陸 葉

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息系，廣東茂名525000）

0 引言

隨著智能制造的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線的應(yīng)用日益廣泛，可以代替人工進(jìn)行搬運(yùn)、打磨拋光、裝配、噴涂等生產(chǎn)任務(wù)。國(guó)外的機(jī)器人自動(dòng)化設(shè)備已成為生產(chǎn)設(shè)備的主流，在汽車、電子、機(jī)械制造等行業(yè)大量應(yīng)用，而且機(jī)器人系統(tǒng)集成度高，向著數(shù)字化生產(chǎn)、智能化工廠的方向發(fā)展，如西門子、IBM等巨頭在生產(chǎn)、物料及信息方面高度自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了無人化生產(chǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)和學(xué)者在機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)方面做了成功的探索及應(yīng)用，如羅英俊等[1]研究了工業(yè)機(jī)器人加工生產(chǎn)線上的應(yīng)用；劉涵茜[2]設(shè)計(jì)了機(jī)器人三維激光切割系統(tǒng)；張思卿[3]研究了面向智能化生產(chǎn)線六模塊工業(yè)機(jī)器人；李海東[4]分析了MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化裝配過程等。但與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用產(chǎn)業(yè)仍存在差距。

3C電子產(chǎn)品屬于小批量、多批次生產(chǎn)，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度比較快，且由于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品的功能要求越來越高，生產(chǎn)過程融合了人臉識(shí)別、語(yǔ)言識(shí)別等技術(shù)。為更好地研究產(chǎn)品的智能制造過程，本文研究了基于工業(yè)機(jī)器人的3C電子產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線以PLC作為控制核心，通過PLC、機(jī)器人、傳感器等之間的通信，利用觸摸屏輸入控制及監(jiān)控，工業(yè)機(jī)器人沿著所規(guī)劃的軌跡來加工工件，實(shí)現(xiàn)3C產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 生產(chǎn)線布局

如圖1所示工件，其加工需經(jīng)過檢測(cè)、外殼四周打磨、按鍵安裝等多個(gè)工序。根據(jù)加工工藝要求，設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線主要由供料、傳送檢測(cè)、打磨、裝配、出料5個(gè)工作站，配套4臺(tái)工業(yè)機(jī)器人等組成。工業(yè)機(jī)器人選取了1臺(tái)平面機(jī)器人及3臺(tái)垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人，機(jī)器人依次完成取料、檢測(cè)、打磨、裝配、出料的生產(chǎn)過程[5]。利用UG軟件進(jìn)行生產(chǎn)線的概念設(shè)計(jì)，建立的三維模型可以通過仿真，直觀演示生產(chǎn)線的工作過程，縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。建立生產(chǎn)線的整體布局如圖2。

圖1 工件

圖2 生產(chǎn)線的整體布局

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作站

供料工作站由機(jī)架、托盤、步進(jìn)電機(jī)等組成，其作用是提供物料，讓#1機(jī)器人進(jìn)行取料。傳送檢測(cè)工作站包括傳送帶、調(diào)速電機(jī)、滑槽、傳感器等部件，#2機(jī)器人通過該站進(jìn)行工件分揀傳送。打磨工作站是利用#3機(jī)器人將工件外殼四周進(jìn)行打磨拋光。裝配工作站包括固定裝置、送料裝置等，當(dāng)裝配工作站上的光電傳感器檢測(cè)到工作臺(tái)上有工件，#4機(jī)器人進(jìn)行按鍵安裝，安裝完畢后，#4機(jī)器人將加工好的產(chǎn)品搬運(yùn)到出料工作站。

