融合機(jī)器視覺工業(yè)機(jī)器人工作站綜合實(shí)訓(xùn)平臺構(gòu)建

摘 要 為了適應(yīng)智能制造產(chǎn)業(yè)對高端技能型人才培養(yǎng)的需要，開發(fā)了一套貼近工程實(shí)際應(yīng)用需求的融合機(jī)器視覺工業(yè)機(jī)器人工作站綜合實(shí)訓(xùn)平臺。該平臺硬件包括ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、昆侖通態(tài)觸摸屏、西門子可編程控制器、信捷視覺識別系統(tǒng)、變頻控制物料傳輸帶系統(tǒng)、3*4立式貨架、碼垛工作臺、多套末端工具。PLC控制系統(tǒng)與機(jī)器人通訊采用通用IO接口?；谠撈脚_，學(xué)生可以采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)器人末端工具，繪制氣動(dòng)回路，設(shè)置視覺系統(tǒng)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電氣接線，編寫工業(yè)機(jī)器人程序、PLC梯形圖程序和組態(tài)軟件程序。經(jīng)過多個(gè)班級的實(shí)踐表明，大部分學(xué)生都表現(xiàn)了很大的興趣，知識和技能掌握較為深入。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人 實(shí)訓(xùn)平臺 可編程控制器 視覺識別

中圖分類號：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

工業(yè)機(jī)器人工作站是指以一臺或多臺工業(yè)機(jī)器人為主，配以相應(yīng)的周邊設(shè)備，如變位機(jī)、輸送機(jī)、工裝夾具等，或借助人工的輔助操作一起完成相對獨(dú)立的一種作業(yè)或工序的一組設(shè)備組合。推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，能夠有效縮短產(chǎn)品研制周期，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低運(yùn)營成本和資源能源消耗，加快發(fā)展智能制造，對于提高制造業(yè)供給結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和靈活性、培育經(jīng)濟(jì)增長新能動(dòng)都具有十分重要的意義。2017年我國機(jī)器人市場規(guī)模總體達(dá)到62.8億美元，工業(yè)機(jī)器人市場約占全球市場份額的三分之一，已經(jīng)發(fā)展成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場。人才，是支撐機(jī)器人產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的基礎(chǔ)。但資料顯示，到2020年，中國機(jī)器人行業(yè)的人才需求有750萬，缺口達(dá)到300萬。

目前，國內(nèi)高等職業(yè)院校開設(shè)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐及實(shí)訓(xùn)課程圍繞工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)識和示教編程而展開，而缺乏系統(tǒng)性的緊密結(jié)合工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)課程和實(shí)訓(xùn)平臺，無法滿足智能制造業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對相關(guān)技術(shù)人才培養(yǎng)的知識和技能需求。為了緊跟長三角地區(qū)工業(yè)機(jī)器人大面積應(yīng)用的步伐，探索適合高端技能型人才培養(yǎng)教學(xué)方法和手段，我校智能控制技術(shù)專業(yè)開設(shè)了“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”、“自動(dòng)生產(chǎn)線編程與裝調(diào)”、“工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真和離線編程”和“工業(yè)機(jī)器人工作站集成技術(shù)”，由基礎(chǔ)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)到結(jié)合工業(yè)應(yīng)用需求工作站集成，并圍繞ABB工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺和西門子PLC搭建了機(jī)器視覺工業(yè)機(jī)器人工作站綜合實(shí)訓(xùn)平臺?；谠撈脚_，學(xué)生可以綜合運(yùn)用所學(xué)的工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)機(jī)器人知識和技能，自己設(shè)計(jì)并動(dòng)手完成指定的機(jī)器人實(shí)訓(xùn)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和工程素養(yǎng)。

1總體方案

1.1設(shè)計(jì)思路

構(gòu)建融合機(jī)器視覺工業(yè)機(jī)器人工作站綜合實(shí)訓(xùn)平臺是為了讓學(xué)生熟練掌握工業(yè)機(jī)器人工作站集成技術(shù)，通過前期在平臺上工業(yè)機(jī)器人示教操作訓(xùn)練，后期設(shè)計(jì)并裝調(diào)工業(yè)機(jī)器人工作站應(yīng)用項(xiàng)目，達(dá)到高端技能和應(yīng)用能力的培養(yǎng)目標(biāo)。為了發(fā)揮訓(xùn)練的有效性，提高學(xué)生的參與積極度，以企業(yè)實(shí)際應(yīng)用作為出發(fā)點(diǎn)，對平臺進(jìn)行合理定位，選擇合適的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件來保證學(xué)生通過在訓(xùn)練平臺上學(xué)習(xí)，能夠更容易適應(yīng)未來的工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)機(jī)器人相關(guān)崗位工作。基本的設(shè)計(jì)思路：圍繞工業(yè)機(jī)器人的搬運(yùn)、碼垛、裝配、涂膠、焊接和分選等實(shí)踐項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)和裝調(diào)工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)。

