陳 芳
基于工業(yè)機(jī)器人的3C產(chǎn)品柔性生產(chǎn)線電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)*
陳 芳
(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,廣東 深圳 518055)
在自動(dòng)化生產(chǎn)線中使用6自由度工業(yè)機(jī)器人能大大增強(qiáng)產(chǎn)線的通用性和適用性.本文基于手機(jī)、鼠標(biāo)和小車3種典型3C產(chǎn)品的裝配和裝盒工藝,闡述了產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線的總體方案,給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型.設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件架構(gòu),分析了單工作站PLC程序設(shè)計(jì)思路和機(jī)器人程序流程圖.軟件測(cè)試結(jié)果表明,整條產(chǎn)線能在單機(jī)和聯(lián)機(jī)模式下適應(yīng)多種典型產(chǎn)品的裝配裝盒工藝,有效地提高了設(shè)備利用率.
工業(yè)機(jī)器人;柔性生產(chǎn)線;3C產(chǎn)品;可編程邏輯控制器
“工業(yè)4.0”、“中國(guó)制造2025”和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等已成為社會(huì)廣泛熱議的話題[1].未來(lái)工廠的趨勢(shì)是從需求出發(fā),智慧制造,因此工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)出產(chǎn)品的可變性和工藝的多樣性提出了更高的要求.而柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線能夠最大限度地提高設(shè)備的利用率,為產(chǎn)品的生產(chǎn)提供相對(duì)穩(wěn)定的生產(chǎn)能力和較強(qiáng)的應(yīng)變能力[2].工業(yè)機(jī)器人作為一種工業(yè)領(lǐng)域的多自由度和多關(guān)節(jié)的機(jī)械手,在生產(chǎn)線中可以取代人去做單一、頻繁以及環(huán)境惡劣的工作.把工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到柔性生產(chǎn)線中可以大大地提升工業(yè)的產(chǎn)量和效率,并且提高產(chǎn)品的質(zhì)量[3].本文主要探討基于工業(yè)機(jī)器人的多種典型產(chǎn)品柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì).
該產(chǎn)線要求能適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn),系統(tǒng)可以應(yīng)用手機(jī)、鼠標(biāo)和小車3種典型3C產(chǎn)品生產(chǎn)裝配和裝盒入庫(kù)作業(yè),這3種產(chǎn)品的裝配及裝盒工藝分別如下:
1)手機(jī)工藝順序:打磨手機(jī)底殼+安裝手機(jī)鍵盤(pán)+安裝手機(jī)屏幕+安裝手機(jī)上蓋+手機(jī)成品入盒+手機(jī)成品盒加蓋.
2)鼠標(biāo)工藝順序:打磨鼠標(biāo)底殼+安裝鼠標(biāo)電池+安裝鼠標(biāo)上蓋+安裝鼠標(biāo)無(wú)線接收器+鼠標(biāo)成品入盒+鼠標(biāo)成品盒加蓋.
3)小車工藝順序:打磨小車車體+安裝小車前窗+安裝小車頂窗+安裝小車后窗+小車成品入盒+小車成品盒加蓋.
產(chǎn)品的零件和裝配件如圖1所示.
圖1 產(chǎn)品零件圖
分析以上3種典型3C產(chǎn)品裝配和裝盒的工藝過(guò)程,提取其3種工藝流程的共性,每種產(chǎn)品其完整的過(guò)程都包含以下6個(gè)工藝步驟,分別為:打磨,前期裝配,中期裝配,后期裝配,成品裝盒,加蓋入庫(kù).整個(gè)系統(tǒng)總體方案組成如圖2所示.
整個(gè)系統(tǒng)由6個(gè)子單元和1個(gè)系統(tǒng)信息總控單元組成,按照工藝流程,每個(gè)子單元完成一個(gè)獨(dú)立的工藝步驟.每個(gè)子單元既能單獨(dú)運(yùn)行,也能在系統(tǒng)信息總控單元發(fā)出總控指令的情況下6個(gè)子單元聯(lián)機(jī)按順序自動(dòng)運(yùn)行.
系統(tǒng)信息總控單元通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與總線進(jìn)行各單元集成作業(yè),系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)總線和TCP/IP協(xié)議讓總控單元與各子單元聯(lián)網(wǎng)[4].
