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机械制造杂志在线阅读
工业机器人自动上下料控制系统的设计
张琛 倪受东 张静
1,南京工业大学机械与动力工程学院 南京211800
2,南京工业大学先进材料研究院 南京211800
---文章选自机械制造杂志
摘要:以安川MS165工业机器人为研究对象,分析了工业机器人上下料系统的组成与工艺流程并对其机械结构与控制系统的设计进行了介绍,给出了控制系统电气原理图与部分控制程序梯形图。产 品预加工显示,所设计的工业机器人自动上下料控制系统运行情况良好,可以提高生产效率。
关键词:工业机器人 自动控制设计
中图分类号:TH39 文献标志码:A 文章编号:1000 - 4998 (2018)09-0005-03
1设计背景
工业机器人模仿人的手臂,按照设定的路径等参 数进行物件的抓取、搬运及其它动作,是目前工业自动 化生产中常用的设备之一。笔者所研究的工业机器人自动上下料系统,是在阀门壳体加工生产线中通过设定好的可编程序控制器(PLC)来控制工业机器人的动作,实现三台机床的自动上下料。由于此项操作重复 性强、工作强度高,手工操作不能满足大批量生产的实 际需求,而工业机器人可以快速准确地长时间作业,重 复定位精度高,环境适应性好,可以极大地提高生产效 率。可见,工业机器人可以用高精度智能化的操作代替 人力1,所以对工业机器人的柔性控制系统进行研究 并将其应用到工厂实际生产中很有必要。
2上下料系统组成及工艺流程
笔者选用安川MS165机器人来完成阀门壳体)工生产线的自动上下料。安川MS165工业机器人是款高效率,多功能工业机器人,主要由本体,驱动系级控制系统和示教器四个基本部分组成(2,具有两个手。
根据工艺流程,阀门壳体需要在数控车床、液压组 合钻床、数控磨床等三台机床上依次进行加工。壳体毛 坯首先通过进料传送带运送到指定位置,由工业机器 人抓取并经过数控车床(1号)、液压组合钻床(2号)、 数控磨床(3号)依次加工,最后通过出料传送带完成 相关的操作。根据阀门壳体加工工艺流程,建立了如图 1所示由传送带、工业机器人及其控制系统,以及三台 机床组成的自动上下料加工生产线,现场辅以加工自 动线安全围栏。
阀门壳体生产线的工艺流程为:①进料,1号壳体由进料传送带运送到相应位置;②1号机器人抓手打开,抓取1号壳体后关闭;
③2号壳体进入相同的位置,2号机器抓手打开,抓取2号壳体后关闭;④进入机械加工工艺流程,1号机床,2号机床,3号机床依次完成相关工序的加工;⑤1号机器人抓手打开,然后2号机器人抓手打开,出料。在进料口和出料口由传感器控制实现 两端的限位功能。由于工艺流程需要,在2号机床与3号机床中间设置中转台装置,结构为台阶型的V形块,用于壳体的掉头装夹3),即当工件在2号机床加工完成,工业机器人将壳体取出后,借助中转台装置换夹壳体另一端。两个壳体经过三台机床的依次加工后,通 过工业机器人的准确放置由出料传送带送出。
3机械结构设计
为提高生产效率,采用双工位非标夹具设计机器 人抓手。壳体进入机床前,机器人先将未加工壳体夹持 在1号工位上,然后旋转180,使用2号工位抓取另 一个未加工壳体,待两个壳体全部抓取完毕后,进入机 床加工系统。
气压传动系统由过滤器、减压阀、单向阀、电磁换 向阀、储气罐等元件组成。为满足加工不同型号壳体的 装夹需求,抓手不直接安装在机器人上,而是通过快换 接头连接。压缩空气利用四通连接管分为三条气路,其 中两条气路分别用于控制两个抓手打开和关闭,第三 条气路用于控制快换接头连接与断开。由三位五通电 磁换向阀控制抓手气缸的换向[)。电磁换向阀线图一个得电后,压缩空气进入两个夹持气缸的右腔,推动活塞杆向左运动,夹紧壳体。反之,电磁换向阀线圈B得电后,活塞杆向右运动,在弹簧力作用下松开壳体。
