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摘要

    在工業(yè)生產(chǎn)過程中，相對于傳統(tǒng)測量包裝方法，機器人技術的最大優(yōu)點是快速、準確、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計和機械機構設計方案。

關鍵詞工業(yè)機器人；工業(yè)繼電器；智能化包裝

前言

    經(jīng)過調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，一般人工包裝一盒繼電器的時間大約在15～22秒之間，如果在包裝過程中需要更換產(chǎn)品種類或型號所產(chǎn)生的生產(chǎn)停頓時間較長，其中更換產(chǎn)品包裝盒與產(chǎn)品非常繁瑣及費時。另外有部分工廠使用了自動包裝機，這種非標準定制的自動包裝機采購成本相當高，并且每臺機器只能包裝指定的品種和型號，無法滿足一機多用的功能。

    進一步測量統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，繼電器外形尺寸相差無幾，但是不同電壓、不同觸點對數(shù)的繼電器較難區(qū)分。另外包裝紙盒與內(nèi)部PVC固定架的配套廠家在生產(chǎn)時為方便區(qū)分與管理，進行過沖孔標記或模具文字標記等型號標記，因此要求相應繼電器必須放入到指定的包裝盒內(nèi)。為此使用工業(yè)機器人系統(tǒng)來實現(xiàn)該項工作，為生產(chǎn)廠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)機器人實現(xiàn)繼電器一機多用的自動包裝，需要解決機器人抓取機構、包裝盒自動拆裝機構、原料智能管理倉儲、工業(yè)視覺傳感器自動識別、系統(tǒng)設備聯(lián)網(wǎng)及自動控制等技術。

智能化控制系統(tǒng)構成

    工業(yè)繼電器包裝智能化系統(tǒng)是一套基于工業(yè)機器人的智能設備（圖1），整體由工業(yè)機器人、PLC、觸摸屏、工業(yè)相機、伺服驅(qū)動器及電機等組成。它可以實現(xiàn)對繼電器的抓取、擺放、識別，以及對繼電器包裝盒的移動、掀開、合上等動作。在此過程中，通過HMI的可視化界面，實現(xiàn)各種操作畫面，并且通過機器人的SSCNETⅢ網(wǎng)絡控制附加軸的伺服電機，實現(xiàn)繼電器的快速供料。

圖1三菱FR-2F工業(yè)機器人象棋教學儀器的構成

（1）三菱FR-2F工業(yè)機器人

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

圖2三菱FR-2F-1D工業(yè)機器人本體

（2）示教器

    R33TB是一款用于三菱工業(yè)機器人的簡易版示教單元。主要用于對機器人進行程序的創(chuàng)建、修改、管理及動作位置的示教、JOG進給等，在多個臺機器人的情況下可實現(xiàn)斷電多臺插拔，使用時將示教器的連接線插入控制器的TB接口。

圖2三菱R33TB示教器

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

圖3三菱R57TB示教器

（3）COGNEX1100工業(yè)視覺傳感器

    康耐視產(chǎn)品包括廣泛應用于全世界的工廠、倉庫及配送中心的條碼讀碼器、機器視覺傳感器和機器視覺系統(tǒng)。與傳統(tǒng)相機比，工業(yè)相機可實現(xiàn)程序的編輯與圖形對比，可長時間工作，并且具有防水、防塵能力。

圖4COGNEX1100工業(yè)視覺傳感器

    康耐視視覺產(chǎn)品具有開放的通訊協(xié)議和控制用I/O，可以通過網(wǎng)絡使用直觀的用戶界面進行遠程配置。運行期間，可通過該界面遠程監(jiān)視傳感器的操作。還可以遠程控制這些傳感器以更改設置和檢索結果。本設計使用的是In-SightMicro1100型黑白相機。

（4）三菱FX3U-80MR型PLC

    在整套設計中，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。由于PLC輸出信號有開關信號（例如機器人的啟動、急停信號）和電平信號（例如視覺傳感器的拍照信號），因此采用繼電器輸出。為了以后進行改造、功能擴展，為此采用80個點的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上需要加掛一個用于通訊的FX3U-ENET-L以太網(wǎng)模塊。該模塊擁有一個RJ45通訊接口，加掛于PLC的模塊擴展口，通過程序編輯，可實現(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，支持單點觸控。內(nèi)置3MB內(nèi)存，滿足一般用戶使用需求，另外擁有一個USB接口、一個以太網(wǎng)接口、一個RS-232接口、一個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)動系統(tǒng)。本次本設計使用的是MR-J4-20B型伺服驅(qū)動器和HG-KR23J伺服電機。該伺服驅(qū)動系統(tǒng)功率為200W，最高轉(zhuǎn)速3000r/min，最大可拖動0.98Kg。

