SCARA 机器人在螺丝锁付机中的应用★

秦国栋， 黄 磊

（1.嘉兴职业技术学院， 浙江 嘉兴 314000；

2.浙江天正智能电器有限公司， 浙江 嘉兴 314000）

引言

在生产制造企业中，装配是一个关键的环节[1]，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，我国对装备制造业的重视程度不断提高，不断地提高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。在传统的企业中，产品的螺丝锁付环节多数采用人工锁付，即工人使用电动或气动螺丝刀锁付，这样使得该环节在整个加工环节中效率比较低下。近几年越来越多的企业使用自动化设备[4-6]。同时，随着产品种类的多样化和复杂化，加上螺丝的种类逐渐呈现多样化情况，企业产品生产锁付阶段做到高效、快速难度已经越来越大[7]。如果生产企业采用传统的人工锁付螺丝的方式已经不能满足目前的生产需求，因此设计一台具备高适应性、速度快、效率高、准确度高的螺丝锁付装置很有必要。

前期通过对调研，国内自动螺丝锁付装置大多数采用直角坐标结构，这种自动锁付螺丝机的特点就是成本低，速度快，但对于复杂的锁付产品无法使用、尤其是带有垫片的螺丝基本无能为力[8]。为了提高企业在螺丝锁付环节的自动化水平，本文介绍基于SCARA 机器人的自动螺丝锁付装置，该装置比原有的锁付结构更加具备适应性、快速性等特点。

1 项目研究背景

本项目主要应用与浙江天正电气的交流接触器生产线上。该公司的交流接触器如图1 所示。该交流接触器在装配环节，需要锁付10 颗螺丝，上面5 颗，下面5 颗。通过多次调研和综合考虑，准备采用双机器人的设计，即第一台机器人负责锁付上面5 颗螺丝，第二台负责锁付下面5 颗螺丝，使用流水作业，节省锁付时间。

下页图2 是天正交流接触器生产线整个自动化改造的具体过程，在图中可以清楚地看到改造后人员的减少情况。该公司在产线未自动化改造之前，整条交流接触生产线需要7 位工作人员，在产线上安装两台自动螺丝锁付机之后，理论上减少3 名工人，即1 个底座组装和2 个螺丝锁付工位，但为了保障机器的正常运行，产线配备了一个辅助人员，通过改造产线最终减少了2 名工人。该企业总共有15 条接触器的生产线，使用该自动螺丝锁付机可节省30 个工人。该设计思路同样可以用在公司的其他生产环节，可以整体提高该公司生产制造的自动化生产水平。

整个项目的设计目的是将SCARA 机器人应用到自动螺丝锁付装置中。整个项目首先设计一个自动上料装置，把交流接触器的所有底座组装好后放入在上料平台上，设备会有推动装置将这些组装件输送到规定的锁付位置上。其次是设计一个自动供螺丝装置，该装置主要作用是将螺丝通过振动盘筛选、排列后等待机械手抓取锁付。最后设计一个双SCARA 机器人的锁付机构，利用SCARA 机器人的关节灵活性，实现螺丝的抓取、锁付过程。增加一个PLC 控制器，可以控制整个锁付机的控制、计数、报警等功能。

2 项目实施方案

2.1 总体方案

SCARA 机器人在螺丝锁付机应用的设计思路如图3 所示，设计总体框图如图4 所示。该设备包括6 个主要部分，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等。

2.2 传输装置的自动化设计

传输装置包含了传输带、感应装置和计数结构，传送带由PLC 控制，速度由工程人员设定的运行节拍决定，每锁付5 个螺丝为一个节拍。在设备的进口、出口处的钢柱上设计了一个光电感应开关，作用是当交流接触器进入后和锁付结束后均能触发光电感应开关，该开关形成电信号，并且传输到PLC 的输入口接收，实现检测传送带物料是否正常和进出料计数功能。当系统检测到传输带的没有物料送入主控PLC 则会停止传输带动作直至报警停止[9-11]。

