基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設(shè)備設(shè)計

李 顯，朱青松，呂世霞，王學雷

（北京電子科技職業(yè)學院，北京100176）

目前成熟的工業(yè)機器人實訓設(shè)備是以大型工作臺為底座，工作臺上安裝了各種功能模塊，其中工業(yè)機器人也放置于工作臺上，從而形成一整套工業(yè)機器人應(yīng)用實訓設(shè)備。這類實訓設(shè)備的弊端：首先是因為集成度較高，底層應(yīng)用程序已構(gòu)建完成，從而不利于學生知識和技能的提升；其次是工業(yè)機器人的選擇只能選擇小型工業(yè)機器人，負載能力較弱，也局限了工業(yè)機器人的工作范圍，不利于實際應(yīng)用的開展；還有該類實訓設(shè)備廠家配備了太多的功能單元，有些功能單元沒有起到提升知識技能的價值，這就造成資源浪費；另外設(shè)備體積較大，這對實訓室空間提出較高要求，不方便實訓開展。同時考慮到一般實訓室都有多臺在地面已經(jīng)安裝好的工業(yè)機器人，只是缺少配套的多種功能單元?；谝陨蠁栴}，設(shè)計了一種基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設(shè)備。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由升降平臺、多功能模塊、控制部分等組成。實訓設(shè)備整體結(jié)構(gòu)體積小，底部采用水平調(diào)節(jié)移動支撐型腳輪，即福馬輪，以方便設(shè)備可任意位置移動、水平調(diào)節(jié)和位置固定。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.1 升降平臺設(shè)計

升降平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，由支撐底座、蝸輪蝸桿絲杠機構(gòu)、光軸滑塊機構(gòu)、鋁型材平臺組成。采用蝸輪蝸桿絲杠機構(gòu)，實現(xiàn)平臺的高度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同規(guī)格型號的工業(yè)機器人工作范圍，滿足該設(shè)備與工業(yè)機器人相對位置的最佳布置。為保持升降平臺運行的穩(wěn)定性，滿足支撐和導向作用，四個角采用光軸導軌滑塊機構(gòu)，滑塊固定不動，光軸導軌上下移動。鋁型材平臺采用T型槽結(jié)構(gòu)，以方便功能模塊的拆卸、安裝、位置變動等功能，滿足位置的多樣性，便于學生實訓開展，進行差異化訓練。

圖2 升降平臺

升降平臺可同時由手動控制和自動控制驅(qū)動，手動控制是直接手動轉(zhuǎn)動蝸輪蝸桿絲杠機構(gòu)，使平臺升高或降低，自動控制是采用變頻器驅(qū)動異步電動機動作，從而實現(xiàn)升降平臺的自動高度調(diào)節(jié)。增加升降平臺的自動控制，一方面是為了提高自動化水平，另一方面是為了增加變頻器設(shè)備，以方便學生對變頻器的學習。

1.2 多功能模塊設(shè)計

多功能模塊安裝于鋁型材平臺上方，每個模塊都便于安裝、拆卸及位置調(diào)整。多功能模塊的設(shè)計以提升學生新知識技能、促進專業(yè)建設(shè)和發(fā)展為原則，在鞏固傳統(tǒng)知識的基礎(chǔ)上，增加新知識，滿足學生實踐、職業(yè)技能提升及就業(yè)需要。多功能模塊設(shè)計了多種模塊，如圖3所示，具體包括觸摸屏、I/O及供電轉(zhuǎn)接模塊、按鈕開關(guān)控制模塊、RFID模塊、視覺模塊、成品庫、步進電機、廢料盒、電磁閥模塊、夾具座、傳送帶、送料模塊、零件庫等。其中觸摸屏實現(xiàn)了RFID數(shù)據(jù)寫入及顯示、升降平臺控制、送料模塊控制、傳送帶控制、視覺識別顯示等；I/O及供電轉(zhuǎn)接模塊實現(xiàn)了傳感器、電磁閥、步進電機、按鈕開關(guān)控制模塊等的連接，并提供0V和24V供電；按鈕開關(guān)控制模塊包括啟動、急停、停止、復位按鈕以及運行、報警指示燈等；視覺模塊安裝在傳送帶上方，用來識別所傳輸?shù)牧慵愋停ǚ叫?、圓形、三角形）、位置、方向；RFID模塊包含讀寫器和收發(fā)器，讀寫器固定安裝在升降平臺面板上，收發(fā)器（紐扣型電子標簽）嵌在方形零件背面；成品庫用來暫放方形、圓形、三角形零件，并在此處完成零件組裝；廢料盒用來存放非方形、圓形、三角形零件；夾具座用來放置工業(yè)機器人末端夾具，包含吸盤夾具和夾爪夾具；送料模塊采用氣缸驅(qū)動，推動隨機放置于零件庫的零件到傳送帶，傳送帶開始工作輸送零件。

