工業(yè)機器人模塊化實訓平臺的設計與實現(xiàn)

胡偉偉 李奇奇 余春

摘要：隨著機器人在各行業(yè)的廣泛應用，機器人應用培訓的需求也不斷的增長，工業(yè)機器人教學實訓平臺也應運而生。目前市面上的機器人實訓平臺受限于工業(yè)機器人本體的工作范圍，使得實訓平臺的功能比較少。本文內(nèi)容為設計一種結構簡單、功能齊全、更換實訓單元方便的工業(yè)機器人模塊化綜合實訓平臺。

關鍵詞：工業(yè)機器人;教學設備;開發(fā)與研究

中圖分類號：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0091-02

0? 引言

工業(yè)機器人技術已經(jīng)成為當前世界先進制造業(yè)中不可替代的重要的裝備和手段，已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標志。我國制造業(yè)正處于轉型升級的重要時期，人工成本的上升以及環(huán)境問題的制約不斷的沖擊著傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展，而工業(yè)機器人技術的引進應用正是破解這些沖擊的有力手段。因此近年來中國工業(yè)機器人市場持續(xù)表現(xiàn)強勁，市場容量不斷擴大，國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)園不斷新建。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展急需大量高素質(zhì)的工業(yè)機器人技術應用技能型專業(yè)人才，因此國內(nèi)各大專中職院校都陸續(xù)的開設了工業(yè)機器人技術的相關專業(yè)，而理論必須綜合實踐應用才能培養(yǎng)出優(yōu)秀技能扎實的專業(yè)人才，使得相關學校急需結構簡單、便于教學、功能齊全、性價比高的工業(yè)機器人培訓設備。

1? 實訓平臺組成

工業(yè)機器人模塊化綜合實訓平臺組成如圖1所示，由埃夫特ER3B-C30六自由度工業(yè)機器人、實訓平臺框架、觸摸屏、PLC、快換工具、軌跡繪畫模塊、RFID裝配分揀模塊、變位焊接模塊、皮帶線上料碼垛模塊、視覺檢測模塊、對射光幕裝置、多功能夾具單元及設備資源包組成。可以完成工業(yè)機器人夾具選擇、軌跡規(guī)劃、分揀、焊接、打磨、碼垛、視覺檢測等典型應用。各模塊基座采用標準化設計，模塊集成電路與氣路航插可在定位基座上實現(xiàn)快速更換，后續(xù)根據(jù)新的技術的學習要求也可以方便的增加新的模塊。本套設備可以在有限的機器人運動臂展范圍內(nèi)實現(xiàn)更多功能的訓練。

2? 工業(yè)機器人選型及末端夾具設計

作為機器人實訓裝備而言不宜選用較大機器人本體，我們選用國產(chǎn)品牌埃夫特桌面型6自由度串聯(lián)機器人，型號為ER3-600，該型號機器人本體整體結構緊湊，操作半徑覆蓋范圍大（可達593mm），精度可達±0.02mm。

工業(yè)機器人末端夾具主要由氣動手指、快換夾具、導電電極、真空氣路等組成，末端夾具安通過法蘭盤裝在機器人第六軸上。末端夾具設計具有兩個氣動手指，一個氣動手指用來直接抓取物料，另外一個氣動手指上安裝有快換夾具，可以快速切換抓取4種工具，包括TCP標定頂尖、繪畫筆、打磨頭以及真空吸盤，配備的導電電極和真空氣路可以實現(xiàn)電路與氣路的自動切換。

3? 快換工具的設計

快換工具包括TCP標定頂尖、繪畫筆、打磨頭以及真空吸盤。快換工具采用標準化D字型切換頭設計，整體采用鋁合金陽極氧化處理材料設計，底部設計有調(diào)整安裝孔。機器人末端夾具選取相應的工具來完成不能模塊的功能實現(xiàn)，設計圖如圖2所示。

4? 典型應用模塊的設計

4.1 軌跡規(guī)劃模塊

軌跡規(guī)劃模塊包含有軌跡模擬單元和寫字繪畫單元兩個部分，兩個單元都為陽極氧化鋁板裝配而成，軌跡模擬單元面板含有平面和曲面圖形，可以同時滿足平面和曲面軌跡的模擬訓練。寫字繪畫單元大小與A4紙相當，配有磁鐵圖釘，通用性強，使用筆形工具實現(xiàn)機器人寫字繪畫功能，設計圖如圖3所示。

4.2 分揀模塊

分揀模塊由裝配工件、上料單元、立體倉庫、電子標簽、RFID讀寫器、多接頭氣管快換插頭等組成，安裝板材料均為陽極氧化鋁板。機器人使用真空吸盤和氣動手指夾爪可實現(xiàn)工件裝配以及RFID身份識別分揀的功能，根據(jù)身份識別結構可將物料放置在立體倉庫的規(guī)定位置上，設計圖如圖4所示。

4.3 變位焊接模塊

變位焊接模塊由步進電機及驅(qū)動器、旋轉軸、帶座軸承、焊接架、焊接工件、焊接夾鉗等裝配而成，并且具有變位功能。機器人使用TCP標定頂尖及打磨頭工具，可以實現(xiàn)焊接和打磨模擬的訓練，設計圖如圖5所示。

4.4 碼垛與視覺檢測模塊

碼垛與視覺檢測模塊由小型變頻調(diào)速皮帶線、上料機構、物料倉、視覺系統(tǒng)、碼垛板、檢測傳感器等組成。上料架構將物料倉內(nèi)長方體物料推送到皮帶線上，檢測傳感器檢測到物料到位后，通知機器人在碼垛板上完成相應的碼垛程序。物料倉內(nèi)也可以放置不同形狀和顏色的物料，通過設置在皮帶線上的視覺系統(tǒng)完成物料顏色與形狀的識別，通知機器人在碼垛板上完成視覺分揀的程序，設計圖如圖6所示。

5? 控制系統(tǒng)

該套設備的控制部分主要是由機器人控制柜、西門子PLC、西門子觸摸屏、F-BOX物聯(lián)網(wǎng)、視覺系統(tǒng)、變頻器等組成，整個控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)結構通信，結構簡單易懂，適用與當前通用通信技術的學習，其余控制對象都是通過I/O信號與各個分系統(tǒng)進行通信，系統(tǒng)結構圖如圖7所示。

6? 設備布局設計

根據(jù)各個模塊的尺寸以及機器人本體的運動范圍，結合人體工學以及電氣設備布置的一般規(guī)范要求，合理的規(guī)劃了如圖8所示的布局圖。

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