王海亮，周臘吾，馬勉卓，龍樂(lè)云

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.湖南世優(yōu)電氣股份有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引言

制造業(yè)的發(fā)展對(duì)于人類(lèi)文明的重要性是不言而喻的，科學(xué)技術(shù)的每一次創(chuàng)新，都以制造業(yè)生產(chǎn)力的突飛猛進(jìn)為表現(xiàn)[1]。某種程度上制造業(yè)能具體地反映一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)力水平，更能直接作為判斷一個(gè)國(guó)家是否是發(fā)達(dá)國(guó)家的依據(jù)。在全球所有發(fā)達(dá)國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，制造業(yè)一向處于最為重要的位置[2]。

在電控柜生產(chǎn)制造領(lǐng)域，電能都是以導(dǎo)線(xiàn)作為載體，連接不同的元器件，布置在安裝板上，最終組裝成功能各異的電控柜來(lái)加以使用的[3－5]。目前在對(duì)電控柜進(jìn)行具體設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造時(shí)，安裝板上的剝線(xiàn)、壓端子、貼標(biāo)簽、布線(xiàn)、擰端子螺絲等工序依然采用人工操作的方式[6－7]，不僅生產(chǎn)效率低，而且經(jīng)常出現(xiàn)壓端子時(shí)線(xiàn)頭不標(biāo)準(zhǔn)的情況，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)螺栓未擰或擰緊力不夠等工藝問(wèn)題，造成器件損壞，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

智能布線(xiàn)機(jī)器人是現(xiàn)代控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)。進(jìn)行智能布線(xiàn)設(shè)備的研發(fā)，將剝線(xiàn)、壓端子、貼標(biāo)簽、布線(xiàn)、擰端子螺絲等工序?qū)崿F(xiàn)智能化和自動(dòng)化，大大提升工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和制造成本[8－10]。智能布線(xiàn)設(shè)備的研發(fā)對(duì)于提高自動(dòng)化智能裝備制造業(yè)水平意義重大。

1 智能布線(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的組成

智能機(jī)器人是依賴(lài)自身動(dòng)力和編程所帶來(lái)的控制能力。按應(yīng)用環(huán)境分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人；按功能分為操作型機(jī)器人、智能機(jī)器人、學(xué)習(xí)型機(jī)器人等適應(yīng)性機(jī)器人[11]。智能機(jī)器人以其豐富的科技內(nèi)涵和可重化的多樣化布局廣泛利用于多種領(lǐng)域[12－13]，智能布線(xiàn)機(jī)器人就屬于其中之一。

智能布線(xiàn)機(jī)器人由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖1 所示。硬件系統(tǒng)主要包括移動(dòng)單元、裁剝壓?jiǎn)卧?、接線(xiàn)單元以及輔助設(shè)備等。運(yùn)動(dòng)控制卡被廣泛地應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，智能布線(xiàn)機(jī)器人通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡執(zhí)行應(yīng)用軟件，控制電動(dòng)機(jī)、氣缸或液壓缸等元器件運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)傳感器、開(kāi)關(guān)等元器件檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)并反饋至運(yùn)動(dòng)控制卡。

圖1 智能布線(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)

1) 移動(dòng)單元。布線(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)單元由X軸、Y 軸組成，其作用是通過(guò)控制X 軸、Y 軸的三個(gè)伺服電機(jī)，使安裝在X 軸橫梁上的多功能頭移動(dòng)到機(jī)床布線(xiàn)板的指定位置，同時(shí)也可以和送線(xiàn)電機(jī)以及導(dǎo)線(xiàn)管升降電機(jī)配合完成在線(xiàn)槽內(nèi)布線(xiàn)的工作。Y 軸2 個(gè)伺服電機(jī)需要同步運(yùn)行，以達(dá)到平穩(wěn)對(duì)稱(chēng)。

2) 裁剝壓?jiǎn)卧?。裁剝壓?jiǎn)卧饕瞬镁€(xiàn)、剝線(xiàn)、壓接端子及接線(xiàn)等功能。首先利用兩個(gè)夾線(xiàn)氣缸的閉合，夾住位于其中間的線(xiàn)纜，通過(guò)送線(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)完成送線(xiàn)和收線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。線(xiàn)纜在送線(xiàn)電機(jī)的作用下穿過(guò)下方導(dǎo)線(xiàn)管，到達(dá)指定位置，等待裁剝壓位移電機(jī)移動(dòng)到裁線(xiàn)位置，由裁剝壓動(dòng)力電機(jī)和送線(xiàn)電機(jī)配合完成裁線(xiàn)、剝絕緣層工作，然后端子輸送電機(jī)運(yùn)送端子放入壓接模塊中，裁剝壓位移電機(jī)、裁剝壓動(dòng)力電機(jī)、送線(xiàn)電機(jī)配合完成線(xiàn)纜和端子的插入和壓接，從而完成裁線(xiàn)、剝絕緣層和壓接端子的過(guò)程。