圖2 系統(tǒng)總體方案圖
系統(tǒng)由1個(gè)系統(tǒng)信息總控單元和6個(gè)子單元組成.其中6個(gè)子單元的硬件組成大同小異,基本組成一樣.現(xiàn)在以第一個(gè)單元即工業(yè)機(jī)器人打磨單元為例說(shuō)明子單元的設(shè)備組成和功能.
工業(yè)機(jī)器人打磨單元由工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人快換工具、立體倉(cāng)庫(kù)、伺服旋轉(zhuǎn)變位機(jī)與夾具、皮帶輸送機(jī)、單元PLC電氣控制系統(tǒng)等部分組成.工業(yè)機(jī)器人采用ABB IRB 1410 型號(hào)的六軸串聯(lián)機(jī)器人,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠,工作范圍大,在弧焊、物料搬運(yùn)和過(guò)程應(yīng)用領(lǐng)域歷經(jīng)考驗(yàn)[5].
機(jī)器人快換接頭裝置采用氣立可滑軌氣缸驅(qū)動(dòng),可夾持其他多種末端工具,如圖3所示.快換工具使機(jī)器人的應(yīng)用更具柔性,增強(qiáng)了生產(chǎn)線自動(dòng)化程序[6].
圖3 快換接頭裝置和末端工具
單元配有3層3列共9個(gè)倉(cāng)位,分別用于放置手機(jī)底殼、鼠標(biāo)底殼、小車車體等作業(yè)工件.每個(gè)倉(cāng)位均安裝有定位裝置,采用防呆設(shè)計(jì),避免工件放置錯(cuò)誤.
為方便機(jī)器人裝配位置理想,每個(gè)單元都有一套伺服旋轉(zhuǎn)變位機(jī)[7],如圖4所示.變位機(jī)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用NRV30-50蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng).旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上部安裝氣動(dòng)夾具,并安裝接近傳感器限制旋轉(zhuǎn)行程.
圖4 伺服變位機(jī)
整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3條皮帶輸送機(jī),用于單元之間輸送系統(tǒng)作業(yè)工件.第1和2單元,3和4單元,5和6單元之間分別有1條.皮帶輸送機(jī)由金屬支架、皮帶、輥筒、電機(jī)與減速器等組成,采用單相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子調(diào)速.每個(gè)單元具有1個(gè)開(kāi)放式網(wǎng)孔板電氣控制柜與PLC電氣控制系統(tǒng),PLC控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1200,人機(jī)界面采用西門(mén)子KTP1000操作控制.
基于以上硬件組成,6個(gè)子單元協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)完整裝配和裝盒工藝.以手機(jī)產(chǎn)品為例,其工作流程如下:
1)工業(yè)機(jī)器人打磨單元:系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行,工業(yè)機(jī)器人移至工具庫(kù)使用快換工具裝置自動(dòng)夾持雙吸盤(pán)末端快換工具,然后移至鋁合金立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)吸取手機(jī)底殼,定位放置于伺服旋轉(zhuǎn)變位機(jī)氣動(dòng)夾具內(nèi),工業(yè)機(jī)器人至快換工具庫(kù)處更換為打磨末端快換工具,伺服旋轉(zhuǎn)變位機(jī)旋轉(zhuǎn)至合適角度,配合工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行打磨作業(yè).打磨作業(yè)完成后,伺服旋轉(zhuǎn)變位機(jī)回零停止,工業(yè)機(jī)器人至快換工具庫(kù)處更換為雙吸盤(pán)末端快換工具,吸取變位機(jī)上的手機(jī)底殼,搬運(yùn)放置于皮帶輸送機(jī)上,皮帶輸送機(jī)開(kāi)始運(yùn)行,為前期裝配工作站作業(yè)做準(zhǔn)備.
2)工業(yè)機(jī)器人前期裝配單元:當(dāng)傳送帶上的工件到位后,工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)夾持吸盤(pán)末端快換工具,到傳送帶末端拾取打磨好的手機(jī)底座并且定位放置于伺服旋轉(zhuǎn)變位機(jī)氣動(dòng)夾具內(nèi).然后工業(yè)機(jī)器人再更換為涂膠末端快換工具,變位機(jī)旋轉(zhuǎn),配合工業(yè)機(jī)器人完成涂膠作業(yè),工業(yè)機(jī)器人再更換為吸盤(pán)末端快換工具,吸取立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)手機(jī)按鍵,搬運(yùn)至伺服旋轉(zhuǎn)變位機(jī)的手機(jī)底座處,與手機(jī)底座進(jìn)行裝配.裝配作業(yè)完成,工業(yè)機(jī)器人換成手爪末端快換工具抓取裝配好按鍵的手機(jī)底座定位至下一個(gè)工作站的變位機(jī)上.
