工業(yè)機(jī)器人涂膠教學(xué)系統(tǒng)的研究分析

【摘 要】隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用普及，相關(guān)專業(yè)應(yīng)用型人才的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、課程開發(fā)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備開發(fā)都具有十分重要的意義。本文針對現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備功能單一，缺乏實(shí)用性的突出問題。通過對真實(shí)汽車生產(chǎn)企業(yè)中工業(yè)機(jī)器人涂膠系統(tǒng)的研究分析，對工業(yè)機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究分析。體現(xiàn)了 “工學(xué)結(jié)合，做學(xué)一體”的職業(yè)教育特色。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人技術(shù);實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng);系統(tǒng)集成

一、工業(yè)機(jī)器人行業(yè)現(xiàn)狀

近年來，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，人力勞動已經(jīng)逐漸被機(jī)器人所取代，機(jī)電一體化、智能制造等技術(shù)迅速發(fā)展。從事工業(yè)機(jī)器人裝調(diào)和檢修等方面的技術(shù)崗位以驚人的速度增加。2019世界機(jī)器人大會于9月25日在北京閉幕，根據(jù)大會發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)前中國工業(yè)機(jī)器人市場保持向好發(fā)展，約占全球市場份額三分之一，是全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場。2019年，中國工業(yè)機(jī)器人市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到57.3億美元，到2021年市場規(guī)模預(yù)計(jì)將突破70億美元。伴隨著工業(yè)機(jī)器人井噴發(fā)展的背后是一個巨大而急切的工業(yè)機(jī)器人從業(yè)人員的人才缺口。屆時，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人每年需求量將超過10萬臺，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才缺口有30萬。人才缺口的不斷擴(kuò)大，明顯制約工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。

自2011年常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院在全國首開工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用專業(yè)后，各地職業(yè)院校緊隨其后。高職高專主要培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)、工業(yè)自動化集成等方面的高層次專業(yè)技術(shù)研發(fā)人才。

基于以上研究背景，掌握工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維修和保養(yǎng)的應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)的意義尤為重要。隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，職業(yè)院校機(jī)器人專業(yè)教學(xué)設(shè)備短缺的問題越發(fā)凸顯，現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)大多功能簡單、學(xué)習(xí)任務(wù)不飽滿且學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥，無法滿足教學(xué)要求。

二、涂膠技術(shù)研究現(xiàn)狀

涂膠是指根據(jù)不同的工藝要求把膠漿均勻涂抹在產(chǎn)品表面的一種加工方式。涂膠的目的主要是粘貼固定、提高強(qiáng)力、提升曲撓性能、提升耐腐蝕性能和制造耐高溫的絕緣材料等。隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工涂膠逐漸被涂膠機(jī)所替代，目前廣泛應(yīng)用的涂膠機(jī)器，利用電腦程序控制涂膠路徑和出膠量，通過氣壓將膠液噴涂到所需的產(chǎn)品上，使得涂膠的厚度和時間都可以控制，設(shè)備操作簡單，采購成本低，大大提升了涂膠的工藝質(zhì)量。

隨著制造業(yè)水平的不斷提升，產(chǎn)品的涂裝質(zhì)量要求也越來越高。特別是高端產(chǎn)品由于精度高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及涂膠工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，簡單的涂膠機(jī)已經(jīng)無法滿足技術(shù)要求。工業(yè)機(jī)器人憑借其自身靈活性強(qiáng)、動作精度高和柔性化等特點(diǎn)，越來越多的應(yīng)用于涂膠系統(tǒng)中，使產(chǎn)品的涂膠質(zhì)量、生產(chǎn)管理以及經(jīng)濟(jì)效益等方面都有了明顯提高。當(dāng)前，涂膠系統(tǒng)共分為四種：一般涂膠，機(jī)械仿真形涂膠機(jī)，軟仿真涂膠機(jī)，智能涂膠機(jī)。

在1999年，北京首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司首次將柔性化機(jī)器人工作站技術(shù)，應(yīng)用于國內(nèi)哈飛汽車有限公司，這是中國車企第一次把機(jī)器人涂膠系統(tǒng)應(yīng)用到玻璃裝配工藝上，具有里程碑的意義。目前在國內(nèi)對涂膠機(jī)器人研究的機(jī)構(gòu)主要有首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司、北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所等。近年來，隨著國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)備本體的價格都大幅降低，為技術(shù)的普及打下了基礎(chǔ)，如圖1所示，是工業(yè)機(jī)器人車窗涂膠示意圖。

