可動(dòng)態(tài)跟隨抓取多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)站設(shè)計(jì)

陳志華 姚廣芹

（1.青島昊川電子科技有限公司，山東 青島 266000；2.青島城市學(xué)院，山東 青島 266000）

隨著德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”在全球風(fēng)靡以及“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人也在中國(guó)迅速發(fā)展，已經(jīng)成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手與核心動(dòng)力，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)的發(fā)展需求巨大，由于人口結(jié)構(gòu)變化、青少年對(duì)制造業(yè)工作思維的影響，因此招工難、用工難問題突顯，相應(yīng)的人才供需矛盾也日益嚴(yán)重；基于“產(chǎn)業(yè)發(fā)展，教育先行”的理念，工業(yè)機(jī)器人將作為一種標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化設(shè)備在全國(guó)得到廣泛應(yīng)用，目前我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，隨著智能制造的推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)周圍配套實(shí)訓(xùn)設(shè)施將成為培養(yǎng)機(jī)器人技能人才的有效途徑[1]。該設(shè)計(jì)將工業(yè)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的新知識(shí)和新技術(shù)融合在實(shí)訓(xùn)中，工作站模擬實(shí)際工作環(huán)境，融“教、學(xué)、做”為一體，提高學(xué)生自動(dòng)化控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)水平，提高學(xué)生對(duì)研發(fā)、操控和維修工業(yè)機(jī)器人的興趣；旨在培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)器人編程、集成、改造、開發(fā)以及管理等方面的高級(jí)技能，能夠全面提升學(xué)生實(shí)踐、實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的工程科技專業(yè)素質(zhì)。

1 總體設(shè)計(jì)思路

該實(shí)訓(xùn)工作站集成機(jī)器人本體、控制單元及若干個(gè)行業(yè)典型應(yīng)用單元模塊，采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)訓(xùn)站中每個(gè)功能單元均為獨(dú)立機(jī)構(gòu)，機(jī)械組件和電氣組件可以靈活配置，與工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成一種典型應(yīng)用場(chǎng)景[2]。各單元的傳感器、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)外引到標(biāo)準(zhǔn)接口，再連接到控制器，簡(jiǎn)化接線，便于調(diào)試與檢修。系統(tǒng)本著安全可靠的原則，設(shè)有漏電保護(hù)、短路保護(hù)、急停保護(hù)、限位保護(hù)以及區(qū)域保護(hù)等各種保護(hù)功能。

