多功能工業(yè)機器人實訓裝置的設計

葉 暉

（ABB（中國）有限公司廣州分公司，廣州，510623）

0 前言

自20世紀60年代初第一臺工業(yè)機器人問世到現(xiàn)在，短短50多年，工業(yè)機器人技術(shù)和周邊配套應用技術(shù)得到了迅速發(fā)展，工業(yè)機器人系統(tǒng)在自動化、智能化、定制化生產(chǎn)制造領域得到廣泛應用。隨著用工成本提升、制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的迫切需求，社會對工業(yè)機器人應用與維護人才的需求也不斷增多，使得企業(yè)迫切需要功能齊全、用于工業(yè)機器人技術(shù)學習的裝置，以滿足不同層次人才培養(yǎng)的設備需求。

1 實訓裝置的設計要求

實訓裝置以使用者學習工業(yè)機器人技術(shù)為主要目的，并兼顧與工業(yè)機器人工作站配套的PLC、觸摸屏、傳感器和氣動技術(shù)的學習。工業(yè)機器人典型基礎應用包括裝配、碼垛、壓鑄、檢測、軌跡等，要求以項目化和模塊化的形式設計實訓項目內(nèi)容，從而讓使用者在實訓室里完成各種典型工業(yè)機器人行業(yè)應用的學習。對此，我們將實訓裝置設計為一個開放式的工業(yè)機器人實訓平臺，以適應不同行業(yè)實際生產(chǎn)應用變化的需求。

2 實訓平臺臺架

開放式的工業(yè)機器人實訓平臺臺架，是各種功能模塊安裝的基礎，各類典型工業(yè)機器人應用模塊均可在平臺臺架上進行組合搭建，以適應不同實訓內(nèi)容的要求。

實訓平臺臺架主要由鋁型材、貼面板、加工件等搭建而成，如圖1所示，其四邊采用圓弧型材搭建，外形美觀。單個工作臺外形尺寸為：1600mm×1260mm×780mm。臺架分為上下兩層，上層用于安裝工業(yè)機器人和操作對象，下層用于安裝電氣控制柜和電器安裝板，或其他輔助裝置。工作臺三面都是雙開門，背面配備散熱風機，利于工業(yè)機器人控制柜等設備的安裝和散熱，底部裝有可調(diào)節(jié)高度的腳輪，方便設備移動和放置。

3 工業(yè)機器人的選型與配套設計

3.1 選型

機器人本體工作站主要由機器人安裝底座、工業(yè)機器人、工具夾具等組成。其中，工具夾具主要由氣缸、氣動手指、導電電極、真空氣路等組成。工具夾具固定在工業(yè)機器人第六軸法蘭盤上，可以直接夾取3種工具——真空吸盤工具、畫筆工具、TCP校準工具進行作業(yè)，也可以直接夾取方形工件進行搬運入庫工作。工具夾具在抓取拋光工裝和真空吸盤工裝時，電路和氣路能夠自動對接，無需人工輔助。

為了滿足緊湊、小巧、功能完善和性價比高的設計要求，工業(yè)機器人本體選用ABB的小型串聯(lián)6軸機器人，型號為IRB120-3/0.58，如圖2所示，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 ABB工業(yè)機器人IRB120

表1 IRB120主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)實際生產(chǎn)需要，工業(yè)機器人必須具備以下功能，以滿足實訓的需求：在機器人使用壽命內(nèi)，使用機器人離線軟件進行程序、I/O和機器人3D動態(tài)動作的監(jiān)控；遠程機器人系統(tǒng)具備備份與恢復功能，自動工具重量與載荷檢測設定功能，提供基于VB的二次開發(fā)功能，機器人全壽命保養(yǎng)自動維護檢測系統(tǒng)功能，機器人運動軌跡實時微調(diào)功能；自帶I/O自定義可編程按鈕功能；具備3D實時舒適搖桿手動操作系統(tǒng)；電池環(huán)保、電量節(jié)??；機器人系統(tǒng)功能可終身升級（高級用戶）；支持RAPID編程語言規(guī)范，并可直接解釋執(zhí)行；機器人控制系統(tǒng)軟件必須基于WINCE平臺，以便機器人二次開發(fā)；機器人控制系統(tǒng)原配固態(tài)存儲器容量不得低于1G，并支持USB擴展為副存儲器。

3.2 配套設計

為便于存放工具，我們?yōu)閷嵱栄b置設計了工具存放的支架。支架外形尺寸為：500mm×120mm×250mm，由鋁型材和加工件等搭建而成，并且底部裝有方便調(diào)節(jié)位置的安裝底板。工具支架采用鋁件陽極氧化噴砂，安裝底板采用Q235A件噴塑。工具支架可以放置3個子工具，以配合機器人工具夾具接口完成各種實訓工具切換的需要，如圖3所示。

