基于工業(yè)機(jī)器人電工實(shí)訓(xùn)平臺的改造升級

茍良

摘 要：為了改善我校實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件，積極探索工業(yè)機(jī)器人電工實(shí)習(xí)在培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高職技能人才中的工程教育作用，對現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行改造升級。改造升級內(nèi)容包括視覺系統(tǒng)、機(jī)器人工裝夾具、生產(chǎn)線和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。改造后的實(shí)訓(xùn)平臺將教學(xué)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、科技創(chuàng)新能力提供了良好的條件。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;電工實(shí)習(xí);改造

一、引言

工業(yè)機(jī)器人電工實(shí)習(xí)是工科院校一門重要的綜合性實(shí)踐課程，主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生在工業(yè)機(jī)器人電工方面的操作技能和解決實(shí)際問題的能力。隨著國家產(chǎn)業(yè)升級和智能制造的深入推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人方向的電工技能人才技能需求不斷擴(kuò)充變化，工作對象涵蓋PLC、觸摸屏、變頻器、組態(tài)技術(shù)、智能傳感器、工業(yè)機(jī)器人等眾多自動化技術(shù)。新對人才技能需求對實(shí)訓(xùn)平臺提出了更高的要求。

二、當(dāng)前實(shí)訓(xùn)平臺概述

我校現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人電工實(shí)習(xí)平臺是2015年全國職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用”指定競賽設(shè)備——HBHX-RCPS-C10型工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺，它主要包括工業(yè)機(jī)器人、AGV 機(jī)器人、托盤生產(chǎn)線、工件盒生產(chǎn)線、視覺系統(tǒng)和立體倉庫等六部分組成，如圖1 所示。

系統(tǒng)的主要工作目標(biāo)是將工件從立體倉庫上取出，通過AGV 機(jī)器人搬運(yùn)到托盤生產(chǎn)線上，并通過托盤生產(chǎn)線上的視覺系統(tǒng)對工件進(jìn)行識別，然后由工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工件盒的抓取及分類裝箱。視覺系統(tǒng)檢測位置如圖2所示。

三、實(shí)訓(xùn)平臺改造與創(chuàng)新

（一）關(guān)于視覺系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容升級

改造平臺視覺系統(tǒng)采用信捷公司的X-sight SV4-30ml智能視覺傳感器。該系統(tǒng)包括鏡頭、智能相機(jī)和光源控制器三部分。系統(tǒng)中智能相機(jī)和PC 機(jī)之間使用RJ45 網(wǎng)口連接。PC 機(jī)主要用于智能相機(jī)圖像的處理、編程、程序下載、監(jiān)控等。相機(jī)的控制可通過SIC-242 光源控制器與PLC 連接來控制，SIC-242 型光源控制器通過雙絞線與PLC 連接通信。相機(jī)程序需要利用X-Sight studio 圖像處理軟件對光源控制器進(jìn)行預(yù)先的編程，將采集到的圖像轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的數(shù)字量信息。相機(jī)通過對工件比對的特征值進(jìn)行學(xué)習(xí)采樣，做成模板。相機(jī)正常運(yùn)行時，將拍照完成后的工件信息與模板中的工件信息進(jìn)行比對并顯示相應(yīng)的結(jié)果。

在以往的實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生通過使用X-Sight studio 圖像處理軟件視覺工具欄中“定位工具”的子菜單項“圖案定位”即可完成特征值標(biāo)定，如判斷工件大小、形狀、圓孔數(shù)量。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，缺陷工件的出現(xiàn)總是不能完全避免的，如諧波減速器和輸出法蘭中的多孔或少孔問題。增加對缺陷工件的檢測是平臺視覺系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容升級的方向。在升級過程中，首先嘗試了“瑕疵檢測”“定位工具”中的眾多功能選項，但效果和成功率都不理想。通過多次研究分析，最終通過“計數(shù)工具”里的“圓孔計數(shù)”結(jié)合腳本程序算法解決了缺陷件的檢測問題。

（二）關(guān)于機(jī)器人工裝夾具的改造升級

工業(yè)機(jī)器人的外部工裝是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，是機(jī)器人最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可分為搬運(yùn)、加工、測量等用途。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。吸附式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)又稱吸盤，有氣吸式和磁吸式兩種，分別利用吸盤內(nèi)負(fù)壓產(chǎn)生吸力來吸住并移動工件。改造平臺的工業(yè)機(jī)器人為了配合自動生產(chǎn)線工作，采用吸盤內(nèi)負(fù)壓產(chǎn)生吸力來移動工件及收集空托盤，為了保證抓取到的物體在工業(yè)機(jī)器人動作的過程中不會掉落下來，改造平臺使用了單吸盤和雙吸盤的工裝夾具，單吸盤用于移動工件，雙吸盤用于將空托盤放置到托盤收集處。

改造平臺工業(yè)機(jī)器人工裝夾具雖有兩個可切換工具，但都為吸盤結(jié)構(gòu)，不能吸取沒有上表面的中空結(jié)構(gòu)工件，如關(guān)節(jié)底座。改造升級后的機(jī)器人工裝夾具將原單吸盤的部分修改成了氣動三爪卡盤，用于抓取中空工件;將原雙吸盤縮小，用于吸取平面工件和空托盤。同時，為了增加機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定的精度，設(shè)計了用于標(biāo)定雙吸盤工具坐標(biāo)系的標(biāo)定尖針，分為活動端標(biāo)定尖針與固定端標(biāo)定尖針?；顒佣说臉?biāo)定尖針安裝在機(jī)器人雙吸盤的連接桿上，固定端的尖針則安裝在裝配流水線的備料庫中間的M8螺紋孔中。