2 設(shè)計(jì)原理功能

系統(tǒng)整體布局合理、簡(jiǎn)潔大方，充分考慮了操作的便捷性，實(shí)訓(xùn)站整體布局如圖1所示。在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，模塊化的結(jié)構(gòu)既保證了每個(gè)模塊可以單獨(dú)運(yùn)行，方便學(xué)生入門學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練；又可以部分/整體聯(lián)機(jī)運(yùn)行，使學(xué)生深層次地進(jìn)行應(yīng)用學(xué)習(xí)和培訓(xùn)[3]；還可以根據(jù)子系統(tǒng)的不同集成方式和不同知識(shí)結(jié)構(gòu)的合理整合，演繹不同的選修課程。具體模塊如下：1） 機(jī)器人工作臺(tái)臺(tái)體的總成雙面設(shè)有柜門，柜內(nèi)設(shè)有機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺光源控制器、輸送帶和震動(dòng)盤控制器，輸送帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括電機(jī)、齒輪，外齒回轉(zhuǎn)支撐，電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電纜連接，安裝于固定板下方，電機(jī)的輸出軸與設(shè)于固定板的轉(zhuǎn)孔配合，通過通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停與調(diào)速；底部設(shè)裝有萬向福馬輪腳輪和固定支撐。2） 電控臺(tái)設(shè)有工控機(jī)載體，采用獨(dú)特翻轉(zhuǎn)收放結(jié)構(gòu)，可以在實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作臺(tái)中上位機(jī)、工控機(jī)和電腦等可收放翻轉(zhuǎn)的載體裝置中應(yīng)用，包括屏幕固定翻轉(zhuǎn)單元、鍵盤鼠標(biāo)放置翻轉(zhuǎn)單元以及主機(jī)放置推拉收放單元；電控臺(tái)電氣主控系統(tǒng)主體框架采用拖鏈推拉方式通過電氣主控模塊安裝于電氣主控模塊滑軌固定座，電氣控制集成單元設(shè)于電氣移動(dòng)柜內(nèi)，電氣主控模塊主體框架包括從上到下依次設(shè)置的人機(jī)界面、電氣控制操作面板以及電氣控制集成單元，布局功能分明、層次清楚且方便維護(hù)。3） 各典型行業(yè)功能單元組件通過多種快換裝置抓手實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)分揀、搬運(yùn)、碼垛、軌跡模擬涂膠、視覺裝配、變位焊接以及拋光打磨等所有行業(yè)應(yīng)用培訓(xùn)考核的功能；功能單元組件按標(biāo)準(zhǔn)模塊化通過鋁型材“T”形槽快速配合固定的組件安裝于機(jī)器人工作臺(tái)體面上，各工位之間互不干涉，變更位置和升級(jí)更換簡(jiǎn)單、方便靈活，提高了使用效率；動(dòng)態(tài)跟隨分揀組件中設(shè)有視覺光源燈，通過CAT-6標(biāo)準(zhǔn)的線纜與視覺電源控制器相連，通信速率不低于1 000 Mbps，實(shí)現(xiàn)了視覺裝置的自動(dòng)啟停、觸發(fā)與信息交互。變位焊接功能組件設(shè)有高精度閉環(huán)自動(dòng)控制的伺服變位裝配組件，包括傾斜翻轉(zhuǎn)組件和水平旋轉(zhuǎn)組件，配合夾緊氣缸和夾緊擋頭與伺服電機(jī)協(xié)同工作。4） 實(shí)現(xiàn)各行業(yè)應(yīng)用培訓(xùn)考核功能組件的快換末端裝置，機(jī)器人手臂的法蘭端安裝了快換裝置模塊，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制連接不同工具，無須人為干涉自動(dòng)完成切換。設(shè)有智能人臉識(shí)別考核系統(tǒng)，可以在云臺(tái)記錄出勤、考核、打分以及存檔等信息，且與工控機(jī)CAT-6標(biāo)準(zhǔn)的線纜連接。

圖1 實(shí)訓(xùn)站整體布局圖

該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由淺入深，由單機(jī)到系統(tǒng)，由模擬到實(shí)操，技術(shù)具有連續(xù)性。由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬到實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，讓學(xué)生逐步掌握多個(gè)學(xué)科技術(shù)，系統(tǒng)提供開放的平臺(tái)，可根據(jù)教學(xué)需要與專業(yè)建設(shè)要求開展多層次、全方位的二次開發(fā)與研究，也可結(jié)合機(jī)器人技術(shù)與當(dāng)?shù)毓I(yè)背景開展應(yīng)用課題研究。

3 功能流程實(shí)施

控制流程由主控單元西門子S7-1200控制，并配有HIM人機(jī)界面進(jìn)行操作和監(jiān)控。PLC通過Modbus-TCP發(fā)送通信指令給機(jī)器人，如圖2所示，機(jī)器人根據(jù)不同的指令，利用快換裝置迅速選取不同功能場(chǎng)景的工具，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能流程。圖3中，2個(gè)鋁合金支架上分別裝設(shè)夾爪、真空吸盤、打磨頭以及膠槍等工具，空間緊湊且利于機(jī)器人操作。

圖2 實(shí)訓(xùn)臺(tái)功能流程

圖3 多功能快換裝置

3.1 碼垛行業(yè)功能

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人虛擬模擬量信號(hào)通道AI1=1時(shí)，機(jī)器人使用夾爪工具將料塊搬運(yùn)至指定位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)碼垛行業(yè)功能的考核，完成該任務(wù)后，工業(yè)機(jī)器人將夾爪工具放回原位庫，AI1清零，等待下次功能信號(hào)。

