基于多類型工業機器人的多功能實訓設備設計

李 顯，朱青松，呂世霞，王學雷

（北京電子科技職業學院，北京100176）

目前成熟的工業機器人實訓設備是以大型工作臺為底座，工作臺上安裝了各種功能模塊，其中工業機器人也放置于工作臺上，從而形成一整套工業機器人應用實訓設備。這類實訓設備的弊端：首先是因為集成度較高，底層應用程序已構建完成，從而不利于學生知識和技能的提升；其次是工業機器人的選擇只能選擇小型工業機器人，負載能力較弱，也局限了工業機器人的工作范圍，不利于實際應用的開展；還有該類實訓設備廠家配備了太多的功能單元，有些功能單元沒有起到提升知識技能的價值，這就造成資源浪費；另外設備體積較大，這對實訓室空間提出較高要求，不方便實訓開展。同時考慮到一般實訓室都有多臺在地面已經安裝好的工業機器人，只是缺少配套的多種功能單元。基于以上問題，設計了一種基于多類型工業機器人的多功能實訓設備。

1 整體結構設計

基于多類型工業機器人的多功能實訓設備的整體結構如圖1所示，它由升降平臺、多功能模塊、控制部分等組成。實訓設備整體結構體積小，底部采用水平調節移動支撐型腳輪，即福馬輪，以方便設備可任意位置移動、水平調節和位置固定。

圖1 設備結構圖

1.1 升降平臺設計

升降平臺結構如圖2所示，由支撐底座、蝸輪蝸桿絲杠機構、光軸滑塊機構、鋁型材平臺組成。采用蝸輪蝸桿絲杠機構，實現平臺的高度調節，以適應不同規格型號的工業機器人工作范圍，滿足該設備與工業機器人相對位置的最佳布置。為保持升降平臺運行的穩定性，滿足支撐和導向作用，四個角采用光軸導軌滑塊機構，滑塊固定不動，光軸導軌上下移動。鋁型材平臺采用T型槽結構，以方便功能模塊的拆卸、安裝、位置變動等功能，滿足位置的多樣性，便于學生實訓開展，進行差異化訓練。

圖2 升降平臺

升降平臺可同時由手動控制和自動控制驅動，手動控制是直接手動轉動蝸輪蝸桿絲杠機構，使平臺升高或降低，自動控制是采用變頻器驅動異步電動機動作，從而實現升降平臺的自動高度調節。增加升降平臺的自動控制，一方面是為了提高自動化水平，另一方面是為了增加變頻器設備，以方便學生對變頻器的學習。

1.2 多功能模塊設計

多功能模塊安裝于鋁型材平臺上方，每個模塊都便于安裝、拆卸及位置調整。多功能模塊的設計以提升學生新知識技能、促進專業建設和發展為原則，在鞏固傳統知識的基礎上，增加新知識，滿足學生實踐、職業技能提升及就業需要。多功能模塊設計了多種模塊，如圖3所示，具體包括觸摸屏、I/O及供電轉接模塊、按鈕開關控制模塊、RFID模塊、視覺模塊、成品庫、步進電機、廢料盒、電磁閥模塊、夾具座、傳送帶、送料模塊、零件庫等。其中觸摸屏實現了RFID數據寫入及顯示、升降平臺控制、送料模塊控制、傳送帶控制、視覺識別顯示等；I/O及供電轉接模塊實現了傳感器、電磁閥、步進電機、按鈕開關控制模塊等的連接，并提供0V和24V供電；按鈕開關控制模塊包括啟動、急停、停止、復位按鈕以及運行、報警指示燈等；視覺模塊安裝在傳送帶上方，用來識別所傳輸的零件類型（方形、圓形、三角形）、位置、方向；RFID模塊包含讀寫器和收發器，讀寫器固定安裝在升降平臺面板上，收發器（紐扣型電子標簽）嵌在方形零件背面；成品庫用來暫放方形、圓形、三角形零件，并在此處完成零件組裝；廢料盒用來存放非方形、圓形、三角形零件；夾具座用來放置工業機器人末端夾具，包含吸盤夾具和夾爪夾具；送料模塊采用氣缸驅動，推動隨機放置于零件庫的零件到傳送帶，傳送帶開始工作輸送零件。