1.2平臺的項(xiàng)目工作任務(wù)

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目任務(wù)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，采用RobotStudio軟件對項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行虛擬仿真和離線編程，繪制西門子PLC與工業(yè)機(jī)器人及其它外圍設(shè)備的IO分配表，選擇并設(shè)計(jì)機(jī)器人的末端工具，繪制并連接氣動(dòng)回路，設(shè)置視覺系統(tǒng)識別參數(shù)，編寫工業(yè)機(jī)器人程序和西門子PLC梯形圖程序，利用MCGS組態(tài)軟件完成觸摸屏程序設(shè)計(jì)，編寫技術(shù)設(shè)計(jì)文檔。

2實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)現(xiàn)

機(jī)器視覺工業(yè)機(jī)器人工作站綜合實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)物如圖1所示。該平臺包括：一臺ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)；一套昆侖通態(tài)觸摸屏TPC1061Ti；一個(gè)西門子1214C AC/DC/RLY可編程控制器；一套信捷視覺識別系統(tǒng)；一套變頻控制物料傳輸帶系統(tǒng)；一套3*4立式貨架；一個(gè)碼垛工作臺；多套末端工具等。視覺識別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料形狀、顏色等信息的檢測，將檢測結(jié)果反饋給PLC，西門子PLC和昆侖通態(tài)觸摸系統(tǒng)構(gòu)成的PLC控制臺提供人機(jī)交互接口，控制機(jī)器人啟停和物料傳輸帶系統(tǒng)運(yùn)行工作過程，并通過組態(tài)軟件返回工作站運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人

ABB工業(yè)機(jī)器人由兩部分構(gòu)成：IRB120工業(yè)機(jī)器人實(shí)體和RobotStudio仿真軟件。ABB工業(yè)機(jī)器人是搬運(yùn)、碼垛、裝配和分選等作業(yè)的主體，可通過示教完成工業(yè)機(jī)器人程序編程，也可通過軟件離線編程方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)定。機(jī)器人控制柜IRC5內(nèi)部集成DQS652通用輸入輸出板卡，具備16路輸入和16路輸出端口?？蓪⑤斎攵丝陉P(guān)聯(lián)到系統(tǒng)變量中，滿足工程實(shí)際應(yīng)用中通過外部控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的需求。

2.2西門子可編程控制器

實(shí)訓(xùn)平臺選用西門子1214C AC/DC/RLY可編程控制器，帶有14路數(shù)字量輸入，10路數(shù)字量輸出，2路模擬量輸入，輸出方式為繼電器輸出，采用PROFINET通信接口方便與外設(shè)連接傳輸數(shù)據(jù)。

2.3信捷視覺系統(tǒng)

物料傳輸帶系統(tǒng)通過氣缸推動(dòng)送出物料，電機(jī)帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng)，將物料送至視覺檢測下方，視覺識別系統(tǒng)和視覺檢測識別效果如圖2所示，等待視覺系統(tǒng)將形狀和顏色等判斷結(jié)果輸出給PLC，PLC再將結(jié)果通過DQS652輸入到機(jī)器人系統(tǒng)，讓機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，完成物料分選功能。

2.4信號連接交互

工業(yè)機(jī)器人控制器通過擴(kuò)展DQS652數(shù)字輸入/輸出板卡與PLC等外部設(shè)備通訊。組態(tài)觸摸屏與PLC通過以太網(wǎng)連接。機(jī)器視覺工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺通過通用數(shù)字IO接口進(jìn)行通訊。

