摘要

在工業生產過程中，相對于傳統測量包裝方法，機器人技術的最大優點是快速、準確、可靠與智能化。本文介紹一種工業繼電器智能化包裝的電氣設計和機械機構設計方案。

關鍵詞工業機器人；工業繼電器；智能化包裝

前言

經過調查后發現，一般人工包裝一盒繼電器的時間大約在15～22秒之間，如果在包裝過程中需要更換產品種類或型號所產生的生產停頓時間較長，其中更換產品包裝盒與產品非常繁瑣及費時。另外有部分工廠使用了自動包裝機，這種非標準定制的自動包裝機采購成本相當高，并且每臺機器只能包裝指定的品種和型號，無法滿足一機多用的功能。

進一步測量統計后發現，繼電器外形尺寸相差無幾，但是不同電壓、不同觸點對數的繼電器較難區分。另外包裝紙盒與內部PVC固定架的配套廠家在生產時為方便區分與管理，進行過沖孔標記或模具文字標記等型號標記，因此要求相應繼電器必須放入到指定的包裝盒內。為此使用工業機器人系統來實現該項工作，為生產廠家提供高效的包裝效率與縮減用于包裝上的人工成本。

利用工業機器人實現繼電器一機多用的自動包裝，需要解決機器人抓取機構、包裝盒自動拆裝機構、原料智能管理倉儲、工業視覺傳感器自動識別、系統設備聯網及自動控制等技術。

智能化控制系統構成

工業繼電器包裝智能化系統是一套基于工業機器人的智能設備（圖1），整體由工業機器人、PLC、觸摸屏、工業相機、伺服驅動器及電機等組成。它可以實現對繼電器的抓取、擺放、識別，以及對繼電器包裝盒的移動、掀開、合上等動作。在此過程中，通過HMI的可視化界面，實現各種操作畫面，并且通過機器人的SSCNETⅢ網絡控制附加軸的伺服電機，實現繼電器的快速供料。

圖1三菱FR-2F工業機器人象棋教學儀器的構成

（1）三菱FR-2F工業機器人

三菱FR-2F型工業機器人是由日本三菱電機株式會社設計、制造的一款多用途立式機器人，該機械手由機器人本體FR-2F-1D與控制器CR751-D組成，最大可搬運2Kg的物品。FR-2F-1D是一款仿人型的立式機械手臂，可實現空間任意位置的6自由度運動。其中J1軸的基座用于固定，J6軸的法蘭面用于安裝氣動抓手。與機械手臂相配套的是CR751-D型機器人控制器，內部集成多種串聯接口。

圖2三菱FR-2F-1D工業機器人本體

（2）示教器

R33TB是一款用于三菱工業機器人的簡易版示教單元。主要用于對機器人進行程序的創建、修改、管理及動作位置的示教、JOG進給等，在多個臺機器人的情況下可實現斷電多臺插拔，使用時將示教器的連接線插入控制器的TB接口。

圖2三菱R33TB示教器

R57TB是一款高功能版機器人示教單元。用于進行程序的創建、修改、管理及動作位置的示教、JOG進給等。該高功能版示教單元配備了使用觸摸屏的圖形用戶接口(GUI)，可以簡便地進行操作。

圖3三菱R57TB示教器

（3）COGNEX1100工業視覺傳感器

康耐視產品包括廣泛應用于全世界的工廠、倉庫及配送中心的條碼讀碼器、機器視覺傳感器和機器視覺系統。與傳統相機比，工業相機可實現程序的編輯與圖形對比，可長時間工作，并且具有防水、防塵能力。

圖4COGNEX1100工業視覺傳感器

康耐視視覺產品具有開放的通訊協議和控制用I/O，可以通過網絡使用直觀的用戶界面進行遠程配置。運行期間，可通過該界面遠程監視傳感器的操作。還可以遠程控制這些傳感器以更改設置和檢索結果。本設計使用的是In-SightMicro1100型黑白相機。

（4）三菱FX3U-80MR型PLC

在整套設計中，PLC起著中間數據傳輸與邏輯處理的功能，為此采用三菱的FX3U系類。由于PLC輸出信號有開關信號（例如機器人的啟動、急停信號）和電平信號（例如視覺傳感器的拍照信號），因此采用繼電器輸出。為了以后進行改造、功能擴展，為此采用80個點的FX3U-80MR/ES-A型PLC。

（5）FX3U-ENET-L以太網通信模塊

由于整套系統用TCP/IP通信協議通訊，為此PLC上需要加掛一個用于通訊的FX3U-ENET-L以太網模塊。該模塊擁有一個RJ45通訊接口，加掛于PLC的模塊擴展口，通過程序編輯，可實現以太網數據交換。

（6）GT1275觸摸屏

三菱GT1275-VNBA屬于三菱可視化設備GOT1000系列中的高性能觸摸屏，擁有一塊分辨率為640×480的256色TFT顯示屏，支持單點觸控。內置3MB內存，滿足一般用戶使用需求，另外擁有一個USB接口、一個以太網接口、一個RS-232接口、一個RS-422/RS-485接口，并且支持CF卡。

（7）MR-J4伺服系統

由于三菱CR751-D型機器人控制器其附加軸，支持三菱MR-J3-B與MR-J4-B型伺服驅動系統。本次本設計使用的是MR-J4-20B型伺服驅動器和HG-KR23J伺服電機。該伺服驅動系統功率為200W，最高轉速3000r/min，最大可拖動0.98Kg。