机器人抓手的转动由电磁换向阀、齿条、齿轮和转 动轴共同完成。压缩空气通过电磁换向阀分别进入两 个转动气缸,推动活塞杆运动。活塞推动齿条运动,齿 条再带动齿轮和转动轴转动,从而实现抓手的转动。
在机械结构设计完成后,根据上下料机器人的整 体结构及项目实施的具体原理,通过示教器模拟设计控制要求和运动动作,进而设计人机界面,编制梯形图,将人机界面导入触摸屏,并将梯形图导入PLC1)触摸屏与PLC相连,操作者控制触摸屏,触摸屏控制PLC动作,PLC根据程序向执行件发送信号,控制执行件的运动,实现阀门壳体生产线的运行。工业机器人按 制系统原理如图2所示。
4控制系统设计
PLC通过数字或模拟输入输出信号控制整个机械生产过程。选择三菱LO2CPU型PLC作为工业机器人的控制器,根据具体的控制要求向各个控制对象分配输人输出地址,并且在进出料传送带上加以光电传感器、减速器等辅助装置。选用的三菱L02CPU型PLC具有较多的输入输出点,较强的模块拓展能力,较快的运算速度,较好的内部集成特殊功能,内置RS-USB Ethermet,能够满足工业机器人柔性控制系统的需求。
光电传感器用来检测壳体在传送带上的位置,然后将信号反馈给PLC,其它控制模块包括开关,警报等10 PLC控制系统电气原理图如图3所示。
传送带由电机经减速器拖动实现运行,由接触器 控制电机的正反转。电机的正反转决定了传送带的运 转方向,同时在上下料传送带的边缘处设置传感器,控 制电机的停止。工件的定位通过设置行程开关来实现 非标机械夹具的夹紧功能通过控制电磁换向阀驱动气 缸来实现。
使用Gx-works2编程软件梯形图编辑器创建程序,编写完程序之后便可以进行相关的仿真调试。当确认程序无误后,将所有程序下载至PLC。在Gx-works2环境下,对控制程序进行组合编辑后,通过电缆下载至PLC的中央处理器模块,接通电源、运行控制程序,观察工业机器人的运动情况。试验结果表明,工业机器人 执行动作符合预先的设定要求,控制电路与控制程序 运行安全可靠。PLC部分梯形图如图4所示。
田于安川机器人的结构为多关节式,因此使用示 教盒可以针对处于工作原点的机器人,用手动按键示 教其在今后工作中所要完成的动作。触摸屏的主要程序包括设备初始化,界面程序,参数设置,模式选择和系统管理等,作为人机界面,触摸屏可以接收PLC操作指令,并显示控制柜的系统状态。基于安川机器人示教器,在设计完成后进行关键位置点的示教及调整,实现机器人在手动模式进行取料,搬运及其它动作,最后实现与PLC信号交换,然后进行仿真模拟,进而完善机器人程序(3)。通电前再次确认各气缸及传感器的初 始状态,检查机器人的硬件连接是否正确。确定无误后 通电并载入程序,根据示教好的点进行程序调试),工 业机器人现场调试如图5所示。
5结束语
阀门壳体生产线经过调试后,已实际投入生产使 用,整条生产线安全平稳运行,能够连续工作。这套基于PLC与工业机器人的自动化上下料系统具有高度的自动化水平,可以大大减轻工人的劳动强度(10,极大地提高了阀门壳体的加工效率。
参考文献
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作者简介:
张琛(1994-) ,男,硕士研究生,主要研究方向为工业机器人电气控制;倪受东(1966-) ,男,副教授,主要研究方向为机电一体化设计及应用。
(编辑 志强)
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