基于三菱工业机器人的工件装配与搬运系统设计.docx

基于三菱工业机器人的工件装配与搬运系统设计颜建美，曹建军，潘乾坤（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164）摘 要：随着产品需求多样化、产品精度不断提高和新技术不断发展，生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率。文章采用三菱 rv-2sd 机器人和三菱 fx-3u plc 再配备气动装置和检测装置等设备，组成一个工件装配与搬运系统，按确定的轨迹完成工件的抓取、搬运、装配及入库任务。关键词：工件装配与搬运；机器人；plc中图分类号：tm571.61文献标识码：a文章编号：1006-8937（2014）28-0034-03doi：10.14165/ki.hunansci.2014.28.013the design of workpiece assembly and handling system based on industrialmitsubishi robotyan jian-mei，cao jian-jun，pan qian-kun（changzhou textile garment institute，changzhou，jiangsu 213164，china）abstract:with the continuous development of product diversification of demand，product precision is enhanced and new technology，enterprises are in urgent need of improvement of production technology，improve production efficiency. this paper uses rv-2sd andfx-3u plc mitsubishi robot mitsubishi equipped with pneumatic device and a detection device, consisting of a workpiece assembly and handling system，according to the determined track completion of workpiece grasping, handling, assembly and inbound task.keywords：workpiece assembly and handling；robot；plc从古至今，人类生活或劳动中都少不了进行工件装配与搬运。早期是全靠人力劳动实现的，既费时又辛苦， 劳动效率比较低。即使后来人们借助一些简单的机械装 置来增强自身能力与作用范围，但还是要有人员手动操作。随着计算机控制技术、检测控制技术和自动化控 制技术等的高速发展，工件装配与搬运系统越来越自动化， 利用自动化技术、计算机技术和检测技术等设计了一种 成本低、效率高的工件装配与搬运系统代替人工操作完成危险性和重复枯燥的工作，已经被广泛应用于大规模生产的制造行业。大大提高 了生产 效率 ，减少了人为因 素造成的废次品率，能连续、大批量地装配货物，误差率 低且劳动强度大大降低，在工件装配与搬运过程中取得了较好的控制效果1。将大工件从送料仓送至送料台；机器人从送料台抓取大工件，并把大工件搬运至 装配台；将小工件从推料仓推至推料台；机器人从 推料 台抓 取小工 件后 将其 搬运 至装配台，并与大工件进行装配；机器人将装配好的工件放至在对应的货架上。其它大小各5个工件都按上面的顺序进行装配，6个装 配 件 搬 运 到 货 架 上 时 遵 循 自 下 而 上 、从 右 至 左 的 规 律，即先按从右到左的顺序，将底下第1层排好3个装配 件，然后，再按从右到左的顺序将上面第2层排好3个装 配件。2系统总体方案设计1系统设计的任务要求根据系统的任务要求并结合现有设备对系统进行总体设计，系统框图，如图1所示。系统采用plc和工业机器人为控制核心，大小工件分别准备6个，其中，小工件形状为小圆柱体，大工件形 状为大圆柱体，中间有凹槽，正好可以放小圆柱体。大工 件放在送料仓，小工件放在推料仓，另外，提供两层的货 架。该系统需要实现以下几个任务：收稿日期：2014 - 08 - 10作者简介：颜建美（1982），女，江苏常州人，硕士研究生，讲师，研究方向：电气自动化、计算机技术。