3)工業(yè)機(jī)器人中期裝配單元:當(dāng)變位機(jī)上工件到位后,工業(yè)機(jī)器人換至涂膠末端快換工具,變位機(jī)旋轉(zhuǎn)到位,配合機(jī)器人完成涂膠作業(yè);然后工業(yè)機(jī)器人換至吸盤(pán)末端快換工具吸取立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的手機(jī)屏幕,搬運(yùn)至變位機(jī)上,與手機(jī)底座進(jìn)行裝配.然后工業(yè)機(jī)器人再換至手爪末端快換工具,抓取裝配好手機(jī)屏幕的手機(jī)底座并放置到傳送帶上,傳送帶啟動(dòng)運(yùn)行,為后期裝配工作站做準(zhǔn)備.
4)工業(yè)機(jī)器人后期裝配單元:當(dāng)傳送帶工件到位后,工業(yè)機(jī)器人選取手爪末端快換工具,抓取安裝好按鍵和屏幕的手機(jī)底座定位到變位機(jī)上,然后再更換涂膠末端快換工具,變位機(jī)旋轉(zhuǎn)到位配合機(jī)器人完成涂膠,然后工業(yè)機(jī)器人再更換手爪末端快換工具抓取立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的手機(jī)上蓋,并定位至變位機(jī)上與手機(jī)底座進(jìn)行裝配.
5)工業(yè)機(jī)器人成品裝盒單元:工業(yè)機(jī)器人直接使用快換連接頭抓取立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的成品盒定位至變位機(jī)上.然后換取手爪末端快換工具,并抓取后期裝配單元變位機(jī)上裝配好的手機(jī),并移至成品裝盒單元變位機(jī)上的成品盒內(nèi).工業(yè)機(jī)器人將手爪末端快換工具還回工具庫(kù),直接用快換連接頭將變位機(jī)上的成品盒抓取定位至傳送帶上,傳送帶啟動(dòng),為成品盒加蓋工作站做準(zhǔn)備.
6)工業(yè)機(jī)器人成品盒加蓋入庫(kù)單元:工業(yè)機(jī)器人使用快換連接頭抓取傳送帶上的成品盒,并定位至變位機(jī)上的氣動(dòng)夾具內(nèi),然后更換吸盤(pán)末端快換工具從立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)拾取成品盒蓋,并定位至變位機(jī)為成品盒完成加蓋.最后機(jī)器人將末端工具還至工具庫(kù),使用快換連接頭抓取加蓋后的成品盒移至倉(cāng)庫(kù)對(duì)應(yīng)位置.至此,整個(gè)手機(jī)裝配裝盒流程結(jié)束.
鼠標(biāo)和小車的裝配生產(chǎn)流程與手機(jī)類似,這里不再贅述.
整個(gè)軟件系統(tǒng)由1個(gè)總控單元和6個(gè)工藝子單元組成.總控軟件由高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)完成,總控單元通過(guò)modbus TCP協(xié)議與各子單元做數(shù)據(jù)交換,起到監(jiān)控并協(xié)調(diào)管理各分站單元按流程作業(yè)的功能.各子單元由PLC程序控制,每個(gè)單元有一套獨(dú)立的PLC控制程序控制.PLC與PLC之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線連接,如圖5所示.子單元中的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)由機(jī)器人內(nèi)部程序控制,機(jī)器人可以通過(guò)DeviceNet總線上的DSQC652通信板上的I/O信號(hào)與PLC進(jìn)行通信[8].
該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)工作模式:?jiǎn)螜C(jī)模式/聯(lián)機(jī)模式.在單機(jī)模式下,可以通過(guò)示教盒或觸摸屏等獨(dú)立操縱機(jī)器人或變位機(jī)或傳送帶運(yùn)動(dòng).聯(lián)機(jī)模式下,由總控單元發(fā)出指令,6個(gè)工藝子單元協(xié)同順序動(dòng)作,連續(xù)完成整個(gè)裝配裝盒工藝過(guò)程.