2.4.1通用數(shù)字IO接口

通用數(shù)字IO接口屬于點(diǎn)對點(diǎn)通訊，分別連接了西門子PLC、信捷視覺輸出IO信號、工業(yè)機(jī)器人DQS652和外圍開關(guān)傳感器信號等。數(shù)字IO連接方式簡單明了，容易理解連接關(guān)系，非常適合初學(xué)的學(xué)生學(xué)習(xí)使用，但是線路在物理連接上相對復(fù)雜，且不利于多機(jī)之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。PLC控制系統(tǒng)和機(jī)器人控制柜的信號連接圖如1所示。

2.4.2機(jī)器人信號配置

工業(yè)機(jī)器人的信號配置就是通過建立機(jī)器人軟件程序與硬件外設(shè)端口的連接關(guān)系。ABB機(jī)器人通過示教器配置IO口包含三個(gè)方面：DQS652板卡配置、輸入輸出信號設(shè)置和IO信號關(guān)聯(lián)系統(tǒng)變量設(shè)置。關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)變量和配置的輸出端口如圖2所示。

2.4.3視覺系統(tǒng)與PLC信號通信

信捷視覺系統(tǒng)的輸出有5個(gè)，分別為Y1、Y2、Y3、Y4。為相機(jī)的輸出端子，為NPN型集電極開路輸出，通過視覺軟件配置，可以將識別結(jié)果關(guān)聯(lián)到4個(gè)輸出端口中。

視覺系統(tǒng)輸出與PLC輸入端口連接如圖3所示。

2.4.4機(jī)器人末端工具

實(shí)訓(xùn)平臺的末端工具采用多樣化設(shè)計(jì)，包括鉗式機(jī)械爪、吸盤、膠槍、筆夾持器和焊槍等。學(xué)生根據(jù)工作任務(wù)的特點(diǎn)選用合適的末端工具，并且搭建所需要的氣動(dòng)回路來實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)部件的控制。

3工作站實(shí)訓(xùn)實(shí)踐

以學(xué)生實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺分選碼垛項(xiàng)目為例。學(xué)生先對項(xiàng)目進(jìn)行分解，根據(jù)所需碼垛的工件特點(diǎn)，選用鉗式機(jī)械爪末端工具，并且繪制出圖6所示的氣動(dòng)回路，設(shè)計(jì)出PLC、機(jī)器人和視覺系統(tǒng)的I/O分配表如表1所示，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電氣接線，通過設(shè)置視覺系統(tǒng)的檢測參數(shù)，準(zhǔn)確識別貨物的種類，編寫工業(yè)機(jī)器人程序、PLC梯形圖程序和組態(tài)軟件程序，實(shí)現(xiàn)接近工廠實(shí)際應(yīng)用的融合機(jī)器視覺的機(jī)器人碼垛工作站的設(shè)計(jì)與裝調(diào)。

4結(jié)束語

基于視覺檢測系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人和PLC開發(fā)的機(jī)器視覺工業(yè)機(jī)器人工作站綜合實(shí)訓(xùn)平臺貼近企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，既可以滿足學(xué)生操作訓(xùn)練的需求，也能讓學(xué)生通過自己設(shè)計(jì)，搭建工作站平臺，學(xué)生在實(shí)踐過程深化多門理論知識實(shí)際應(yīng)用。培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力，解決問題能力，相互協(xié)作能力。學(xué)生在完成項(xiàng)目過程中，學(xué)生應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺積極學(xué)習(xí)如圖8所示，知識和技能掌握的較為深入。

基金項(xiàng)目：2016年浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：Y201635667）；2016年浙江省教育規(guī)劃課題（項(xiàng)目編號：kg20160971）。

作者簡介：黃輝（1983—），男，講師，碩士研究生，智能控制技術(shù)教研室主任，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù)、工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.工業(yè)和信息化部關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見[DB/OL].http：//www.sigmacnc.com/article-item-246.html，2013.

[2] 駱敏舟.工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015，44（01）： 1-4.

[3] 金凌芳.職業(yè)教育信息化背景下專業(yè)課程教學(xué)資源建設(shè)的實(shí)踐研究[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2017（08）.

[4] 印松，唐矯燕.工業(yè)機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（02），

[5] 牟富君.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其典型應(yīng)用分析[J].中國油脂.2017，42（04）：157-160.

[6] 李紅果.一種多垛型機(jī)器人碼垛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].包裝工程.2017，38（05）.

[7] 王玉闖.基于KUKA機(jī)器人的電熱水器倒機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓.2017，45（09）：18-22.

[8] 張豐華等.基于PLC的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17（11）：2191-2193.