基于CHL-DS-01工作站的工業機器人碼垛教學案例

王 棟

（蘇州高等職業技術學校，江蘇蘇州215009）

1 概述

1.1 工業機器人技術專業設置背景

在“中國制造2025”提出及中國制造業加速轉型（“機器換人”）的背景下，近年來從高校到職業院校紛紛根據企業需求和當地制造業的特點，進行專業設置調整，與工業機器人技術相關的專業或專業方向如雨后春筍般出現。筆者所在的蘇州高等職業技術學校于2015年在江蘇省同類學校中率先開設了工業機器人技術專業，近年來通過不斷探索人才培養方案和課程體系，穩步推進專業建設。

1.2 “工業機器人示教與編程”課程教學

工業機器人示教與編程”是工業機器人技術專業的一門核心課程，主要學習內容是：工業機器人的基礎操作與應用，掌握示教器的使用與典型的示教編程案例。本文將以該課程中的一個項目為案例來探討課程的教學內容和方法。

1.3 機器人技術應用技能大賽

全國職業院校技能大賽是教育部每年定期舉辦的一項比賽，它的舉辦促進了各校的專業建設和師生培養。2017年大賽新增機器人技術應用項目，該項目基于北京華航唯實機器人科技有限公司生產的CHL-DS-01工業機器人異形芯片插件工作站，以ABB IRB120工業機器人為載體，通過示教編程和離線編程的方式實現工業機器人涂膠、碼垛、分揀工藝。將大賽資源轉化到教學中去一直是舉辦大賽的目標之一，因此在“工業機器人示教與編程”課程中，筆者便應用大賽設備為教學平臺，以工業機器人涂膠、碼垛為主要案例進行教學，下面就以碼垛為案例介紹教學內容。

2 準備知識

2.1 碼垛工藝介紹

碼垛是工業機器人實際生產中的一種典型應用，碼垛工藝是指：通過對垛的擺放位置進行簡單確認就能實現所有垛的整齊擺放。這里的“垛”一般是指工業上生產的某種工件或物料。所謂機器人碼垛，我們可以理解為通過機器人代替人工實現重復性的物料搬運工作，并且每個物料的位置都是確定而不是隨機的。

2.2 碼垛工藝要求

本項目教學基于大賽設備CHL-DS-01，該工作站上安裝了一個用于取垛的碼垛架（圖1）以及一個用于堆垛的碼垛臺（圖2），配備了用于機器人抓取碼垛塊的夾爪工具。機器人通過安裝夾爪工具，可實現自動從碼垛架取垛并在碼垛臺上堆垛。

工業機器人碼垛的具體步驟如下：

圖1 碼垛架

圖2 碼垛臺

（1）工業機器人運行到工具架自動安裝夾爪工具。

（2）工業機器人運行到碼垛架抓取碼垛塊。注意：機器人應從碼垛架底部抓取工件，當機器人抓走一個工件時，下一個工件會自動滑落到底部，因而每次抓取碼垛塊的位置是相同的，這就減少了機器人示教次數。

（3）工業機器人運行到碼垛臺根據示教的位置放置碼垛塊。

（4）工業機器人運行到工具架放回夾爪工具，然后回原點。

3 碼垛示教與編程

CHL-DS-01工作站共有6個碼垛塊，碼垛的形式可以多種多樣，教學中可讓學生嘗試多種碼垛形式。下面以單層三花垛（圖3）為例介紹碼垛的示教編程。

3.1 新建程序數據

首先建立本任務所需的robtarget類型數據（點位置），為下一步示教做準備。本任務的點位置包括：1個夾爪工具位置，1個取垛位置，3個放垛位置，由于后面4個位置在碼垛過程中會反復用到，因此建立一個一維數組，將這4個位置都存在該數組中。

