Modbus協(xié)議作為工業(yè)觸摸屏與控制器之間的通信協(xié)議[10]。HMI系統(tǒng)界面中每個子模塊對應一個子界面，每一級界面又包含若干個功能二級界面[11]。在接收觸摸按鍵值后，主設備進行相應的界面跳轉，并向從設備發(fā)送請求；當從設備收到請求后，先對信息幀進行CRC校驗，然后進行功能碼判斷[12]；一切無誤后，設備會給予主設備回應，主設備分析回應信息幀，最后對界面內容進行刷新，進入正常的人機交互狀態(tài)。

3 實驗及結果分析

本研究將設計完成的雙工位螺絲鎖付機器人投放到工廠實際生產(chǎn)線中，安排測試人員對機器進行12 h不間斷打螺測試，每間隔1 h對測試結果進行記錄，結果如表3所示。

表3 實驗記錄表

同時，本研究在測試時間段內安排4位工人每隔3 h輪班替換進行人工鎖付，記錄人工鎖付工件成功數(shù)量。

人、機鎖付工件成功數(shù)對比如圖5所示。

圖5 人、機鎖付工件成功數(shù)對比

由圖5可以看出：在相同鎖付時間內，機器鎖付工件數(shù)量遠大于人工鎖付數(shù)量；人工鎖付的折線波動較大，在人員輪班時出現(xiàn)了4次高峰，說明人工鎖付存在一定的疲勞性，而機器鎖付折線較為平整，表明機器鎖付螺絲具有更好的穩(wěn)定性。

由表3可得：機器鎖螺絲效率約為95.3%，成功率約為99.2%；由此證明：改進型雙工位螺絲鎖付機器人穩(wěn)定性好、效率高、成功率高。

4 結束語

本研究提出了一種改進的雙工位螺絲鎖付機器人，給出了一種自動提取DXF文件中孔坐標的方法；運用了S型速度控制算法改進了電機帶動負載運動的平滑性；優(yōu)化了鎖付路徑，解決了實際生產(chǎn)中工件受力不平衡的問題。

現(xiàn)場測試結果表明，該機器可以提高生產(chǎn)效率、降低人力成本。