柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)*

羅庚興　馮安平

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 佛山 528137)

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柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)*

羅庚興馮安平

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 佛山 528137)

介紹了一種柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PLC為核心進(jìn)行系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)和軟件設(shè)計(jì)。闡述了機(jī)器人組裝單元的結(jié)構(gòu)、工作原理，合理選取了系統(tǒng)硬件，進(jìn)行了步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和氣動(dòng)控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人組裝單元夾放、定位、組裝等功能。

機(jī)器人；PLC；氣動(dòng)控制系統(tǒng)；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械手作為柔性生產(chǎn)線的重要組成部分，具有動(dòng)作精確、控制靈活、工作可靠、勞動(dòng)效率高、成品率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。以機(jī)械手為主要部件的機(jī)器人組裝單元是某柔性生產(chǎn)線的第4個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其主要用于完成以下功能：將料倉(cāng)中的盒子抓取至工作臺(tái)上，然后從傳送帶上的小車中抓取工件放至盒子中，再將另一料倉(cāng)中的盒蓋抓取至盒上完成組裝，最后將組裝后的產(chǎn)品搬運(yùn)到傳送帶上的小車中。

1　機(jī)器人組裝單元的結(jié)構(gòu)和工作原理

機(jī)器人組裝單元的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。系統(tǒng)主要由上料模塊和組裝模塊兩部分組成。

上料模塊主要由2個(gè)圓桶料倉(cāng)、上料氣缸、支架和傳感器開(kāi)關(guān)等組成。上料模塊主要作用是將圓桶料倉(cāng)的工件盒和蓋子分別推送到各自的取料工位，等待組裝機(jī)械手取料。在每個(gè)氣缸都各安裝有2個(gè)磁性開(kāi)關(guān)，用于判斷氣缸運(yùn)動(dòng)的極限位置。工件盒工位和蓋子工位均安裝有光電檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)各自的取料工位是否有工件。

組裝模塊主要由X軸、Y軸、升降氣缸、手指氣缸、組裝臺(tái)和傳感器開(kāi)關(guān)等組成。X軸、Y軸、升降氣缸和手指氣缸構(gòu)成組裝機(jī)械手。組裝機(jī)械手的工作過(guò)程：原位→盒子工位→抓取工件盒→組裝位→放置工件盒→小車位→抓取工件→組裝位→放置工件→盒子工位→抓取盒蓋→組裝位→蓋好蓋子→抓取成品→小車位→放置成品→原位。

此外還有定位氣缸、電容傳感器等裝置。當(dāng)電容傳感器檢測(cè)到運(yùn)料小車來(lái)到，定位氣缸動(dòng)作，阻擋小車前進(jìn)。待組裝機(jī)器人完成產(chǎn)品組成后，定位氣缸復(fù)位，允許小車前進(jìn)。

2　氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

機(jī)器人組裝單元的氣動(dòng)控制回路如圖2所示。氣動(dòng)系統(tǒng)由氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件OZ、電磁閥、節(jié)流閥和各種氣缸組成。氣源工作壓力：最小0.6 MPa，最大0.8 MPa。所有氣缸的換向閥采用二位五通單電控電磁閥，電磁閥均選用SMC公司型號(hào)為SY5120-5DZ-01的產(chǎn)品。氣缸選用SMC公司的產(chǎn)品，手指氣缸1A選MHZ2-16D型號(hào)，上料氣缸2A和3A選MXS10-20型號(hào)，定位氣缸4A選CDU10-50D型號(hào)，升降氣缸5A選CXSM10-100型號(hào)。為了使各執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，各氣缸的2個(gè)氣口裝有單向節(jié)流閥，型號(hào)選擇為SMC公司的ARJ1020F-M5。升降氣缸磁性開(kāi)關(guān)(5S1、5S2、5S3)選用SMC公司的D-Z73L產(chǎn)品，上料氣缸磁性開(kāi)關(guān)(2S1、2S2、3S1、3S2)選用SMC公司的D-C73L產(chǎn)品，手指氣缸和定位氣缸上不用位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)。

3　電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1PLC選型與I/O接口分配

PLC是機(jī)器人組裝單元的核心控制器。根據(jù)控制要求分析，PLC的輸入信號(hào)有：起、停和復(fù)位信號(hào)3個(gè)，檢測(cè)信號(hào)14個(gè)，共17個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)；輸出信號(hào)有：電磁閥控制信號(hào)5個(gè)，報(bào)警信號(hào)2個(gè)，X軸脈沖和Y軸脈沖及方向信號(hào)2組，共7個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出信

號(hào)和2組高速脈沖輸出信號(hào)。輸入輸出信號(hào)的具體作用和地址分配如表1所示。繼電器和電磁閥的線圈均為DC24V。選用西門子S7 CPU226型PLC，24點(diǎn)直流輸入，16點(diǎn)繼電器型輸出，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出，完全可以滿足控制要求。