2.3 自动供钉装置

供钉装置的效率提升可以有效地提高整个锁付装置的生产效率，因此设计一个稳定高效的自动供钉非常重要。该项目的自动供钉装置采用振动盘方式，这种方式可以适应交流接触器带垫片的螺丝，并且这种方式也相对成熟，节省开发周期。本装置采用圆柱形振动盘，这种振动盘用于形状简单而规则，并且尺寸较小的物料，非常适用于交流接触器的螺钉装配。此外，该装置还配备了若干传感器，其作用是在系统运行过程中检测关键部位螺钉是否顺利到位以及检测振动盘中的螺钉是否存有余量等，提高了系统的可靠性。

2.4 SCARA 机器人应用及控制

SCARA 机器人属于关节型机器人，具有4 个旋转关节，轴线相互直接平行，可在平面灵活运动，同时具有垂直关节，可以灵活地进行垂直运动。SCARA机器人可以模仿人的手臂运动，可以实现快速的取料、运料，非常适用于装配环节。本装置采用台达公司生产的DRS40L3 关节机器人，该型号的SCARA 机器人具备速度高、精度准、线性度和垂直度强的性能，可轻松的完成组装、锁螺丝、搬运、包装等工作，具备很高的性价比、节省空间，一致性和协同性均比较高。

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

1）适用与多场合，由于SCARA 机器人模拟人的手臂，多数装配环节上均可使用该机器人，只需要更换夹具即可在不同的应用场合或者锁付产品中使用。

2）不同的锁付产品程序可单独保存。每个系列的交流接触器，首先由工程人员进行示教和编程，完成后独立保存。现场工作人员在不同的交流接触器生产过程中，只要找到对应的程序即可，方便现场工作人员。

3）可准确地检测螺丝滑牙、浮锁，工程设计人员在触摸屏上设定多种处理不良螺丝的方法，自动螺丝锁付机则根据现场人员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，螺丝或者锁付产品供料时能够实现稳定供料，系统更加稳定。

5）使用SCARA 机器人可直接提高生产效率，在实验室中整个装置可以发到0.5 s 锁付，在实际运行过程中为了设备稳定一般需要1 s 完成锁付。

6）相对于市面上较多的线式锁付机，具有更好的通用性。

2.5 机器视觉装置设计

机器视觉装置使用千眼狼mini 系列工业摄像机，该摄像机可用于非接触测量，为工业领域专门专门打造，具备大内存、优画质、高性能等特点。该摄像机全幅分辨率1 920×1 080，小画幅最高支持22 000 fps，具有高清广电级画质，满足工业检测使用。机器视觉部分，项目组利用了OpenCV 图像算法，对工业摄像头的采集画面进行分析，检测螺丝的锁付情况，提高系统的高可靠性，如果系统经过检测发现产品位置不对，则系统可立即产生报警，并且做好错误记录，供工程人员分析。

2.6 自动抓取及锁付装置设计

自动取料部件由取料主体、气缸、连接部件和吸取部件等部分组成，整体被固定在SCARA 机器人手臂上。锁付部件由直线导轨、电批夹具、自动或气动电批和夹头等4 个部分组成。

3 结论

SCARA 关节机器人应用与自动化螺丝锁付机中可以极大地提高生产效率。使用SCARA 机器人主要模仿人类的生产操作过程，达到快速稳定的生产，提高了生产效率并且减轻了生产工人的劳动强度。整个基于SCARA 关节机器人螺丝锁付机使用了模块化的设计方式，可适应多种生产场合和锁付产品实际要求，并且程序和设备均做了冗余设计，可选择单机器人和双机器人结构。具体的创新点如下：

1）实现天正交流接触器产线中螺丝锁付环节的自动化生产提升，不仅可以节省人工，还可以为今后企业的数字化工厂和无人工厂提供一个技术支撑。

2）使用SCARA 机器人的自动锁付机，相对人工螺丝锁付，定位准确、精度高，提高了生产效率，产品档次也得到了提升。

3）SCARA 机器人应用在螺丝锁付机上，比以往3 轴垂直螺丝锁付机具有运动灵活、速度更快、空间利用率高等优点，可以满足更多的锁付产品。