圖3 工具存放支架

為滿足實際需要，我們設計了真空吸盤工具、畫筆工具和TCP校準工具3種子工具用于實訓，如圖4所示。

圖4 實訓子工具

4 工業(yè)機器人典型應用模塊設計

4.1 供料傳輸模塊

為了模擬訓練工業(yè)機器人搬運碼垛的實際工作情況，我們設計開發(fā)了一個供料傳輸模塊，如圖5所示。該模塊由傳送帶、供料機構(gòu)等組成。在工作過程中，工件首先在料倉中由氣動裝置推到傳送帶上，完成工件的供料傳輸，然后工件再經(jīng)傳送帶輸送到位后，由機器人抓取工件送入裝配單元。傳送帶由直流電機驅(qū)動，設有張緊機構(gòu)，方便調(diào)節(jié)。

4.2 裝配單元模塊

為了模擬訓練工業(yè)機器人物料組合裝配的實際工作情況，我們設計開發(fā)了一個裝配單元模塊，如圖6所示。該模塊由型材搭建支架、底座、工作底板、擋邊立柱等組成，其底座采用Q235A噴塑，工作底板采用鋁件陽極氧化噴砂，擋邊立柱采用鋼鍍鉻。擋邊立柱形成4個裝配區(qū)，供機器人抓取工件裝配；底座上有調(diào)節(jié)孔，方便位置調(diào)節(jié)。

4.3 碼垛單元模塊

為了模擬訓練工業(yè)機器人物料碼垛的實際工作情況，我們設計開發(fā)了碼垛單元模塊。該模塊由型材搭建支架、底座、工作底板等組成，其底座采用Q235A噴塑，工作底板采用鋁件陽極氧化噴砂。工作底板上裝有防護墊；底座上有調(diào)節(jié)孔，方便位置調(diào)節(jié)，如圖7所示。機器人抓取工件在工作底板上進行碼垛。

圖5 供料傳輸模塊

圖6 裝配單元模塊

4.4 壓鑄機單元模塊

為了模擬訓練工業(yè)機器人壓鑄機上下料的實際工作情況，我們設計開發(fā)了壓鑄機單元模塊。該模塊由型材搭建支架、壓鑄機構(gòu)、進料機構(gòu)、推料機構(gòu)等組成，其鋁質(zhì)部件采用陽極氧化噴砂處理，鋼質(zhì)部件則采用噴塑處理，機構(gòu)外圍安裝有鈑金罩殼和安全罩，既美觀又安全，如圖8所示。

在工作過程中，壓鑄機構(gòu)在接收到PLC控制指令信號后，向電磁閥發(fā)出電信號，使氣缸驅(qū)動動模在導桿上進行直線合模運動。在合模完畢后，工件從存儲單元中由氣缸推入壓鑄機構(gòu)的模腔內(nèi)，然后由PLC向電磁閥發(fā)出信號，使氣缸驅(qū)動動模在導桿上進行直線開模運動，到位后機器人將工件從壓鑄機構(gòu)取出，從而實現(xiàn)工件的模擬壓鑄過程。

圖7 碼垛單元模塊

圖8 壓鑄機單元模塊

4.5 檢測單元模塊

壓鑄完成之后的工件由工業(yè)機器人夾取到檢測機構(gòu)上進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果放置在指定位置。檢測單元模塊如圖9所示。

圖9 檢測單元模塊

4.6 軌跡模擬單元模塊

為了模擬訓練工業(yè)機器人軌跡應用的實際情況，我們設計開發(fā)了軌跡模擬單元模塊。該模塊由型材、底座、軌跡模擬板、畫圖板、紙張、磁鋼等組成。其底座采用Q235A噴塑，軌跡模擬板采用鋁件陽極氧化噴砂，畫圖板采用茶色有機玻璃，板內(nèi)嵌磁鋼。機器人可以抓取工裝進行軌跡模擬訓練，也可以將背面磁鋼固定的畫圖板放置到正面進行畫圖訓練，如圖10所示。

5 工業(yè)機器人整體布局設計

在完成工業(yè)機器人各模塊功能及結(jié)構(gòu)設計后，我們將所有模塊在平臺上按照機器人可到達范圍及模塊功能的實現(xiàn)需要進行整體布局設計，如圖11所示。

6 結(jié)論

ABB公司設計完成的多功能機器人實訓裝置，為培養(yǎng)實用型工業(yè)機器人安裝、調(diào)試和維護的自動化技術(shù)人員提供了高效、安全實訓學習平臺。

生產(chǎn)現(xiàn)場所使用的工業(yè)機器人均為單一工作站，而工業(yè)機器人人才培養(yǎng)的是復合型技能人才，要求專業(yè)技能高度綜合性，需要掌握的技術(shù)和技能要涵蓋工業(yè)機器人不同行業(yè)的應用，如：碼垛、搬運、上下料、壓鑄、傳輸線跟蹤、抓取等，故培訓裝置要能完成多種工業(yè)、行業(yè)應用的專業(yè)技能培訓，以減少用戶的設備投入成本，創(chuàng)造高經(jīng)濟價值。

圖10 軌跡模擬單元模塊

圖11 多功能工業(yè)機器人實訓裝置整體布局