多用途工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)研究

董超祥

摘? ?要：機(jī)器人在搬運(yùn)、焊接、裝配以及機(jī)械加工等領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，但在教育領(lǐng)域，機(jī)器人教學(xué)主要集中在機(jī)器人本體及其控制器的認(rèn)知式教學(xué)，課程內(nèi)容主要集中在機(jī)器人工作原理等理論知識(shí)，關(guān)于機(jī)器人工業(yè)應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)比較片面，內(nèi)容僅局限在機(jī)器人搬運(yùn)、碼垛、焊接等某一個(gè)具體的應(yīng)用模塊上。文章針對此類問題進(jìn)行分析，并探索如何在職業(yè)院校更好地開展工業(yè)機(jī)器人多用途應(yīng)用模塊的集成技術(shù)，為社會(huì)培養(yǎng)所需的工業(yè)機(jī)器人核心人才。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;多用途;探索;應(yīng)用模塊;集成技術(shù)

《中國制造2025》提出“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的發(fā)展方針，工業(yè)機(jī)器人是《中國制造2025》的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前制造升級的核心工具。隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，專業(yè)應(yīng)用人才短缺，因此，開展工業(yè)機(jī)器人職業(yè)教育迫在眉睫。目前，在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用的實(shí)踐中，仍然需要組織學(xué)生到對應(yīng)的企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)，如機(jī)器人焊接工藝一般去汽車廠車身焊接車間、機(jī)器人打磨工藝通常去衛(wèi)浴產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)、機(jī)器人裝配工藝通常去富士康之類的3C組裝企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)型實(shí)踐實(shí)習(xí)。這種傳統(tǒng)的實(shí)踐學(xué)習(xí)方式既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，同時(shí)，局限于企業(yè)本身的生產(chǎn)任務(wù)，以致學(xué)生無法系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)機(jī)器人應(yīng)用。

另外，職業(yè)院校開設(shè)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)時(shí)，往往借助第三方的市場分析調(diào)研報(bào)告，或者組織相應(yīng)的專家評審的結(jié)果，關(guān)鍵是很多學(xué)校還不具備將工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)轉(zhuǎn)換的能力，造成學(xué)校所建設(shè)的專業(yè)多偏重于理論，或者局限于單一功能的知識(shí)點(diǎn)，無法與典型的工業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，無法從根本上解決學(xué)以致用的問題，導(dǎo)致學(xué)生在就業(yè)時(shí)出現(xiàn)與企業(yè)人才需求不匹配的情況。

1? ? 機(jī)器人教學(xué)常見問題分析

1.1? 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備數(shù)量多而功能不全

無論是針對工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成的裝拆機(jī)器人工作站，還是寫字機(jī)器人工作站、碼垛機(jī)器人工作站，都只強(qiáng)調(diào)機(jī)器人的單一功能或應(yīng)用[1]，而本平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多種工業(yè)應(yīng)用（見圖1）。

1.2? 校企之間的人才培養(yǎng)與需求的對接問題

目前，機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)偏重于機(jī)器人的基本組成、工作原理等理論知識(shí)，而企業(yè)需要能進(jìn)行自主編程、調(diào)試及維修保養(yǎng)的人員，因此，理論與實(shí)際的結(jié)合需要有效的教學(xué)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。

1.3? 師生教學(xué)與實(shí)訓(xùn)過程中實(shí)際操作與創(chuàng)新能力欠缺

功能模塊采用可拆卸的組裝方式（見圖2）。同時(shí)，電控單元采用通用的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）模塊，師生可以按照自定義的方式搭建新的功能模塊，設(shè)置新的控制方式。

2? ? 多用途工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)介紹

2.1? 多用途工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的組成

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是由機(jī)器人工作臺(tái)、碼垛平臺(tái)、寫字模塊、微型流水線、立式料架與送料機(jī)構(gòu)、機(jī)器人本體（含控制器）、工作狀態(tài)警示燈、自動(dòng)工裝、電控模塊及其他外圍設(shè)備（如激光發(fā)射器、氣源等）組成。

2.2? 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的工作方式

2.2.1? 手動(dòng)操作方式

開啟電源及氣源，通過機(jī)器人示教器進(jìn)行手動(dòng)操作，完成坐標(biāo)標(biāo)定、平面軌跡、寫字及碼垛等教學(xué)實(shí)訓(xùn)操作;操作過程可以隨時(shí)中斷，可選擇從頭開始或繼續(xù)運(yùn)行。

2.2.2? 現(xiàn)場編程方式

利用PLC與機(jī)器人控制器通信，控制機(jī)器人的標(biāo)定、碼垛及寫字功能等，另外，通過可編程邏輯控制器直接控制真空壓縮機(jī)、流水線、警示燈等設(shè)備，協(xié)同進(jìn)行教學(xué)實(shí)訓(xùn)操作[2]。

