工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)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(jī)器人是應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的一種自動(dòng)化生產(chǎn)裝置.該裝置通過(guò)人工編制機(jī)器人程序，在電力驅(qū)動(dòng)下，由PC機(jī)帶動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、定位等.為工業(yè)機(jī)器人裝上夾爪、焊槍、噴頭則可以代替人工完成搬運(yùn)、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(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而操作工業(yè)機(jī)器人的人才卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了其應(yīng)用需求.因此，工業(yè)機(jī)器人成了高職院校的一項(xiàng)熱門專業(yè)，工業(yè)機(jī)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(dòng)手性很強(qiáng)的課程.因此，實(shí)訓(xùn)課上若僅用一臺(tái)機(jī)器人本體，就不能很好地提高學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，并且一臺(tái)機(jī)器人本體價(jià)格也比較昂貴，一次性購(gòu)買大量機(jī)器人本體對(duì)高職院校來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的資金壓力，也是一個(gè)很大的資源浪費(fèi).因此，工業(yè)機(jī)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(jià)值.

把一臺(tái)機(jī)器人本體和幾個(gè)工作站集成在一個(gè)工作臺(tái)上，每個(gè)工作站既可以獨(dú)立操作，工作站與工作站之間又可以通過(guò)以太網(wǎng)通信.工作臺(tái)既可以單獨(dú)培訓(xùn)學(xué)生工業(yè)機(jī)器技能，又可以培訓(xùn)學(xué)生對(duì)PLC的綜合應(yīng)用能力，不僅充分發(fā)揮了工作臺(tái)的價(jià)值，而且一定程度上緩解了高職院校購(gòu)買大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備的資金壓力.

2 工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置工作任務(wù)

2.1 工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)的重要性

機(jī)器人的出現(xiàn)是人類社會(huì)發(fā)展、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì).它把人不能干、人干不了、人不愿意干的活承擔(dān)下來(lái).它可以在高溫、高熱、高污染、高危險(xiǎn)的環(huán)境下工作，并且可以使工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度得到提高.目前，中國(guó)社會(huì)的老齡化嚴(yán)重，人口紅利消失，人海戰(zhàn)術(shù)失去優(yōu)勢(shì)，招人難、留人難、人難管的現(xiàn)象嚴(yán)重，機(jī)器人的出現(xiàn)滿足了用工需求.隨著工業(yè)機(jī)器人被大量引入到生產(chǎn)領(lǐng)域中，機(jī)器人的操作編程維護(hù)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(jī)器人技術(shù)人才[1].

2.2 工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)

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

技能目標(biāo)[2]：

1)能熟練地創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)、工件坐標(biāo)；2)能夠操作機(jī)器人按照軌跡要求行使；3)能讀懂工業(yè)機(jī)器人外圍設(shè)備可控制線路原理圖并排除常見(jiàn)電氣故障；4)能夠在線編程，調(diào)試機(jī)器人實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、裝配、視覺(jué)分揀等功能；5)能正確使用robotstudio軟件進(jìn)行動(dòng)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(biāo)：

1)通過(guò)分組實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的能力；2)培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)問(wèn)題時(shí)能夠獨(dú)立思考，解決問(wèn)題的能力；3)在項(xiàng)目實(shí)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)崗敬業(yè)的能力，讓學(xué)生在做項(xiàng)目的過(guò)程中尊重崗位、尊重職責(zé)、學(xué)會(huì)擔(dān)當(dāng)；4)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，面對(duì)問(wèn)題有自己的思路和方法.

2.3 實(shí)訓(xùn)集成系統(tǒng)的工作任務(wù)

1)工業(yè)機(jī)器人基本操作；2)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械原點(diǎn)矯正；3)工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)、工件坐標(biāo)創(chuàng)建；4)工業(yè)機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)示教；5)工業(yè)機(jī)器人軌跡運(yùn)動(dòng)編程；6)工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)碼垛工作站編程；7)工業(yè)機(jī)器人裝配編程；8)工業(yè)機(jī)器人和PLC、觸摸屏、伺服電機(jī)之間的通信、編程、控制；9)每個(gè)工作站之間的切換可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，也可以通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.

3 實(shí)驗(yàn)裝置集成系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分，需要在一個(gè)操作臺(tái)上放置IRB120機(jī)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(tái)上有工具坐標(biāo)練習(xí)、目標(biāo)點(diǎn)示教、軌跡運(yùn)行、簡(jiǎn)單編程練習(xí)等基礎(chǔ)操作練習(xí)模塊.

