工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)方案

　　一、設(shè)立背景及目的

　　隨著《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的推進(jìn)和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的重要實(shí)現(xiàn)者，在汽車(chē)、電子、食品、化工、裝備制造等行業(yè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，相關(guān)行業(yè)對(duì)具備工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的綜合性應(yīng)用人才和生產(chǎn)一線的專(zhuān)業(yè)技術(shù)工人的需求日益增強(qiáng)。為響應(yīng)國(guó)jia政策號(hào)召，配合產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務(wù)企業(yè)技術(shù)升級(jí)和轉(zhuǎn)型，近兩年來(lái)越來(lái)越多的職業(yè)院校開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用及相關(guān)專(zhuān)業(yè)。

　　為了提高學(xué)生在工業(yè)機(jī)器人安裝、操作、調(diào)試及應(yīng)用等方面的技術(shù)技能水平，搭建集教學(xué)、比賽于一體的競(jìng)技與交流平臺(tái)，推進(jìn)以學(xué)生為主體的理實(shí)一體化教學(xué)模式改革，促進(jìn)專(zhuān)業(yè)建設(shè)，全國(guó)機(jī)械職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)向國(guó)jia有關(guān)部分申請(qǐng)?jiān)O(shè)立歸屬于加工制造類(lèi)的工業(yè)機(jī)器人中職國(guó)jia競(jìng)賽且獲得正式批準(zhǔn)，此后工業(yè)機(jī)器人賽項(xiàng)專(zhuān)家組根據(jù)中職教育教學(xué)的要求與特點(diǎn)設(shè)計(jì)了機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)的具體內(nèi)容。

　　二、具體情況

　　1、賽項(xiàng)名稱(chēng)：機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用

　　2、賽項(xiàng)組別：中職組

　　3、專(zhuān)業(yè)大類(lèi)：加工制造類(lèi)

　　三、平臺(tái)(工業(yè)機(jī)器人PCB異形插件工作站)功能

　　1 產(chǎn)品介紹

　　工業(yè)機(jī)器人PCB異形插件工作站，如圖 1所示，以桌面式關(guān)節(jié)型六軸串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人為核心，在操作平臺(tái)的四周合理分布有4種不同工藝應(yīng)用的機(jī)器人工具以及涂膠單元、搬運(yùn)碼垛單元、異形芯片原料單元、異形芯片裝配單元、視覺(jué)檢測(cè)及光源單元、螺絲供料單元、總控系統(tǒng)及操作面板等組件。工作站深度集成了離線編程技術(shù)，軟件中不僅包含了與硬件平臺(tái)的相符三維模型資源，還大大簡(jiǎn)化了涂膠及搬運(yùn)碼垛工藝實(shí)現(xiàn)的編程應(yīng)用過(guò)程、提高軌跡復(fù)現(xiàn)精度、避免發(fā)生碰撞干涉。工作站包含了涂膠工藝、搬運(yùn)碼垛工藝、分揀工藝、裝配工藝等工業(yè)機(jī)器典型應(yīng)用，不僅滿(mǎn)足了職業(yè)院校不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的操作和編程的教學(xué)需求，完全來(lái)源于工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的特征也使該工作站更加適合于作為職業(yè)技能競(jìng)賽平臺(tái)。

　　圖 1 工業(yè)機(jī)器人PCB異形插件工作站

　　工業(yè)機(jī)器人PCB異形插件工作站融合了工業(yè)機(jī)器人維護(hù)及操作、系統(tǒng)安裝及調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)示教編程及調(diào)試、離線編程及應(yīng)用等技能要求，以3C行業(yè)典型的異形芯片插件工藝過(guò)程為任務(wù)主線，產(chǎn)品分為異形芯片零件、PCB電路板和蓋板代表不同產(chǎn)品，采用模擬化設(shè)計(jì)提高裝配產(chǎn)品的復(fù)用率，如圖 2所示。

　　圖 2 電子產(chǎn)品PCB異形芯片插片產(chǎn)品

　　.2 技術(shù)參數(shù)

　　? 輸入電源：交流單相220V，頻率50Hz

　　? 額定功率：5kW

　　? 安全保護(hù)：急停開(kāi)關(guān)、漏電保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)

