融合機器視覺工業機器人工作站綜合實訓平臺構建

摘 要 為了適應智能制造產業對高端技能型人才培養的需要，開發了一套貼近工程實際應用需求的融合機器視覺工業機器人工作站綜合實訓平臺。該平臺硬件包括ABB IRB120工業機器人系統、昆侖通態觸摸屏、西門子可編程控制器、信捷視覺識別系統、變頻控制物料傳輸帶系統、3*4立式貨架、碼垛工作臺、多套末端工具。PLC控制系統與機器人通訊采用通用IO接口。基于該平臺，學生可以采用適當的機器人末端工具，繪制氣動回路，設置視覺系統參數，并在此基礎上實現電氣接線，編寫工業機器人程序、PLC梯形圖程序和組態軟件程序。經過多個班級的實踐表明，大部分學生都表現了很大的興趣，知識和技能掌握較為深入。

關鍵詞 工業機器人 實訓平臺 可編程控制器 視覺識別

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A

0引言

工業機器人工作站是指以一臺或多臺工業機器人為主，配以相應的周邊設備，如變位機、輸送機、工裝夾具等，或借助人工的輔助操作一起完成相對獨立的一種作業或工序的一組設備組合。推進工業機器人應用和產業發展，能夠有效縮短產品研制周期，提高生產效率和產品質量，降低運營成本和資源能源消耗，加快發展智能制造，對于提高制造業供給結構的適應性和靈活性、培育經濟增長新能動都具有十分重要的意義。2017年我國機器人市場規?？傮w達到62.8億美元，工業機器人市場約占全球市場份額的三分之一，已經發展成為全球第一大工業機器人應用市場。人才，是支撐機器人產業未來發展的基礎。但資料顯示，到2020年，中國機器人行業的人才需求有750萬，缺口達到300萬。

目前，國內高等職業院校開設的工業機器人實踐及實訓課程圍繞工業機器人的認識和示教編程而展開，而缺乏系統性的緊密結合工業機器人工程實際應用相關的實踐、實訓課程和實訓平臺，無法滿足智能制造業產業發展對相關技術人才培養的知識和技能需求。為了緊跟長三角地區工業機器人大面積應用的步伐，探索適合高端技能型人才培養教學方法和手段，我校智能控制技術專業開設了“工業機器人操作與編程”、“自動生產線編程與裝調”、“工業機器人虛擬仿真和離線編程”和“工業機器人工作站集成技術”，由基礎實踐實訓到結合工業應用需求工作站集成，并圍繞ABB工業機器人、機器視覺和西門子PLC搭建了機器視覺工業機器人工作站綜合實訓平臺。基于該平臺，學生可以綜合運用所學的工業自動化和工業機器人知識和技能，自己設計并動手完成指定的機器人實訓任務，培養學生的實踐操作能力和工程素養。

1總體方案

1.1設計思路

構建融合機器視覺工業機器人工作站綜合實訓平臺是為了讓學生熟練掌握工業機器人工作站集成技術，通過前期在平臺上工業機器人示教操作訓練，后期設計并裝調工業機器人工作站應用項目，達到高端技能和應用能力的培養目標。為了發揮訓練的有效性，提高學生的參與積極度，以企業實際應用作為出發點，對平臺進行合理定位，選擇合適的工業標準件來保證學生通過在訓練平臺上學習，能夠更容易適應未來的工業自動化和工業機器人相關崗位工作?；镜脑O計思路：圍繞工業機器人的搬運、碼垛、裝配、涂膠、焊接和分選等實踐項目任務，學生可以自主設計和裝調工業機器人工作站系統。

1.2平臺的項目工作任務

根據工業機器人實訓項目任務，進行方案設計，采用RobotStudio軟件對項目任務進行虛擬仿真和離線編程，繪制西門子PLC與工業機器人及其它外圍設備的IO分配表，選擇并設計機器人的末端工具，繪制并連接氣動回路，設置視覺系統識別參數，編寫工業機器人程序和西門子PLC梯形圖程序，利用MCGS組態軟件完成觸摸屏程序設計，編寫技術設計文檔。

2實訓平臺實現

機器視覺工業機器人工作站綜合實訓平臺實物如圖1所示。該平臺包括：一臺ABB IRB120工業機器人系統；一套昆侖通態觸摸屏TPC1061Ti；一個西門子1214C AC/DC/RLY可編程控制器；一套信捷視覺識別系統；一套變頻控制物料傳輸帶系統；一套3*4立式貨架；一個碼垛工作臺；多套末端工具等。視覺識別系統實現物料形狀、顏色等信息的檢測，將檢測結果反饋給PLC，西門子PLC和昆侖通態觸摸系統構成的PLC控制臺提供人機交互接口，控制機器人啟停和物料傳輸帶系統運行工作過程，并通過組態軟件返回工作站運行狀態。