3.2 打磨行業(yè)功能

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人虛擬模擬量信號(hào)通道AI1=2時(shí)，機(jī)器人使用夾爪工具將打磨塊從打磨物料存放庫搬運(yùn)至變位機(jī)單元，更換打磨工具對(duì)打磨塊進(jìn)行打磨；打磨完成后，工業(yè)機(jī)器人更換夾爪工具將打磨塊搬運(yùn)回打磨物料存放庫，完成該任務(wù)后，工業(yè)機(jī)器人將夾爪工具放回原位庫，AI1清零。

3.3 靜態(tài)檢測(cè)裝配行業(yè)

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人虛擬模擬量信號(hào)通道AI1=3時(shí)，機(jī)器人使用吸盤工具把碼垛單元模塊上的異形芯片吸取至靜態(tài)視覺單元模塊，并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別（識(shí)別顏色和形狀），識(shí)別完成后，根據(jù)識(shí)別結(jié)果（相機(jī)可自動(dòng)對(duì)抓取位偏差進(jìn)行校正）將各異形芯片料塊依次裝配到裝配單元，完成該任務(wù)后，工業(yè)機(jī)器人將吸盤工具放回原位庫，AI1清零，等待下次功能信號(hào)。

3.4 涂膠行業(yè)功能

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人虛擬模擬量信號(hào)通道AI1=4時(shí)，機(jī)器人使用涂膠工具進(jìn)行涂膠作業(yè)，完成該任務(wù)后，工業(yè)機(jī)器人將涂膠工具放回原位庫，AI1清零，等待下次功能信號(hào)。

3.5 焊接行業(yè)功能

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人虛擬模擬量信號(hào)通道AI1=5時(shí)，機(jī)器人使用夾爪工具將焊接塊從焊接物料存放庫搬運(yùn)至變位機(jī)模塊，并依據(jù)角度要求跟隨系統(tǒng)角度進(jìn)行變換，機(jī)器人更換焊接工具對(duì)焊接塊進(jìn)行模擬焊接，焊接完成后，工業(yè)機(jī)器人更換夾爪工具將焊接塊搬運(yùn)回焊接物料存放單位庫，完成該任務(wù)后，工業(yè)機(jī)器人將夾爪工具放回原位庫，AI1清零，等待下次功能信號(hào)。

3.6 動(dòng)態(tài)跟隨分揀行業(yè)

