淺談《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

張秀香，牛曉飛，唐永剛

(宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》是機(jī)械專業(yè)、電氣專業(yè)、電信專業(yè)的一門專業(yè)課，主要講授工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展概況及分類，工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制，手動(dòng)操縱工業(yè)機(jī)器人，初識(shí)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)示教，搬運(yùn)、碼垛、焊接、涂裝、裝配機(jī)器人及其操作應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容[1]。全面、詳細(xì)地闡述工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)理論知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，涉及知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)操性強(qiáng)，內(nèi)容繁多，學(xué)生掌握難度大。目前《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》教學(xué)僅以理論講授為主，缺乏實(shí)物模擬訓(xùn)練，實(shí)踐性和創(chuàng)造性差。在工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造水平和科技水平重要標(biāo)志的時(shí)代，培養(yǎng)掌握工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的工程技術(shù)人才，滿足社會(huì)發(fā)展的需求，顯得尤其緊要[2]。因此，增設(shè)一種基于典型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的可視化和實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)教學(xué)--微型智慧工廠，使課程教學(xué)直觀生動(dòng)、便于理解、易于掌握，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，具有重要的意義。

1 《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》教學(xué)方式存在的問題

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》為機(jī)電專業(yè)課，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，專業(yè)性是比較強(qiáng)的，涉及理論和內(nèi)容繁多。目前的《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》課程教學(xué)存在的主要問題有：

(1)國(guó)內(nèi)各大高校《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》的教學(xué)方式主要以理論講授為主，僅僅圍繞課本中工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱，缺乏啟發(fā)性[3]。比如，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸與坐標(biāo)系、認(rèn)識(shí)和使用示教器、搬運(yùn)、碼垛、焊接、涂裝、裝配機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡程序編寫及調(diào)試等實(shí)操理論進(jìn)行講解時(shí)，單單依賴語言及PPT圖片來描述是不足的，完全沒有說服力，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)識(shí)不強(qiáng)，課堂興趣平淡乏味。

(2)應(yīng)用型教材書目較少。教材大多以講解機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操作手運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人控制等機(jī)械和控制系統(tǒng)方面的知識(shí)為重點(diǎn)，而應(yīng)用型教材相對(duì)較少，學(xué)生缺少實(shí)踐實(shí)操能力。這種重視理論知識(shí)、忽視應(yīng)用能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生局限于理論設(shè)計(jì)方法，綜合分析問題能力薄弱。由于學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力匱乏，難以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人操作者的使用要求[4-5]。

(3)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，包括在線示教和離線編程。離線編程軟件中，機(jī)器人和設(shè)備模型均為三維顯示，可直觀設(shè)置、觀察機(jī)器人的位置、動(dòng)作與干涉情況。離線編程可以鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力，但是出于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性、作業(yè)的可靠性等方面的考慮，也只能在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用認(rèn)識(shí)上有一定的提高，具有很大的局限性[6]。

2 微型智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 智慧工廠的科學(xué)意義

智慧工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，是在先進(jìn)自動(dòng)化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)；清楚掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)、即時(shí)正確的采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)計(jì)劃編排與生產(chǎn)進(jìn)度[7]。主要包括如下技術(shù)：先進(jìn)制造技術(shù)、制造自動(dòng)化技術(shù)、工業(yè)工程管理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。根據(jù)目前科技發(fā)展和教學(xué)方向，在制造生產(chǎn)線上增設(shè)軟硬件設(shè)施，包括自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)、AGV小車、數(shù)控系統(tǒng)、RFID射頻識(shí)別、工位看板、MES軟件、ERP、車輛在線追蹤功能的運(yùn)輸管理模塊，整合系統(tǒng)建設(shè)模擬化微型智能工程。基于物聯(lián)系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)開設(shè)理念，將“先進(jìn)制造”、“工業(yè)工程”學(xué)科與“企業(yè)應(yīng)用”三方面在該系統(tǒng)中進(jìn)行有機(jī)地融合，通過讓學(xué)生參與實(shí)踐，將課堂教學(xué)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、企業(yè)實(shí)踐結(jié)合，達(dá)到感性和理性認(rèn)識(shí)的目的[8-9]。

2.2 微型智慧工廠的特點(diǎn)