新的夾具包含的執(zhí)行元件是一個三爪卡盤和兩個真空吸盤。原機(jī)器人本體中已經(jīng)穿了兩路氣管，其中一根用于驅(qū)動真空吸盤，另一路則連接到三爪卡盤。因三爪卡盤需要兩條氣路，所以需要在機(jī)器人本體中再穿一根Φ4的氣管，機(jī)器人四節(jié)的蓋板也需要增加一個Φ13的通孔，用于安裝Φ4的隔板直通。為了與三爪卡盤氣缸配套，同時將機(jī)器人底座內(nèi)的電磁閥進(jìn)行了更換，將原來用于驅(qū)動單吸盤的兩位三通閥更換為兩位五通閥，電磁閥連接電路不變。

（三）關(guān)于生產(chǎn)線的改造升級

改造平臺的工件盒生產(chǎn)線最多可放3 個工件盒，每個工件盒8 格，每格可放1～2 層，最多可放置16 個工件。工件盒生產(chǎn)線與工業(yè)機(jī)器人配合能完成工件盒分揀任務(wù)。分揀雖是工業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，但學(xué)生若僅掌握工業(yè)機(jī)器人分揀技術(shù)是不夠的。為了豐富實(shí)訓(xùn)內(nèi)容和層次，生產(chǎn)線改造升級的方案是將工件盒生產(chǎn)線改造為裝配線生產(chǎn)線，并搭配成品庫和備件庫，從而實(shí)現(xiàn)裝配和分揀兩大訓(xùn)練內(nèi)容。

改造后的裝配流水線由成品庫工位、裝配工位和備件庫工位三個部分組成。定義成品庫工位的工作位置為裝配流水線回原點(diǎn)后往中間運(yùn)動200mm的位置;裝配工位的工作位置為在裝配流水線中間位置;備件庫工位的工作位置為裝配流水線回原點(diǎn)后往中間運(yùn)動200mm的位置。備件庫主要用于暫時存放多余的同類型裝配工件，也可以用于缺陷工件的臨時存放。成品庫主要用于存放已裝配完成的工件，也可以用于其它工件臨時存放。

裝配工位配置有四個定位工作位。每個定位工作位安裝了伸縮氣缸用于工件的二次定位，當(dāng)機(jī)器人將工件送至裝配工位后，先通過氣缸將其進(jìn)行二次定位，然后再進(jìn)行裝配，以提高機(jī)器人的抓取精度，保證順利完成裝配。因二次定位裝置中使用了四個伸縮氣缸，氣路較多，為了整體設(shè)備的美觀，將控制氣缸伸縮的電磁閥用匯流板連接，并安裝于裝配流水線側(cè)邊型材上。二次定位裝置中使用了四個伸縮氣缸，對應(yīng)的有四個二位五通電磁閥，這4個閥分別連接到機(jī)器人的第16、17、18、19個數(shù)字量輸出點(diǎn)。經(jīng)計算一共需連接4根電纜，為了保證走線簡潔美觀，使用一根6芯電纜（4根輸出點(diǎn)信號線+1根底線+1根PE線）進(jìn)行接線，在與機(jī)器人連接處采用航插中轉(zhuǎn)。

（四）實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的拓展升級

通過對實(shí)訓(xùn)平臺的改造升級，可以滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的擴(kuò)展和升級。

1.電氣安裝

（1）安裝并調(diào)試托盤流水線傳感器

安裝托盤流水線上的入口光電開關(guān)、拍照工位光電開關(guān)以及抓取工位光電開關(guān)到托盤流水線正確位置。

（2）將安全護(hù)欄傳感器安裝在安全護(hù)欄門的正確位置，使后續(xù)編程時能夠?qū)崿F(xiàn)：當(dāng)安全門打開時，機(jī)器人停止運(yùn)動。

2.工業(yè)機(jī)器人末端手抓控制氣路的安裝

完成工業(yè)機(jī)器人一軸底座真空發(fā)生器氣路、三爪卡盤和雙吸盤控制電磁閥的部分氣路連接：

（1）機(jī)器人主氣路接頭的連接;

（2）三爪卡盤與吸盤電磁閥的安裝及其氣路的連接;

（3）吸盤真空發(fā)生器的安裝與連接;

（4）機(jī)器人手抓夾具及激光筆控制電纜的連接。

3.裝配流水線定位夾具及控制氣路的安裝

（1）流水線上G8工位三個定位塊及夾具的安裝;

（2）三個定位夾具氣管接頭的安裝;

（3）氣管拖鏈及其相關(guān)部件的安裝;

（4）氣管到電磁閥的氣路布線;

（5）電磁閥體氣管接頭的連接。

4.視覺及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接

安裝連接相機(jī)的電源線、通信線于正確位置，按照系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D完成系統(tǒng)組網(wǎng)。

5.視覺系統(tǒng)編程調(diào)試

能編寫正常工件和缺陷件腳本文件，并準(zhǔn)確識別。

6.工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)編程和調(diào)試

準(zhǔn)確設(shè)定手爪1雙吸盤的工具坐標(biāo)系和手爪2三爪卡盤的工具坐標(biāo)系。

7.工業(yè)機(jī)器人示教編程

通過工業(yè)機(jī)器人示教器示教、編程和再現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)依次將按照不同的工業(yè)生產(chǎn)要求將工件（含缺陷工件）在裝配生產(chǎn)線上進(jìn)行裝配和分揀。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙春鋒.基于PLC 的電工實(shí)習(xí)教學(xué)裝置的研發(fā).實(shí)驗室研究與探索，2013.1.

[2] 顧佩華.從CDIO 到EIP-CDIO——汕頭大學(xué)工程教育與人才培養(yǎng)模式探討.高等工程教育研究，2008.