智能綜合實訓平臺的設計與應用

李 勇， 黃敦華， 黃桂蕓

（北京電子科技職業學院， 北京 100176）

0 引言

智能綜合實訓平臺核心部件是工業機器人。 工業機器人是先進制造業的關鍵支撐裝備， 已經廣泛應用在生產制造各行各業中。工業機器人在打造中國制造、推動工業轉型、加快我國制造業強國建設方面具有重要意義。近年來， 北京電子科技職業學院機電一體化技術專業人才培養方案系統中， 工業機器人及智能制造都擺在了突出地位。為培養出我院該專業人才培養方案所要求的人才，我們與深圳市越疆科技有限公司進行了深入合作， 共同研發了基于工業機器人的智能綜合實訓平臺。 該實訓平臺在機電一體化技術專業人才培養方案中可以滿足機電設備運行與維護、機器人應用、機電系統集成等職業崗位的技能培養；課程可以滿足《工業機器人編程與操作》和《機電一體化設備組裝與調試》的教學載體的需要。 在實現學生一專多能的同時， 教師也能結合實際生產任務和項目研發，較好完成人才培養與產學研結合的目標。

1 實訓平臺功能

智能綜合實訓平臺可實現市場自動售花功能 （也稱為智能售花機實訓臺），集花倉供花單元1、花枝拾取單元2、 傳送帶5 及視覺檢測4 單元、 工業自動工業機器人6搬運單元、花束暫存8 單元、拾取快換工具7 單元、花束捆扎9 單元、花束輸出11 單元、人機界面10 單元、電氣控制系統等構成。如圖1 所示。滿足機電一體化技術專業教學、科研需求，該實訓臺采用模塊化設計，學生通過各單元操作學習及技能訓練，達到提高動手、編程、控制調試等方面能力。

圖1 智能綜合實訓平臺

智能綜合實訓平臺工作過程如下：

該設備由觸摸屏設置各種工作參數， 以及設備手工調試；工作時通過觸摸屏設置最多兩個訂單的花束生產，每個訂單最多8 枝花朵，顏色可以預定。 根據訂單，花倉供花，自動取花裝置完成花枝的拾取并放到傳送帶，由視覺檢查花朵的顏色和位置，工業機器人完成抓取，并放到花束預置位置，多余花束進行廢花枝處理，放到廢花枝預置位置，訂單完成后，機器人將花束搬運至捆扎處進行捆扎，并送到售花口處。該機器可以連續根據訂單進行售賣工作。 花倉花枝不足可以提醒賣花者預存花枝。

2 實訓平臺設計及教學功能

2.1 智能綜合實訓平臺設計

在人民生活的商圈中，我們可以看到各種的玩具自動售貨機、飲品自動售貨機，榨汁無人售賣機等，這些給了我們一些創意， 我們可以用我們所學機電一體化知識和技能，創新一種智能售花機，從而使我們設計的裝置即有商業價值又有教學實訓價值。 設計構思圖見圖2。

圖2 實訓臺設計構思圖

該構思中上花區實現花枝儲存和拾取；傳送帶實現花枝的傳送；視覺檢測進行智能識別；判斷花的顏色和工業機器人拾取位置；機器人為6 自由度工業機器人，實現花枝的搬運機擺放；工具區放置拾取花枝的夾取工具；實現花枝和花束的抓取；花束1 和2為暫存區域，用于調整花枝方向和形成花束；捆扎機用于花束的捆綁；出花束口1 和2 用于成品的放置口；廢花槽和廢花口用于存放和取回非預定花朵； 人機界面完成人機交互，設置購置花束等信息。

2.2 智能綜合實訓平臺構成及教學功能

智能綜合實訓平臺教學設計有機械部件組裝與調試、 工業機器人編程與調試、PLC 控制器編程與調試、視覺檢測應用與調試、電氣系統安裝與調試、裝置集成與調試內容，相應的教學功能豐富，既可以滿足機電一體化技術專業課程需求， 又可以滿足最后一個學期本專業開設綜合課程的需求。

（1）花倉。 花倉功能是實現花枝的預存和供花，見圖3。四層托盤作為預存花枝用，每層預存花枝6 枝，一共24枝，步進電動機驅動底板完成托盤定位控制。托盤移出位置用于存放取花后空托盤， 同樣由步進電機進行驅動底板實現托盤存儲。 各進給控制均設有原點和正負極限位置。 空托盤的拾取由吸盤實現， 吸盤移位由移動氣缸實現托盤預存位和移出位的控制， 吸盤固定在升降氣缸上， 可實現吸盤上位和下位兩個位置的控制。 該裝置可以達到氣動系統控制、步進電機驅動、PLC 編程等綜合訓練的目的。