（8）邦納安全光幕

美國邦納公司EZ-SCREEN二級光幕相應速度快、靈敏度較高，因此本設計的安全光幕使用LS2TR30-600QB型光幕。

圖5BANNER安全光幕

設備硬件連接

（1）三菱FR-2F機器人接線

三菱FR-2F工業機器人，分為FR-2F-D機器人本體與CR751-D控制器兩部分，另外還有R33TB或R57TB示教單元。整套系統只需對機器人控制器進行供電，在控制器的ACIN接口1、3腳插入交流220V的市電即可。

機器人本體與控制器之間的連接只需將CN1與CN2相連即可。CN1在控制器上的接口分為AMP1、AMP2、BRK三個接口，其中AMP1與AMP2為機器人電機電源用線，BRK為電機制動單元用線；在機器人上CN1接口為圓形航空接頭。CN2接口為伺服電機信號線，只需兩側連接即可。機器人的示教單元R33TB或R57TB連接時（二選一），只需將示教器的插頭線連接到控制器上的TB接口即可。

機器人附加軸的SSCNETⅢ網絡，需要配上伺服電機驅動器與伺服電機。SSCNETⅢ網絡的脈沖信號由控制器的ExtOPT口通過光纖傳輸到伺服電機控制器上，而伺服電機的啟停、急停等信號通過SNUSR接口輸出。

機器人上還需一個I/O信號給定接口，接在SNUSR1接口上。在SNRSR1接口上需要給機器人控制器手/自動切換信號，以及機器人的急停信號，具體接線看圖6。

圖6SNUSR1接口接線

機器人還需TCP/IP通信，為此在機器人控制器的LAN接口上插入一條RJ45標準8芯網線，與交換機相連接。在機器人控制器的USB口上接入一條USB通信線，就可通過RTToolBox2對機器人控制器進行參數設置、程序編輯等。圖7所示為機器人CR751-D控制器接線效果圖。

圖7機器人CR751-D控制器接線效果圖

（2）三菱MR-J4-20B伺服接線

三菱MR-J4伺服系統用于機器人的附加軸上，本設計使用一條附加軸。在伺服驅動器上，將220V的市電送到CNP1的L1和L3兩個供電口，并且把控制部分供電端L11與L21并聯。將CNP3的輸出端U/V/W接到HG-KR23J伺服電機上，并將伺服電機的編碼器連接線接到CN2接口。而伺服的位置信號通過SSCNETⅢ網絡光纖接到CN1A接口。

如圖8所示，伺服電機的控制線連接到CN3接口，將10號端子接到DC24V，將2、4、12、19號端子并聯接0V，通過這樣連接，伺服電機始終是啟動狀態。由于伺服電機使用的是絕對位置編碼器，為此在CN4口上接上一塊鋰離子電池，用于保存位置信息。

圖8伺服電機接線圖

（4）三菱FX3U-80MRPLC接線

三菱FX3U-80MR型PLC在整套系統中起著中間數據處理與機器人啟動信信號、急停信號的給定，以及視覺相機拍照脈沖的給定等作用。因此，將氣動抓手的加緊信號，以及伺服電機的限位信號、零點信號送入PLC。另外還需將外部按鈕、急停開關信號送入PLC進行處理。

由于機器人的啟動信號需要將SNUSR1接口的25和50、24和49連個信號接通，為此使用PLC上COM1與Y0、COM2與Y4進行啟動信號的給定。急停信號2和27由COM3和Y10來給定（正常時為高電平）。另外，視覺傳感器的拍照信號通過Y20給定，相機光源通過Y21給定。具體接線見圖9。

由于本設計全套設備使用TCP/IP協議通訊，為此還需在PLC上加掛一個以太網模塊，本設計使用的是三菱FX3U-ENET-L以太網通訊模塊。使用時，將模塊的擴展接線口插入FX3U-80MRPLC的模塊擴展口上，并且給模塊上接上DC24V的供電電源，并在正面RJ45網線口上接一根網線到交換機。

圖9三菱FX3U-80MRPLC接線圖

SolidWorks機械設計

利用SolidWorks軟件進行仿真設計與模擬操作，再解決不同包裝盒的自動拆解、自動壓蓋等機構的設計，然后設計原料的智能管理倉儲機構等外部輔助設備。

（1）紙盒架設計

紙盒架為工業繼電器最后存放的地方，共有2*6個位置，按照所選工業繼電器的樣子進行合理化設計，如圖10所示。

圖10紙盒架設計

（2）原料管設計

原料管為工業繼電器的存放區，通過伺服電機固定在滑臺座上，將工業繼電器依次從PVC管中按次推出，供機械手抓取。

圖11原料管設計

（3）機械手抓頭

圖12所示的機械手抓頭是用來抓取工業繼電器，并進行包裝盒掀開、合上的綜合機構，它包括抓頭固定板、紙盒吸盤支架、繼電器吸盤支架、氣缸導桿、連接頭、抓手擋塊等。

圖12機械手抓頭

（4）拆裝工作臺

在完成好紙盒架、原料管、機械手抓頭等部件后，最重要的就是拆裝工作臺了，具體如圖13所示。它包括拆裝底板、氣缸固定件、拆裝光纖固定板、肋板、大蓋旋轉支架、翻叉、滑臺固定板、夾耳、大蓋壓板等。

圖13拆裝工作臺

結束語

在Solidworks仿真軟件上測試各個機構，確認無誤后進行實際加工及安裝，配上三菱機器人和可編程邏輯控制器系統，就實現工業繼電器智能化包裝的功能需求。通過對夾具、機器人工作流程及動作的不斷調整，最終實現智能化包裝的最優化。

參考文獻：

[1]三菱電機工業機器人CR750/CR751控制器操作說明書——功能和操作的詳細說明[M].三菱電機（上海）有限公司

徐寧，男，1999-，浙江湖州人，大學?？?，浙江工商職業技術學院在讀，研究方向：工業機器人應用;

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