图1 系统框图第 33 卷第 28 期 颜建美，等：基于三菱工业机器人的工件装配与搬运系统设计 35 系统中，机器人控 制器 对机器 人本 体进 行控 制，让机器人本体启动、停止、复位和执行用户程序。可编程控 制器接收控制面板和检测装置输入的信号，通过执行用 户程序控制输出装置的动作，包括气动电磁阀线圈（控制送料和推料执行气缸的伸出和缩回运动）和机器人控制器的输入控制（控制机器人本体的动作）。机器人控制 器接收来自plc的信号，通过执行用户程序带动机器人 本体的运动，从而实现工件的装配、搬运与入库过程。送料装置中，包含送料执行气缸、送料仓和送料台，送料仓推料装置中，包含推料执行气缸、推料仓和推料台。检测 装置，包括检测送料仓和推料仓中、送料台和推料台上 中有无工件的光纤传感器，还包括检测送料气缸和推料气缸推出到位和缩回到位的磁性开关。气动装置，由空气压缩机、气压表、电磁阀等构成气流回路，为机器人本 体、送料和推料执行气缸的运动提供气流。控制面板上 设置plc 的 启动 、停止 、复位 、急 停 、推 料 按 钮 和 送 料 按 钮，还有自动/手动切换开关。根据系统的任务要求 ，可将整 个系 统分 为三 部分：送料单元、推料单元和入库单元。其中，送料单元，主要 是将大工件从送料仓送至送料台，接着机器人从送料台 抓取大工件，并把大工件搬运至装配台。推料单元，主要是将小工件从推料仓推至推料台，接着机器人从推料台抓取小工件后，将其搬运至装配台，并与大工件进行 装 配。入库单元，主要是机器人将装配好的工件放至在 货 架上，6个装配件搬运到货架上时，遵循从右至左、自下而上的规律。型的plc使用比较方便，而且价格 也便 宜。而 fx2n 已经停产，因此，系统中选用的是三菱fx3u-48mr 型可编程控制器。fx3u-48mr的端子接线排，如图2所示3，其中，输入端是x0-x27，共24点，它们的内部公共端是s/s。输出 端 是y0 -y27，共 24 点；y0 -y3 的 内 部 公 共 端 为 com1；y4 - y7 的 内 部 公 共 端 为 com2；y10 -y13 的 内 部 公 共 端 为 com3；y14-y17的内部公共端为com4；y20-y27的内部公共端为com5。图2 fx3u-48mr端子接线排3.2 工业机器人的选型系统中工件重量不大，生产要求也不高，所以选用的 是垂直多关节型工业机器人，可以节约成本，安装简单， 维护方便，并能够提高系统的柔性，增加作业范围4-5。因 为目前日本的工业机器人产品使用最多，国内市场拥有量大，性能比较好，因此，选用三菱公司的 rv -2sd 型工业机器人，配以cr1da-700型控制器和r32tb型机器人 示教单元。三菱rv-2sd型机器人本体结构 和运 动类似 于人的手臂。它具有6个自由度，完全能够满足系统中示教、定位、抓取、搬运、装配、入库等过程的需要。控制器cr1da-700是将机器人cpu系统、伺服驱动器、安全回路 等控制部分集合在一个盒子里。r32tb型机器人示教单 元根据人体工程学设计，改良了操作方式，显示性 能大大提高，操作比较方便，可以手动调节工业机器人 本体的空间位置，也能直接书写用户程序，让机器人按 用户需求完成相对应的工作。3.3 光纤传感器的选型考虑到系统中的工件不大，且选用的物料仓和物料台的空间也不大，而光纤传感器具有体积小和灵敏度比 较 高 的 优 点 ，因 此 ，优 先 选 择 光 纤 传 感 器 。选 用 的 是 bf3rx型光纤传感器，适合小型物体的检测，在其内部置 有双灵敏度调节，是高精度检测型光纤放大器，应答 速度在1 ms以下，通过粗调和细调功能实现微小灵敏度调节，可根据实际使用状况调节检测距离长短，增加 用户的选择空间6。系统中，若料台或料仓内无料，光纤传感器没有接受到反射光，无输出信号，传感器处于常态；反之，若有料光纤传感器则有输出信号。3.4 气缸的选择机构的行程比较短，气缸推动的工件比较小，因此，系统中采用 目前 自动 生产线 中常 用的 双作 用气缸日本smc公司的cdj2b15-80-b型号的执行气缸，该气缸内置磁环，安装形式是基本型（固定式），缸径为15 mm，标准行径为80 mm。3.5 磁性开关的选择系统中选用的是d-c73型磁性开关，一般放在气缸3系统的硬件结构设计根据系 统的 任务 要求 设计硬 件结 构。