設(shè)備首先要滿足特定的功能要求，達(dá)到學(xué)生模擬鍛煉的目的，同時(shí)要盡量降低投資成本，減少占地面積和噪聲污染，保證操作安全。因此，設(shè)備的微型化具有積極的意義。

(1)微型化可以減少硬件投資：動(dòng)力及機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸大幅降低，材料及加工成本較低，同時(shí)運(yùn)輸及包裝費(fèi)用也相應(yīng)減少，硬件成本可以減少50%。

(2)節(jié)約空間：微型化與大型設(shè)備空間相比，減少70%。

(3)節(jié)約能耗：由于動(dòng)力大幅降低，用電量及用氣量也大幅減少，能源可以減少80%。

(4)增加安全性：大型設(shè)備載荷大，運(yùn)動(dòng)部件重量大，安全性要求高。微型化產(chǎn)品載荷小，運(yùn)動(dòng)要求低，對(duì)人體安全性也降低，教學(xué)及科研方便動(dòng)手變得簡(jiǎn)單，真正達(dá)到教學(xué)與科研的工程目的。

2.3 系統(tǒng)概述

該平臺(tái)是以微型加工車間為對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)工件加工、檢測(cè)和裝配生產(chǎn)流程，包含了柔性制造系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)及生產(chǎn)管理系統(tǒng)，是多學(xué)科技術(shù)集成的綜合實(shí)驗(yàn)與研究平臺(tái)。平臺(tái)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，各實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝可靠，機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制回路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，適合機(jī)械電子、自動(dòng)化類相關(guān)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，適合自動(dòng)化技術(shù)人員進(jìn)行工程訓(xùn)練及技術(shù)應(yīng)用開發(fā)。智慧工廠平臺(tái)組成模塊如圖1所示，主要包括9個(gè)單元模塊，它們分別為：

(1)自動(dòng)化倉儲(chǔ)單元；

(2)柔性加工單元；

(3)自動(dòng)檢測(cè)單元；

(4)自動(dòng)裝配單元；

(5)人工裝配單元；

(6)電子標(biāo)簽揀選單元；

(7)自動(dòng)揀選單元；

(8)物聯(lián)網(wǎng)單元；

(9)生產(chǎn)管理與控制單元(MES/FMS)。

圖1 智慧工廠平臺(tái)組成模塊

硬件系統(tǒng)主要設(shè)備包含自動(dòng)化立體倉庫、AGV導(dǎo)引車、六自由度工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)、智能視覺檢測(cè)系統(tǒng)、智能輸送系統(tǒng)、RFID、PLC控制系統(tǒng)及中央控制系統(tǒng)等組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行出入庫、生產(chǎn)加工、搬運(yùn)、質(zhì)量檢測(cè)、裝配等操作。是一條真實(shí)地小型生產(chǎn)線，使學(xué)生身臨其境，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)與崗位培訓(xùn)的合二為一，使教學(xué)培訓(xùn)直觀和高效。系統(tǒng)軟件分MES軟件(上層：辦公層)、FMS軟件(中間層)、CNC層(下層：數(shù)控軟件、機(jī)器人軟件、倉庫軟件)，智慧工廠軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖如圖2所示。

圖2 智慧工廠軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖

2.4 系統(tǒng)工位布局

微型智慧工廠的設(shè)備空間需要7×8m2，智慧工廠平臺(tái)組成模塊在工位的布局位置如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成模塊工位布局圖

3 工業(yè)機(jī)器人在微型智慧工廠的具體應(yīng)用

微型智慧工廠的引入，不僅能夠有效滿足《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》的實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，同時(shí)融會(huì)了機(jī)械、數(shù)控、工業(yè)技術(shù)總線、物流管理、PLC編程等多門學(xué)科知識(shí)，輔助機(jī)電專業(yè)的其他課程，使學(xué)生得到更好的模擬與訓(xùn)練。本文只針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的具體應(yīng)用進(jìn)行詳述。

3.1 六自由度機(jī)器人

選用六自由度垂直串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人系統(tǒng)，其廣泛應(yīng)用在搬運(yùn)、裝配、焊接及噴涂等工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由操作機(jī)、控制系統(tǒng)、搬運(yùn)/裝配/焊接/噴涂系統(tǒng)組成，末端手爪配備多種工具，可進(jìn)行工件的吸附、夾取及裝配等操作，或配置視覺傳感系統(tǒng)、觸覺傳感系統(tǒng)，更好地完成工件的焊接或裝配作業(yè)。

