高職ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

梁 勇，梁 晟，黃霜梅，肖 林

(1.貴州電子科技職業(yè)學(xué)院,貴州 貴安新區(qū) 550025；2.貴陽(yáng)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550005；3.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550002)

工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)典型的綜合機(jī)械、電氣控制、傳感器控制及氣動(dòng)液壓技術(shù)的多學(xué)科交叉融合的一體化的產(chǎn)物，它的應(yīng)用涉及自動(dòng)化控制、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、傳感器技術(shù)、視覺(jué)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、以及人工智能等眾多領(lǐng)域。高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)是一個(gè)近些年來(lái)隨著工業(yè)技術(shù)的升級(jí)發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的專業(yè)。由于是一個(gè)新興專業(yè)，在專業(yè)建設(shè)中難免存在教材和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)不足的現(xiàn)象。在實(shí)際教學(xué)中，我校的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)目前還沒(méi)有形成獨(dú)立的體系，只是在相關(guān)專業(yè)(如工業(yè)電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化等)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)單的刪減修改而來(lái)，缺少系統(tǒng)性和獨(dú)立性。在實(shí)際課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)在本專業(yè)的中后期核心課程教學(xué)中，目前還沒(méi)有形成完善的課程體系和實(shí)訓(xùn)體系，有待高職教師在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行摸索和提煉。[1-3]

為了解決高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)核心課程“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)集成”中實(shí)訓(xùn)平臺(tái)缺失的問(wèn)題，調(diào)研了我省諸多企業(yè)(吉利汽車、東江科技、福愛(ài)電子、貴陽(yáng)卷煙廠等)，得出目前已經(jīng)有很多規(guī)模較大企業(yè)已經(jīng)使用工業(yè)機(jī)器人代替工人進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，我省工業(yè)機(jī)器人在高端制造業(yè)中有較為廣泛的應(yīng)用，在高職教育中，無(wú)論是從成本還是教學(xué)的角度考慮，都不可能將工業(yè)機(jī)器人的所有應(yīng)用都兼顧到，只能根據(jù)企業(yè)需求，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用進(jìn)行研究，從中選取應(yīng)用較為廣泛的一個(gè)方面入手，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。為了讓高職學(xué)生更加接近一線企業(yè)，了解企業(yè)的生產(chǎn)方式，以汽車行業(yè)使用較多的某型零配件為目標(biāo)產(chǎn)品，構(gòu)建了ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。[4]

1 ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站設(shè)計(jì)

1.1 工作任務(wù)的確定

在構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人工作站項(xiàng)目前，需要認(rèn)真詳細(xì)地了解工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)，工作任務(wù)是整個(gè)工作站系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的核心，所有的設(shè)計(jì)都必須圍繞這個(gè)工作任務(wù)來(lái)開(kāi)展。工業(yè)機(jī)器人工作站的工作任務(wù)決定了工作站項(xiàng)目中重要部件和功能的選型，如工業(yè)機(jī)器人本體的選型，工藝流程的設(shè)計(jì)，重要附件的選用，主要外部設(shè)備的選用，以及PLC與工業(yè)機(jī)器人通訊方式及節(jié)奏。所以必須認(rèn)真且詳細(xì)地研究分析工業(yè)機(jī)器人工作站的工作任務(wù)，否則就會(huì)造成工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)達(dá)不到用戶所預(yù)期的設(shè)想效果，嚴(yán)重時(shí)，甚至導(dǎo)致整體設(shè)計(jì)項(xiàng)目錯(cuò)誤，造成無(wú)法挽回的損失。[5]

設(shè)計(jì)的工作站以某企業(yè)某型汽車金屬內(nèi)飾產(chǎn)品的打磨檢驗(yàn)篩選存儲(chǔ)為工作任務(wù)，該產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及要求如下：