2.2 工業(yè)機(jī)器人

目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人品牌眾多，各有特點(diǎn)。富士康公司生產(chǎn)的Foxbot機(jī)器人有多種型號(hào)，能滿足生產(chǎn)線的搬運(yùn)、打磨拋光、裝配、噴涂等生產(chǎn)任務(wù)的要求，且操作簡(jiǎn)單方便，性價(jià)比高，因此本系統(tǒng)采用Foxbot機(jī)器人。考慮到#1機(jī)器人工作任務(wù)簡(jiǎn)單，主要是搬運(yùn)工件，所以選用平面關(guān)節(jié)機(jī)器人，而#2～#4機(jī)器人要完成相對(duì)復(fù)雜的工作，需選用空間垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人。4臺(tái)機(jī)器人的腕部末端都設(shè)計(jì)有不同的夾具，分別實(shí)現(xiàn)取放料、檢測(cè)搬運(yùn)、打磨夾持、裝配等功能。機(jī)器人夾具均采用氣壓傳動(dòng)控制，包含氣缸或真空發(fā)生器、吸盤、電磁閥、傳感器及機(jī)械部件等元件[6]。其中#1取料機(jī)器人設(shè)計(jì)的夾具是取料吸盤，更利于3C產(chǎn)品的搬運(yùn)；#2檢測(cè)分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)的同樣是吸盤夾具，但是其功能和形狀有所不同，該夾具上安裝有壓力傳感器用于檢測(cè)工件的位置是否正面向上，若是，則檢測(cè)合格；若否，則認(rèn)為為不合格品；#3打磨機(jī)器人，打磨時(shí)選用打磨頭，打磨完畢后可快速轉(zhuǎn)換為手爪進(jìn)行工件搬運(yùn)，方便快捷，提高了生產(chǎn)效率；#4裝配及出料機(jī)器人，其夾具分為兩部分，一端吸取按鍵用于安裝在工件上，另一端來搬運(yùn)裝配好的產(chǎn)品。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)通信

三菱PLC之間的通信通常有3種方式，其中N:N網(wǎng)絡(luò)通信，可以連接多達(dá)8臺(tái)FX系列PLC，連接成本低，應(yīng)用廣泛[6]。本系統(tǒng)采用多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)，觸摸屏輸入控制的模式。昆侖通態(tài)觸摸屏用于上層數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控，三菱PLC對(duì)底層的機(jī)器人、傳感器等進(jìn)行控制。本系統(tǒng)中有4臺(tái)PLC，其中1臺(tái)作為主站，3臺(tái)作為從站，各站通過RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行連接。硬件上，PLC的COM端和RS485信號(hào)端要用雙絞線并聯(lián)連接。編程和調(diào)試后，通過串口編程電纜將程序下載到PLC的各個(gè)站，實(shí)現(xiàn)4臺(tái)工業(yè)機(jī)器人和其他周邊設(shè)備控制。

以傳送檢測(cè)工作站為例，選用PLC型號(hào)為三菱FX3U-32MR，F(xiàn)X3U系列PLC的存儲(chǔ)器容量大，運(yùn)算和處理速度較快，功能更強(qiáng)大，可應(yīng)用于小型自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)。為方便以后可以進(jìn)行功能拓展，系統(tǒng)增加1個(gè)擴(kuò)展輸入工作站FX2N-8EX。Foxbot機(jī)器人的I/O端口共有4組（PA、PB、PC、PD），每組有16個(gè)輸入、輸出點(diǎn)（0～15），即有64點(diǎn)輸入和64點(diǎn)輸出，其中組PA主要為機(jī)器人內(nèi)部使用，組PB~PD開放給使用者對(duì)外聯(lián)機(jī)使用。傳送檢測(cè)工作站PLC與#2機(jī)器人的I/O信號(hào)分配如表1所示，PLC與#2機(jī)器人的電路如圖3所示。

圖3 傳送檢測(cè)工作站電路接線

表1 傳送檢測(cè)工作站PLC的I/O信號(hào)

