柔性生產線機器人組裝單元設計*

羅庚興　馮安平

(佛山職業技術學院機電工程系，廣東 佛山 528137)

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柔性生產線機器人組裝單元設計*

羅庚興馮安平

(佛山職業技術學院機電工程系，廣東 佛山 528137)

介紹了一種柔性生產線機器人組裝單元控制系統，該系統以PLC為核心進行系統的硬件開發和軟件設計。闡述了機器人組裝單元的結構、工作原理，合理選取了系統硬件，進行了步進驅動控制系統和氣動控制系統的詳細設計，實現了機器人組裝單元夾放、定位、組裝等功能。

機器人；PLC；氣動控制系統；步進驅動系統

機械手作為柔性生產線的重要組成部分，具有動作精確、控制靈活、工作可靠、勞動效率高、成品率高等優點而被廣泛應用。以機械手為主要部件的機器人組裝單元是某柔性生產線的第4個生產環節，其主要用于完成以下功能：將料倉中的盒子抓取至工作臺上，然后從傳送帶上的小車中抓取工件放至盒子中，再將另一料倉中的盒蓋抓取至盒上完成組裝，最后將組裝后的產品搬運到傳送帶上的小車中。

1　機器人組裝單元的結構和工作原理

機器人組裝單元的結構示意如圖1所示。系統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個圓桶料倉、上料氣缸、支架和傳感器開關等組成。上料模塊主要作用是將圓桶料倉的工件盒和蓋子分別推送到各自的取料工位，等待組裝機械手取料。在每個氣缸都各安裝有2個磁性開關，用于判斷氣缸運動的極限位置。工件盒工位和蓋子工位均安裝有光電檢測傳感器，用于檢測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、組裝臺和傳感器開關等組成。X軸、Y軸、升降氣缸和手指氣缸構成組裝機械手。組裝機械手的工作過程：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。當電容傳感器檢測到運料小車來到，定位氣缸動作，阻擋小車前進。待組裝機器人完成產品組成后，定位氣缸復位，允許小車前進。

2　氣動控制回路設計

機器人組裝單元的氣動控制回路如圖2所示。氣動系統由氣源、氣動三聯件OZ、電磁閥、節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公司型號為SY5120-5DZ-01的產品。氣缸選用SMC公司的產品，手指氣缸1A選MHZ2-16D型號，上料氣缸2A和3A選MXS10-20型號，定位氣缸4A選CDU10-50D型號，升降氣缸5A選CXSM10-100型號。為了使各執行元件運動平穩，各氣缸的2個氣口裝有單向節流閥，型號選擇為SMC公司的ARJ1020F-M5。升降氣缸磁性開關(5S1、5S2、5S3)選用SMC公司的D-Z73L產品，上料氣缸磁性開關(2S1、2S2、3S1、3S2)選用SMC公司的D-C73L產品，手指氣缸和定位氣缸上不用位置檢測開關。

3　電氣控制系統設計

3.1PLC選型與I/O接口分配

PLC是機器人組裝單元的核心控制器。根據控制要求分析，PLC的輸入信號有：起、停和復位信號3個，檢測信號14個，共17個開關量輸入信號；輸出信號有：電磁閥控制信號5個，報警信號2個，X軸脈沖和Y軸脈沖及方向信號2組，共7個開關量輸出信

號和2組高速脈沖輸出信號。輸入輸出信號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點直流輸入，16點繼電器型輸出，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，完全可以滿足控制要求。

表1機器人組裝單元PLC的I/O地址分配表

設備名稱用途設備符號I地址設備名稱用途設備符號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上料一失敗報警HL1Q1.1上料二后限位3S2I1.2上料二失敗報警HL2Q1.2工件檢測一S5I1.3故障繼電器K01Q1.3工件檢測二S6I1.4———小車檢測S7I1.5———啟動按鈕SB1I1.6———停止按鈕SB2I1.7———復位按鈕SB3I2.0———

當上料一失敗，即有上料一動作后，但光電傳感器S5沒有檢測到盒子，報警指示燈HL1閃爍。同理，上料二動作后，光電傳感器S6沒有檢測到蓋子，報警指示燈HL2閃爍。

X軸超行程，或者Y軸超行程，故障繼電器K01動作，切斷步進驅動器電源，步進電動機停止運行，同時發出報警信號。

3.2運動控制

(1)組裝機械手運動軌跡

組裝機械手運動軌跡如圖3所示，機械手復位后位于原點O。系統啟動后，運動軌跡如下：O→A→C→F→C→B→C→E→O。其中，A點抓取盒子，B點抓取蓋子，F點抓取工件，C點組裝，E點放成品。抓放靠機械手實現，運行軌跡靠X軸和Y軸配合實現。

