中職工業(yè)機(jī)器人激光雕刻教學(xué)工作站的設(shè)計(jì)與意義

文/東莞市信息技術(shù)學(xué)校 李龍平

一、前言

隨著國(guó)家“人口紅利”的不斷下降，工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)一步普及。社會(huì)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人行業(yè)人才的需求越來(lái)越大，并且已經(jīng)表露出不簡(jiǎn)單滿足于基本操作的人才趨勢(shì)，更加強(qiáng)調(diào)人才的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。作為中職學(xué)校的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)，必須對(duì)這一趨勢(shì)進(jìn)行跟進(jìn)，通過(guò)實(shí)踐探索出更加適合社會(huì)需求的人才培養(yǎng)方案。只有通過(guò)不斷的實(shí)踐與理論相結(jié)合，才能有新的教學(xué)思維火花產(chǎn)生。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)用性很強(qiáng)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)能幫助學(xué)生理解課程基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)踐能力、激發(fā)創(chuàng)新精神，是提高教學(xué)質(zhì)量重要且有效的手段(馮凌云，劉凱，2021)。筆者在教學(xué)的實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，中職學(xué)生對(duì)于工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)表現(xiàn)出非常大的熱情，但存在著大多數(shù)學(xué)生無(wú)法深入學(xué)習(xí)的情況，除了與學(xué)生本身的知識(shí)儲(chǔ)備不足，也與學(xué)校的教學(xué)設(shè)備存在一定關(guān)系。

中職工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備，需緊貼市場(chǎng)需求，同時(shí)也需要具備簡(jiǎn)單易用，兼?zhèn)淙腴T和提升等教學(xué)功能。激光雕刻在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，在教學(xué)中也容易加工出實(shí)用、有趣的作品，ABB工業(yè)機(jī)器人的仿真軟件RobotStudio兼容第三方3D模型，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新能力。因此，探索工業(yè)機(jī)器人激光雕刻教學(xué)工作站的設(shè)計(jì)與論證，無(wú)論在工業(yè)市場(chǎng)需求還是教學(xué)上，都具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

二、知識(shí)準(zhǔn)備

市面上許多種類的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)工作站，雖然不具備生產(chǎn)功能，但是能夠以非常接近企業(yè)生產(chǎn)的方式呈現(xiàn)出來(lái)，方便教學(xué)。同時(shí)各工作站均包含工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、PLC技術(shù)應(yīng)用和機(jī)電一體化技術(shù)等知識(shí)內(nèi)容，屬于一個(gè)集成度較高的自動(dòng)化教學(xué)設(shè)備。此次在對(duì)工業(yè)機(jī)器人激光雕刻教學(xué)工作站進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證，所需要的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、PLC技術(shù)應(yīng)用以及三維設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)較多。

1.SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件

SolidWorks設(shè)計(jì)軟件是一款實(shí)用的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，能夠使初學(xué)者快速上手，設(shè)計(jì)出自己想要的3D模型，并且支持將設(shè)計(jì)出來(lái)的模型轉(zhuǎn)化成主流設(shè)計(jì)軟件所兼容的格式。

2.RobotStudio仿真軟件

RobotStudio是瑞士ABB公司設(shè)計(jì)的給予ABB工業(yè)機(jī)器人配套使用的仿真軟件，方便使用者進(jìn)行工作站建立、布局系統(tǒng)、建立工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)等全功能工作站建立的仿真軟件。使用簡(jiǎn)單，容易上手，方便展開(kāi)教學(xué)，能有效解決由于設(shè)備不足而造成的教學(xué)困難。

3.PLC技術(shù)應(yīng)用

在工業(yè)應(yīng)用中，與工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM并稱工業(yè)自動(dòng)化三大支柱的PLC作用越來(lái)越重要，尤其是在工業(yè)機(jī)器人同外界的數(shù)據(jù)交換中，PLC起著至關(guān)重要的作用。并且以其低成本、使用范圍廣和穩(wěn)定的性能等優(yōu)良特點(diǎn)使得它在工業(yè)上占據(jù)著重要的地位。

4.激光雕刻技術(shù)

此次采用的激光模組為創(chuàng)聯(lián)科技的7W定焦藍(lán)光模組，激光波長(zhǎng)為450nm，焦距18mm；采用12V直流電源進(jìn)行供電，并且采用PWM信號(hào)進(jìn)行功率控制，可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比和出光頻率對(duì)激光模組進(jìn)行功率調(diào)節(jié)?？梢詫?duì)木頭、皮革、塑料、鋁合金和不銹鋼等材質(zhì)的工件進(jìn)行雕刻。具有低噪音、散熱好、精度高等特點(diǎn)，能夠滿足精度0.5mm以上的激光雕刻。