根據(jù)工藝流程,整個(gè)PLC項(xiàng)目由6個(gè)PLC程序和6個(gè)HMI程序組成,其整個(gè)PLC項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)視圖如圖6所示.其中每個(gè)工作站的包含1個(gè)PLC程序和1個(gè)HMI程序.單工作站PLC程序控制的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)3個(gè)主要執(zhí)行器即機(jī)器人、變位機(jī)和傳送帶之間的動(dòng)作,如圖7所示.每個(gè)單元由一個(gè)獨(dú)立的PLC控制,采用博途S7-1200軟件編寫(xiě)PLC程序.單元PLC程序設(shè)計(jì)有3個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)塊,分別為總控?cái)?shù)據(jù)塊,流程數(shù)據(jù)塊和工作站數(shù)據(jù)塊.
圖5 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖
圖6 PLC項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)視圖
圖7 子單元PLC結(jié)構(gòu)圖
總控?cái)?shù)據(jù)塊是信息系統(tǒng)總控單元與PLC使用Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)區(qū),是聯(lián)機(jī)模式的命令和狀態(tài)數(shù)據(jù),其主要內(nèi)容見(jiàn)表1.流程數(shù)據(jù)塊是聯(lián)機(jī)模式下,機(jī)器人,傳送帶,變位機(jī)3個(gè)執(zhí)行器接收到的命令信號(hào),其主要內(nèi)容見(jiàn)表2.
工作站數(shù)據(jù)塊里包含了聯(lián)機(jī)模式和單機(jī)模式下的機(jī)器人、傳送帶和變位機(jī)三個(gè)執(zhí)行器詳細(xì)的命令和狀態(tài)數(shù)據(jù).表3為工作站數(shù)據(jù)塊中的機(jī)器人部分的主要內(nèi)容,傳送帶和變位機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與機(jī)器人部分類似.
表1 總控?cái)?shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)
表2 流程數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)
表3 流程數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)
單元PLC主程序OB1中依次調(diào)用5個(gè)功能塊,如圖8所示.其中“總控通訊”FB實(shí)現(xiàn):1)使用MB_SERVER即Modbus TCP服務(wù)器指令接收并處理“信息系統(tǒng)總控單元”客戶端的連接請(qǐng)求,并將全局?jǐn)?shù)據(jù)塊中的“通訊數(shù)據(jù)塊”作為服務(wù)器和客戶機(jī)通信的數(shù)據(jù)區(qū)[9].2)將聯(lián)機(jī)模式下通訊數(shù)據(jù)塊中的命令傳送給流程數(shù)據(jù)塊.
“傳送帶”FB實(shí)現(xiàn):1)將“流程數(shù)據(jù)塊中”的聯(lián)機(jī)模式命令和單機(jī)模式下來(lái)自HMI面板的命令傳送給工作站數(shù)據(jù)塊中的傳送帶部分;2)完成以下順序動(dòng)作:傳送帶復(fù)位、傳送帶電機(jī)啟動(dòng)、傳送帶運(yùn)送工件到達(dá)傳送帶末端、傳送任務(wù)完成后發(fā)出傳送完成請(qǐng)求響應(yīng)的信號(hào)給通訊數(shù)據(jù)塊,便于信息系統(tǒng)總控單元通知下一個(gè)工作站啟動(dòng).
“變位機(jī)”FB實(shí)現(xiàn):1)將“流程數(shù)據(jù)塊中”的聯(lián)機(jī)模式命令和單機(jī)模式下來(lái)自HMI面板的命令傳送給工作站數(shù)據(jù)塊中的變位機(jī)部分;2)完成以下順序動(dòng)作:變位機(jī)復(fù)位、變位機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行、變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到位檢測(cè)、變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到位后發(fā)送信號(hào)給工作站數(shù)據(jù)塊的機(jī)器人部分,以便機(jī)器人進(jìn)行下一步動(dòng)作.
“機(jī)器人”FB實(shí)現(xiàn):1)將“流程數(shù)據(jù)塊中”的聯(lián)機(jī)模式命令和單機(jī)模式下來(lái)自HMI面板的命令傳送給工作站數(shù)據(jù)塊中的機(jī)器人部分;2)完成以下順序動(dòng)作:機(jī)器人復(fù)位、機(jī)器人運(yùn)行程序號(hào)判別、機(jī)器人發(fā)送變位機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)命令、機(jī)器人接收變位機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到位信號(hào)進(jìn)行處理,機(jī)器人裝配完成后回到初始狀態(tài).