圖3 多功能模塊

1.3 控制部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制部分設(shè)計在升降平臺的下端，由PLC、交換機、變頻器、步進驅(qū)動器、視覺控制器以及供電部分等組成。控制器采用S7-1200PLC，具有PROFINET通信接口，并擴展連接RF120C通信模塊，實現(xiàn)與西門子RFID系統(tǒng)的通信；變頻器采用具有以太網(wǎng)通信接口的變頻器，以適應(yīng)新技術(shù)要求；交換機的使用使設(shè)備間形成局域網(wǎng)絡(luò)，這是當前自動化設(shè)備采用的主流通信方式，方便了設(shè)備與設(shè)備間的連接及控制，亦實現(xiàn)基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設(shè)備與工業(yè)機器人的快速通信連接。

1.4 零件庫零件設(shè)計

基于設(shè)計的多功能模塊，特配套設(shè)計如圖4所示的零件庫零件，包括方形零件、圓形零件、三角形零件及廢料。工業(yè)機器人可對方形、圓形、三角形零件進行裝配，其中方形零件可選用夾具座的夾爪夾具或吸盤夾具搬運，圓形零件只能選擇夾爪夾具進行搬運組裝，三角形零件只能選擇吸盤夾具進行搬運組裝。

圖4 零件庫零件

為完成零件及成品信息的讀寫，故在方形零件的背面嵌入紐扣型RFID收發(fā)器，如圖5所示。

圖5 RFID收發(fā)器安裝位置

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電氣部分

電氣部分控制框圖，如圖6所示，PLC作為控制核心，通過以太網(wǎng)連接到交換機，同時通過I/O硬接線連接到I/O及供電轉(zhuǎn)接模塊，以方便其他多功能模塊及傳感器接線，并直接與RFID串口通信連接。計算機、變頻器、觸摸屏、視覺控制器通過以太網(wǎng)接口，可直接連接到交換機。

圖6 電氣控制框圖

2.2 氣動部分

氣動部分實現(xiàn)對送料模塊的控制，推動零件庫的零件到傳送帶。另外，也可以實現(xiàn)對工業(yè)機器人末端夾具的氣動控制，完成夾爪夾具和吸盤夾具的動作。氣動部分原理圖如圖7所示，借助電磁閥模塊和真空發(fā)生器實現(xiàn)氣動動作。

3 功能設(shè)計

基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設(shè)備需要與實訓室現(xiàn)有的在地面已安裝好的工業(yè)機器人搭配使用。通過移動該多功能實訓設(shè)備到某一工業(yè)機器人前方，如圖8所示，并完成與工業(yè)機器人的通信連接、氣路連接等。然后根據(jù)工業(yè)機器人類型或規(guī)格，手動或自動調(diào)整升降平臺的高度，以適應(yīng)機器人工作范圍。該基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設(shè)備可以根據(jù)不同要求，變換多功能模塊安裝位置，以形成多個不同的工作過程。

現(xiàn)以某一工作過程如圖3所示布局舉例。首先，把方形零件、圓形零件、三角形零件及廢料隨機放置于零件庫里，開始工作后，送料模塊推動零件庫最下面的一個零件到傳送帶，傳感器1檢測到信號后，PLC控制步進電機開始以較快速度運行。當傳感器2檢測到信號后，降低傳送帶運行速度，傳送帶緩慢運行。當零件到達傳感器3時，傳送帶停止運行，視覺模塊開始工作，判斷零件類型、位置、方向。若為方形零件、圓形零件或三角形零件，則直接啟動工業(yè)機器人，搬運零件到成品庫完成組裝；若為廢料，則傳送帶繼續(xù)低速運行到傳感器4，傳送帶停止運行，啟動工業(yè)機器人動作，搬運廢料到廢料盒。方形零件、圓形零件和三角形零件在成品庫1號位置進行組裝，2號和3號位置為暫存零件位置。其中，在工業(yè)機器人工作過程中，會根據(jù)零件類型的不同，選擇吸盤夾具或夾爪夾具。若工業(yè)機器人抓取到方形零件，則工業(yè)機器人要移動到RFID讀寫器上端，由讀寫器從方形零件背面的收發(fā)器上讀取數(shù)據(jù)，并在觸摸屏上顯示，然后工業(yè)機器人把零件放到成品庫1號位置。待方形零件、圓形零件和三角形零件全部組裝完成后，由工業(yè)機器人夾持成品移動到RFID讀寫器上端，讀寫器寫入數(shù)據(jù)到成品背面的收發(fā)器上，然后工業(yè)機器人把成品放到成品庫4號位置，4號位置為待出貨位置，然后控制升降平臺降落，以方便其他設(shè)備取貨，至此完成一整套流程動作。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設(shè)備，從整體結(jié)構(gòu)到控制系統(tǒng)再到功能等方面進行了詳細闡述，其設(shè)備體積小、功能全、成本低、適應(yīng)性強、技術(shù)新，能很好地與不同類型工業(yè)機器人配合使用，滿足學生學習新知識、提升職業(yè)技能的需求，以及促進專業(yè)建設(shè)和發(fā)展的目的。

圖7 氣動原理圖

圖8 與工業(yè)機器人的搭配