表1機(jī)器人組裝單元PLC的I/O地址分配表

設(shè)備名稱用途設(shè)備符號(hào)I地址設(shè)備名稱用途設(shè)備符號(hào)O地址X軸右限位S1I0.0X軸脈沖PU0Q0.0X軸左限位S2I0.1Y軸脈沖PU1Q0.1Y軸前限位S3I0.2X軸方向DR0Q0.2Y軸后限位S4I0.3Y軸方向DR1Q0.3升降上限位5S1I0.4手指電磁閥1VQ0.4升降中限位5S3I0.5上料一電磁閥2VQ0.5升降下限位5S2I0.6上料二電磁閥3VQ0.6上料一前限位2S1I0.7定位電磁閥4VQ0.7上料一后限位2S2I1.0升降電磁閥5VQ1.0上料二前限位3S1I1.1上料一失敗報(bào)警HL1Q1.1上料二后限位3S2I1.2上料二失敗報(bào)警HL2Q1.2工件檢測(cè)一S5I1.3故障繼電器K01Q1.3工件檢測(cè)二S6I1.4———小車檢測(cè)S7I1.5———啟動(dòng)按鈕SB1I1.6———停止按鈕SB2I1.7———復(fù)位按鈕SB3I2.0———

當(dāng)上料一失敗，即有上料一動(dòng)作后，但光電傳感器S5沒(méi)有檢測(cè)到盒子，報(bào)警指示燈HL1閃爍。同理，上料二動(dòng)作后，光電傳感器S6沒(méi)有檢測(cè)到蓋子，報(bào)警指示燈HL2閃爍。

X軸超行程，或者Y軸超行程，故障繼電器K01動(dòng)作，切斷步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器電源，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.2運(yùn)動(dòng)控制

(1)組裝機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡

組裝機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，機(jī)械手復(fù)位后位于原點(diǎn)O。系統(tǒng)啟動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)軌跡如下：O→A→C→F→C→B→C→E→O。其中，A點(diǎn)抓取盒子，B點(diǎn)抓取蓋子，F(xiàn)點(diǎn)抓取工件，C點(diǎn)組裝，E點(diǎn)放成品。抓放靠機(jī)械手實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行軌跡靠X軸和Y軸配合實(shí)現(xiàn)。

(2)控制器接線

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由2臺(tái)兩相混合式6線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和2臺(tái)等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)分別為BS57HB56-03和BS86HB80-04，步距角均為1.8°。前者額定電流3.0 A，保持力矩0.9 N·m，用于驅(qū)動(dòng)X軸。后者額定電流4.2 A，保持力矩3.3N·m，用于驅(qū)動(dòng)Y軸。驅(qū)動(dòng)器型號(hào)分別為Q2HB44MC和

Q2HB68MC，電壓DC24～80 V，最高200細(xì)分，細(xì)分?jǐn)?shù)1～200，前者驅(qū)動(dòng)電流從0.5A/相到4A/相連續(xù)可調(diào)，后者驅(qū)動(dòng)電流0.5～6A。圖4所示為X軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、PLC控制信號(hào)之間的接線圖。

(3)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)計(jì)算

以X軸為例。設(shè)移動(dòng)速度為12.5 mm/s；絲桿螺距為10 mm；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器分辨率設(shè)置為10 000 脈沖/r，CPU的高度脈沖輸出采用PTO單段流水工作方式，Q0.0輸出。

控制字節(jié)SMB67=16#85，表示允許PTO輸出，單段管式，周期單位μs，允許PTO脈沖更新，允許更新周期值。

脈沖周期SMW68的計(jì)算公式為：

脈沖數(shù)SMD72計(jì)算公式為：

由圖3及上述公式可以計(jì)算出各段運(yùn)動(dòng)軌跡X軸的脈沖數(shù) (SMD72)、Y軸的脈沖數(shù) (SMD82)及各軸的方向，如表2所示。*表示停止?fàn)顟B(tài)。

表2組裝機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)表

運(yùn)動(dòng)軌跡O→AA→CC→FF→CC→BB→CC→EE→D相對(duì)坐標(biāo)/mm(-190,-51)(90,-120)(80,-265.5)(-80,265.5)(-90,0)(90,0)(0,-265.5)(0,385.5)SMD72/脈沖190000900008000080000900009000000SMD82/脈沖5100012000026550026550000265500385500X軸方向OFFONONOFFOFFON**Y軸方向OFFOFFOFFON**OFFON