3) 接線(xiàn)單元。當(dāng)線(xiàn)纜完成裁線(xiàn)、剝絕緣層和壓端子過(guò)程后，接線(xiàn)單元需要完成把做好的線(xiàn)纜接入指定元器件并上緊螺絲的工作。接線(xiàn)單元主要包括旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、主夾爪控制、電批控制、換向夾爪控制、Z 軸控制以及導(dǎo)線(xiàn)管控制等功能。通過(guò)主夾爪夾取線(xiàn)纜，判斷是否需要旋轉(zhuǎn)多功能頭和是否需要讓線(xiàn)纜換向，判斷并執(zhí)行完畢后，主夾爪到達(dá)指定接線(xiàn)的元器件孔位處，主夾爪推進(jìn)電機(jī)控制線(xiàn)纜插入元器件孔位，電批動(dòng)作上緊螺絲，從而完成接線(xiàn)步驟。

2 智能布線(xiàn)機(jī)器人的軟件開(kāi)發(fā)

LabVIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器公司 (National Instruments，NI) 開(kāi)發(fā)的基于C 語(yǔ)言的圖形編程開(kāi)發(fā)環(huán)境[14－16]。一個(gè)最基本的虛擬儀器通常由前面板、程序框圖及圖標(biāo)連線(xiàn)端口3 部分組成[17－20]。利用LabVIEW 的調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接的方法建立運(yùn)動(dòng)控制卡的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)。LabVIEW 程序不僅易于編寫(xiě)、執(zhí)行效率高，而且能夠精確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。這使得系統(tǒng)的靈活性、功能性大幅提高。

智能布線(xiàn)機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包含了前面板用戶(hù)界面、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、歸零控制和輸出狀態(tài)及位置顯示等主要功能模塊和程序框圖，對(duì)涉及坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理和提取、點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制、輸出點(diǎn)位控制、初始化歸零等功能進(jìn)行整合。LabVIEW 采用的圖形化編程模式，操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及可視性好，可以對(duì)步驟和工藝進(jìn)行邏輯控制，同時(shí)也可以有針對(duì)性地、便捷地調(diào)試程序。通過(guò)這些模塊完成了軟件系統(tǒng)對(duì)硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)控制。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。

圖2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 智能布線(xiàn)機(jī)器人的試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)多次線(xiàn)纜制作試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的智能布線(xiàn)機(jī)器人設(shè)備能完成線(xiàn)纜制作的工作，線(xiàn)纜和端子分別采用圖3 (a)、(b) 中所示樣品，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 線(xiàn)纜、端子及漏銅線(xiàn)纜

表1 線(xiàn)纜制作參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

在線(xiàn)纜制作試驗(yàn)過(guò)程中，總共制作了50 根線(xiàn)纜，其中2 次出現(xiàn)了銅絲未能完全壓入冷壓端子，即漏銅的情況，如圖3 (c) 所示，每根漏銅的單線(xiàn)漏出銅絲根數(shù)均為1 根。根據(jù)判定標(biāo)準(zhǔn):19 金屬絲的金屬線(xiàn)為例，缺少1 根金屬絲是可以接受的。絕緣層包裹標(biāo)準(zhǔn)和拉拔力測(cè)試均達(dá)到判定要求，所以最終判定50 次制作線(xiàn)纜試驗(yàn)合格。

最后在調(diào)試過(guò)程中對(duì)硬件線(xiàn)路進(jìn)行檢查后，進(jìn)行了上電檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制卡IO 調(diào)試、電機(jī)運(yùn)動(dòng)調(diào)試，對(duì)硬件的各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。

對(duì)智能布線(xiàn)機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行布線(xiàn)試驗(yàn)，這是一個(gè)綜合性功能試驗(yàn)。通過(guò)上位機(jī)導(dǎo)入線(xiàn)材表后，提取表格數(shù)據(jù)，通過(guò)既有數(shù)據(jù)執(zhí)行軟件程序，布線(xiàn)機(jī)器人完成自動(dòng)夾緊安裝板，自動(dòng)送線(xiàn)，自動(dòng)裁線(xiàn)、剝絕緣層，自動(dòng)壓接冷壓端子頭，自動(dòng)將線(xiàn)纜插入元器件，智能布線(xiàn)等所有功能。通過(guò)布線(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)布線(xiàn)機(jī)器人實(shí)際布線(xiàn)成果進(jìn)行查驗(yàn)，智能布線(xiàn)機(jī)器人能夠完成上述所有功能，自動(dòng)完成制線(xiàn)和布線(xiàn)工作。

4 結(jié)論

本文對(duì)工業(yè)制造中的布線(xiàn)、接線(xiàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡，確定上位機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件方案。研究各類(lèi)硬件性能參數(shù)，從方案、性能、成本等角度考慮，完成選型并確定滿(mǎn)足技術(shù)性能需求的硬件器件，最終完成系統(tǒng)平臺(tái)的搭建。軟件方面研究和設(shè)計(jì)布線(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制軟件系統(tǒng)，包括用戶(hù)界面、路徑規(guī)劃模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、歸零控制模塊、IO 及坐標(biāo)顯示模塊以及具體的執(zhí)行步驟。最終設(shè)計(jì)了一套可以智能完成布線(xiàn)、制線(xiàn)工作的機(jī)器人設(shè)備，并探索虛擬儀器技術(shù)在智能布線(xiàn)機(jī)器人上的應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果證明了該平臺(tái)的可靠性和實(shí)用性。