圖1 加工產(chǎn)品零件圖

技術(shù)要求：

(1)產(chǎn)品零件為塊狀，工件長(zhǎng)度(28mm至68mm)，寬度(16mm至45mm)，厚度(6mm)，材料為45號(hào)鋼。

(2)要求在短時(shí)間內(nèi)打磨并檢測(cè)零件的上表面，誤差不能超過(guò)0.1mm，表面粗糙度要求Ra3.2以下。

該產(chǎn)品零件批量大，需要進(jìn)行打磨，分揀篩選，合格品入庫(kù)，不合格品放置指定區(qū)域，搬運(yùn)精度要求：重復(fù)定位精度在0.1mm以內(nèi)，要求工業(yè)機(jī)器人的工作范圍：550mm。設(shè)計(jì)以搬運(yùn)并打磨拋光工件后，組裝、檢查合格后，再將合格件放回指定倉(cāng)儲(chǔ)位置。該零件以前由人工作業(yè)加工效率低，產(chǎn)品一致性難以保證。對(duì)打磨工人的技術(shù)要求也較高，且勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)、工作條件惡劣，容易引起職業(yè)病的發(fā)生，是極大的隱患。

通過(guò)使用工業(yè)機(jī)器人代替部分人工作業(yè)，不但可以將工人從惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中解放出來(lái)，還可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，基于實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域的打磨篩選分揀要求，借鑒在教學(xué)上已經(jīng)成熟的相關(guān)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)集這門(mén)課程的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了一套ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站。

ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括了ABB工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、力度反饋打磨技術(shù)、視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)等。本工作站旨在培養(yǎng)高職學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)能力，以及ABB工業(yè)機(jī)器人編程能力和西門(mén)子S7-1200 PLC系統(tǒng)硬件的實(shí)際應(yīng)用能力和軟件實(shí)際編程，以及調(diào)試解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的能力，達(dá)到快速提高高職學(xué)生職業(yè)技能，提高他們就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

圖2 ABB工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

接下來(lái)，必須參照工作任務(wù)，設(shè)計(jì)選用工作站相關(guān)部件，沒(méi)有工作站部件的輔助工作，工業(yè)機(jī)器人就只是一個(gè)半成品，一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件。所以工作站輔助部件的選擇也非常重要的環(huán)節(jié)。

需要根據(jù)工業(yè)機(jī)器人將進(jìn)行的動(dòng)作，是打磨拋光操作，還是檢驗(yàn)檢測(cè)等，以及整個(gè)系統(tǒng)工作所需要達(dá)到的工藝標(biāo)準(zhǔn)，加工步驟等，都是需要深度綜合思考的問(wèn)題。只有正確的合理的設(shè)計(jì)工作站的相關(guān)部件，讓工作站輔助部件與工業(yè)機(jī)器人完美的配合起來(lái)，才能使設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站發(fā)揮出其應(yīng)有的作用。

1.2 整體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)工作任務(wù)要求，綜合性能價(jià)格、通用性以及先進(jìn)性、安全性、穩(wěn)定性、兼容性和可擴(kuò)展性以及后期可維護(hù)性考慮，設(shè)計(jì)采用目前主流的ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人為主體，西門(mén)子公司S7-1200 PLC、昆侖通泰觸摸屏為核心元件。由于需要分揀篩選，要對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)和是否合格進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，視覺(jué)系統(tǒng)就像工業(yè)機(jī)器人的眼睛，必須依靠視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行定位以及對(duì)打磨后的產(chǎn)品進(jìn)行是否合格的識(shí)別，采用性價(jià)比較高的COGNEX公司 In-Sight 8000 視覺(jué)系統(tǒng)，該視覺(jué)系統(tǒng)是全系列獨(dú)立視覺(jué)系統(tǒng)，提供了 VGA、1MP、2MP 和 5MP 分辨率的視覺(jué)系統(tǒng)，以及可采用 VGA、1MP 和 2MP 分辨率的色彩選項(xiàng)。這些視覺(jué)系統(tǒng)支持使用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行高速通信，能夠快速采集和雙倍性能，完全滿足工作站篩選檢測(cè)零件的要求。ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人與In-Sight 8000 視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)口和標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議完成通訊。