三、工業(yè)機(jī)器人及其在汽車玻璃涂膠中的應(yīng)用

當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢為系統(tǒng)的開放化、網(wǎng)絡(luò)化、基于新型傳感器的智能化、作業(yè)的柔性化和多智能體調(diào)控等。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛的行業(yè)是汽車制造業(yè)。汽車制造業(yè)由于自身高附加值、高科技和高標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)特點(diǎn)，使得許多高新技術(shù)都應(yīng)用其中。工業(yè)機(jī)器人在汽車制造領(lǐng)域中主要有焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人和裝配機(jī)器人等。

隨著當(dāng)代汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車的行駛速度也越來越快。在發(fā)生碰撞和緊急剎車等突發(fā)事故時，極易產(chǎn)生因擋風(fēng)玻璃裝配質(zhì)量問題而造成的車內(nèi)人員傷害。在汽車總裝的工序中有一個重要項(xiàng)目就是風(fēng)擋玻璃的裝配，其中包含玻璃密封膠的噴涂和玻璃的安裝。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于汽車玻璃涂膠系統(tǒng)，具有人工無法比擬的優(yōu)勢，它行動靈巧，可以將玻璃的尺寸誤差沿玻璃周邊均勻分布，而且精度極高，可以對玻璃自動識別、自動拾取和一次性自動對中，極大地提高了汽車的整體質(zhì)量。

四、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成主要是指工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過程中，對于工作現(xiàn)場的集成開發(fā)。其主要內(nèi)容包含工裝設(shè)備、外部設(shè)備、控制系統(tǒng)等。也可以理解為把廠家采購回來的工業(yè)機(jī)器人通過集成開發(fā)變?yōu)榭梢詫?shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的設(shè)備。

工業(yè)機(jī)器人出廠時僅能實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人本體的基本控制和編程，比如按照設(shè)定線路移動、根據(jù)流程動作和定位等。由于沒有任何外圍設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人根本無法進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)使用。要使工業(yè)機(jī)器人能夠完成實(shí)際生產(chǎn)，就必須加裝外圍的配套設(shè)備，如夾具、模具、刀具、移動滑臺、翻轉(zhuǎn)臺和輔助量具等，同時還要裝設(shè)外部控制系統(tǒng)，如PLC、傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接線等，這也就構(gòu)成了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的一般步驟和方法總結(jié)如下：

（1）解讀分析工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)。工作任務(wù)是整個系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的核心問題，所有的設(shè)計(jì)都應(yīng)圍繞其來進(jìn)行。

（2）合理設(shè)計(jì)選用工裝設(shè)備。在設(shè)備設(shè)計(jì)選用的過程中加工對象的特點(diǎn)、需要達(dá)到的工藝標(biāo)準(zhǔn)和工作場地的情況都要綜合考慮。

（3）工業(yè)機(jī)器人的選型。由于不同品牌的工業(yè)機(jī)器人價格、控制方式、技術(shù)特點(diǎn)和擅長領(lǐng)域都有所不同，所以在此環(huán)節(jié)要進(jìn)行大量細(xì)致的分析對比，最終才能合理選擇。

（4）外部控制系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)。當(dāng)前工控領(lǐng)域，主要選用可編程控制器（PLC）作為外部控制系統(tǒng)的核心器件，國內(nèi)外主流品牌有西門子、三菱、安控等品牌，選用時要考慮產(chǎn)品的可靠性、兼容性、安全性和先進(jìn)性。

（5）系統(tǒng)安裝調(diào)試。在安裝調(diào)試過程中，要嚴(yán)格遵守規(guī)范，確保全過程的人身安全和設(shè)備安全，保證施工質(zhì)量。

結(jié)合以上系統(tǒng)集成的相關(guān)要求和流程，就可以對一般的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行集成改造。選取典型應(yīng)用場景，在滿足工藝安裝要求的前提下，綜合考慮場地、經(jīng)費(fèi)、教學(xué)環(huán)節(jié)等綜合因素，可以設(shè)計(jì)出更加符合職業(yè)教育特色的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)。

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