　　? 整體尺寸：2200mm×1350mm×1500mm

　　.3主要配置

　　? 工業(yè)機(jī)器人：ABB IRB 120、STEP SD500

　　? PLC：SIEMENS

　　? 模擬工藝：碼垛、涂膠、分揀、裝配

　　? 機(jī)械快換：EINS

　　? 視覺(jué)檢測(cè)：OMRON

　　? 氣動(dòng)組件：AirTAC、SMC

　　? 電氣組件：OMRON、Schneider、Rittal

　　.4 核心功能

　　工業(yè)機(jī)器人PCB異形插件工作站以3C典型產(chǎn)品的生產(chǎn)裝配過(guò)程為主線，包含了涂膠、搬運(yùn)碼垛、視覺(jué)分揀、裝配、鎖螺絲、檢測(cè)等工藝過(guò)程，所有涉及設(shè)備均合理布置在工作站臺(tái)面上，方便查看設(shè)備狀態(tài)和操作編程，布局方式如圖 3所示。

　　圖 3 工業(yè)機(jī)器人PCB異形插件工作站布局

　　工作站選用桌面型工業(yè)機(jī)器人用來(lái)將所有加工工序串聯(lián)起來(lái)，可根據(jù)學(xué)校需求更換不同品牌近似規(guī)格型號(hào)的產(chǎn)品，為確保設(shè)備使用一貫性和穩(wěn)定性，建議采用瑞士ABB品牌的IRB 120型、中國(guó)新時(shí)達(dá)品牌的SD 500型，如圖 4所示，兩款工業(yè)機(jī)器人的額定負(fù)載、工作范圍和重復(fù)定位精度基本相同，小巧靈活特性使其廣泛應(yīng)用于3C、電子、食品等行業(yè)，同時(shí)較小的工作半徑和額定負(fù)載，在保證功能實(shí)現(xiàn)效果的前提下，確保教學(xué)和競(jìng)賽安全，防止發(fā)生人員意外，滿(mǎn)足工作站使用要求。

　　圖 4 可選工業(yè)機(jī)器人型號(hào)

　　工業(yè)機(jī)器人工具種類(lèi)直接決定了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用功能，如圖 5所示，4種不同功能的工具覆蓋了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的完整過(guò)程，多個(gè)工具都采用復(fù)合設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)不同的工藝功能。所有工具均采用工業(yè)級(jí)工具快換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需人為干預(yù)，工業(yè)機(jī)器人可在不同工具間自由切換，同時(shí)確保氣路、電路信號(hào)通信正常，大大擴(kuò)展了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用能力。涂膠工具采用仿形設(shè)計(jì)，內(nèi)部安裝可軸向移動(dòng)的顏色筆可以在涂膠模塊上按軌跡要求涂繪;夾爪工具利用氣缸驅(qū)動(dòng)，采用平行二指形式，可以穩(wěn)定夾取碼垛物料;吸盤(pán)工具采用雙功能設(shè)計(jì)，即可穩(wěn)定吸取異形芯片，又可吸取蓋板;鎖螺絲工具可以將供螺絲組件提供的螺絲按照指定鎖緊力矩將蓋板和PCB電路板鎖固。

　　圖 5 工具快換系統(tǒng)及工具

　　涂膠單元是將工業(yè)機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品裝配前的涂膠工藝進(jìn)行功能抽象化，工業(yè)機(jī)器人抓持涂膠工具沿具有弧形曲面的面板上合理布置不同產(chǎn)品外輪廓軌跡上模擬工藝過(guò)程，如圖 6所示，保證工藝真實(shí)性同時(shí)增加教學(xué)可行性和趣味性。利用涂膠模塊和所提供的不同內(nèi)容的軌跡圖紙，利用涂膠工具，同時(shí)可以完成工業(yè)機(jī)器人脫離工藝應(yīng)用的基礎(chǔ)操作和編程教學(xué)應(yīng)用。