(2)控制器接線

運動控制系統由2臺兩相混合式6線步進電動機和2臺等角度恒力矩細分型驅動器組成。步進電動機型號分別為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，用于驅動X軸。后者額定電流4.2 A，保持力矩3.3N·m，用于驅動Y軸。驅動器型號分別為Q2HB44MC和

Q2HB68MC，電壓DC24～80 V，最高200細分，細分數1～200，前者驅動電流從0.5A/相到4A/相連續可調，后者驅動電流0.5～6A。圖4所示為X軸步進驅動器與步進電動機、PLC控制信號之間的接線圖。

(3)運動控制參數計算

以X軸為例。設移動速度為12.5 mm/s；絲桿螺距為10 mm；步進驅動器分辨率設置為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的計算公式為：

脈沖數SMD72計算公式為：

由圖3及上述公式可以計算出各段運動軌跡X軸的脈沖數 (SMD72)、Y軸的脈沖數 (SMD82)及各軸的方向，如表2所示。*表示停止狀態。

表2組裝機器人運動軌跡參數表

運動軌跡O→AA→CC→FF→CC→BB→CC→EE→D相對坐標/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

組裝機器人單元分為復位控制和自動控制兩種控制功能。

復位控制。一般系統重啟后，電磁閥均不得電，所有氣缸均為收回狀態。因此復位操作僅僅對組裝機械手而言。若初始時組裝機械手不在原點，即X軸右限位和Y軸上限位。此時，按下復位按鈕SB3，組裝機械手向上、向右運動，直到X軸運動到Y軸上限位，升降氣缸運動到X軸右限位。

自動控制。組裝機械手在原位O點。按下啟動按鈕SB1，上料模塊將圓桶料倉的工件盒和蓋子分別推送到各自的取料工位，同時上料組裝機械手從原位O點出發，先到A點抓取工件盒放到組裝位C。若運料小車到位，組裝機械手移動到小車F點抓取工件，放到C點的工件盒中，然后從B點抓取盒蓋，到C點蓋住盒子，再將包裝后的成品搬運到E點，放在運料小車上，機械手回到D點等待進入下一工作循環，同時運料小車自動開走。

任何時候按下停止按鈕SB2，組裝機械手在完成當前工作周期，返回D點后自動停止工作。

組裝機械手的工藝流程如圖5所示。

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

機械手轉移可以編寫子程序，通過修改不同運動軌跡下的參數，實現Q0.0和Q0.1脈沖輸出數量和方向的改變。比如A→C的運動軌跡，在機械手轉移(A→C)處理框中的程序為：

LD SM0.0

MOVDW 90 000，SMD72//設置X軸脈沖數

MOVDW 120 000，SMD82//設置Y軸脈沖數

S Q0.2，1//設置X軸方向

R Q0.3，1//設置Y軸方向

CALL 機械手轉移子程序//調用子程序，啟動Q0.0和Q0.1脈沖輸出

機械手轉移到位信號，由PTO空閑標志位SM66.7(=1，Q0.0空閑)和SM76.7(=1， Q0.1空閑)相與的結果產生。

4　結語

機器人組裝單元是較復雜的一個控制系統，主要體現在它的機械動作復雜，電氣控制聯鎖關系較多，需要進行精確定位控制。采用PLC對機器人組裝單元進行自動控制，既解決了本系統上料模塊、組裝模塊和運料小車之間的互鎖關系，實現了組裝機械手精確定位。控制系統經過運行調試，設備動作順暢、性能穩定、可靠性高。

[1]羅庚興,寧玉珊.氣動安裝機械手的PLC控制[J].制造業自動化,2011,33(1):82-84.

[2]羅庚興,歐陽錫暢.基于PLC的氣動安裝搬運機械手設計[J].機電工程技術,2010,39(7):33-35.

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

[4]張鐵軼,何國金,黃振峰.基于PLC控制的混合型氣動機械手的設計與實現[J].液壓與氣動,2008(9):6-8.

[5]羅庚興,寧玉珊. 基于PLC的步進電動機控制[J].機電工程技術,2007,36(10):66-67.

[6]SIEMENS公司. S7-200可編程序控制器系統手冊[Z].2008.

[7]姜佩東.液壓與氣動技術[M].北京:高等教育出版社,2002

(編輯譚弘穎)

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Design of robotic assembly unit in flexible production line

LUO Gengxing，FENG 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文獻標識：B

羅庚興，男，1972年生，碩士，教授，研究方向為PLC控制及自動化。

2015-09-15)

160414

*佛山職業技術學院科研項目：EAPS100型柔性生產加工培訓平臺的研究(KY2013G01)