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摘要

    在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量包裝方法，機(jī)器人技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確、可靠與智能化。本文介紹一種工業(yè)繼電器智能化包裝的電氣設(shè)計(jì)和機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞工業(yè)機(jī)器人；工業(yè)繼電器；智能化包裝

前言

    經(jīng)過(guò)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，一般人工包裝一盒繼電器的時(shí)間大約在15～22秒之間，如果在包裝過(guò)程中需要更換產(chǎn)品種類(lèi)或型號(hào)所產(chǎn)生的生產(chǎn)停頓時(shí)間較長(zhǎng)，其中更換產(chǎn)品包裝盒與產(chǎn)品非常繁瑣及費(fèi)時(shí)。另外有部分工廠(chǎng)使用了自動(dòng)包裝機(jī)，這種非標(biāo)準(zhǔn)定制的自動(dòng)包裝機(jī)采購(gòu)成本相當(dāng)高，并且每臺(tái)機(jī)器只能包裝指定的品種和型號(hào)，無(wú)法滿(mǎn)足一機(jī)多用的功能。

    進(jìn)一步測(cè)量統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，繼電器外形尺寸相差無(wú)幾，但是不同電壓、不同觸點(diǎn)對(duì)數(shù)的繼電器較難區(qū)分。另外包裝紙盒與內(nèi)部PVC固定架的配套廠(chǎng)家在生產(chǎn)時(shí)為方便區(qū)分與管理，進(jìn)行過(guò)沖孔標(biāo)記或模具文字標(biāo)記等型號(hào)標(biāo)記，因此要求相應(yīng)繼電器必須放入到指定的包裝盒內(nèi)。為此使用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)工作，為生產(chǎn)廠(chǎng)家提供高效的包裝效率與縮減用于包裝上的人工成本。

    利用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)繼電器一機(jī)多用的自動(dòng)包裝，需要解決機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)、包裝盒自動(dòng)拆裝機(jī)構(gòu)、原料智能管理倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)視覺(jué)傳感器自動(dòng)識(shí)別、系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)及自動(dòng)控制等技術(shù)。

智能化控制系統(tǒng)構(gòu)成

    工業(yè)繼電器包裝智能化系統(tǒng)是一套基于工業(yè)機(jī)器人的智能設(shè)備（圖1），整體由工業(yè)機(jī)器人、PLC、觸摸屏、工業(yè)相機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)等組成。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的抓取、擺放、識(shí)別，以及對(duì)繼電器包裝盒的移動(dòng)、掀開(kāi)、合上等動(dòng)作。在此過(guò)程中，通過(guò)HMI的可視化界面，實(shí)現(xiàn)各種操作畫(huà)面，并且通過(guò)機(jī)器人的SSCNETⅢ網(wǎng)絡(luò)控制附加軸的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)繼電器的快速供料。

圖1三菱FR-2F工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)儀器的構(gòu)成

（1）三菱FR-2F工業(yè)機(jī)器人

    三菱FR-2F型工業(yè)機(jī)器人是由日本三菱電機(jī)株式會(huì)社設(shè)計(jì)、制造的一款多用途立式機(jī)器人，該機(jī)械手由機(jī)器人本體FR-2F-1D與控制器CR751-D組成，最大可搬運(yùn)2Kg的物品。FR-2F-1D是一款仿人型的立式機(jī)械手臂，可實(shí)現(xiàn)空間任意位置的6自由度運(yùn)動(dòng)。其中J1軸的基座用于固定，J6軸的法蘭面用于安裝氣動(dòng)抓手。與機(jī)械手臂相配套的是CR751-D型機(jī)器人控制器，內(nèi)部集成多種串聯(lián)接口。

圖2三菱FR-2F-1D工業(yè)機(jī)器人本體

（2）示教器

    R33TB是一款用于三菱工業(yè)機(jī)器人的簡(jiǎn)易版示教單元。主要用于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行程序的創(chuàng)建、修改、管理及動(dòng)作位置的示教、JOG進(jìn)給等，在多個(gè)臺(tái)機(jī)器人的情況下可實(shí)現(xiàn)斷電多臺(tái)插拔，使用時(shí)將示教器的連接線(xiàn)插入控制器的TB接口。