（8）邦納安全光幕

    美國邦納公司EZ-SCREEN二級光幕相應速度快、靈敏度較高，因此本設計的安全光幕使用LS2TR30-600QB型光幕。

圖5BANNER安全光幕

設備硬件連接

（1）三菱FR-2F機器人接線

    三菱FR-2F工業(yè)機器人，分為FR-2F-D機器人本體與CR751-D控制器兩部分，另外還有R33TB或R57TB示教單元。整套系統(tǒng)只需對機器人控制器進行供電，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三個接口，其中AMP1與AMP2為機器人電機電源用線，BRK為電機制動單元用線；在機器人上CN1接口為圓形航空接頭。CN2接口為伺服電機信號線，只需兩側連接即可。機器人的示教單元R33TB或R57TB連接時（二選一），只需將示教器的插頭線連接到控制器上的TB接口即可。

    機器人附加軸的SSCNETⅢ網(wǎng)絡，需要配上伺服電機驅(qū)動器與伺服電機。SSCNETⅢ網(wǎng)絡的脈沖信號由控制器的ExtOPT口通過光纖傳輸?shù)剿欧姍C控制器上，而伺服電機的啟停、急停等信號通過SNUSR接口輸出。

    機器人上還需一個I/O信號給定接口，接在SNUSR1接口上。在SNRSR1接口上需要給機器人控制器手/自動切換信號，以及機器人的急停信號，具體接線看圖6。

圖6SNUSR1接口接線

    機器人還需TCP/IP通信，為此在機器人控制器的LAN接口上插入一條RJ45標準8芯網(wǎng)線，與交換機相連接。在機器人控制器的USB口上接入一條USB通信線，就可通過RTToolBox2對機器人控制器進行參數(shù)設置、程序編輯等。圖7所示為機器人CR751-D控制器接線效果圖。

圖7機器人CR751-D控制器接線效果圖

（2）三菱MR-J4-20B伺服接線

     三菱MR-J4伺服系統(tǒng)用于機器人的附加軸上，本設計使用一條附加軸。在伺服驅(qū)動器上，將220V的市電送到CNP1的L1和L3兩個供電口，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伺服電機上，并將伺服電機的編碼器連接線接到CN2接口。而伺服的位置信號通過SSCNETⅢ網(wǎng)絡光纖接到CN1A接口。

     如圖8所示，伺服電機的控制線連接到CN3接口，將10號端子接到DC24V，將2、4、12、19號端子并聯(lián)接0V，通過這樣連接，伺服電機始終是啟動狀態(tài)。由于伺服電機使用的是絕對位置編碼器，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伺服電機接線圖

（4）三菱FX3U-80MRPLC接線

     三菱FX3U-80MR型PLC在整套系統(tǒng)中起著中間數(shù)據(jù)處理與機器人啟動信信號、急停信號的給定，以及視覺相機拍照脈沖的給定等作用。因此，將氣動抓手的加緊信號，以及伺服電機的限位信號、零點信號送入PLC。另外還需將外部按鈕、急停開關信號送入PLC進行處理。

    由于機器人的啟動信號需要將SNUSR1接口的25和50、24和49連個信號接通，為此使用PLC上COM1與Y0、COM2與Y4進行啟動信號的給定。急停信號2和27由COM3和Y10來給定（正常時為高電平）。另外，視覺傳感器的拍照信號通過Y20給定，相機光源通過Y21給定。具體接線見圖9。

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

圖9三菱FX3U-80MRPLC接線圖

SolidWorks機械設計

    利用SolidWorks軟件進行仿真設計與模擬操作，再解決不同包裝盒的自動拆解、自動壓蓋等機構的設計，然后設計原料的智能管理倉儲機構等外部輔助設備。

（1）紙盒架設計

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

圖10紙盒架設計

（2）原料管設計

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

圖11原料管設計

（3）機械手抓頭

圖12所示的機械手抓頭是用來抓取工業(yè)繼電器，并進行包裝盒掀開、合上的綜合機構，它包括抓頭固定板、紙盒吸盤支架、繼電器吸盤支架、氣缸導桿、連接頭、抓手擋塊等。

圖12機械手抓頭

（4）拆裝工作臺

在完成好紙盒架、原料管、機械手抓頭等部件后，最重要的就是拆裝工作臺了，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、滑臺固定板、夾耳、大蓋壓板等。

圖13拆裝工作臺

結束語

    在Solidworks仿真軟件上測試各個機構，確認無誤后進行實際加工及安裝，配上三菱機器人和可編程邏輯控制器系統(tǒng)，就實現(xiàn)工業(yè)繼電器智能化包裝的功能需求。通過對夾具、機器人工作流程及動作的不斷調(diào)整，最終實現(xiàn)智能化包裝的最優(yōu)化。

參考文獻：

[1]三菱電機工業(yè)機器人CR750/CR751控制器操作說明書——功能和操作的詳細說明[M].三菱電機（上海）有限公司

徐寧，男，1999-，浙江湖州人，大學專科，浙江工商職業(yè)技術學院在讀，研究方向：工業(yè)機器人應用;

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