以PLC（以西門子S7-200 smart為例）作為上位機(jī)，控制機(jī)器人控制器、氣源、皮帶流水線、警示燈、按鈕及其他擴(kuò)展應(yīng)用[3]。機(jī)器人控制器作為下位機(jī)，控制機(jī)器人手臂及手部工具的動(dòng)作，局部網(wǎng)絡(luò)采用交換機(jī)進(jìn)行連接（見圖3）。

PLC與觸摸屏或電腦連接，完成控制過程的可視化，具體過程如下：開啟電源后，從PLC發(fā)出指令，氣源開啟，送料機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將工件送至微型流水線。當(dāng)工件運(yùn)輸至適當(dāng)位置時(shí)，光電開關(guān)檢測到對應(yīng)的工件，將相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給PLC，PLC回傳停止指令，流水線停止運(yùn)行，同時(shí)PLC發(fā)出指令給機(jī)器人控制器，接著，機(jī)器人控制器通電開機(jī)，并且觸發(fā)與控制器連接的示教器，調(diào)用預(yù)存的機(jī)器人動(dòng)作指令，然后機(jī)器人選擇對應(yīng)的手部工具，機(jī)器人手臂移動(dòng)至流水線上方，手部工具通過氣源張開，機(jī)器人末端移動(dòng)至工件處，抓取工件，手部工具吸合，搬運(yùn)至堆垛平臺(tái)，重復(fù)抓取工件，按設(shè)計(jì)方式堆垛，反饋信號(hào)給PLC，調(diào)用下一段程序，繼續(xù)另一道工序。另外，PLC與警示燈連接，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，警示燈顯示為綠燈;當(dāng)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，顯示為紅燈;當(dāng)維修狀態(tài)時(shí)，則顯示為黃燈。

2.2.3? 離線編程的方式

例如，當(dāng)機(jī)器人選用ABB IRB120時(shí)，就可以采用ABB的離線編程軟件RobotStudio，在計(jì)算機(jī)上模擬機(jī)器人的運(yùn)行過程，然后導(dǎo)入控制器中，按照程序控制機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行。

3? ? 多用途工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)的核心優(yōu)勢

3.1? 系統(tǒng)涵蓋機(jī)器人教學(xué)模塊全面

可進(jìn)行機(jī)器人基礎(chǔ)操作，6軸校正、點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、線性運(yùn)動(dòng)等，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍、載荷選型、各種典型的坐標(biāo)系及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化。機(jī)器人進(jìn)階操作，坐標(biāo)標(biāo)定、軌跡規(guī)劃、流水線控制、上料結(jié)構(gòu)控制、搬運(yùn)碼垛以及PLC與控制器的組網(wǎng)通信等。

3.2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可拆裝

機(jī)器人工作臺(tái)選用帶滑槽的鋁型材結(jié)構(gòu)，各模塊用可移動(dòng)螺母固定在桌面上，可任意拆裝并移動(dòng)其安裝位置，提高學(xué)生的動(dòng)手能力并理解機(jī)器人工作范圍的意義，重點(diǎn)是學(xué)習(xí)工業(yè)應(yīng)用中如何對機(jī)器人應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)。

3.3? 可視化控制

系統(tǒng)采用觸摸屏或電腦的顯示方式，所有的通信模塊均可采用PLC編程方式實(shí)現(xiàn)，通過觸摸屏的各種功能單元實(shí)現(xiàn)一鍵式操作，如選擇坐標(biāo)標(biāo)定，就可以完成機(jī)器人標(biāo)定的所有功能（見圖4）。

4? ? 結(jié)語

搭建多用途工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)，可以促進(jìn)教學(xué)的內(nèi)容與科研改革。（1）實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)的一體化，軟硬件兼容，理論與實(shí)踐相輔相成。（2）系統(tǒng)可擴(kuò)展性，功能模塊可自由變換，并按實(shí)際教學(xué)要求進(jìn)行增減，尤其是可結(jié)合機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，教師或?qū)W生可自行開發(fā)出多種應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)訓(xùn)與就業(yè)的無縫對接。（3）校內(nèi)工廠，結(jié)合特定產(chǎn)品，可改造成生產(chǎn)設(shè)備，完成部分工序的加工，多臺(tái)實(shí)訓(xùn)設(shè)備可組建柔性生產(chǎn)線。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]白雁力，盧健，李?yuàn)?，?“雙創(chuàng)”和“新工科”背景下協(xié)作工業(yè)機(jī)器人專業(yè)類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].教育教學(xué)論壇，2019（15）：40-41.