基于工業機器人電工實訓平臺的改造升級

茍良

摘 要：為了改善我校實訓教學條件，積極探索工業機器人電工實習在培養具有創新能力的高職技能人才中的工程教育作用，對現有的工業機器人技術應用實訓平臺進行改造升級。改造升級內容包括視覺系統、機器人工裝夾具、生產線和實訓內容。改造后的實訓平臺將教學與工程實踐緊密結合，為培養學生工程實踐能力、科技創新能力提供了良好的條件。

關鍵詞：工業機器人;電工實習;改造

一、引言

工業機器人電工實習是工科院校一門重要的綜合性實踐課程，主要任務是培養學生在工業機器人電工方面的操作技能和解決實際問題的能力。隨著國家產業升級和智能制造的深入推進，工業機器人方向的電工技能人才技能需求不斷擴充變化，工作對象涵蓋PLC、觸摸屏、變頻器、組態技術、智能傳感器、工業機器人等眾多自動化技術。新對人才技能需求對實訓平臺提出了更高的要求。

二、當前實訓平臺概述

我?，F有的工業機器人電工實習平臺是2015年全國職業院校技能大賽“工業機器人技術應用”指定競賽設備——HBHX-RCPS-C10型工業機器人技術應用實訓平臺，它主要包括工業機器人、AGV 機器人、托盤生產線、工件盒生產線、視覺系統和立體倉庫等六部分組成，如圖1 所示。

系統的主要工作目標是將工件從立體倉庫上取出，通過AGV 機器人搬運到托盤生產線上，并通過托盤生產線上的視覺系統對工件進行識別，然后由工業機器人進行工件盒的抓取及分類裝箱。視覺系統檢測位置如圖2所示。

三、實訓平臺改造與創新

（一）關于視覺系統的實訓內容升級

改造平臺視覺系統采用信捷公司的X-sight SV4-30ml智能視覺傳感器。該系統包括鏡頭、智能相機和光源控制器三部分。系統中智能相機和PC 機之間使用RJ45 網口連接。PC 機主要用于智能相機圖像的處理、編程、程序下載、監控等。相機的控制可通過SIC-242 光源控制器與PLC 連接來控制，SIC-242 型光源控制器通過雙絞線與PLC 連接通信。相機程序需要利用X-Sight studio 圖像處理軟件對光源控制器進行預先的編程，將采集到的圖像轉換成系統所需的數字量信息。相機通過對工件比對的特征值進行學習采樣，做成模板。相機正常運行時，將拍照完成后的工件信息與模板中的工件信息進行比對并顯示相應的結果。

在以往的實訓中，學生通過使用X-Sight studio 圖像處理軟件視覺工具欄中“定位工具”的子菜單項“圖案定位”即可完成特征值標定，如判斷工件大小、形狀、圓孔數量。在實際的工業生產中，缺陷工件的出現總是不能完全避免的，如諧波減速器和輸出法蘭中的多孔或少孔問題。增加對缺陷工件的檢測是平臺視覺系統實訓內容升級的方向。在升級過程中，首先嘗試了“瑕疵檢測”“定位工具”中的眾多功能選項，但效果和成功率都不理想。通過多次研究分析，最終通過“計數工具”里的“圓孔計數”結合腳本程序算法解決了缺陷件的檢測問題。

（二）關于機器人工裝夾具的改造升級

工業機器人的外部工裝是用來進行操作及作業的裝置，是機器人最重要的執行機構，可分為搬運、加工、測量等用途。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。吸附式末端執行機構又稱吸盤，有氣吸式和磁吸式兩種，分別利用吸盤內負壓產生吸力來吸住并移動工件。改造平臺的工業機器人為了配合自動生產線工作，采用吸盤內負壓產生吸力來移動工件及收集空托盤，為了保證抓取到的物體在工業機器人動作的過程中不會掉落下來，改造平臺使用了單吸盤和雙吸盤的工裝夾具，單吸盤用于移動工件，雙吸盤用于將空托盤放置到托盤收集處。

改造平臺工業機器人工裝夾具雖有兩個可切換工具，但都為吸盤結構，不能吸取沒有上表面的中空結構工件，如關節底座。改造升級后的機器人工裝夾具將原單吸盤的部分修改成了氣動三爪卡盤，用于抓取中空工件;將原雙吸盤縮小，用于吸取平面工件和空托盤。同時，為了增加機器人工具坐標系標定的精度，設計了用于標定雙吸盤工具坐標系的標定尖針，分為活動端標定尖針與固定端標定尖針。活動端的標定尖針安裝在機器人雙吸盤的連接桿上，固定端的尖針則安裝在裝配流水線的備料庫中間的M8螺紋孔中。