三、設(shè)計(jì)思路

1.工作站建模

虛擬制造業(yè)協(xié)同創(chuàng)新過(guò)程中，也需要重視設(shè)計(jì)、制造、集成等綜合性全生命周期虛擬制造業(yè)無(wú)界生態(tài)鏈的建設(shè)(雍玖，王陽(yáng)萍，黨建武，2021)。為了較好地進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人激光雕刻工作站的設(shè)計(jì)，采用了建模、虛擬仿真、實(shí)體機(jī)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)流程。

首先，根據(jù)測(cè)量得到的創(chuàng)聯(lián)科技激光模組、待加工用的紀(jì)念品木塊尺寸，利用SolidWorks軟件進(jìn)行1∶1，并且根據(jù)需要設(shè)計(jì)出可以安裝在ABB 1200型工業(yè)機(jī)器人末端的配套夾具。然后將模型導(dǎo)入到已經(jīng)設(shè)置好工作站的 RobotStudio 仿真軟件當(dāng)中，進(jìn)行工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)的建立。隨后，對(duì)建立起來(lái)的虛擬激光雕刻工作站進(jìn)行程序的編寫(xiě)并且完成仿真測(cè)試。

2.電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)置使用的激光模組采用DC 12V的電源進(jìn)行供電，采用PWM信號(hào)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制頻率在100Hz以內(nèi)，符合此次生產(chǎn)要求；PWM模塊采用頻率和占空比可調(diào)的方波發(fā)生器，頻率控制在0-150KHz 之間。初步方案是通過(guò)機(jī)器人控制器 IRC5 輸出數(shù)字信號(hào) DO1，控制12V機(jī)械式直流繼電器進(jìn)行PWM發(fā)生器的通斷，從而控制激光模組的出光時(shí)間。但在實(shí)際生產(chǎn)和教學(xué)時(shí)，機(jī)器人信號(hào)的輸出頻率超出機(jī)械繼電器的使用頻率，出現(xiàn)通斷的延時(shí)，不能及時(shí)很好地控制激光模組的出光時(shí)間，造成被加工工件和繼電器的損壞。

為了有效解決激光模組接收PWM信號(hào)的問(wèn)題，在通過(guò)重新設(shè)計(jì)電路方案和實(shí)踐后，確定電路如圖1所示。引入西門子smart-200系列PLCSR40替代原有的機(jī)械繼電器，SR40屬于繼電器輸出型PLC，具有三路高速脈沖輸出，可以輸出頻率在100KHz以內(nèi)的脈沖信號(hào)，符合激光模組的控制要求。主要控制流程為：PWM發(fā)生器根據(jù)產(chǎn)品要求設(shè)置好頻率參數(shù)后，一直給激光器提供信號(hào)，機(jī)器人控制器IRC5通過(guò)輸出信號(hào)DO1給 PLC，控制信號(hào)是否能傳送到激光模組。其中，PLC程序起著信號(hào)取反的功能，并且預(yù)留了足夠的 I/O端口，方便工作站日后的升級(jí)和改造。

圖1

3.程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人激光雕刻工作站是實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工，加工出客戶想要的圖案和文字，要求機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定的工作位置后，再開(kāi)啟激光進(jìn)行加工，加工完成后再關(guān)閉激光。涉及信號(hào)的頻繁導(dǎo)通和斷開(kāi)。因此，在設(shè)計(jì)程序的時(shí)候需要采用程序調(diào)用和等待指令(如圖2所示)，進(jìn)入被調(diào)用程序后，進(jìn)行 0.5秒的等待后，再利用置位指令從DO1端口輸出信號(hào)給PLC，以此來(lái)控制激光模組的出光，在等待又一個(gè) 0.5秒后，再進(jìn)行程序的調(diào)用運(yùn)行軌跡圖案；完成一條輪廓后再對(duì)出光信號(hào)進(jìn)行復(fù)位，避免激光燒壞工件。由于圖案較為復(fù)雜，編寫(xiě)的程序的量足夠大，在運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)堆棧溢出導(dǎo)致機(jī)器人停止工作，所以當(dāng)程序量足夠大的時(shí)候，需要使用特定指令ClearPath進(jìn)行清理(如圖3所示)。ClearPath能夠有效地解決由于程序過(guò)多而導(dǎo)致的堆棧溢出問(wèn)題。