打開機器人示教器，點擊程序數據，選擇robtarget，點擊“顯示數據”，點擊“新建”建立一個一維數組，數組名為“dian”，維數選擇1，數組大小設為4。

圖3 三花垛（單層）

3.2 機器人示教

示教一般采用機器人手動操縱模式完成，要求學生必須嚴格按照要求完成每一個點的示教工作，避免誤差，以免調試時發生機器人與工作站的碰撞。

首先示教夾爪工具位置（示教器中設為“jz”）：通過手動操縱模式，控制機器人到達夾爪工具所在位置，在示教器中選擇“修改位置”確定該點位置。

然后示教數組dian里面的4個點位置（1個取垛和3個放垛位置）：點擊數組dian，可以看到4個點數據初始值是一樣的。手動操縱機器人，控制機器人到達碼垛架底部的取垛位置，選擇數組第一個數據{1}并點擊“修改位置”確定dian{1}為取垛位置；然后繼續手動操縱機器人確定3個放垛位置，并分別通過“修改位置”存入dian{2}、dian{3}和dian{4}。

3.3 機器人編程

打開示教器，新建例行程序maduo，然后按照碼垛工藝順序編寫RAPID程序。

（1）安裝夾爪工具程序。

添加MoveAbsJ指令使機器人回原點（命名為home），然后利用MoveJ、MoveL等運動指令編寫程序完成以下步驟：利用Offs偏移功能使機器人到達夾爪工具上方，再降低速度到達夾爪位置，等待0.5 s（WaitTime 0.5）后復位快換工具信號（Reset HandChange_Start）安裝夾爪工具，再等待0.5 s后上升到過渡位置。

（2）單層三花垛碼垛程序。

單層三花垛共需碼垛三次，可使用循環指令（FOR或WHILE）實現，首先設一個計數變量m，初值為1；然后利用FOR指令編寫取、放垛程序，指定循環計數值為1～3即可實現3次循環。循環程序中將取垛位置設為dian{1}，放垛的位置設為dian{m+1}（當m=1，放垛位置是dian{2}；當m=2，放垛位置是dian{3}；當m=3，放垛位置是dian{4}）。

其中放垛程序如下：

ConfJOn;！關節運動的軸配置控制，使機器人避開奇異點或不可達位置

MoveJ Offs(dian{m+1},0,0,15),v500,fine,tool0;！到達碼垛位置過渡點

MoveL dian{m+1},v50,fine,tool0;！到達碼垛位置

WaitTime 0.5;

Reset Grip;！夾爪松開放置碼垛塊

WaitTime 0.5;

MoveL Offs(dian{m+1},0,0,20),v500,z50,tool0; ！回到碼垛位置過渡點

ConfJOn;

（3）放回夾爪工具程序。

與安裝夾爪工具程序步驟相反，首先利用偏移功能到達夾爪工具位置上方，再降低速度到達夾爪位置，等待0.5 s后置位快換工具信號（Set HandChange_Start）松開夾爪工具，再等待0.5 s后上升到夾爪工具過渡點，最后機器人回原點結束任務。

3.4 機器人調試

程序編寫完必須通過調試來驗證例行程序的正確性，從安全考慮，可以先單步調試再連續運行調試。未經教師允許，學生不得啟動自動模式調試機器人。

（1）單步調試。

在示教器上單擊“調試”，選擇“PP移至例行程序”，選擇單層三花垛程序，按下示教器使能按鈕，再按下單步調試前進按鈕，按步觀察機器人運行情況。如調試無誤則可松開使能按鈕準備連續運行程序，如機器人出現停頓并報錯務必及時解決問題后重新調試。

（2）連續運行調試。

按下使能按鈕后再按下連續運行按鈕，觀察機器人在手動限速模式下單層三花垛任務完成情況，確認無誤后結束調試。

4 結語

本文以單層三花垛為例，介紹“工業機器人示教與編程”課程中一個任務的教學內容。機器人程序中應用了數組和FOR指令以簡化程序，實際生產中碼垛工藝會更加復雜，例如碼垛的層數會更多，碼垛的姿態會不同，因此，課后應引導學生進一步優化機器人碼垛程序。學生通過機器人碼垛的示教編程學習，可以掌握RAPID程序的基本指令及工業機器人應用的基本操作流程，為掌握更全面的工業機器人技術奠定基礎；通過將大賽設備引入教學，也實現了大賽資源的及時轉化，使大賽服務于教學。