表1 六自由度工業(yè)機(jī)器人主要參數(shù)表

機(jī)器人本體由六自由度關(guān)節(jié)組成，固定在滑移平臺(tái)上，如圖4所示，機(jī)器人具體參數(shù)如表1和表2所示。

表2 六自由度機(jī)器人系統(tǒng)配置及參數(shù)表

圖4 六自由度機(jī)器人

3.2 六自由度機(jī)器人應(yīng)用案例設(shè)計(jì)

3.2.1 任務(wù)描述

微型智慧工廠選用六自由度搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)需要掌握的內(nèi)容如下：

(1)掌握搬運(yùn)機(jī)器人的系統(tǒng)組成及機(jī)器人技術(shù)參數(shù)；

(2)掌握示教器的使用方法：示教器控制面板功能及各功能鍵作用。

(3)掌握通過示教器進(jìn)行車床上下料、銑床上下料在線示教程序編寫。

3.2.2 應(yīng)用方案

(1)學(xué)生學(xué)習(xí)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)：操作機(jī)、機(jī)器人控制柜、示教器、氣體發(fā)生裝置、末端執(zhí)行器和滑移平臺(tái)，讓學(xué)生對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)具有初步認(rèn)識(shí)，并介紹搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的工作流程。

(2)學(xué)生深入學(xué)習(xí)表1和表2中相關(guān)參數(shù)后，介紹搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸與坐標(biāo)系，通過示教器演示六個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)方式，學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的自由度、工作空間、額定負(fù)載、最大工作度速和工作精度等主要參數(shù)。

(3)搬運(yùn)機(jī)器人示教器各鍵功能熟悉，示教器如圖5所示。示教器主要由液晶屏幕和操作按鍵組成，是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，機(jī)器人的所有操作基本上都是通過它來完成的。學(xué)生通過使用說明書學(xué)習(xí)示教器各鍵功能，手動(dòng)設(shè)定安全移動(dòng)速度，驅(qū)動(dòng)演示搬運(yùn)機(jī)器人軸的動(dòng)作方式，加深理解機(jī)器人的自由度和動(dòng)作范圍，準(zhǔn)備進(jìn)行在線示教。

(4)在線示教:由操作人員手持示教器引導(dǎo)，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，記錄機(jī)器人作業(yè)的程序點(diǎn)并插入所需的機(jī)器人命令來完成程序的編制，該過程稱為機(jī)器人的在線示教或直接示教[6，10]。搬運(yùn)機(jī)器人上料軌跡如圖6和程序點(diǎn)說明如表3所示，要求學(xué)生利用示教器分別拾取圖6中車床上料的7個(gè)程序點(diǎn)，按照表3中程序點(diǎn)說明，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)軌跡作業(yè)程序編寫及調(diào)試等工作，并根據(jù)搬運(yùn)完成結(jié)果進(jìn)行學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。車床下料和銑床上、下料編程示教不再贅述。

圖5 示教器

圖6 搬運(yùn)機(jī)器人上料軌跡 表3 程序點(diǎn)說明

程序點(diǎn)說明手爪動(dòng)作程序點(diǎn)說明手爪動(dòng)作1機(jī)器人原點(diǎn)-5搬運(yùn)作業(yè)點(diǎn)放置2搬運(yùn)臨近點(diǎn)-6搬運(yùn)規(guī)避點(diǎn)-3搬運(yùn)作業(yè)點(diǎn)抓取7機(jī)器人原點(diǎn)-4搬運(yùn)中間點(diǎn)抓取

4 結(jié)語

針對(duì)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》課程教學(xué)方式中存在的問題，提出微型智慧工廠實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并詳細(xì)說明了工業(yè)機(jī)器人的具體應(yīng)用操作。微型智慧工廠加深了學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成、實(shí)踐操作的認(rèn)識(shí)，通過機(jī)床上下料等在線示教編程訓(xùn)練，掌握與其相關(guān)的應(yīng)用操作技術(shù)，并且該平臺(tái)可進(jìn)行多門學(xué)科知識(shí)的交叉學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力[11]。

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