工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X平臺(tái)應(yīng)用及其末端執(zhí)行器優(yōu)化設(shè)計(jì)★

李小軍

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

引言

目前，國(guó)內(nèi)中等、高等職業(yè)院校及應(yīng)用型本科院校為了適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)提出的新要求，紛紛開設(shè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)（方向），僅中職、高職院校設(shè)置工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)專業(yè)辦學(xué)點(diǎn)數(shù)量就達(dá)上千個(gè)，單從工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)合型技能人才培養(yǎng)方面看，還存在學(xué)習(xí)體系不健全，專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)訓(xùn)條件標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不完善，實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)質(zhì)量不高等一系列問題[1]。

甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)院根據(jù)區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，積極參與工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)證書試點(diǎn)工作，并申報(bào)獲批成為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X省級(jí)管理中心。通過(guò)與企業(yè)加強(qiáng)合作，共同探索雙元制人才培養(yǎng)模式。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，學(xué)院推行專業(yè)、學(xué)科交叉人才培養(yǎng)模式，將“X”證書相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，通過(guò)專業(yè)指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合學(xué)院增材制造專業(yè)（3D打?。⒐I(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)學(xué)院現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行技改，強(qiáng)化學(xué)生在“理論+實(shí)踐”過(guò)程中專業(yè)綜合素質(zhì)培養(yǎng)。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生，基于3D打印技術(shù)，對(duì)1+X平臺(tái)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，通過(guò)校企聯(lián)合，共同實(shí)施人才培養(yǎng)，探索工、學(xué)交替的靈活教學(xué)方式。

1 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X平臺(tái)概述

服務(wù)于“1+X”證書制度試點(diǎn)名單中“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程”和“智能制造生產(chǎn)管理與控制”職業(yè)技能等級(jí)實(shí)訓(xùn)考核與技能鑒定的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程創(chuàng)新平臺(tái)，如圖1所示。平臺(tái)根據(jù)“1+X”證書制度職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合企業(yè)實(shí)際崗位技能需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了滿足高職院校實(shí)際教學(xué)及考核站點(diǎn)需求的綜合應(yīng)用的一體化教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)，并配套了專業(yè)的工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器一套。采用模塊化的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需求靈活組合。平臺(tái)用于工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程中一制二項(xiàng)職業(yè)技能等級(jí)證書的初、中、高實(shí)訓(xùn)考核與技能鑒定，涵蓋產(chǎn)線設(shè)計(jì)、仿真軟件、智能制造MES生產(chǎn)管理軟件，可滿足工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程、智能制造生產(chǎn)管理及控制二項(xiàng)職業(yè)技能等級(jí)證書的初、中、高實(shí)訓(xùn)考核與技能鑒定。

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X創(chuàng)新平臺(tái)配置主要有以下3種類型，分別為：A型、B型和C型（3種類型平臺(tái)可根據(jù)院校自身情況選配ABB、FANUC、KUKA、匯博機(jī)器人和華數(shù)機(jī)器人中的任何一款）。

1）A型設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，模塊可任意組合。A型設(shè)備可以滿足工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程初級(jí)、中級(jí)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)以及初級(jí)、中級(jí)的職業(yè)技能等級(jí)考核。

2）B型設(shè)備兼容A型設(shè)備的所有特點(diǎn)和功能，B型設(shè)備在A型設(shè)備的基礎(chǔ)上增加虛擬調(diào)試軟件和二次開發(fā)軟件包。

3）C型設(shè)備由A型和B型組合而成，兼容A型和B型設(shè)備的所有特點(diǎn)和功能。C型設(shè)備滿足工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程初、中、高級(jí)教學(xué)實(shí)訓(xùn)及職業(yè)技能考核。