圖3 工業(yè)機(jī)器人工作站的通訊架構(gòu)

當(dāng)工作站主要設(shè)計(jì)方案確定下來(lái)后，就可以進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的具體選型，工業(yè)機(jī)器人是整個(gè)工作站集成應(yīng)用系統(tǒng)的核心元件。目前工業(yè)機(jī)器人品牌型號(hào)較多，不同品牌型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)、擅長(zhǎng)領(lǐng)域各不相同，價(jià)格也不同。首先需要根據(jù)工作任務(wù)的工藝要求和精度要求來(lái)初步選定工業(yè)機(jī)器人的品牌，其次再根據(jù)工作任務(wù)、操作對(duì)象、工作站部件以及工作運(yùn)行環(huán)境、速度等因素，選取所需工業(yè)機(jī)器人的負(fù)載、運(yùn)動(dòng)速度、最大運(yùn)動(dòng)范圍、運(yùn)行精度、IP防護(hù)等級(jí)等主要性能指標(biāo)，最后再確定工業(yè)機(jī)器人的具體型號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)還需要詳細(xì)考慮系統(tǒng)先進(jìn)性、配套工藝軟件、I/O接口、總線通信、外部設(shè)備配合等問(wèn)題。在滿足工作任務(wù)的前提下，盡量選用當(dāng)前可靠穩(wěn)定的主流控制系統(tǒng)、I/O接口要有預(yù)留(一般為總量的10%)、以及配套工藝軟硬件的品牌和型號(hào)和接口及通訊協(xié)議匹配等，以便整個(gè)工作站系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)充性。價(jià)格也是選型必須考慮的重要問(wèn)題，并兼顧高職教學(xué)用的特點(diǎn)，最終選定性價(jià)比最高的ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人作為ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站用工業(yè)機(jī)器人。

為了滿足工作站需要打磨、篩選、分揀等功能，在購(gòu)買ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人時(shí)，還需另外采購(gòu)以下功能模塊：1.709-1DeviceNet Master Slave基 于PCIe插槽，主站從站均可以; 2.840-3 PROFINET 1O Anybus Device基 于現(xiàn)場(chǎng)總線適配器插槽Anybus，只能做從站; 3.613-1碰撞監(jiān)控Collision Detection; 4.611-1路徑恢復(fù)FPath Recovery;5. 616-1套接字通訊PC-interface;

ABB工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，利用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)夾取工件，在砂帶機(jī)上進(jìn)行工件表面的自動(dòng)化打磨拋光，產(chǎn)品檢測(cè)并搬運(yùn)回庫(kù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)代替工人對(duì)零件的打磨拋光工作，讓學(xué)生身臨其境，運(yùn)用自己所學(xué)知識(shí)，實(shí)際動(dòng)腦動(dòng)手，在理解工作站設(shè)計(jì)加工工藝的基礎(chǔ)上，完成整個(gè)工作站的運(yùn)行調(diào)試工作。

圖4 ABB工業(yè)機(jī)器人打磨工作站示意圖

根據(jù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)拋光打磨工藝的要求，拋光打磨工序可分為粗拋光打磨和精拋光打磨兩個(gè)不同等級(jí)。粗拋光打磨主要針對(duì)的是產(chǎn)品去毛刺、分型線、澆冒口、分模線等；精拋光打磨主要針對(duì)產(chǎn)品表面處理精拋等。由于鑄件的重復(fù)精度及表面粗糙度差，拋光打磨工具很容易產(chǎn)生磨損，在拋光打磨時(shí)力度的控制變化等不確定因素影響，導(dǎo)致了機(jī)器人拋光打磨應(yīng)用相對(duì)復(fù)雜和實(shí)施中存在一些困難因素。粗拋光打磨:根據(jù)產(chǎn)品的公差尺寸和要求，機(jī)器人按照設(shè)定軌跡工作,對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行粗糙的拋光打磨處理。常用于鑄件去毛刺、合模線等應(yīng)用。恒定的速度配合大功率的拋光打磨工具；變軌跡速度保證拋光打磨工具在遇到工件表面的時(shí)候，可以保持恒定的切削力，通過(guò)變速達(dá)到保護(hù)拋光打磨工具的目的。

