工業(yè)機器人實驗裝置研究

王 華

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476100)

工業(yè)機器人是應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的一種自動化生產(chǎn)裝置.該裝置通過人工編制機器人程序，在電力驅(qū)動下，由PC機帶動伺服電機實現(xiàn)機器人的運動、定位等.為工業(yè)機器人裝上夾爪、焊槍、噴頭則可以代替人工完成搬運、焊接、噴涂等高難度的工作.隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人應(yīng)用越來越廣泛，而操作工業(yè)機器人的人才卻遠遠滿足不了其應(yīng)用需求.因此，工業(yè)機器人成了高職院校的一項熱門專業(yè)，工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用也成了一門專業(yè)核心課程.這門課程是一門動手性很強的課程.因此，實訓(xùn)課上若僅用一臺機器人本體，就不能很好地提高學(xué)生的動手能力和學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力，并且一臺機器人本體價格也比較昂貴，一次性購買大量機器人本體對高職院校來說是一個很大的資金壓力，也是一個很大的資源浪費.因此，工業(yè)機器人集成系統(tǒng)符合職業(yè)院校教學(xué)需求，具有很大的應(yīng)用價值.

把一臺機器人本體和幾個工作站集成在一個工作臺上，每個工作站既可以獨立操作，工作站與工作站之間又可以通過以太網(wǎng)通信.工作臺既可以單獨培訓(xùn)學(xué)生工業(yè)機器技能，又可以培訓(xùn)學(xué)生對PLC的綜合應(yīng)用能力，不僅充分發(fā)揮了工作臺的價值，而且一定程度上緩解了高職院校購買大量實驗設(shè)備的資金壓力.

2 工業(yè)機器人實驗裝置工作任務(wù)

2.1 工業(yè)機器人人才培養(yǎng)的重要性

機器人的出現(xiàn)是人類社會發(fā)展、工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、技術(shù)發(fā)展的必然趨勢.它把人不能干、人干不了、人不愿意干的活承擔(dān)下來.它可以在高溫、高熱、高污染、高危險的環(huán)境下工作，并且可以使工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度得到提高.目前，中國社會的老齡化嚴重，人口紅利消失，人海戰(zhàn)術(shù)失去優(yōu)勢，招人難、留人難、人難管的現(xiàn)象嚴重，機器人的出現(xiàn)滿足了用工需求.隨著工業(yè)機器人被大量引入到生產(chǎn)領(lǐng)域中，機器人的操作編程維護人才日趨短缺，因此，急需高職院校能夠培養(yǎng)出大量的能適應(yīng)崗位要求的工業(yè)機器人技術(shù)人才[1].

2.2 工業(yè)機器人專業(yè)人才培養(yǎng)目標

知識目標：掌握工業(yè)機器人基本理論知識；理解工業(yè)機器人工具坐標、工件坐標的含義和創(chuàng)建方法；理解工業(yè)機器人常用的編程語言；掌握ABB robotstudio軟件使用方法；掌握動態(tài)工作站的創(chuàng)建方法；理解Profinet的通訊原理.

技能目標[2]：

1)能熟練地創(chuàng)建工業(yè)機器人工具坐標、工件坐標；2)能夠操作機器人按照軌跡要求行使；3)能讀懂工業(yè)機器人外圍設(shè)備可控制線路原理圖并排除常見電氣故障；4)能夠在線編程，調(diào)試機器人實現(xiàn)搬運、裝配、視覺分揀等功能；5)能正確使用robotstudio軟件進行動態(tài)工作站的創(chuàng)建和離線編程；6)能正確安裝和調(diào)試工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).

素質(zhì)目標：

1)通過分組實訓(xùn)培養(yǎng)學(xué)生團隊合作的能力；2)培養(yǎng)學(xué)生面對問題時能夠獨立思考，解決問題的能力；3)在項目實習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生愛崗敬業(yè)的能力，讓學(xué)生在做項目的過程中尊重崗位、尊重職責(zé)、學(xué)會擔(dān)當；4)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，面對問題有自己的思路和方法.

2.3 實訓(xùn)集成系統(tǒng)的工作任務(wù)

1)工業(yè)機器人基本操作；2)工業(yè)機器人機械原點矯正；3)工業(yè)機器人工具坐標、工件坐標創(chuàng)建；4)工業(yè)機器人目標點示教；5)工業(yè)機器人軌跡運動編程；6)工業(yè)機器人搬運碼垛工作站編程；7)工業(yè)機器人裝配編程；8)工業(yè)機器人和PLC、觸摸屏、伺服電機之間的通信、編程、控制；9)每個工作站之間的切換可以實現(xiàn)手動控制，也可以通過觸摸屏實現(xiàn)自動控制.

3 實驗裝置集成系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 基礎(chǔ)實驗部分

工業(yè)機器人基礎(chǔ)實驗部分，需要在一個操作臺上放置IRB120機器人本體，并配置DQS652控制器，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)選擇709-1 DeviceNet Master，適配器選用840-2 PROFIBUS anybus Device.操作臺上有工具坐標練習(xí)、目標點示教、軌跡運行、簡單編程練習(xí)等基礎(chǔ)操作練習(xí)模塊.