系 统中，以可编程控制器为控制核心，来接收传感器和按钮等信号， 控制指示灯、推料和送料气缸的电磁阀线圈以及工业机 器人控制器。系统中物料仓和物料台各有两 个，一 共需要4个光纤传感器。系统中，需要两个执行气缸，气缸 两边都要接磁性开关，需要用到4个检测其伸出和缩回到 位的磁性开关。plc的启动、停止、复位按钮等安装在一 个控制盒里。以上信号一般是开关量，作为plc的输入信号。plc的输出信号主要是控制面板上启动、停止等指示灯；还有控制两个执行气缸的线圈，实现气缸的伸 出和缩回运动；另外，控制工业机器人执行不同的运动。3.1 plc的选型考虑到本次系统设计的任务比较固定，而且控制要 求不是很高，所以优先选用整体式结构的plc。而在小型plc市场，三菱公司生产的plc占据了很大的市场。根据系统的控制要求，系统中plc的输入连接的设备为15个， 输出连接的设备为16个，确定全部的实际i/o总点数为31 个。再加上10%20%的点数的设计余量，从而最终确定 控制系统需要总的i/o点数为3538个，因此，选择输入输 出总点数为48的plc比较合适2。还考虑到继电器输出类 36 企 业 技 术 开 发 2014 年 10 月 的行程两端，用来判断是处于伸出状态还是缩回状态。3.6 电磁阀组的选择系统中，选用3个德国festo生产二位五通的单电控电磁阀，其中，两个用来控制送料和推料运动；还有一个用来控制机器人本体中气爪的抓取和松开运动。3.7 开关电源的选择plc输入电路要外接电源使用，而输出电路连接负载时，一定要外加电源，为了接线方便，设计时选用同一24 v dc电源。目前，生产开关电源厂家有很多，台湾明纬 公司成立于公元1982年，是世界标准交换式电源供应器 的领导品牌制造商之一。为此，选用dr导轨式开关电源， 型号为dr-120-24。改进。对机器人进行软件调 试时，首 先，要 明确 机器 人完 成的运动轨迹，明确各个位置变量名。可以用机器人 编 程软件rt toolbox2 chinese simplified 按照 需要的 运动轨迹编写程序，写完程序可以将其导入到机器人控制器，速度尽可能设置小一些，借助专用的示教单元合理设置 各个位置点，并在机器人编程软件中进行记录，确保设 备安全。将机器人程序进行单步运行，无问题后，再自动运行。如果以上都没问题，可以开启plc，加上气源，让机 器人和plc配合进行整体调试自动运行。此时要多观察， 工件是否能够按系统总体任务要求完成，尽量避免发生碰撞现象，如果出问题，随时按机器人的急停按钮，确保设备的安全。4系统的软件设计软件设计主要包含两 方面：一 方面 ，是使 用三 菱可编程控制器专用的gx-developer编程软件，实现plc对送 料气缸和推料气缸的控制以及对机器人的控制；另一方 面，是使用三菱工业机器人专用的rt toolbox2 chinese simplified 编 程软 件，实现 对机 器人 运行 轨迹 的控制 。因为系统整体可以分为送料、推料和入库三个单元，需 要可编程控制器和机器人共同作用才能实现，因此，在 软件设计时，按这三部分分别进行设计。6结 语本文采 用三 菱rv -2sd 机 器人 和 三 菱 fx -3u plc，配备气动装置和检测装置等设备，设计了一个工件装配 与搬运系统，完成了系统的硬件设计、软件设计和系 统 调试，能够按任务要求完成送料、推料、抓取、搬运、装配 和入库过程，运行情况良好，达到预期目标。本系统具有一定通用性，可以根据实际生产工艺要求，灵活编程，适应不同工件、不同路径搬运要求，可以24 h不间断的工作，大大提高工作效率。5系统的调试系统调试包括硬件调 试、软件 调试 和联 机调 试。硬件设计安装完成后，检查整个线路是否存在短路、断 路 现象，线头有无松动，所有电器是否都正确接上电源等。 未通电前，可单独检查电磁阀是否能够按要求控制气缸 的运动。如果没问题，可以先给硬件通电，检查传感器是否安装合适、气缸上的磁性开关是否起作用。然后，将空气压缩机接上，气缸动作是否工作正常。软件测试包括plc软件调试、机器人软件调试。plc软件调试是利用gx-developer软件给可编程控制器进行编程，编程完毕后，可以借助三菱仿真 软件 gx simula tor6-c对本系统进行初步仿真调试。如果没问题再将软 件和 硬 件 结 合 起 来 调 试 ，将 程 序 写 入 plc，直 接 控 制 硬 件。一旦直接与硬件连接调试，会出现很多问题，这就需 要结合实际问题，对硬件和软件设计进行不断地完善与参