圖2三菱R33TB示教器

    R57TB是一款高功能版機(jī)器人示教單元。用于進(jìn)行程序的創(chuàng)建、修改、管理及動(dòng)作位置的示教、JOG進(jìn)給等。該高功能版示教單元配備了使用觸摸屏的圖形用戶(hù)接口(GUI)，可以簡(jiǎn)便地進(jìn)行操作。

圖3三菱R57TB示教器

（3）COGNEX1100工業(yè)視覺(jué)傳感器

    康耐視產(chǎn)品包括廣泛應(yīng)用于全世界的工廠(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)及配送中心的條碼讀碼器、機(jī)器視覺(jué)傳感器和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)相機(jī)比，工業(yè)相機(jī)可實(shí)現(xiàn)程序的編輯與圖形對(duì)比，可長(zhǎng)時(shí)間工作，并且具有防水、防塵能力。

圖4COGNEX1100工業(yè)視覺(jué)傳感器

    康耐視視覺(jué)產(chǎn)品具有開(kāi)放的通訊協(xié)議和控制用I/O，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使用直觀的用戶(hù)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程配置。運(yùn)行期間，可通過(guò)該界面遠(yuǎn)程監(jiān)視傳感器的操作。還可以遠(yuǎn)程控制這些傳感器以更改設(shè)置和檢索結(jié)果。本設(shè)計(jì)使用的是In-SightMicro1100型黑白相機(jī)。

（4）三菱FX3U-80MR型PLC

    在整套設(shè)計(jì)中，PLC起著中間數(shù)據(jù)傳輸與邏輯處理的功能，為此采用三菱的FX3U系類(lèi)。由于PLC輸出信號(hào)有開(kāi)關(guān)信號(hào)（例如機(jī)器人的啟動(dòng)、急停信號(hào)）和電平信號(hào)（例如視覺(jué)傳感器的拍照信號(hào)），因此采用繼電器輸出。為了以后進(jìn)行改造、功能擴(kuò)展，為此采用80個(gè)點(diǎn)的FX3U-80MR/ES-A型PLC。

（5）FX3U-ENET-L以太網(wǎng)通信模塊

    由于整套系統(tǒng)用TCP/IP通信協(xié)議通訊，為此PLC上需要加掛一個(gè)用于通訊的FX3U-ENET-L以太網(wǎng)模塊。該模塊擁有一個(gè)RJ45通訊接口，加掛于PLC的模塊擴(kuò)展口，通過(guò)程序編輯，可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。

（6）GT1275觸摸屏

    三菱GT1275-VNBA屬于三菱可視化設(shè)備GOT1000系列中的高性能觸摸屏，擁有一塊分辨率為640×480的256色TFT顯示屏，支持單點(diǎn)觸控。內(nèi)置3MB內(nèi)存，滿(mǎn)足一般用戶(hù)使用需求，另外擁有一個(gè)USB接口、一個(gè)以太網(wǎng)接口、一個(gè)RS-232接口、一個(gè)RS-422/RS-485接口，并且支持CF卡。

（7）MR-J4伺服系統(tǒng)

    由于三菱CR751-D型機(jī)器人控制器其附加軸，支持三菱MR-J3-B與MR-J4-B型伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本次本設(shè)計(jì)使用的是MR-J4-20B型伺服驅(qū)動(dòng)器和HG-KR23J伺服電機(jī)。該伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率為200W，最高轉(zhuǎn)速3000r/min，最大可拖動(dòng)0.98Kg。

（8）邦納安全光幕

    美國(guó)邦納公司EZ-SCREEN二級(jí)光幕相應(yīng)速度快、靈敏度較高，因此本設(shè)計(jì)的安全光幕使用LS2TR30-600QB型光幕。

圖5BANNER安全光幕

設(shè)備硬件連接

（1）三菱FR-2F機(jī)器人接線(xiàn)

