工業機器人典型應用實訓設備開發設計

朱國云

摘 要：本實訓設備包含六自由度工業機器人、PLC控制系統及供料、輸送、打磨、噴涂、裝配、碼垛、自動工裝庫機構，可以實現對工件的檢測、搬運、碼垛、模擬噴涂、打磨、焊接、裝配、存儲等實訓操作，機器人可以自動更換工裝（夾具/吸盤、焊槍、噴槍、磨具）。該實訓設備各組件均安裝在型材桌面上，機械結構、電氣控制回路、執行機構相對獨立，采用工業標準件設計。通過此實訓設備可以進行機械組裝、電氣線路設計與接線、PLC編程與調試、工業機器人編程與調試等方面訓練，有效解決了教學設備功能單一，單臺設備可實訓項目偏少的不足，有效促進了專業建設和發展。

關鍵詞：工業機器人 自由度 工作站 PLC

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）12-0-01

引言

工業機器人對于高強度、重復性、惡劣環境工作崗位具有更好的適應性，是填補勞動力結構性短缺的最佳選擇；隨著機器人應用的日益廣泛和裝機容量的直線上升，對這類技術人員的需求也變得越來越迫切。過去我國機器人的研究主要集中在有限的大專院校和科研單位，而且主要以科學研究為主，工業現場嚴重缺乏該類人才，這已經成為制約機器人應用和推廣的瓶頸問題之一。工業機器人應用與維護專業作為一個比較新興的專業，教學資源相對不足，特別是實訓教學設備價格昂貴，功能單一，很多學校無法足量采購，一定程度上限制了專業建設和發展，我們與某教儀公司聯合研制的工業機器人典型應用實訓設備是一個多功能的教學平臺，可以實現對工件的檢測、搬運、噴涂（模擬）、裝配、碼垛、存儲等操作，機器人可以自動更換工裝，能有效訓練學生對典型工業機器人工作站安裝與調試。

一、實訓設備系統概述

本文中的工業機器人典型應用實訓設備以西門子S7—300 CPU313C-DP為控制系統，通過機器人、觸摸屏、傳感器、變頻器、直流電機、氣動執行元件等配合完成供料到噴涂、打磨、焊接、裝配、碼垛等典型工業機器人工作站，該設備有兩個供料站，第一個供料站是通過機器人把料抓到傳送帶上，通過三相電機的轉動把物料分別送到噴涂、打磨、焊接的工位上，焊接的工位也是出料口，機器人在把料抓到裝配臺上進行裝配，然后入庫。第二個供料站是直流電機的轉動把物料送到出料口，經機器人進行碼垛；設備配有機器人I/O模塊、PLCI/O模塊和按鈕、LED指示燈模塊，可完成基于S7-300PLC的生產線控制實訓、基于ABB機器人的工作站安裝與調試實訓以及基于PLC和機器人聯合通信的工作站安裝與調試實訓，已初步開發了超過20個實訓項目。

二、工業機器人的性能和結構

1.機器人本體

本設備采用ABB IRB120系列工業機器人、示教器。IRB120型機器人是ABB新型第四代機器人，六自由度，具有動作敏捷、結構緊湊、質量輕等優點，控制精度與路徑精俱優。

2.機器人控制器IRC5

ABB機器人控制器IRC5主要包括兩部分：控制面板和外部接口，而控制面板主要有：總開關、急停按鈕、電機開啟和指示以及模式選擇開關等；外部接口主要有示教器連接接口、機器人驅動接口、機器人控制接口以及I/O通訊接口等。

三、實訓設備各工作站設計

本設備采用市場通用的西門子S7—300 CPU313C-DP作為主控制器，該PLC具有16路數字輸入和16路數字輸出，滿足了多功能工作站的需求，配備博圖軟件使學生掌握最新的技術；配套使用了西門子M420變頻器、西門了TP700觸摸屏。

1.機器人碼垛工作站

碼垛單元的主要結構組成為：ABB機器人、1號輸送帶裝置、真空吸盤及真空發生器、加工工具等部分結構組成，當接收到啟動信號后，機器人將擺放在料倉里的物料搬運到輸送裝置上，輸送帶把料傳送到碼垛站上進行加工。

2.噴涂、打磨、焊接工作站設計

噴涂、打磨、焊接工作站的主要結構組成為：ABB機器人，2號輸送帶裝置，加工工具等部分結構組成， 當接收到啟動信號后，機器人將擺放在料倉里的物料搬運到2號輸送裝置上，輸送帶把料傳送到噴涂、打磨、焊接站上進行加工。

3.自動裝配工作站

裝配單元的主要結構組成為：ABB機器人，螺絲，等部分結構組成， 當接收到啟動信號后，機器人將擺放在料倉里的物料搬運到輸送裝置上，輸送帶把料傳送到裝配站上進行加工。

四、主要教學實訓內容

本實訓設備把PLC和機器人的I/O都通過外部引線的方式接了出來，所有電磁閥和傳感器接口也都引到了外部接線端子上，這樣就大大方面了教學設計的主動性，學生可以根據需要自主進行I/O分配，然后用快插線進行硬件接線，可完成的實訓項目可分為三部分。

1.西門子PLC實訓

項目一：基于S7-300的啟保停控制電路實訓

項目二：基于S7-300的三色報警燈控制電路實訓

項目三：基于S7-300的碼垛生產線控制實訓

項目四：基于S7-300的噴涂生產線控制實訓

實訓項目五：基于S7-300的打磨生產線控制實訓

實訓項目六：基于S7-300的焊接生產線控制實訓

實訓項目七：基于S7-300的綜合生產線控制實訓

2.ABB機器人實訓

項目一：ABB機器人基本操作

項目二：基于ABB機器人的搬運工作站裝調實訓

項目三：基于ABB機器人的噴涂工作站裝調實訓

項目四：基于ABB機器人的打磨工作站裝調實訓

項目五：基于ABB機器人的焊接裝配工作站裝調實訓

項目六：基于ABB機器人自動裝配工作工作站裝調實訓

項目七：基于ABB機器人的碼垛工作站裝調實

項目八：基于ABB機器人的綜合工作站裝調實訓

3.PLC與機器人綜合實訓

項目一：基于PLC和機器人搬運工作站綜合實訓

項目二：基于PLC和機器人噴涂工作站綜合實訓

項目三：基于PLC和機器人打磨工作站綜合實訓

項目四：基于PLC和機器人焊接工作站綜合實訓

項目五：基于PLC和機器人自動裝配工作站綜合實訓

項目六：基于PLC和機器人綜合工作站綜合實訓

五、結束語

工業機器人在企業生產中得到越來越多的應用，工業機器人工作站安裝與調試課程是一門實踐性很強的課程，技工院校既要在課程標準、教學場地、教學設備和師資培養方面加大投入力度，但很多工業機器人的典型應用（如焊接和噴涂）對工藝要求特別高，在學校只能進行模擬實訓，如何解決實際工藝的問題，一個行之有效的方法是校企合作，學生在掌握了基礎的機電及編程知識后，去到對口的實習企業實習一段時間，教學效果良好。

參考文獻

[1]葉暉，管小清.工業機器人實操與應用技巧[M].北京：機械工業出版社2017年1月第1版。

[2]蘭虎.工業機器人技術及應用[M].北京：機械工業出版社2014年8月endprint