　　圖 6 涂膠單元

　　搬運(yùn)碼垛單元是將工業(yè)機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品搬運(yùn)碼垛工藝進(jìn)行功能抽象化，工業(yè)機(jī)器人抓持夾爪工具將已完成生產(chǎn)的方形產(chǎn)品由原料臺(tái)按照要求搬運(yùn)碼垛到指定位置，如圖 7所示，提供兩種不同類(lèi)型的倉(cāng)儲(chǔ)料庫(kù)，可以模擬傳送帶隊(duì)列式供貨和平臺(tái)堆垛，通過(guò)對(duì)物料轉(zhuǎn)移過(guò)程和堆垛形式的要求增加教學(xué)多樣性，提高編程復(fù)雜度。

　　圖 7 碼垛單元

　　異形芯片原料單元用于存放不同類(lèi)型的異形芯片，通過(guò)形狀不同代表不同種類(lèi)、顏色不同代表不同型號(hào)，異形芯片裝配單元提供多個(gè)裝配工位，如圖 8所示，分別用于不同產(chǎn)品的裝配和檢測(cè)。不同產(chǎn)品對(duì)芯片種類(lèi)、數(shù)量的要求不一，需要工業(yè)機(jī)器人根據(jù)要求從異形芯片原料單元中選取所需的芯片后放置到指定位置，在完成所有芯片的安裝后，為產(chǎn)品安放蓋板并鎖緊固定螺絲。

　　圖 8 異形芯片原料單元及裝配單元

　　視覺(jué)檢測(cè)及光源單元可以對(duì)工業(yè)機(jī)器人所選取芯片的顏色、形狀、位置等信息進(jìn)行檢測(cè)和提取，如圖 9所示，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給工業(yè)機(jī)器人，以輔助其完成后續(xù)動(dòng)作。視覺(jué)鏡頭配套檢測(cè)光源，可以盡量避免環(huán)境光源對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。采用倒置式安裝，可以使機(jī)器人手持零件進(jìn)行檢測(cè)，減少周邊配套設(shè)備，簡(jiǎn)化機(jī)器人軌跡動(dòng)作。

　　圖 9 視覺(jué)檢測(cè)單元

　　工作站為方便教學(xué)和競(jìng)賽使用，在平臺(tái)上布置了云監(jiān)控，如圖 10所示，利用互聯(lián)網(wǎng)可將設(shè)備的實(shí)時(shí)操作過(guò)程在大尺寸教學(xué)終端中進(jìn)行展示，避免了集中式教學(xué)學(xué)生圍觀又無(wú)法切實(shí)看清教師操作過(guò)程的問(wèn)題，也可以在競(jìng)賽過(guò)程中實(shí)現(xiàn)直播提高觀賞度，同時(shí)方便教師對(duì)學(xué)生的操作流程進(jìn)行實(shí)時(shí)點(diǎn)評(píng)，提高教學(xué)指導(dǎo)效果，存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的錄像實(shí)現(xiàn)對(duì)操作過(guò)程可追溯，為競(jìng)賽過(guò)程中爭(zhēng)議事件提供佐證材料。同時(shí)，在工作站操作正面，利用線性光柵作為安全保護(hù)措施，當(dāng)操作人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，工作站會(huì)蜂鳴報(bào)警，并降低工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度，甚至觸發(fā)急停，以避免危險(xiǎn)發(fā)生。

　　圖 10 云監(jiān)控及安全光柵

　　離線編程軟件選用可同時(shí)支持ABB IRB 120和新時(shí)達(dá) SD500兩種工業(yè)機(jī)器人的RobotArt軟件(實(shí)際上可以支持國(guó)內(nèi)外超過(guò)10種主流的工業(yè)機(jī)器本體)，采用解算算法并已申請(qǐng)軟件著作權(quán)，集成了計(jì)算機(jī)三維實(shí)體顯示、系統(tǒng)仿真、智能軌跡優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)控制代碼生成等核心技術(shù)，使得工業(yè)機(jī)器人獲得了更加強(qiáng)大的“大腦”，可以輕松應(yīng)對(duì)復(fù)雜軌跡的高精度生成和復(fù)現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)上完成軌跡設(shè)計(jì)、規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)仿真、碰撞檢查、姿態(tài)優(yōu)化，zui后直接生成工業(yè)機(jī)器人控制器所需的執(zhí)行運(yùn)動(dòng)代碼，同時(shí)還提供了方便的軌跡整體優(yōu)化、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)和空間校準(zhǔn)算法，縮短了工業(yè)機(jī)器人的停機(jī)調(diào)試時(shí)間，為工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

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