3.2 機(jī)器人路徑規(guī)劃

以#3打磨及搬運(yùn)機(jī)器人為例，分析機(jī)器人末端夾具的運(yùn)動(dòng)路線，其他機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法與之類似。#3機(jī)器人在安全點(diǎn)P（0）等待，直到接收到PLC發(fā)送的打磨臺(tái)空的信號(hào)，#3機(jī)器人的打磨頭開始對(duì)工件的四周進(jìn)行打磨，打磨完畢后，#3機(jī)器人末端執(zhí)行器翻轉(zhuǎn)為手爪夾具，當(dāng)接收到裝配臺(tái)為空的的信號(hào)后，#3機(jī)器人將工件搬運(yùn)到裝配工作站上，返回安全點(diǎn)，如此循環(huán)。路徑規(guī)劃如圖4所示。

圖4 #3機(jī)器人打磨及搬運(yùn)路徑規(guī)劃

根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的路徑及控制的要求，分析機(jī)器人程序如下：

3.3 生產(chǎn)線流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有2種工作方式：自動(dòng)控制和手動(dòng)操作。自動(dòng)操作是聯(lián)機(jī)整線自動(dòng)化控制，手動(dòng)操作是單獨(dú)對(duì)各個(gè)工作站進(jìn)行操作。根據(jù)加工自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)的整體流程和實(shí)際生產(chǎn)要求，進(jìn)行觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)[7-8]，包括有主畫面、自動(dòng)操作、手動(dòng)操作、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控I/O等模塊。當(dāng)系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，通過操作觸摸屏，可以顯示及監(jiān)控各個(gè)工作站的運(yùn)行情況及工作進(jìn)度。根據(jù)3C產(chǎn)品機(jī)器人生產(chǎn)線的工藝過程，設(shè)計(jì)的流程如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)線程序設(shè)計(jì)流程

當(dāng)系統(tǒng)上電后，自動(dòng)檢測(cè)各工作站是否在原點(diǎn)位置，若某個(gè)工作站處于非原點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，則單站操作回原點(diǎn)，使系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)。若該生產(chǎn)線整機(jī)系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行中，安全門被打開或者按下總停止按鈕，則同時(shí)停止4臺(tái)機(jī)器人的運(yùn)行，并提示報(bào)警信號(hào)，但不對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行處理；若要恢復(fù)機(jī)器人運(yùn)行，則需要再次按下總啟動(dòng)按鈕。當(dāng)托盤上有工件，#1機(jī)器人取料并放到傳送帶上，傳送帶帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，當(dāng)傳送帶末端傳感器檢測(cè)到工件，#2機(jī)器人開始檢測(cè)分揀工件，合格的工件將由#3機(jī)器人進(jìn)行打磨工序，打磨完畢后運(yùn)送到裝配工作站，由#4機(jī)器人進(jìn)行裝配及產(chǎn)品出料。通過機(jī)器人、PLC、觸摸屏的程序設(shè)計(jì)、調(diào)試，生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)單個(gè)工作站或聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了3C電子產(chǎn)品的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案，通過生產(chǎn)線概念設(shè)計(jì)，確定了生產(chǎn)線的總體布局，開發(fā)了生產(chǎn)線各工作站的硬件系統(tǒng)，研究了生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，經(jīng)PLC、觸摸屏、機(jī)器人等設(shè)備的硬件選型，機(jī)器人的路徑規(guī)劃及生產(chǎn)線的流程設(shè)計(jì)，生產(chǎn)線安裝調(diào)試后，效果達(dá)到了預(yù)期要求。該生產(chǎn)線采用開放式設(shè)計(jì)，涵蓋工業(yè)機(jī)器人、傳感器、氣動(dòng)控制、電氣控制等相關(guān)技術(shù)，可單站或整線聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)部件可自由拆卸，可進(jìn)行二次開發(fā)和創(chuàng)新，如增加視覺定位系統(tǒng)、數(shù)字化雙胞胎、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)等功能，以實(shí)現(xiàn)在智能制造更多領(lǐng)域的應(yīng)用。