張鳳麗 周旺發(fā) 鄧三鵬 權(quán)利紅 閻兵

（1天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究院，天津，300222；2天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司，天津，300352；3天津市智能機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300352）

0 引言

隨著“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級(jí)證書”（簡稱1+X證書）制度試點(diǎn)工作的推進(jìn)，在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)人才的培養(yǎng)和職業(yè)技能等級(jí)證書的培訓(xùn)考核需求越來越大。但企業(yè)和院校在培訓(xùn)和教學(xué)過程中，受到費(fèi)用成本、車間環(huán)境以及教學(xué)場地等因素的限制，在開發(fā)工業(yè)機(jī)器人課程時(shí)，面臨實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目單一、設(shè)備利用率不高、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與企業(yè)需求脫節(jié)等問題。本文通過軟硬件結(jié)合，研究一個(gè)集成度高、模塊化、功能豐富的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用一體化教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)，該平臺(tái)支持虛擬仿真和虛實(shí)互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手操作能力，提高教學(xué)質(zhì)量，降低教學(xué)成本，減小危險(xiǎn)發(fā)生的可能性，滿足工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

1 基于模塊化的創(chuàng)新平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用為主體，結(jié)合碼垛、搬運(yùn)、分揀、焊接、打磨、軌跡、裝配等工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場景，采用模塊化設(shè)計(jì)，完成創(chuàng)新平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括快換工具模塊、旋轉(zhuǎn)供料模塊、皮帶運(yùn)輸模塊、變位機(jī)模塊、行走軸、軌跡模塊、碼垛模塊、搬運(yùn)模塊、涂膠模塊、沖壓壓緊模塊、原料倉儲(chǔ)模塊、井式供料模塊、RFID模塊、視覺檢測模塊。平臺(tái)各模塊組成如圖1所示。

圖1 平臺(tái)各模塊組成

1.1 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)模塊

標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)臺(tái)由鋁合金型材搭建，四周安裝有機(jī)玻璃可視化門板，底部安裝鈑金，平臺(tái)上快速安裝用回形塊與各模塊底端溝槽契合，無需工具便可快速拆裝，可根據(jù)培訓(xùn)項(xiàng)目更換模塊位置。平臺(tái)下部設(shè)有備用模塊放置架。

圖2為模塊安裝前俯視圖。

圖2 模塊安裝前俯視圖

圖3為部分模塊安裝俯視圖。

圖3 平臺(tái)俯視圖（部分模塊非全部）

1.2 快換工具模塊

以工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用為核心，研制氣爪夾具、真空吸盤工具、焊槍、繪圖筆、激光筆、標(biāo)定工具等多種工具，設(shè)計(jì)自動(dòng)工具交換裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端工具的快速更換。同時(shí)，在支撐架平臺(tái)上設(shè)計(jì)了兩根導(dǎo)向柱，用于準(zhǔn)確定位快換工具的放置位置，避免機(jī)器人自動(dòng)安裝工具示教點(diǎn)失效。

圖4為快換工具模塊庫。

圖4 快換模塊庫

圖5為快換工具模塊設(shè)計(jì)圖。

圖5 快換工具模塊

1.3 電氣系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

本文選取自動(dòng)化生產(chǎn)線中的工業(yè)機(jī)器人、西門子S7-1200PLC、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、異步電機(jī)、變頻器、HMI、RFID等設(shè)備，以西門子S7-1200PLC為主控制器，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用，將電氣設(shè)備應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)供料模塊、變位機(jī)模塊、打磨模塊、皮帶運(yùn)輸模塊以及行走軸中，建立模塊與PLC的通信；設(shè)計(jì)統(tǒng)一的電氣接口，圖6為快換電路接口，圖7為快換氣路接口。為避免模塊更換后電氣接口不通用造成重新接線的麻煩，本文采用新的電氣接口技術(shù)，設(shè)計(jì)快換模塊工具頭與底座之間電氣接口，提高快換模塊電路可靠性。

圖6 快換電路接口

圖7 快換氣路接口

2 創(chuàng)新平臺(tái)電氣系統(tǒng)及人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

