基于工業機器人的3C產品自動生產線的設計*

陸 葉

（茂名職業技術學院機電信息系，廣東茂名525000）

0 引言

隨著智能制造的發展，工業機器人在生產線的應用日益廣泛，可以代替人工進行搬運、打磨拋光、裝配、噴涂等生產任務。國外的機器人自動化設備已成為生產設備的主流，在汽車、電子、機械制造等行業大量應用，而且機器人系統集成度高，向著數字化生產、智能化工廠的方向發展，如西門子、IBM等巨頭在生產、物料及信息方面高度自動化，實現了無人化生產。近年來，國內許多企業和學者在機器人自動化生產方面做了成功的探索及應用，如羅英俊等[1]研究了工業機器人加工生產線上的應用；劉涵茜[2]設計了機器人三維激光切割系統；張思卿[3]研究了面向智能化生產線六模塊工業機器人；李海東[4]分析了MOTOMAN工業機器人的自動化裝配過程等。但與國外相比，國內工業機器人應用產業仍存在差距。

3C電子產品屬于小批量、多批次生產，產品更新換代速度比較快，且由于物聯網、人工智能等技術的進步，產品的功能要求越來越高，生產過程融合了人臉識別、語言識別等技術。為更好地研究產品的智能制造過程，本文研究了基于工業機器人的3C電子產品自動生產線，該生產線以PLC作為控制核心，通過PLC、機器人、傳感器等之間的通信，利用觸摸屏輸入控制及監控，工業機器人沿著所規劃的軌跡來加工工件，實現3C產品的自動化生產。

1 生產線布局

如圖1所示工件，其加工需經過檢測、外殼四周打磨、按鍵安裝等多個工序。根據加工工藝要求，設計了工業機器人生產線，該生產線主要由供料、傳送檢測、打磨、裝配、出料5個工作站，配套4臺工業機器人等組成。工業機器人選取了1臺平面機器人及3臺垂直關節機器人，機器人依次完成取料、檢測、打磨、裝配、出料的生產過程[5]。利用UG軟件進行生產線的概念設計，建立的三維模型可以通過仿真，直觀演示生產線的工作過程，縮短開發周期，降低生產成本。建立生產線的整體布局如圖2。

圖1 工件

圖2 生產線的整體布局

2 系統硬件設計

2.1 系統工作站

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

2.2 工業機器人

目前國內外工業機器人品牌眾多，各有特點。富士康公司生產的Foxbot機器人有多種型號，能滿足生產線的搬運、打磨拋光、裝配、噴涂等生產任務的要求，且操作簡單方便，性價比高，因此本系統采用Foxbot機器人?？紤]到#1機器人工作任務簡單，主要是搬運工件，所以選用平面關節機器人，而#2～#4機器人要完成相對復雜的工作，需選用空間垂直關節機器人。4臺機器人的腕部末端都設計有不同的夾具，分別實現取放料、檢測搬運、打磨夾持、裝配等功能。機器人夾具均采用氣壓傳動控制，包含氣缸或真空發生器、吸盤、電磁閥、傳感器及機械部件等元件[6]。其中#1取料機器人設計的夾具是取料吸盤，更利于3C產品的搬運；#2檢測分揀機器人設計的同樣是吸盤夾具，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工件的位置是否正面向上，若是，則檢測合格；若否，則認為為不合格品；#3打磨機器人，打磨時選用打磨頭，打磨完畢后可快速轉換為手爪進行工件搬運，方便快捷，提高了生產效率；#4裝配及出料機器人，其夾具分為兩部分，一端吸取按鍵用于安裝在工件上，另一端來搬運裝配好的產品。