2 工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器概述

工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器，即安設(shè)在工業(yè)機(jī)器人手腕上的手部夾具，其主要作用是直接抓握工件或者執(zhí)行相關(guān)作業(yè)。機(jī)器人的手部，可以是類似人的手部有手指，也可以沒有手指，還可以是進(jìn)行專業(yè)作業(yè)的工具，比如裝在機(jī)器人手腕上的噴涂槍、焊接工具等，應(yīng)用領(lǐng)域不同，機(jī)器人末端執(zhí)行器就會(huì)不同。

工業(yè)機(jī)器人通過(guò)安設(shè)不同的末端執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)體類零件、金屬板類等各種工件的搬運(yùn)。此外，還可以配合數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作步驟。雖然看似不起眼，卻舉足輕重，作為與外部環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)與執(zhí)行部件，對(duì)提高工業(yè)機(jī)器人的柔性和實(shí)用性起著十分重要的作用，其性能的好壞在一定程度上影響了整個(gè)機(jī)器人的工作性能。

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的快速發(fā)展，末端執(zhí)行器獲得了很大的發(fā)展空間，參照Global Market Insights，Inc的研究報(bào)告，在2018年，工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的市場(chǎng)收入約為25億美元，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到65億美元，2019年至2025年間增長(zhǎng)達(dá)14%。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外先后研發(fā)出多種機(jī)器人末端執(zhí)行器，其許多材質(zhì)為非剛性材料，質(zhì)量、外形和尺寸等相差很大，在不同行業(yè)、不同領(lǐng)域，應(yīng)用的機(jī)器人末端執(zhí)行器基本都是專用的。實(shí)現(xiàn)對(duì)各種柔、脆、不規(guī)則形狀材料靈巧、柔順地抓取，一直是機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

3 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X平臺(tái)繪圖模塊應(yīng)用分析

3.1 繪圖（雕刻）模塊離線仿真

3.1.1 創(chuàng)建工作站

以IRB 120型工業(yè)機(jī)器人為目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行分析，首先打開ABB工業(yè)機(jī)器人仿真軟件RobotStudio，導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人考核平臺(tái)、工業(yè)機(jī)器人ABBIRB 120（型號(hào)與實(shí)物一致）、繪圖（雕刻）筆工具、主盤工具和繪圖模塊，搭建工業(yè)機(jī)器人繪圖（雕刻）仿真工作站，工業(yè)機(jī)器人布局時(shí)需考慮安裝到考核平臺(tái)基座上，快換裝置模塊及繪圖（雕刻）模塊的位置，繪圖（雕刻）筆工具必須安裝到快換工具模塊上。

3.1.2 參數(shù)設(shè)定

創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，完成I/O板卡、I/O信號(hào)設(shè)置，設(shè)定繪圖（雕刻）筆工具相關(guān)功能參數(shù)，標(biāo)定繪圖（雕刻）筆工具坐標(biāo)系和繪圖模塊工件坐標(biāo)系。

3.1.3 離線編程

通過(guò)RobotStudio仿真軟件進(jìn)行繪圖（雕刻）模型的離線編程，要完成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)定，注意繪圖筆及本站布局時(shí)應(yīng)盡量避免工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)入奇異點(diǎn)，在繪圖筆垂直繪圖板進(jìn)行繪圖（雕刻）時(shí)，調(diào)用繪圖（雕刻）筆工具坐標(biāo)系和繪圖模塊工件坐標(biāo)系。工業(yè)機(jī)器人從HOME點(diǎn)開始運(yùn)行，進(jìn)行繪圖（雕刻）作業(yè)，繪圖（雕刻）作業(yè)完成后工業(yè)機(jī)器人將繪圖（雕刻）筆自動(dòng)放回快換裝置，最后工業(yè)機(jī)器人需返回HOME點(diǎn)[2]。

3.1.4 雕刻仿真驗(yàn)證

通過(guò)仿真軟件進(jìn)行繪圖（雕刻）功能仿真驗(yàn)證。

3.2 繪圖模塊應(yīng)用

3.2.1 設(shè)備準(zhǔn)備

根據(jù)上頁(yè)圖1所示，完成工作站模塊布局，手動(dòng)設(shè)定繪圖（雕刻）模塊面向工業(yè)機(jī)器人一側(cè)30°左右傾斜，手動(dòng)將一張A4紙安裝到繪圖模塊上，手動(dòng)取下繪圖（雕刻）筆帽，并將繪圖（雕刻）筆工具安裝到工業(yè)機(jī)器人末端。