2.1 ABB IRB120工業機器人

ABB工業機器人由兩部分構成：IRB120工業機器人實體和RobotStudio仿真軟件。ABB工業機器人是搬運、碼垛、裝配和分選等作業的主體，可通過示教完成工業機器人程序編程，也可通過軟件離線編程方式實現復雜的機器人運動軌跡的設定。機器人控制柜IRC5內部集成DQS652通用輸入輸出板卡，具備16路輸入和16路輸出端口。可將輸入端口關聯到系統變量中，滿足工程實際應用中通過外部控制實現機器人系統自動運行的需求。

2.2西門子可編程控制器

實訓平臺選用西門子1214C AC/DC/RLY可編程控制器，帶有14路數字量輸入，10路數字量輸出，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連接傳輸數據。

2.3信捷視覺系統

物料傳輸帶系統通過氣缸推動送出物料，電機帶動輸送帶運動，將物料送至視覺檢測下方，視覺識別系統和視覺檢測識別效果如圖2所示，等待視覺系統將形狀和顏色等判斷結果輸出給PLC，PLC再將結果通過DQS652輸入到機器人系統，讓機器人執行相應的控制程序，完成物料分選功能。

2.4信號連接交互

工業機器人控制器通過擴展DQS652數字輸入/輸出板卡與PLC等外部設備通訊。組態觸摸屏與PLC通過以太網連接。機器視覺工業機器人實訓平臺通過通用數字IO接口進行通訊。

2.4.1通用數字IO接口

通用數字IO接口屬于點對點通訊，分別連接了西門子PLC、信捷視覺輸出IO信號、工業機器人DQS652和外圍開關傳感器信號等。數字IO連接方式簡單明了，容易理解連接關系，非常適合初學的學生學習使用，但是線路在物理連接上相對復雜，且不利于多機之間實現遠距離通信。PLC控制系統和機器人控制柜的信號連接圖如1所示。

2.4.2機器人信號配置

工業機器人的信號配置就是通過建立機器人軟件程序與硬件外設端口的連接關系。ABB機器人通過示教器配置IO口包含三個方面：DQS652板卡配置、輸入輸出信號設置和IO信號關聯系統變量設置。關聯的系統變量和配置的輸出端口如圖2所示。

2.4.3視覺系統與PLC信號通信

信捷視覺系統的輸出有5個，分別為Y1、Y2、Y3、Y4。為相機的輸出端子，為NPN型集電極開路輸出，通過視覺軟件配置，可以將識別結果關聯到4個輸出端口中。

視覺系統輸出與PLC輸入端口連接如圖3所示。

2.4.4機器人末端工具

實訓平臺的末端工具采用多樣化設計，包括鉗式機械爪、吸盤、膠槍、筆夾持器和焊槍等。學生根據工作任務的特點選用合適的末端工具，并且搭建所需要的氣動回路來實現氣動部件的控制。

3工作站實訓實踐

以學生實現工業機器人機器視覺分選碼垛項目為例。學生先對項目進行分解，根據所需碼垛的工件特點，選用鉗式機械爪末端工具，并且繪制出圖6所示的氣動回路，設計出PLC、機器人和視覺系統的I/O分配表如表1所示，并在此基礎上實現電氣接線，通過設置視覺系統的檢測參數，準確識別貨物的種類，編寫工業機器人程序、PLC梯形圖程序和組態軟件程序，實現接近工廠實際應用的融合機器視覺的機器人碼垛工作站的設計與裝調。

4結束語

基于視覺檢測系統、工業機器人和PLC開發的機器視覺工業機器人工作站綜合實訓平臺貼近企業生產應用，既可以滿足學生操作訓練的需求，也能讓學生通過自己設計，搭建工作站平臺，學生在實踐過程深化多門理論知識實際應用。培養動手實踐能力，解決問題能力，相互協作能力。學生在完成項目過程中，學生應用實訓平臺積極學習如圖8所示，知識和技能掌握的較為深入。

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

作者簡介：黃輝（1983—），男，講師，碩士研究生，智能控制技術教研室主任，主要研究方向為智能控制技術、工業機器人集成應用。

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