    三菱FR-2F工業(yè)機(jī)器人，分為FR-2F-D機(jī)器人本體與CR751-D控制器兩部分，另外還有R33TB或R57TB示教單元。整套系統(tǒng)只需對(duì)機(jī)器人控制器進(jìn)行供電，在控制器的ACIN接口1、3腳插入交流220V的市電即可。

    機(jī)器人本體與控制器之間的連接只需將CN1與CN2相連即可。CN1在控制器上的接口分為AMP1、AMP2、BRK三個(gè)接口，其中AMP1與AMP2為機(jī)器人電機(jī)電源用線(xiàn)，BRK為電機(jī)制動(dòng)單元用線(xiàn)；在機(jī)器人上CN1接口為圓形航空接頭。CN2接口為伺服電機(jī)信號(hào)線(xiàn)，只需兩側(cè)連接即可。機(jī)器人的示教單元R33TB或R57TB連接時(shí)（二選一），只需將示教器的插頭線(xiàn)連接到控制器上的TB接口即可。

    機(jī)器人附加軸的SSCNETⅢ網(wǎng)絡(luò)，需要配上伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)。SSCNETⅢ網(wǎng)絡(luò)的脈沖信號(hào)由控制器的ExtOPT口通過(guò)光纖傳輸?shù)剿欧姍C(jī)控制器上，而伺服電機(jī)的啟停、急停等信號(hào)通過(guò)SNUSR接口輸出。

    機(jī)器人上還需一個(gè)I/O信號(hào)給定接口，接在SNUSR1接口上。在SNRSR1接口上需要給機(jī)器人控制器手/自動(dòng)切換信號(hào)，以及機(jī)器人的急停信號(hào)，具體接線(xiàn)看圖6。

圖6SNUSR1接口接線(xiàn)

    機(jī)器人還需TCP/IP通信，為此在機(jī)器人控制器的LAN接口上插入一條RJ45標(biāo)準(zhǔn)8芯網(wǎng)線(xiàn)，與交換機(jī)相連接。在機(jī)器人控制器的USB口上接入一條USB通信線(xiàn)，就可通過(guò)RTToolBox2對(duì)機(jī)器人控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、程序編輯等。圖7所示為機(jī)器人CR751-D控制器接線(xiàn)效果圖。

圖7機(jī)器人CR751-D控制器接線(xiàn)效果圖

（2）三菱MR-J4-20B伺服接線(xiàn)

     三菱MR-J4伺服系統(tǒng)用于機(jī)器人的附加軸上，本設(shè)計(jì)使用一條附加軸。在伺服驅(qū)動(dòng)器上，將220V的市電送到CNP1的L1和L3兩個(gè)供電口，并且把控制部分供電端L11與L21并聯(lián)。將CNP3的輸出端U/V/W接到HG-KR23J伺服電機(jī)上，并將伺服電機(jī)的編碼器連接線(xiàn)接到CN2接口。而伺服的位置信號(hào)通過(guò)SSCNETⅢ網(wǎng)絡(luò)光纖接到CN1A接口。

     如圖8所示，伺服電機(jī)的控制線(xiàn)連接到CN3接口，將10號(hào)端子接到DC24V，將2、4、12、19號(hào)端子并聯(lián)接0V，通過(guò)這樣連接，伺服電機(jī)始終是啟動(dòng)狀態(tài)。由于伺服電機(jī)使用的是絕對(duì)位置編碼器，為此在CN4口上接上一塊鋰離子電池，用于保存位置信息。

圖8伺服電機(jī)接線(xiàn)圖

（4）三菱FX3U-80MRPLC接線(xiàn)

     三菱FX3U-80MR型PLC在整套系統(tǒng)中起著中間數(shù)據(jù)處理與機(jī)器人啟動(dòng)信信號(hào)、急停信號(hào)的給定，以及視覺(jué)相機(jī)拍照脈沖的給定等作用。因此，將氣動(dòng)抓手的加緊信號(hào)，以及伺服電機(jī)的限位信號(hào)、零點(diǎn)信號(hào)送入PLC。另外還需將外部按鈕、急停開(kāi)關(guān)信號(hào)送入PLC進(jìn)行處理。