3.2.2 參數(shù)設(shè)定

創(chuàng)建并標(biāo)定繪圖（雕刻）筆工具坐標(biāo)系和繪圖（雕刻）筆模塊工件坐標(biāo)系（工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置需要進(jìn)行自定義）。

3.2.3 導(dǎo)入并修改離線程序

設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)通訊，再將仿真軟件中離線程序利用網(wǎng)線或U盤直接導(dǎo)入示教器中，根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)修改導(dǎo)入后的離線程序，包括修改新建的繪圖（雕刻）筆工具坐標(biāo)系和繪圖模塊工件坐標(biāo)系，修改取放工具點(diǎn)位控制信號(hào)等必要程序。

3.2.4 （繪圖）雕刻實(shí)物驗(yàn)證

手動(dòng)操作示教器運(yùn)行導(dǎo)入程序，利用工業(yè)機(jī)器人將繪圖（雕刻）模型在繪圖紙上繪制出來(lái)，以驗(yàn)證離線程序繪圖（雕刻）功能。工業(yè)機(jī)器人須從HOME點(diǎn)開始運(yùn)行，然后進(jìn)行繪圖（雕刻）作業(yè)，繪圖（雕刻）完成后將繪圖（雕刻）筆自動(dòng)放回快換裝置放置點(diǎn)，最后再將工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行至HOME點(diǎn)，如果運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)奇異點(diǎn)，需手動(dòng)改動(dòng)，繪制結(jié)果如圖2所示。

4 依托3D打印技術(shù)對(duì)其末端執(zhí)行器（繪圖工具）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)（Three Dimensionzl Printing，3DP）是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，把建好的模型文件（或三維掃描的圖形文件）導(dǎo)入到打印機(jī)軟件中，通過(guò)3D打印設(shè)備來(lái)控制打印材料，逐層堆積出三維實(shí)物的一種先進(jìn)制造技術(shù)。我們將3D打印技術(shù)稱之為增材制造、快速成型制造或三維打印等[3]。

3D打印技術(shù)思想起源于美國(guó)，J.E.Blanther在1892年提出，當(dāng)時(shí)主要用于地形圖的制作。經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，目前，歐美一些國(guó)家的3D打印技術(shù)在設(shè)備及應(yīng)用領(lǐng)域等方面都有了很大的突破。國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)起步于上個(gè)世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已從最初的科學(xué)普及發(fā)展到了目前工業(yè)級(jí)的生產(chǎn)階段[4]。

4.2 末端執(zhí)行器（繪圖工具）優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、培訓(xùn)指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生或培訓(xùn)者在平臺(tái)操作過(guò)程中由于操作不熟練，極易造成工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器碰撞，從而導(dǎo)致末端執(zhí)行器定位精度下降及損壞。1+X創(chuàng)新平臺(tái)繪圖（雕刻）模塊配套末端執(zhí)行器只能簡(jiǎn)單加持一種類型的筆芯，結(jié)構(gòu)比較單一。

工業(yè)機(jī)器人在工作過(guò)程中對(duì)外圍輔助繪圖平臺(tái)的平整性要求極高，在寫字或者繪圖的過(guò)程中，由于夾持筆芯工具沒有設(shè)計(jì)彈性裝置，稍有偏差極易撞壞筆芯。針對(duì)以上問題，我們積極探索、思考，在原有平臺(tái)繪圖（雕刻）模塊配套末端執(zhí)行器基礎(chǔ)上增加彈性裝置及內(nèi)套裝置，可以隨時(shí)更換不同型號(hào)、不同類型的繪圖筆，實(shí)現(xiàn)繪圖（雕刻）功能多元化，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