通過本基礎(chǔ)工作站，可以讓學(xué)生練習(xí)工業(yè)機器人原點校訂，掌握原點校訂的方法；使學(xué)生對工件坐標和工具坐標的理解形象化、深刻化；熟練掌握工件坐標和工具坐標的創(chuàng)建方法；練習(xí)目標點的示教，同時利用偏移指令、移動指令等可以使機器人輕松地達到預(yù)定的軌跡，實現(xiàn)自動控制；練習(xí)應(yīng)用基本指令畫橢圓、圓形軌跡等.圖1所示的是基本操作練習(xí)模塊.

圖2所示的是一個飛馬的圖案，根據(jù)這個現(xiàn)有的軌跡，可以讓學(xué)生練習(xí)操作機器人走出軌跡圖形.通過本工作站的操作練習(xí)，讓學(xué)生達到熟練掌握各種簡單指令的使用以及靈活創(chuàng)建工具坐標和工件坐標的目的.

圖1 基本操作練習(xí)模塊 圖2 飛馬圖形軌跡

3.2 搬運碼垛裝配工作站

碼垛，用很通俗的語言來說就是將物品整齊地堆放在一起.起初碼垛都是由人工進行的，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工碼垛已慢慢地退出了這個舞臺，取而代之的則是機器人碼垛.從近期看，機器人碼垛剛開始投入的成本看上去會很高，但是，從長期的角度來看，機器人碼垛的優(yōu)點是顯而易見的.就工作效率來說，機器人碼垛不僅速度快、美觀，而且可以不間斷地工作從而極大地提高了工作效率.人工碼垛卻存在很多危險性.機器人碼垛，效率和安全一手抓，應(yīng)用性強，適用范圍廣.

圖3所示是一個搬運碼垛工作站.3號設(shè)備是立體倉庫模塊，4號設(shè)備是裝配定位模塊，5號設(shè)備是物料傳送帶模塊.物料傳送帶模塊是由PLC驅(qū)動伺服電機控制的，工作原理是機器人1號夾爪從立體倉庫模塊拾取1號物料盒放置在裝配定位模塊后氣缸推出，對物料盒進行定位，氣缸收回.此時，機器人向PLC發(fā)出信號，驅(qū)動傳送帶的氣缸推出，物料從料桶推出到傳送帶上，光電傳感器感應(yīng)到物料后向PLC發(fā)出信號，驅(qū)動伺服電機工作，把物料傳送到傳送帶的末端，傳送帶末端的光電傳感器感應(yīng)到物料后發(fā)信號給機器人，由機器人2號卡盤拾取物料，裝配到裝配定位模塊的物料盒里，然后由機器人1號夾爪把物料連同物料盒放回到立體倉庫模塊1號位置，然后拾取2號物料盒到裝配模塊，依次進行，直至裝配完四個物料，分別放置在立體倉庫的四個位置，機器人回原位.

在本工作站中，PLC主機模塊選擇的是西門1200PLC，主機型號是CPU1212C DC DC DC，擴展輸入輸出部分可以選用華泰模塊.采用以太網(wǎng)，在同一個網(wǎng)段上分別給PLC、觸摸屏、機器人、上位機設(shè)置一個不同的IP地址，用網(wǎng)線把幾個設(shè)備通過路由器連在一起實現(xiàn)通信[3].

圖3 搬運碼垛裝配工作站

3.3 視覺分揀工作站

隨著時代的發(fā)展，高效、快速是生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域的主要任務(wù)要求.為解放多余勞動力，提高生產(chǎn)效率、減少生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，工業(yè)機器人與視覺系統(tǒng)結(jié)合的智能分揀便應(yīng)運而生，它可以代替人工進行貨物分類、搬運、裝卸工作或代替人類搬運危險物品.

機器人工件識別與分揀平臺主要由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)三部分組成[4].系統(tǒng)整體框圖如圖4所示.

圖4 視覺分揀工作站

1)圖像采集系統(tǒng)主要包括信捷相機、LED光源以及通訊數(shù)據(jù)線.信捷相機是圖像采集系統(tǒng)的主體機構(gòu)，通過網(wǎng)線與上位機相連，完成圖像的傳輸.相機通過螺絲緊固件固定在工作站的一個合適的位置.在該工作站中，機器人每一次拾取物料都要來到相機位置處拍照，實現(xiàn)圖像的采集并進行編碼.

2)圖像處理系統(tǒng)是由上位機和圖像處理軟件組成.相機采集的圖像數(shù)據(jù)通過通訊數(shù)據(jù)線傳給上位機，經(jīng)過圖形處理軟件完成圖像處理和工件識別，并實現(xiàn)解碼.工業(yè)機器人和上位機之間通過profinet進行連接，上位機把圖像處理軟件解碼的數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人，實現(xiàn)目標工件的位置信息的傳輸.

3)機器人系統(tǒng)指工業(yè)機器人在該工作站中實現(xiàn)工件的分揀.機器人根據(jù)圖像處理軟件處理的數(shù)據(jù)分辨出各個工件是放在次品的盒里，還是根據(jù)工件的不同形狀把其放在不同的位置，實現(xiàn)工件的分揀.

4 結(jié)語

本文對工業(yè)機器人集成系統(tǒng)進行了研究，根據(jù)課程進度由淺入深地安排了幾個實訓(xùn)工作站，有單個知識點的應(yīng)用，也有整個知識系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，符合學(xué)生能力發(fā)展特點和人才培養(yǎng)需求，同時也充分地利用了教學(xué)資源，提高了教學(xué)設(shè)備利用率.