基于工业机器人的大三通鲁班锁装配工作站系统的设计

罗洪霞

（广州番禺职业技术学院，广州 511483）

2015年5月19日，国务院正式印发《中国制造2025》，目标是使我国从制造业大国向制造业强国转变。智能制造工程就是其中的五大工程之一，而高档数控机床和机器人技术是其中的十大重点领域之一。工业机器人技术在智能制造、自动化生产中的作用越来越重要，是不可缺少的重要环节。工业机器人典型的应用场景有工业机器人上下料、打磨[1]、装配、焊接[2]、雕刻、分拣以及码垛等[3-4]。

鲁班锁是一种传统的益智玩具，采用特殊的凹凸啮合的榫卯结构，使其具有易拆难装的特点。在鲁班锁生产过程中，人工组装很容易因为人的熟练程度、疏忽和疲劳等出现组装困难、效率低下等问题。本文将工业机器人技术应用于鲁班锁的装配，设计了鲁班锁装配工作站、鲁班锁配件的自动供料单元以及鲁班锁配件的夹具等，完成了整个系统的组装、控制程序设计和调试，最终实现了大三通鲁班锁的装配。使用工业机器人代替人完成鲁班锁的装配，不仅具有系统稳定、速度快、质量高的优点，而且提高了生产效率，节约了人力成本。

1 大三通鲁班锁

鲁班锁源于榫卯结构。榫卯结构是我国一项精湛的传统的木工技艺，凸出部分叫榫，凹进部分叫卯。这种凹凸结合的连接具有稳定、巧妙、美观和环保的特点，被广泛应用于木制家具和建筑结构，如山西应县的木塔、故宫、上海世博会等。鲁班锁又被称为八卦锁、孔明锁等，是古代益智玩具的代表，一直流传至今。大三通鲁班锁是其中的一种，由3个配件组成。每个配件的榫卯形状不同，组装完成结构牢固，如图1所示。

图1 大三通鲁班锁

2 鲁班锁装配工作站设计

鲁班锁装配工作站利用现代工业机器人代替人工完成大三通鲁班锁的装配。为了方便区分大三通鲁班锁的3个配件，将图1中的3个配件从左到右依次命名为A、B、C。装配时，先由机器人前往供料转台夹取鲁班锁配件A放置到装配台。同样方法依次在供料转台夹取B、C块，并至装配台进行装配。根据鲁班锁装配控制需要，工作站主要由工业机器人及夹具、装配台和供料转台3个部分组成，如图2所示。

图2 鲁班锁装配工作站组成

工业机器人是大三通鲁班锁装配动作的执行机构，能够完成鲁班锁的抓取、放置和装配。工作站采用ABB IRB120工业机器人，是目前比较流行的工业机器人品牌，质量为25 kg、载质量为3 kg，具有体积小、用途广泛、工作范围大以及投资低的特点。

夹具是专门针对此系统指定尺寸的大三通鲁班锁配套定制，采用优质平行气缸夹取鲁班锁配件，结构件为6061铝合金，表面阳极经过了氧化处理。

装配台固定在工作站平台上，为大三通鲁班锁的装配提供平台。材质6061铝合金外型尺寸为180 mm×200 mm×250 mm（含工件）。装配平台有3个装配位，采用阶梯式布局，避免转装配过程中各部件互相干涉。

供料转台通过转台的不断旋转，依次提供鲁班锁配件给机器人。转台采用铝板作为底板，结构件为6061铝合金，外型尺寸为300 mm×300 mm×350 mm（含工件）。旋转平台上有6个配件工位，可以放置6个鲁班锁配件。转台的旋转由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的伺服电机驱动。转台上配置两个传感器：一个是金属传感器，用于检测转台的原点；另一个是光电传感器，用于检测和反馈工件的到位状况。

3 鲁班锁装配工作站控制

3.1 供料转台控制

供料转台控制器采用三菱PLC，型号为FX3U-32MT，输入输出分配表分别如表1和表2所示。其中，驱动转台的伺服电机为信捷交流伺服电机MS5H-60STE，驱动器型号为YZ-ACSD608。

表1 供料转台主要输入分配表

表2 供料转台主要输出分配表

YZ-ACSD608为全数字交流伺服电机驱动器，采用最新32位数字信号处理器（Digital Singnal Processor，DSP），16位电子齿轮，20～50 V直流输入，支持50～500 W交流伺服电动机，2500/1250线编码器，具有欠压、过压、堵转以及过热保护等。该驱动器控制信号接口在驱动器上标识为“Signal”，PU+（+5 V）和PU-（PU）为脉冲控制信号，脉冲上升沿有效。为了可靠响应脉冲，脉冲宽度应大于1.2 μs，如采用+12 V或+24 V时需串电阻。DIR+（+5 V）和DIR-（DIR）为方向信号，高/低电平有效，使用时方向信号要优先于脉冲信号以保障可靠换向。DIP开关功能选择SW1=OFF、SW2=OFF即位置模式，控制方式为“脉冲+方向”。伺服电机脉冲控制信号为Y0，方向控制信号为Y3。

“脉冲+方向”位置控制模式时，一圈的脉冲数为4倍的编码器线数与电子齿轮之比。例如：2 000线的编码器，电子齿轮为4∶1，则一圈的脉冲数为2 000。指令脉冲频率为一圈的脉冲数与需要电机运行的速度的乘积（计算时需注意进行1 min为60 s的换算）。例如：一圈的脉冲数为2 000，需要电机运行的速度为1 500 r·min-1，则指令脉冲频率为5 000。伺服驱动器开机后，红灯绿灯都亮一次，而后绿灯亮、红灯灭为正常工作状态。例如，遇红灯闪烁则为报警状态，此时可根据红灯不同的闪烁现象判断报警原因，也可通过Modbus读取报警代码进行查询。

转台圆盘上均匀分布6个工件位，一次放置2套A、B、C配件。程序控制流程为“上电→旋转回到原点（配件A到位）→机器人取走配件A→转台旋转60°（配件B到位）→机器人取走配件B→转台旋转60°（配件C到位）→机器人取走配件C”，完成一个大三通鲁班锁的供料，后续依次类推。程序如图3所示。

图3 供料转台控制程序

3.2 工业机器人控制

根据大三通鲁班锁装配的需要，工业机器人代替人完成装配，模拟人的装配动作过程。一个完整的大三通鲁班锁的装配程序控制流程为“上电→回到原点→从供料转台取走配件A→去装配台放配件A→从供料转台取走配件B→去装配台装配件B（B从A中穿过）→从供料转台取走配件C→去装配台装配件C（C套在A上）→推配件B”。工业机器人与供料转台之间的沟通信号，如表3和表4所示。

表3 工业机器人主要输入分配表

表4 工业机器人主要输出分配表

为了提高工业机器人程序的编写效率，先离线编写并调试好程序，再下载到工业机器人硬件单元，根据实际工作站中的各个点位进行校准。这样不仅可提高编程效率和设备的利用率，而且降低了设备事故率。

4 结语

基于工业机器人设计的大三通鲁班锁装配工作站系统，实现了大三通鲁班锁的智能自动装配。系统运行稳定，工业机器人代替了传统的人工，提高了装配效率。工作站中的供料转台能够自动提供鲁班锁配件给工业机器人，实现了系统配件的自动供料。装配工作站的系统组成简单，易于实现。工业机器人在装配过程中能够准确完成装配动作，且不会疲劳，速度快，在大量装配鲁班锁生产过程中比人工具有明显优势。此外，系统中还增加了触摸屏进行人机交互，可通过触摸屏远程控制系统启停，实时显示鲁班锁的装配状态等。