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人虛擬模擬量信號(hào)通道AI1=6時(shí)，機(jī)器人使用吸盤工具到抓取位置等待視覺信號(hào)，動(dòng)態(tài)視覺單元通過識(shí)別運(yùn)動(dòng)中皮帶上的異形芯片，將識(shí)別到的料塊的位置和代號(hào)信息發(fā)送給機(jī)器人，通過動(dòng)態(tài)視覺單元識(shí)別通信位置信息，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟隨抓取，通過動(dòng)態(tài)視覺單元給的代號(hào)信息識(shí)別形狀（1為方形，2為圓形，3為半圓形），機(jī)器人根據(jù)識(shí)別結(jié)果分別放到碼垛單元上不同的分類料盒內(nèi)，直到按下停止按鈕，機(jī)器人停止動(dòng)態(tài)跟隨分揀功能，工業(yè)機(jī)器人將吸盤工具放回原位庫，AI1清零，等待下次功能信號(hào)[4]。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分結(jié)合行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)，功能完善、設(shè)計(jì)合理，其特點(diǎn)如下：1） 該設(shè)計(jì)不需要教師、學(xué)生或考官等使用人員多地點(diǎn)移動(dòng)就可以進(jìn)入相應(yīng)考核工位上進(jìn)行教學(xué)示范、實(shí)際操作以及點(diǎn)評(píng)等，只需要在一站式考核工作站上選擇相應(yīng)的功能按鈕就能選擇考核內(nèi)容，提高了使用效率，讓操作更加方便、靈活。2） 實(shí)訓(xùn)考核臺(tái)用鋁型材和鋼板拼接組成，方便機(jī)械部件和電器元件的拆卸安裝。實(shí)訓(xùn)臺(tái)的桌腳使用水平調(diào)節(jié)支撐型腳輪，便于裝置移動(dòng)位置；通過靈活設(shè)置控制面板、功能單元組件，不僅能夠讓考核功能單元的使用布局更為明了、層次更清楚，還能夠方便單獨(dú)對(duì)機(jī)器人外圍功能單元組件進(jìn)行維護(hù)替換和功能升級(jí)，而不需要替換整個(gè)工作站，達(dá)到降低成本、節(jié)約資源的目的；另一方面，通過設(shè)置安裝座、固定座，能夠使控制面板、功能單元組件的拆裝更為簡(jiǎn)便快捷，從而更加靈活、方便地在培訓(xùn)任務(wù)及考核內(nèi)容中增加設(shè)置任務(wù)需求，使底層控制系統(tǒng)對(duì)用戶開放。3） 以3C行業(yè)最典型的異形芯片插件工藝過程為任務(wù)主線，串聯(lián)六軸工業(yè)機(jī)器人使用相應(yīng)快換工具配合機(jī)器視覺識(shí)別到產(chǎn)品料塊的位置和代號(hào)信息，不需要輸送帶緩?fù)＞涂梢赃M(jìn)行動(dòng)態(tài)跟隨抓取，抓取的產(chǎn)品包括異形芯片多色工件以及PCB 電路板等，采用模擬化設(shè)計(jì)提高裝配產(chǎn)品的節(jié)拍率及復(fù)用率，通過視覺裝置對(duì)器件的動(dòng)態(tài)分類進(jìn)行整理。4） 通過設(shè)置安全光柵、聲光警示燈和各類傳感器，能夠在考官參與較少的環(huán)境下，用警示自動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提醒、記錄，從而能夠在高效自動(dòng)程度的宗旨下使用，該實(shí)訓(xùn)站提高了該工作站的廣度性。5） 通過設(shè)置智能人臉識(shí)別考核系統(tǒng)將出勤、考核、打分以及存檔等信息記錄在云臺(tái)，以便記錄考核；也可以與其他類似設(shè)備組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的功能需求[5]；末端執(zhí)行器可以快速更換，方便二次開發(fā)新功能，進(jìn)一步方便使用人員對(duì)工作站進(jìn)行操作。6） 配套仿真軟件，可以構(gòu)建搬運(yùn)、碼垛、焊接、裝配、涂膠及其自動(dòng)化生產(chǎn)線等工業(yè)機(jī)器人典型工作方式的工作站，可實(shí)現(xiàn)更換末端執(zhí)行器、機(jī)器人軌跡生成及優(yōu)化等功能，使學(xué)生進(jìn)一步了解工業(yè)機(jī)器人的工作方式與組成，并培養(yǎng)學(xué)生規(guī)劃、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和制定方案的能力。

5 結(jié)語

該設(shè)計(jì)提供了一種一站式可動(dòng)態(tài)跟隨抓取式六軸串聯(lián)機(jī)器人多功能實(shí)訓(xùn)考核工作站，加入行業(yè)場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，通過多種快換裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)分揀、搬運(yùn)、碼垛、模擬軌跡涂膠、3C視覺裝配、變位焊接以及拋光打磨等典型行業(yè)應(yīng)用培訓(xùn)考核功能。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)立足于工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，最大程度地讓學(xué)生了解工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的行業(yè)功能，可最大程度地還原各個(gè)功能應(yīng)用的真實(shí)程度，1臺(tái)綜合實(shí)訓(xùn)站可以完成多種工業(yè)行業(yè)的專業(yè)技能培訓(xùn)及考核，從而減少設(shè)備的投入成本，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。