通過(guò)本基礎(chǔ)工作站，可以讓學(xué)生練習(xí)工業(yè)機(jī)器人原點(diǎn)校訂，掌握原點(diǎn)校訂的方法；使學(xué)生對(duì)工件坐標(biāo)和工具坐標(biāo)的理解形象化、深刻化；熟練掌握工件坐標(biāo)和工具坐標(biāo)的創(chuàng)建方法；練習(xí)目標(biāo)點(diǎn)的示教，同時(shí)利用偏移指令、移動(dòng)指令等可以使機(jī)器人輕松地達(dá)到預(yù)定的軌跡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；練習(xí)應(yīng)用基本指令畫(huà)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(gè)飛馬的圖案，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)有的軌跡，可以讓學(xué)生練習(xí)操作機(jī)器人走出軌跡圖形.通過(guò)本工作站的操作練習(xí)，讓學(xué)生達(dá)到熟練掌握各種簡(jiǎn)單指令的使用以及靈活創(chuàng)建工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)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(yùn)碼垛裝配工作站

碼垛，用很通俗的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)就是將物品整齊地堆放在一起.起初碼垛都是由人工進(jìn)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(gè)舞臺(tái)，取而代之的則是機(jī)器人碼垛.從近期看，機(jī)器人碼垛剛開(kāi)始投入的成本看上去會(huì)很高，但是，從長(zhǎng)期的角度來(lái)看，機(jī)器人碼垛的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的.就工作效率來(lái)說(shuō)，機(jī)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(xiǎn)性.機(jī)器人碼垛，效率和安全一手抓，應(yīng)用性強(qiáng)，適用范圍廣.

圖3所示是一個(gè)搬運(yùn)碼垛工作站.3號(hào)設(shè)備是立體倉(cāng)庫(kù)模塊，4號(hào)設(shè)備是裝配定位模塊，5號(hào)設(shè)備是物料傳送帶模塊.物料傳送帶模塊是由PLC驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制的，工作原理是機(jī)器人1號(hào)夾爪從立體倉(cāng)庫(kù)模塊拾取1號(hào)物料盒放置在裝配定位模塊后氣缸推出，對(duì)物料盒進(jìn)行定位，氣缸收回.此時(shí)，機(jī)器人向PLC發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)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(hào)給機(jī)器人，由機(jī)器人2號(hào)卡盤拾取物料，裝配到裝配定位模塊的物料盒里，然后由機(jī)器人1號(hào)夾爪把物料連同物料盒放回到立體倉(cāng)庫(kù)模塊1號(hào)位置，然后拾取2號(hào)物料盒到裝配模塊，依次進(jìn)行，直至裝配完四個(gè)物料，分別放置在立體倉(cāng)庫(kù)的四個(gè)位置，機(jī)器人回原位.

在本工作站中，PLC主機(jī)模塊選擇的是西門1200PLC，主機(jī)型號(hào)是CPU1212C DC DC DC，擴(kuò)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(gè)網(wǎng)段上分別給PLC、觸摸屏、機(jī)器人、上位機(jī)設(shè)置一個(gè)不同的IP地址，用網(wǎng)線把幾個(gè)設(shè)備通過(guò)路由器連在一起實(shí)現(xiàn)通信[3].

圖3 搬運(yùn)碼垛裝配工作站

3.3 視覺(jué)分揀工作站

隨著時(shí)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(dòng)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(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合的智能分揀便應(yīng)運(yùn)而生，它可以代替人工進(jìn)行貨物分類、搬運(yùn)、裝卸工作或代替人類搬運(yùn)危險(xiǎn)物品.

機(jī)器人工件識(shí)別與分揀平臺(tái)主要由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和機(jī)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(jué)分揀工作站

1)圖像采集系統(tǒng)主要包括信捷相機(jī)、LED光源以及通訊數(shù)據(jù)線.信捷相機(jī)是圖像采集系統(tǒng)的主體機(jī)構(gòu)，通過(guò)網(wǎng)線與上位機(jī)相連，完成圖像的傳輸.相機(jī)通過(guò)螺絲緊固件固定在工作站的一個(gè)合適的位置.在該工作站中，機(jī)器人每一次拾取物料都要來(lái)到相機(jī)位置處拍照，實(shí)現(xiàn)圖像的采集并進(jìn)行編碼.

2)圖像處理系統(tǒng)是由上位機(jī)和圖像處理軟件組成.相機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)通訊數(shù)據(jù)線傳給上位機(jī)，經(jīng)過(guò)圖形處理軟件完成圖像處理和工件識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)解碼.工業(yè)機(jī)器人和上位機(jī)之間通過(guò)profinet進(jìn)行連接，上位機(jī)把圖像處理軟件解碼的數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工件的位置信息的傳輸.

3)機(jī)器人系統(tǒng)指工業(yè)機(jī)器人在該工作站中實(shí)現(xiàn)工件的分揀.機(jī)器人根據(jù)圖像處理軟件處理的數(shù)據(jù)分辨出各個(gè)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(shí)現(xiàn)工件的分揀.

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)課程進(jìn)度由淺入深地安排了幾個(gè)實(shí)訓(xùn)工作站，有單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，也有整個(gè)知識(shí)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，符合學(xué)生能力發(fā)展特點(diǎn)和人才培養(yǎng)需求，同時(shí)也充分地利用了教學(xué)資源，提高了教學(xué)設(shè)備利用率.