“系統(tǒng)報(bào)警”FB實(shí)現(xiàn):急停、變位機(jī)伺服報(bào)警,傳送帶變頻器報(bào)警等報(bào)警顯示、報(bào)警喇叭和報(bào)警指示燈處理.
6個(gè)子單元的工業(yè)機(jī)器人程序結(jié)構(gòu)方法類似,僅僅工藝路線和位置有細(xì)微區(qū)別,下面以第一個(gè)打磨單元的機(jī)器人程序?yàn)槔M(jìn)行分析.其主程序流程如圖9所示.
打磨工作站的機(jī)器人主程序首先進(jìn)行中斷處理初始化,然后根據(jù)單元PLC傳過(guò)來(lái)的組輸入信號(hào)Ctrl的值[5]進(jìn)行判斷,當(dāng)Ctrl=1~9(即接收到1~9號(hào)工件的命令)時(shí),分別進(jìn)行第1~9分支的打磨工件子程序,當(dāng)Ctrl=10時(shí)(即接收到機(jī)器人復(fù)位命令),進(jìn)行第10分支的機(jī)器人回零復(fù)位子程序.
中斷處理初始化子程序主要對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行初始化,包括取消指定的中斷,連接中斷標(biāo)識(shí)符到中斷指定程序,根據(jù)組輸入信號(hào)Ctrl觸發(fā)中斷.當(dāng)組輸入信號(hào)Ctrl=15(即接收到停止命令)時(shí),輸出狀態(tài)Statue=0,并且機(jī)器人停止.打磨工件子程序流程圖如圖10所示.
圖8 單元PLC程序架構(gòu)圖
圖9 單元機(jī)器人主程序流程圖
圖10 單元機(jī)器人打磨子程序流程圖
系統(tǒng)功能測(cè)試按單機(jī)模式和聯(lián)機(jī)模式2種模式分別進(jìn)行.
單機(jī)模式下測(cè)試可使用示教盒和觸摸屏實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作站監(jiān)控.觸摸屏單機(jī)監(jiān)控畫(huà)面分為主畫(huà)面和子畫(huà)面.打磨單元主畫(huà)面如圖11a所示.子畫(huà)面有系統(tǒng)報(bào)警畫(huà)面,工作站機(jī)器人監(jiān)控畫(huà)面和單元傳送帶和變位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面.
聯(lián)機(jī)模式下測(cè)試需總控單元和6個(gè)子單元一起配合.測(cè)試之前需要做好以下準(zhǔn)備工作:各單元立體倉(cāng)庫(kù)中的工件應(yīng)按要求擺放,快換工具均放置在工具庫(kù)中指定位置,各單元PLC信號(hào)均處于復(fù)位狀態(tài),各單元的工業(yè)機(jī)器人均處于自動(dòng)運(yùn)行模式,并且程序指針指向main的第一條語(yǔ)句.然后運(yùn)行總控計(jì)算機(jī)上的總控軟件,如圖11b所示,產(chǎn)線運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)如圖11c所示.通過(guò)測(cè)試,整條產(chǎn)線整體調(diào)試結(jié)果符合預(yù)期效果,能適合典型3C產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn),有效提高了產(chǎn)線的設(shè)備利用率,該產(chǎn)線方案有較強(qiáng)的通用性,對(duì)于柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的研制、應(yīng)用和推廣具有一定的借鑒意義.
圖11 系統(tǒng)測(cè)試畫(huà)面
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Electrical System Design for 3C Product Flexible Production Line Based on Industrial Robot
CHEN Fang
()
Using 6-DOF industrial robots in automatic production lines can greatly enhance the versatility and applicability of production lines. Based on the assembly and boxing technology of three typical 3C products, namely, mobile phone, mouse and car, the overall scheme of product automatic production line is expounded, and the system hardware design and selection is given. The software architecture of the system is designed. The design idea of work station PLC program and the flow chart of robot program are analyzed. The software test results show that the whole production line can adapt to the assembly and boxing process of multiple typical products under the single and on-line mode, and effectively improve the utilization rate of equipment.
industrial robot; flexible production line; 3C product; PLC
10.13899/j.cnki.szptxb.2020.01.002
2019-09-16
深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研平臺(tái)“面向3C行業(yè)的機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用研究中心”(項(xiàng)目編號(hào):601822KP2101)部分成果
陳芳,女,漢族,湖南人,副教授,碩士研究生,主要從事機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化技術(shù)研究.
TG659
A
1672-0318(2020)01-0008-08
深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2020年1期