新的夾具包含的執行元件是一個三爪卡盤和兩個真空吸盤。原機器人本體中已經穿了兩路氣管，其中一根用于驅動真空吸盤，另一路則連接到三爪卡盤。因三爪卡盤需要兩條氣路，所以需要在機器人本體中再穿一根Φ4的氣管，機器人四節的蓋板也需要增加一個Φ13的通孔，用于安裝Φ4的隔板直通。為了與三爪卡盤氣缸配套，同時將機器人底座內的電磁閥進行了更換，將原來用于驅動單吸盤的兩位三通閥更換為兩位五通閥，電磁閥連接電路不變。

（三）關于生產線的改造升級

改造平臺的工件盒生產線最多可放3 個工件盒，每個工件盒8 格，每格可放1～2 層，最多可放置16 個工件。工件盒生產線與工業機器人配合能完成工件盒分揀任務。分揀雖是工業生產中的重要環節，但學生若僅掌握工業機器人分揀技術是不夠的。為了豐富實訓內容和層次，生產線改造升級的方案是將工件盒生產線改造為裝配線生產線，并搭配成品庫和備件庫，從而實現裝配和分揀兩大訓練內容。

改造后的裝配流水線由成品庫工位、裝配工位和備件庫工位三個部分組成。定義成品庫工位的工作位置為裝配流水線回原點后往中間運動200mm的位置;裝配工位的工作位置為在裝配流水線中間位置;備件庫工位的工作位置為裝配流水線回原點后往中間運動200mm的位置。備件庫主要用于暫時存放多余的同類型裝配工件，也可以用于缺陷工件的臨時存放。成品庫主要用于存放已裝配完成的工件，也可以用于其它工件臨時存放。

裝配工位配置有四個定位工作位。每個定位工作位安裝了伸縮氣缸用于工件的二次定位，當機器人將工件送至裝配工位后，先通過氣缸將其進行二次定位，然后再進行裝配，以提高機器人的抓取精度，保證順利完成裝配。因二次定位裝置中使用了四個伸縮氣缸，氣路較多，為了整體設備的美觀，將控制氣缸伸縮的電磁閥用匯流板連接，并安裝于裝配流水線側邊型材上。二次定位裝置中使用了四個伸縮氣缸，對應的有四個二位五通電磁閥，這4個閥分別連接到機器人的第16、17、18、19個數字量輸出點。經計算一共需連接4根電纜，為了保證走線簡潔美觀，使用一根6芯電纜（4根輸出點信號線+1根底線+1根PE線）進行接線，在與機器人連接處采用航插中轉。

（四）實訓內容的拓展升級

通過對實訓平臺的改造升級，可以滿足學生實訓內容的擴展和升級。

1.電氣安裝

（1）安裝并調試托盤流水線傳感器

安裝托盤流水線上的入口光電開關、拍照工位光電開關以及抓取工位光電開關到托盤流水線正確位置。

（2）將安全護欄傳感器安裝在安全護欄門的正確位置，使后續編程時能夠實現：當安全門打開時，機器人停止運動。

2.工業機器人末端手抓控制氣路的安裝

完成工業機器人一軸底座真空發生器氣路、三爪卡盤和雙吸盤控制電磁閥的部分氣路連接：

（1）機器人主氣路接頭的連接;

（2）三爪卡盤與吸盤電磁閥的安裝及其氣路的連接;

（3）吸盤真空發生器的安裝與連接;

（4）機器人手抓夾具及激光筆控制電纜的連接。

3.裝配流水線定位夾具及控制氣路的安裝

（1）流水線上G8工位三個定位塊及夾具的安裝;

（2）三個定位夾具氣管接頭的安裝;

（3）氣管拖鏈及其相關部件的安裝;

（4）氣管到電磁閥的氣路布線;

（5）電磁閥體氣管接頭的連接。

4.視覺及網絡系統的連接

安裝連接相機的電源線、通信線于正確位置，按照系統網絡拓撲圖完成系統組網。

5.視覺系統編程調試

能編寫正常工件和缺陷件腳本文件，并準確識別。

6.工業機器人系統編程和調試

準確設定手爪1雙吸盤的工具坐標系和手爪2三爪卡盤的工具坐標系。

7.工業機器人示教編程

通過工業機器人示教器示教、編程和再現，能夠實現依次將按照不同的工業生產要求將工件（含缺陷工件）在裝配生產線上進行裝配和分揀。

參考文獻：

[1] 趙春鋒.基于PLC 的電工實習教學裝置的研發.實驗室研究與探索，2013.1.

[2] 顧佩華.從CDIO 到EIP-CDIO——汕頭大學工程教育與人才培養模式探討.高等工程教育研究，2008.