    由于機(jī)器人的啟動(dòng)信號(hào)需要將SNUSR1接口的25和50、24和49連個(gè)信號(hào)接通，為此使用PLC上COM1與Y0、COM2與Y4進(jìn)行啟動(dòng)信號(hào)的給定。急停信號(hào)2和27由COM3和Y10來(lái)給定（正常時(shí)為高電平）。另外，視覺(jué)傳感器的拍照信號(hào)通過(guò)Y20給定，相機(jī)光源通過(guò)Y21給定。具體接線(xiàn)見(jiàn)圖9。

    由于本設(shè)計(jì)全套設(shè)備使用TCP/IP協(xié)議通訊，為此還需在PLC上加掛一個(gè)以太網(wǎng)模塊，本設(shè)計(jì)使用的是三菱FX3U-ENET-L以太網(wǎng)通訊模塊。使用時(shí)，將模塊的擴(kuò)展接線(xiàn)口插入FX3U-80MRPLC的模塊擴(kuò)展口上，并且給模塊上接上DC24V的供電電源，并在正面RJ45網(wǎng)線(xiàn)口上接一根網(wǎng)線(xiàn)到交換機(jī)。

圖9三菱FX3U-80MRPLC接線(xiàn)圖

SolidWorks機(jī)械設(shè)計(jì)

    利用SolidWorks軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與模擬操作，再解決不同包裝盒的自動(dòng)拆解、自動(dòng)壓蓋等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)原料的智能管理倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)構(gòu)等外部輔助設(shè)備。

（1）紙盒架設(shè)計(jì)

紙盒架為工業(yè)繼電器最后存放的地方，共有2*6個(gè)位置，按照所選工業(yè)繼電器的樣子進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，如圖10所示。

圖10紙盒架設(shè)計(jì)

（2）原料管設(shè)計(jì)

原料管為工業(yè)繼電器的存放區(qū)，通過(guò)伺服電機(jī)固定在滑臺(tái)座上，將工業(yè)繼電器依次從PVC管中按次推出，供機(jī)械手抓取。

圖11原料管設(shè)計(jì)

（3）機(jī)械手抓頭

圖12所示的機(jī)械手抓頭是用來(lái)抓取工業(yè)繼電器，并進(jìn)行包裝盒掀開(kāi)、合上的綜合機(jī)構(gòu)，它包括抓頭固定板、紙盒吸盤(pán)支架、繼電器吸盤(pán)支架、氣缸導(dǎo)桿、連接頭、抓手擋塊等。

圖12機(jī)械手抓頭

（4）拆裝工作臺(tái)

在完成好紙盒架、原料管、機(jī)械手抓頭等部件后，最重要的就是拆裝工作臺(tái)了，具體如圖13所示。它包括拆裝底板、氣缸固定件、拆裝光纖固定板、肋板、大蓋旋轉(zhuǎn)支架、翻叉、滑臺(tái)固定板、夾耳、大蓋壓板等。

圖13拆裝工作臺(tái)

結(jié)束語(yǔ)

    在Solidworks仿真軟件上測(cè)試各個(gè)機(jī)構(gòu)，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行實(shí)際加工及安裝，配上三菱機(jī)器人和可編程邏輯控制器系統(tǒng)，就實(shí)現(xiàn)工業(yè)繼電器智能化包裝的功能需求。通過(guò)對(duì)夾具、機(jī)器人工作流程及動(dòng)作的不斷調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)智能化包裝的最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]三菱電機(jī)工業(yè)機(jī)器人CR750/CR751控制器操作說(shuō)明書(shū)——功能和操作的詳細(xì)說(shuō)明[M].三菱電機(jī)（上海）有限公司

徐寧，男，1999-，浙江湖州人，大學(xué)專(zhuān)科，浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院在讀，研究方向：工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用;

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