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工业机械手控制技术在电子产品组装上的应用

发布日期:2020-04-21

摘要:在工业制造领域中,很多产品的生产过程存在着许多既不适合人工操做又极易导致工人疲劳、受伤的工作,比如工件太重、工作环境危险等。 该文主要论述利用机械手来代替人工作业的生产方式,在这种生产方式中,人只是起到辅助生产的作用,从而有利于降低人的劳动强度、提高设备利用率、提高生产效率及产品质量。


1引言

      本控制系统的设计用于 APPLE 一款电子产品 1394 的高速组装,一次完成 10 个产品的组装。 每个产品有一个塑胶和 20PIN 端子组成,PIN 距为 0.5mm。 PLC 为中央控制器,2 个伺服马达分别用于塑胶送料和高速插针,机械手用于各工位之间的承载搬运。


2 控制系统组成

      该系统由振动盘塑胶送料工位、塑胶伺服组装工位、伺 服 高 速 插针工位、端子压入工位、端子折 CARRY 工位和机械手搬运工位等 6部份组成。 其中高速插针工位又包含 1 个步进送料马达和 2 个伺服插针马达组成。 以 机械手为中心的控制系统图如图 1。

机械手


3 硬件设计

      本控制系统的硬件包括:空气开关、接触器、控制电源、人机 界 面HMI、PLC、步进马达、伺服马达、机器人机械手等。 其中人机界面 HMI采用 PRO-FACE HMI、PLC 采用三菱 FX2N PLC,步进马达采用东方步进马达 , 伺服马达采用松下伺服马达 ,机械手采用 DENSO 6 轴机械手。 其中 DENSO机械手的用法是本文的重点介绍内容。


3.1 人机界面

      考虑到经济实用人机界面采用 Pro-face 的黑白触摸屏。 在触摸屏上可以进行监视、操作和运行参数记录,触摸屏是系统的操作员站,人
机对话简单方便。 触摸屏与 CPU 的通信利用三菱公司的 FX2N-232BD通信板,通信协议采用 RS232。


3.2 PLC

      三菱 FX2N 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列。 具备如下特点:I/O 最大可支持 256 点、程序执行更快、全面增强了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足各种需要的大量特殊功能模块和网络模块。 考虑到生产 1 个产品的设计周期时间为 4 秒,故外围控制电路的动作次数频繁, 所以选用集体管输出类型的 PLC。 本系统选择 FX2N-128 MT PLC。 脉冲控制模块采用 FX2N-1PG,用于给伺服马达和步进马达发控制脉冲,实现高精度控制。


3.3 伺服马达

       松下(Panasonic)MINAS A4 系列交流伺服系统,系统响应快、精度高、体积小。 具有实时自动增益调整功能,速度响应频率可达1000Hz,位置指令脉冲最大频率可达 2Mpps,具有位置控制、速度控制、转矩控制和全闭环控制 4 种控制模式。 本控制系统采用位置控制模式。


3.4 RK 系列 5 相步进马达

        送料马达采用日本东方 5 相步进马达,其特点是驱动平滑,响应高,采用微步驱动的方式,可以将 5 相的 0.72°进行 250 级分割,用驱动器上的数位开关即可轻松设定。


3.5 机械手ROBOT

       在本控制设备中,由于动作繁琐,往复运动特别多,劳动量大,不适合人工作业, 所以采用机械手代替人工作业。 这里机械手采用日本DENSO 公司的 6 轴机械手。

1)机械手各轴介绍

      该机械手具有 6 个轴,各轴及旋转正方向的定义由图 2 所示,使用中要特别注意各个轴旋转的正方向:(+)所指方向为正方向,(-)所指方向为负方向。

机械手

2) 机械手的工作模式

     机械手有手动模式、教导检查模式和自动模式 3 种动作模式。 手动模式是使用多功能教导器、 小型教导器或 Operating panel 进行的手动操作机械手模式;教导检查模式是在教导之后使用多功能教导器为了最终检查程序中是否有错误而进行的带限制自动运行模式;自动模式是进行自动运行模式。 每种工作模式中又包含如图 3 的内容。

机械手

3) 机械手的位置数据保存

     机械手位置数据是一个空间变量即三维变量, 它包含 6 的自由度,其表达方式为(X,Y,Z,Rx,Ry,Rz)。 各变量具体含义如下:
X: 机械手法兰面中心相对于机械坐标原点的 X 轴位置数据
Y: 机械手法兰面中心相对于机械坐标原点的 Y 轴位置数据
Z: 机械手法兰面中心相对于机械坐标原点的 Z 轴位置数据
Rx: 机械手法兰面中心相对于机械 X 轴坐标的相对角度
Ry: 机械手法兰面中心相对于机械 Y 轴坐标的相对角度
Rz: 机械手法兰面中心相对于机械 Z 轴坐标的相对角度

4) 机械手与 PLC 对应的 IO 表 ,表 1 为机械手与 PLC 对应的 IO 表。

机械手

4 系统软件

      软件设计包括三部分:触摸屏的组态、PLC 控制程序和机械手控制程序。 触摸屏组态程序主要负责系统状态监控和发出控制命令;PLC 控制程序主要负责机器设备按照工艺要求运行及系统安全的软件保护 ;机械手控制程序实现 机械手的运动位置控制,同时完成载具的取放动作。 PLC 控制程序要与机械手控制程序相互辉映,做好信号交接。


5 结束语

      根据上述的思路和方法,由 PLC 控制机械手,取代人工作业,降 低了劳动成本,提高了设备的稳定性。 该设备已在富士康生产线上成功使用,设备运行良好。 结果表明系统设计合理,现场运行稳定可靠,不仅提高了设备的自动化运行水平,而且减轻了现场人员的维护量,有着明显的经济效益和社会效益。


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