3.3PLC控制程序

組裝機(jī)器人單元分為復(fù)位控制和自動(dòng)控制兩種控制功能。

復(fù)位控制。一般系統(tǒng)重啟后，電磁閥均不得電，所有氣缸均為收回狀態(tài)。因此復(fù)位操作僅僅對(duì)組裝機(jī)械手而言。若初始時(shí)組裝機(jī)械手不在原點(diǎn)，即X軸右限位和Y軸上限位。此時(shí)，按下復(fù)位按鈕SB3，組裝機(jī)械手向上、向右運(yùn)動(dòng)，直到X軸運(yùn)動(dòng)到Y(jié)軸上限位，升降氣缸運(yùn)動(dòng)到X軸右限位。

自動(dòng)控制。組裝機(jī)械手在原位O點(diǎn)。按下啟動(dòng)按鈕SB1，上料模塊將圓桶料倉(cāng)的工件盒和蓋子分別推送到各自的取料工位，同時(shí)上料組裝機(jī)械手從原位O點(diǎn)出發(fā)，先到A點(diǎn)抓取工件盒放到組裝位C。若運(yùn)料小車到位，組裝機(jī)械手移動(dòng)到小車F點(diǎn)抓取工件，放到C點(diǎn)的工件盒中，然后從B點(diǎn)抓取盒蓋，到C點(diǎn)蓋住盒子，再將包裝后的成品搬運(yùn)到E點(diǎn)，放在運(yùn)料小車上，機(jī)械手回到D點(diǎn)等待進(jìn)入下一工作循環(huán)，同時(shí)運(yùn)料小車自動(dòng)開(kāi)走。

任何時(shí)候按下停止按鈕SB2，組裝機(jī)械手在完成當(dāng)前工作周期，返回D點(diǎn)后自動(dòng)停止工作。

組裝機(jī)械手的工藝流程如圖5所示。

初始化操作用于設(shè)置Q0.0和Q0.1的控制字節(jié)SMB67和SMB77，設(shè)置X軸和Y軸的移動(dòng)速度(脈沖周期SMW68和SMW78)等。

機(jī)械手轉(zhuǎn)移可以編寫子程序，通過(guò)修改不同運(yùn)動(dòng)軌跡下的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)Q0.0和Q0.1脈沖輸出數(shù)量和方向的改變。比如A→C的運(yùn)動(dòng)軌跡，在機(jī)械手轉(zhuǎn)移(A→C)處理框中的程序?yàn)椋?/p>

LD SM0.0

MOVDW 90 000，SMD72//設(shè)置X軸脈沖數(shù)

MOVDW 120 000，SMD82//設(shè)置Y軸脈沖數(shù)

S Q0.2，1//設(shè)置X軸方向

R Q0.3，1//設(shè)置Y軸方向

CALL 機(jī)械手轉(zhuǎn)移子程序//調(diào)用子程序，啟動(dòng)Q0.0和Q0.1脈沖輸出

機(jī)械手轉(zhuǎn)移到位信號(hào)，由PTO空閑標(biāo)志位SM66.7(=1，Q0.0空閑)和SM76.7(=1， Q0.1空閑)相與的結(jié)果產(chǎn)生。

4　結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人組裝單元是較復(fù)雜的一個(gè)控制系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在它的機(jī)械動(dòng)作復(fù)雜，電氣控制聯(lián)鎖關(guān)系較多，需要進(jìn)行精確定位控制。采用PLC對(duì)機(jī)器人組裝單元進(jìn)行自動(dòng)控制，既解決了本系統(tǒng)上料模塊、組裝模塊和運(yùn)料小車之間的互鎖關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了組裝機(jī)械手精確定位?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行調(diào)試，設(shè)備動(dòng)作順暢、性能穩(wěn)定、可靠性高。

[1]羅庚興,寧玉珊.氣動(dòng)安裝機(jī)械手的PLC控制[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(1):82-84.

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[3]周鴻杰,駱敏舟.基于步進(jìn)電機(jī)的工業(yè)取料機(jī)械手的定位控制[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2010,147(1):123-125.

[4]張鐵軼,何國(guó)金,黃振峰.基于PLC控制的混合型氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].液壓與氣動(dòng),2008(9):6-8.

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(編輯譚弘穎)

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Design of robotic assembly unit in flexible production line

LUO Gengxing，F(xiàn)ENG Anping

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Foshan Polytechnic, Foshan 528137,CHN)

This paper introduces a robot assembly unit control system in flexible production line which is based on PLC for hardware development and software design. It describes the configuration and working principle of the system.It achieves the functions such as the clamping, release, positioning and assembly in the Robotic Assembly Unit by reasonably selecting the system hardware and by detailedly designing the stepping driving system and the electric control system.

robot; PLC; pneumatic control system; stepping driving system

TM341；TP241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：B

羅庚興，男，1972年生，碩士，教授，研究方向?yàn)镻LC控制及自動(dòng)化。

2015-09-15)

160414

*佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目：EAPS100型柔性生產(chǎn)加工培訓(xùn)平臺(tái)的研究(KY2013G01)