本文以PLC為主控制器，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用，研究適用于旋轉(zhuǎn)供料模塊、變位機(jī)模塊、打磨模塊、皮帶運(yùn)輸模塊以及行走軸等模塊的分布式控制系統(tǒng)，包含V90伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，建立模塊與PLC的通信及人機(jī)交互系統(tǒng)。圖8為設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖8 設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 基于機(jī)器視覺技術(shù)的一體化創(chuàng)新平臺(tái)傳感系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)基于多源傳感器信息融合的傳感系統(tǒng)，并融入到設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用一體化教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)；基于機(jī)器視覺研究通用視覺檢測與定位方法，以像素坐標(biāo)作為輸入，實(shí)際坐標(biāo)作為期望輸出，像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)作為樣本輸入的實(shí)際輸出，研究 Harris 和SV 結(jié)合的角點(diǎn)識(shí)別算法，建立機(jī)器視覺檢測模型。圖9為視覺系統(tǒng)軟件。

圖9 視覺系統(tǒng)軟件

4 創(chuàng)新平臺(tái)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目嚴(yán)格按照《工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程》1+X職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及《工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員》國家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，可滲透到中、高等職業(yè)院校的不同年級(jí)中進(jìn)行，并可豐富教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)1+X的有機(jī)銜接。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目集成了工業(yè)機(jī)器人示教編程、離線編程、虛擬調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)、PLC控制、變頻控制、HMI、機(jī)器視覺、傳感器應(yīng)用、液壓與氣動(dòng)、總線通信、數(shù)字孿生和二次開發(fā)等技術(shù)的應(yīng)用，涵蓋了工業(yè)機(jī)器人、S7-1200、TP700觸摸屏和視覺應(yīng)用等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，并可對(duì)S7-1200與工業(yè)機(jī)器人、G120變頻器、V90伺服、RFID和視覺的基礎(chǔ)應(yīng)用進(jìn)行實(shí)際訓(xùn)練。

參考工業(yè)機(jī)器人在碼垛、搬運(yùn)、分揀、焊接、打磨、軌跡、裝配等場景中的應(yīng)用，結(jié)合軌跡模塊、碼垛模塊、搬運(yùn)模塊、涂膠模塊、倉儲(chǔ)模塊、快換工具模塊、旋轉(zhuǎn)供料模塊、變位機(jī)模塊、打磨模塊、井式供料模塊、皮帶運(yùn)輸模塊、沖壓壓緊模塊和行走軸，本文將訓(xùn)練內(nèi)容分為單模塊訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練。

單模塊訓(xùn)練突出基礎(chǔ)操作應(yīng)用，包括電氣接線、機(jī)械安裝、氣路連接、參數(shù)設(shè)定以及對(duì)工業(yè)機(jī)器人和PLC編程等訓(xùn)練；綜合訓(xùn)練更加注重多模塊協(xié)同，同時(shí)加入機(jī)器視覺，完成工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線綜合調(diào)試。

開發(fā)的初級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如表1所示，中級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如表2所示。

表1 初級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

表2 中級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

5 結(jié)論

從工業(yè)機(jī)器人理論和實(shí)踐教學(xué)需求出發(fā)，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才市場需求，本文研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用一體化教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)，已在天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院、天津市職業(yè)大學(xué)、重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院、南通職業(yè)大學(xué)、湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院、廈門城市職業(yè)學(xué)院、蚌埠技師學(xué)院、江蘇盱眙中等專業(yè)學(xué)校等30余所院校的教學(xué)培訓(xùn)實(shí)踐中得到應(yīng)用，充分發(fā)揮出了設(shè)備的優(yōu)勢，體現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)用性和訓(xùn)練的高效性，得到了各應(yīng)用單位的好評(píng)。

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用一體化教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)，通過采用軟硬件高度集成化、模塊化設(shè)計(jì)且各模塊機(jī)械連接和電氣端口連接均標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，可實(shí)現(xiàn)快速拆裝、靈活組合，進(jìn)行單模塊訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練，開發(fā)滿足不同層次學(xué)生的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，利于開展分層次或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)。同時(shí)，開發(fā)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與實(shí)際生產(chǎn)場景能夠一一對(duì)應(yīng)，既能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣將實(shí)際生產(chǎn)融入教學(xué)，提高教與學(xué)的效率，真正做到理實(shí)一體、學(xué)以致用。

圖10 湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室

總之，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用一體化教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)的訓(xùn)練，可以滿足新職業(yè)“工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員”以及“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程”職業(yè)資格評(píng)價(jià)1+X證書的培訓(xùn)考核需求。