1.3 工業(yè)機(jī)器人工作站的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在詳細(xì)了解工作任務(wù)及工作工藝步驟和選型的各種外圍設(shè)備接口的情況下，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，從而確定ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人和西門(mén)子S7-1200 PLC相關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，統(tǒng)計(jì)ABB工業(yè)機(jī)器人和西門(mén)子S7-1200 PLC需要的I/O點(diǎn)數(shù)后，分配I/O點(diǎn)，畫(huà)出機(jī)器人和西門(mén)子S7-1200 PLC的I/O點(diǎn)與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表，設(shè)計(jì)ABB工業(yè)機(jī)器人和西門(mén)子S7-1200 PLC外圍硬件線路，畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主回路和沒(méi)有關(guān)聯(lián)PLC的控制電路等。

圖5 ABB工業(yè)機(jī)器人打磨工作站電氣原理圖

以ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人和西門(mén)子S7-1200 PLC為中心的的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖及強(qiáng)電動(dòng)力回路構(gòu)成了工業(yè)機(jī)器人工作站系的電氣原理圖。至此，整個(gè)系統(tǒng)的硬件電氣原理圖線路基本確定。

在確定工作站電氣原理圖后，需要跟機(jī)械設(shè)計(jì)工程師詳細(xì)溝通，了解所有電氣元件的安裝尺寸和位置，以原理圖為根據(jù)，繪制電氣安裝圖，檢查無(wú)誤后，交給電工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，在施工過(guò)程中，電氣設(shè)計(jì)必須實(shí)時(shí)跟蹤安裝過(guò)程和進(jìn)度，遇與設(shè)計(jì)不符的情況，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理，為后期順利調(diào)試奠定基礎(chǔ)。

最后，進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段，上述所有步驟完成后，就可以進(jìn)入ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站系統(tǒng)安裝、調(diào)試階段。在工業(yè)機(jī)器人工作站的安裝階段，必須嚴(yán)格遵守施工規(guī)范，保證施工質(zhì)量，注意施工安全。在帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試通電時(shí)，由于有一定的危險(xiǎn)性，原則是學(xué)生只能在安全區(qū)域觀看學(xué)習(xí)。在認(rèn)真檢查主回路和控制回路，檢查主要電源，杜絕短路現(xiàn)象后，依據(jù)工作站電氣原理圖，可以分區(qū)域分階段進(jìn)行逐步的通電。調(diào)試中，應(yīng)遵循在安全的前提下，首先實(shí)現(xiàn)手動(dòng)功能，脫開(kāi)負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，正常后再帶負(fù)載測(cè)試。其次，是進(jìn)行分塊進(jìn)行調(diào)試，最后再整體整合。在調(diào)試中以工業(yè)機(jī)器人工作站電氣原理圖為主，遵照客觀實(shí)際，對(duì)工業(yè)機(jī)器人和西門(mén)子S7-1200 PLC進(jìn)行程序編輯對(duì)相關(guān)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。調(diào)試時(shí)，盡量考慮到各種使用情況和極端情況，盡可能的提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)處理。在安裝與調(diào)試中，人身安全和設(shè)備安全問(wèn)題同等重要，必須時(shí)刻遵照安全規(guī)程進(jìn)行工作。

2 結(jié)論

建設(shè)高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)核心課程“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)集成”中，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)構(gòu)建ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站，帶領(lǐng)高職學(xué)生自己動(dòng)手搭建并調(diào)試成功ABB工業(yè)機(jī)器人打磨篩選分揀工作站，師生收獲良多。高職院校工作站系統(tǒng)集成，既要滿足教學(xué)需求，同時(shí)也要盡量貼近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，使學(xué)生盡量接近甚至還原真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，為學(xué)生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和條件，為學(xué)生就業(yè)后能快速適應(yīng)工作崗位，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫上崗奠定了基礎(chǔ)。