3 控制系統設計

3.1 系統通信

三菱PLC之間的通信通常有3種方式，其中N:N網絡通信，可以連接多達8臺FX系列PLC，連接成本低，應用廣泛[6]。本系統采用多臺PLC聯網，觸摸屏輸入控制的模式。昆侖通態觸摸屏用于上層數據處理及監控，三菱PLC對底層的機器人、傳感器等進行控制。本系統中有4臺PLC，其中1臺作為主站，3臺作為從站，各站通過RS-485標準接口進行連接。硬件上，PLC的COM端和RS485信號端要用雙絞線并聯連接。編程和調試后，通過串口編程電纜將程序下載到PLC的各個站，實現4臺工業機器人和其他周邊設備控制。

以傳送檢測工作站為例，選用PLC型號為三菱FX3U-32MR，FX3U系列PLC的存儲器容量大，運算和處理速度較快，功能更強大，可應用于小型自動化生產系統。為方便以后可以進行功能拓展，系統增加1個擴展輸入工作站FX2N-8EX。Foxbot機器人的I/O端口共有4組（PA、PB、PC、PD），每組有16個輸入、輸出點（0～15），即有64點輸入和64點輸出，其中組PA主要為機器人內部使用，組PB~PD開放給使用者對外聯機使用。傳送檢測工作站PLC與#2機器人的I/O信號分配如表1所示，PLC與#2機器人的電路如圖3所示。

圖3 傳送檢測工作站電路接線

表1 傳送檢測工作站PLC的I/O信號

3.2 機器人路徑規劃

以#3打磨及搬運機器人為例，分析機器人末端夾具的運動路線，其他機器人的路徑規劃方法與之類似。#3機器人在安全點P（0）等待，直到接收到PLC發送的打磨臺空的信號，#3機器人的打磨頭開始對工件的四周進行打磨，打磨完畢后，#3機器人末端執行器翻轉為手爪夾具，當接收到裝配臺為空的的信號后，#3機器人將工件搬運到裝配工作站上，返回安全點，如此循環。路徑規劃如圖4所示。

圖4 #3機器人打磨及搬運路徑規劃

根據機器人運動的路徑及控制的要求，分析機器人程序如下：

3.3 生產線流程設計

系統有2種工作方式：自動控制和手動操作。自動操作是聯機整線自動化控制，手動操作是單獨對各個工作站進行操作。根據加工自動生產線系統的整體流程和實際生產要求，進行觸摸屏組態軟件設計[7-8]，包括有主畫面、自動操作、手動操作、參數設置、監控I/O等模塊。當系統正常啟動后，通過操作觸摸屏，可以顯示及監控各個工作站的運行情況及工作進度。根據3C產品機器人生產線的工藝過程，設計的流程如圖5所示。

圖5 生產線程序設計流程

當系統上電后，自動檢測各工作站是否在原點位置，若某個工作站處于非原點狀態時，則單站操作回原點，使系統處于初始化狀態。若該生產線整機系統在自動運行中，安全門被打開或者按下總停止按鈕，則同時停止4臺機器人的運行，并提示報警信號，但不對PLC系統進行處理；若要恢復機器人運行，則需要再次按下總啟動按鈕。當托盤上有工件，#1機器人取料并放到傳送帶上，傳送帶帶動工件運動，當傳送帶末端傳感器檢測到工件，#2機器人開始檢測分揀工件，合格的工件將由#3機器人進行打磨工序，打磨完畢后運送到裝配工作站，由#4機器人進行裝配及產品出料。通過機器人、PLC、觸摸屏的程序設計、調試，生產線可實現單個工作站或聯網運行。

4 結束語

本文介紹了3C電子產品的工業機器人生產線的設計方案，通過生產線概念設計，確定了生產線的總體布局，開發了生產線各工作站的硬件系統，研究了生產線控制系統，經PLC、觸摸屏、機器人等設備的硬件選型，機器人的路徑規劃及生產線的流程設計，生產線安裝調試后，效果達到了預期要求。該生產線采用開放式設計，涵蓋工業機器人、傳感器、氣動控制、電氣控制等相關技術，可單站或整線聯網運行，系統部件可自由拆卸，可進行二次開發和創新，如增加視覺定位系統、數字化雙胞胎、大數據系統等功能，以實現在智能制造更多領域的應用。