圖2

圖3

四、現(xiàn)實(shí)意義

1.有利于解決部分學(xué)校教學(xué)設(shè)備不足而教學(xué)難以開(kāi)展的問(wèn)題

工業(yè)機(jī)器人RobotStudio仿真軟件能夠有效構(gòu)建虛擬三維實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景， 模擬真實(shí)場(chǎng)景，有利于學(xué)生提前熟悉實(shí)際操作的環(huán)境與內(nèi)容(夏中堅(jiān)，2021)。筆者所在學(xué)校有ABB工業(yè)機(jī)器人2臺(tái)，在進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人教學(xué)時(shí)很難開(kāi)展充分的實(shí)踐教學(xué)。為了有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)展行之有效的實(shí)踐教學(xué)，筆者曾利用Robotstudio仿真軟件對(duì)學(xué)校的教學(xué)設(shè)備進(jìn)行1∶1建模，采用“理虛實(shí)”的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了教學(xué)實(shí)踐的效果，教學(xué)效果優(yōu)良。同時(shí)，仿真教學(xué)也具有更高的安全性。

2.虛實(shí)結(jié)合，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)造能力

職業(yè)學(xué)校的教學(xué)設(shè)備大多數(shù)是通過(guò)向企業(yè)定制使用的，較為刻板，學(xué)生們未曾見(jiàn)到過(guò)一臺(tái)設(shè)備或一條生產(chǎn)線從無(wú)到有的過(guò)程，所以還是未能很好地調(diào)動(dòng)積極性。此次進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人激光雕刻教學(xué)工作站的設(shè)計(jì)與論證，學(xué)生能夠在SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件上設(shè)計(jì)、ABB工業(yè)機(jī)器人仿真軟件Robotstudio上論證，協(xié)助老師進(jìn)行工作站的安裝和調(diào)試。這是一個(gè)很好的教學(xué)過(guò)程，能夠充分激勵(lì)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，提升專業(yè)認(rèn)同感。同時(shí)，該工作室采用模塊化設(shè)計(jì)，拆卸、拼裝簡(jiǎn)單，有利于長(zhǎng)期的教育教學(xué)開(kāi)展。

3.促進(jìn)專業(yè)教師專業(yè)能力提升

工業(yè)設(shè)備和教學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)與論證，是教師專業(yè)能力的體現(xiàn)。工業(yè)設(shè)備和教學(xué)設(shè)備的制造，要從理論到實(shí)際的遷移，理論與實(shí)際相結(jié)合總是存在著實(shí)踐的困難，只有深入去應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)踐中的困難，才能更好地促進(jìn)教師專業(yè)能力的提升。此次設(shè)計(jì)的激光雕刻工作站雖然在硬件上涉及的元件不多，但是涉及3D建模、ABB 工業(yè)機(jī)器人的使用、RobotStudio仿真軟件的使用、激光模組、PLC技術(shù)應(yīng)用以及PWM等知識(shí)，綜合程度比較強(qiáng)，對(duì)教師來(lái)說(shuō)是一次非常不錯(cuò)的鍛煉。

4.促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人1+X 證書(shū)的課證融通

在工業(yè)機(jī)器人激光雕刻工作站的教學(xué)中，涉及工業(yè)機(jī)器人的基本操作、工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)的設(shè)置，I/O 信號(hào)以及PLC技術(shù)應(yīng)用等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，符合當(dāng)前教育部所公布的多個(gè)工業(yè)機(jī)器人1+X證書(shū)的職業(yè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用和工業(yè)機(jī)器人運(yùn)維等職業(yè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。以激光雕刻工作站作為知識(shí)的載體，學(xué)生根據(jù)自己的意愿生產(chǎn)出產(chǎn)品，學(xué)習(xí)效果可通過(guò)產(chǎn)品看得到，能夠激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)欲望，夯實(shí)學(xué)習(xí)成果。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著職業(yè)教育的快速發(fā)展，中等職業(yè)學(xué)校的教學(xué)設(shè)備更新速度加快，只有把握住市場(chǎng)的需求，設(shè)置行之有效的教學(xué)過(guò)程，才能更好地為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)更多合適的人才，促進(jìn)職業(yè)教育的發(fā)展。激光雕刻屬于市場(chǎng)中較為新興的技術(shù)，應(yīng)用已經(jīng)極為廣泛，學(xué)生乃至專業(yè)教師雖然知道應(yīng)用的原理，卻還是很陌生。因此工業(yè)機(jī)器人激光雕刻工作站的設(shè)計(jì)，或者說(shuō)每一次的教學(xué)載體的設(shè)計(jì)與論證，都在一定程度上加速了教師專業(yè)能力的成長(zhǎng)和產(chǎn)教融合成果的產(chǎn)出，促進(jìn)著教育教學(xué)的良性發(fā)展。