圖3 花倉構成

（2）花枝拾取機器手。 機械手功能是實現花枝從花倉花枝預存位最上面托盤中順序拾取花枝到傳送帶上，見圖4。機械手采用兩指氣爪實現，并固定在可升降的氣缸上，花枝移送采用交流伺服電動機驅動，通過滾珠絲杠帶動拾取氣抓移動，完成花枝的拾取、搬運工作。 采用交流伺服電動機控制具有控制位置精度高、控制靈活的特點。 機械手訓練可以達到氣動系統、交流伺服驅動控制、PLC 編程，機械裝調等綜合訓練目的。

圖4 花枝拾取機器手

（3） 傳送帶及視覺檢測。 傳送帶可以將花枝的傳送到視覺檢測位置， 通過視覺檢測實現花朵顏色和拾取位置的判斷。 傳送帶由直流電機驅動， 視覺由攝像頭及影像處理系統構成，見圖5。 該部分可以完成傳送帶裝調、視覺檢測智能識別控制、通信控制等綜合教學訓練。

圖5 傳送帶及視覺檢測構成

（4）工業機器人。 工業機器人采用DOBOT SR4-560 六自由度機械臂，功能是實現花枝的搬運，如圖6 所示。 根據視覺檢測結果，從傳送帶上拾取花枝，根據花朵的顏色， 搬運至花束暫存位置。該工業機器人可完成機器人操作、編程、綜合應用等教學項目訓練。

圖6 工業機器人

（5）快換工具。 快換工具用于安裝在工業機器人末端， 實現花枝和花束的夾取， 快換工具包含由兩指花枝氣爪和插抱式花束手抓，見圖7。配合機器人完成I/O 口控制教學項目。

圖7 快換工具

（6）花束暫存裝置。 花束暫存裝置共有三個，其中兩個用于暫存預定花束所用， 另外一個用于存放不是預定的廢余花枝。 機器手從傳送帶拾取過來的額花枝按照規定的方向擺放到花束預定槽中， 拾取花枝數量滿足后， 暫存裝置的氣缸驅動兩指夾具， 實現花束的加緊，見圖8。 該部分可以與工業機器人、PLC 協調控制實現綜合項目訓練。

圖8 花束暫存裝置

（7）捆扎及花束輸出裝置。 捆扎裝置采用捆扎機實現花束的捆扎，做好花束成品的準備。 花束輸出裝置采用了花瓶形式實現，機器手從花束暫存裝置（廢余花槽）中拾取花束，搬運到捆扎機處，進行捆扎（廢余花枝不需捆扎）；機器手再把捆扎好的花束搬運到花瓶輸出處， 實現售花的輸出以及廢余花枝的收集，見圖9。

圖9 花束輸出裝置

（8）人機界面。 人機界面采用觸摸屏形式， 實現智能實訓平臺操作。 功能是完成人與機器的交互，一方面完成購買者對花束要求的設定，即訂單設定。另一方面完成設備維護人員的設備調試、故障報警等使用，如圖10 所示觸摸屏操作臺和控制界面。該部分可以完成觸摸屏及設備控制教學訓練， 訂單設置界面、 手工操作界面、參數設置界面、PLC 控制器I/O 口監控、設備報警界面等，如圖11 所示。

圖10 觸摸屏操作臺和控制界面

圖11 相關控制界面

（9）電氣控制系統。智能實訓平臺實現上述控制內容，電氣控制部分也是重要組成部分， 該設備控制器采用三菱FX3U-80MT（PLC）控制器。完成設備上步進電機、氣動系統、伺服驅動系統、花枝顏色、花束搬運、傳送帶控制、捆扎機等控制。 該部分可以完成電氣系統連接及調試的綜合教學項目訓練。

（10）綜合聯調。 本實訓臺涉及機械部件組裝及調試、工業機器人操作與編程、傳感器應用、視覺檢測及調試、PLC 編程與調試、電氣組裝及調試等工作內容，鍛煉學生項目實施與項目優化能力。 該實訓臺整體控制方案，見圖12。

圖12 實訓臺控制方案

3 結束語

智能綜合實訓平臺(智能售花機實訓臺）研發后，在北京電子科技職業學院機電一體化技術專業教學和科研中得到了具體應用，學生在工業機器人技術、PLC 控制技術、視覺檢測技術、機械裝調技術等方面都取得了顯著技能提高，專業技能水平得到了鍛煉，也增加了專業實踐和工程實施的經驗積累。該實訓臺在實際應用過程中，還有待進一步改進，例如，可以利用自動化技術手段增加花倉存儲花枝保鮮功能，花枝拾取處增加視覺檢測，根據需要進行拾取花枝，提高花枝的有效率，進一步提高智能化水平；實訓臺更加貼近實際的人工智能等創新內容。以滿足機電一體化技術專業學生對新技術和技能的需求。 該實訓平臺為培養更多高素質、 高級技能型人才奠定了良好基礎。