1）結(jié)構(gòu)方面：末端執(zhí)行器保留上端原快換裝置不變，將下端側(cè)立式夾持方式調(diào)整成中心式夾持方式。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，采用中心式夾持方式，可減少坐標(biāo)系標(biāo)定次數(shù)，提高效率。

2）材質(zhì)方面：將下端夾持材料由原來(lái)的金屬材料調(diào)整為塑料，針對(duì)原末端執(zhí)行器只能加持一種類型筆芯、夾持筆芯工具沒有設(shè)計(jì)彈性裝置的問題，結(jié)合學(xué)院現(xiàn)有的3D打印設(shè)備，設(shè)計(jì)了內(nèi)、外兩種嵌套夾持工具，并內(nèi)增了彈簧裝置，以便于裝夾馬克筆、繪圖筆和圓珠筆等不同的繪圖工具。

4.3 依托3D打印技術(shù)對(duì)其末端執(zhí)行器（繪圖工具）進(jìn)行增材制造

按照三維設(shè)計(jì)圖，依靠FDM熔融層積成型技術(shù)基本原理，采用性價(jià)比高的熱塑成形材料絲，材料絲經(jīng)過(guò)加熱器的擠壓頭熔化成為液體，再由計(jì)算機(jī)控制將擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，使熔化的熱塑材料絲通過(guò)噴嘴擠出，覆蓋于已建造的末端執(zhí)行器上，并在極短的時(shí)間內(nèi)快速凝固，形成一層材料。擠壓頭沿軸向向上運(yùn)動(dòng)微小距離，再進(jìn)行下一層材料的建造。如此就可以由底到頂逐層堆積完成一個(gè)末端執(zhí)行器制造過(guò)程。

比起傳統(tǒng)制造工藝二維圖紙，3D打印技術(shù)更具有高的直觀性和啟示性，設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段中的缺陷。對(duì)可裝配使用的末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)ζ浣Y(jié)構(gòu)、性能、定位精度、靈活性、通用性和美學(xué)品質(zhì)進(jìn)行全面檢驗(yàn)。

材料性能一直是FDM工藝的主要優(yōu)點(diǎn)，其中ABS原型強(qiáng)度可達(dá)到注塑零件的三分之一。近年又發(fā)展出了PC、PPSFPC、ABS等材料，它們強(qiáng)度、硬度已經(jīng)接近或領(lǐng)先于普通注塑零件，在某些特定場(chǎng)合（如新品試用、產(chǎn)品維修、零部件替換等）下可以直接使用。雖然金屬材料成型（近年有很多研究機(jī)構(gòu)和公司都對(duì)此進(jìn)行研究，是當(dāng)今快速成型領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題）的永生性能更好，但對(duì)于塑料零件，F(xiàn)DM工藝是一種非常適宜的快速增材制造方式，特別適合于以塑料件代替金屬件制造及修復(fù)改造工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的綠色環(huán)保理念。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，隨著各大職業(yè)院校工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X證書制度試點(diǎn)工作的順利推動(dòng)并平穩(wěn)落地，急需解決的問題除了提高師資隊(duì)伍建設(shè)以外，還需要將職業(yè)技術(shù)教育的課程與崗位技能需求進(jìn)行融合，根據(jù)機(jī)器人職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參照評(píng)價(jià)組織能力要求，試點(diǎn)院校可搭建符合自身院校發(fā)展、接近工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，而且學(xué)生參與度較強(qiáng)的高水平創(chuàng)新性實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，可以改造升級(jí)自己原有的技術(shù)平臺(tái)，結(jié)合3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化平臺(tái)機(jī)器人末端執(zhí)行器。不但可以提高教師、學(xué)生技術(shù)技能水平，還可以更大限度優(yōu)化、整合實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備，對(duì)于整個(gè)提升專業(yè)的建設(shè)水平以及自主創(chuàng)新能力都有很大提高。并且，可以結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，靈活運(yùn)用到企業(yè)實(shí)踐中去。