圖3 多功能模塊

1.3 控制部分結構設計

控制部分設計在升降平臺的下端，由PLC、交換機、變頻器、步進驅動器、視覺控制器以及供電部分等組成。控制器采用S7-1200PLC，具有PROFINET通信接口，并擴展連接RF120C通信模塊，實現與西門子RFID系統的通信；變頻器采用具有以太網通信接口的變頻器，以適應新技術要求；交換機的使用使設備間形成局域網絡，這是當前自動化設備采用的主流通信方式，方便了設備與設備間的連接及控制，亦實現基于多類型工業機器人的多功能實訓設備與工業機器人的快速通信連接。

1.4 零件庫零件設計

基于設計的多功能模塊，特配套設計如圖4所示的零件庫零件，包括方形零件、圓形零件、三角形零件及廢料。工業機器人可對方形、圓形、三角形零件進行裝配，其中方形零件可選用夾具座的夾爪夾具或吸盤夾具搬運，圓形零件只能選擇夾爪夾具進行搬運組裝，三角形零件只能選擇吸盤夾具進行搬運組裝。

圖4 零件庫零件

為完成零件及成品信息的讀寫，故在方形零件的背面嵌入紐扣型RFID收發器，如圖5所示。

圖5 RFID收發器安裝位置

2 控制系統設計

2.1 電氣部分

電氣部分控制框圖，如圖6所示，PLC作為控制核心，通過以太網連接到交換機，同時通過I/O硬接線連接到I/O及供電轉接模塊，以方便其他多功能模塊及傳感器接線，并直接與RFID串口通信連接。計算機、變頻器、觸摸屏、視覺控制器通過以太網接口，可直接連接到交換機。

圖6 電氣控制框圖

2.2 氣動部分

氣動部分實現對送料模塊的控制，推動零件庫的零件到傳送帶。另外，也可以實現對工業機器人末端夾具的氣動控制，完成夾爪夾具和吸盤夾具的動作。氣動部分原理圖如圖7所示，借助電磁閥模塊和真空發生器實現氣動動作。

3 功能設計

基于多類型工業機器人的多功能實訓設備需要與實訓室現有的在地面已安裝好的工業機器人搭配使用。通過移動該多功能實訓設備到某一工業機器人前方，如圖8所示，并完成與工業機器人的通信連接、氣路連接等。然后根據工業機器人類型或規格，手動或自動調整升降平臺的高度，以適應機器人工作范圍。該基于多類型工業機器人的多功能實訓設備可以根據不同要求，變換多功能模塊安裝位置，以形成多個不同的工作過程。

現以某一工作過程如圖3所示布局舉例。首先，把方形零件、圓形零件、三角形零件及廢料隨機放置于零件庫里，開始工作后，送料模塊推動零件庫最下面的一個零件到傳送帶，傳感器1檢測到信號后，PLC控制步進電機開始以較快速度運行。當傳感器2檢測到信號后，降低傳送帶運行速度，傳送帶緩慢運行。當零件到達傳感器3時，傳送帶停止運行，視覺模塊開始工作，判斷零件類型、位置、方向。若為方形零件、圓形零件或三角形零件，則直接啟動工業機器人，搬運零件到成品庫完成組裝；若為廢料，則傳送帶繼續低速運行到傳感器4，傳送帶停止運行，啟動工業機器人動作，搬運廢料到廢料盒。方形零件、圓形零件和三角形零件在成品庫1號位置進行組裝，2號和3號位置為暫存零件位置。其中，在工業機器人工作過程中，會根據零件類型的不同，選擇吸盤夾具或夾爪夾具。若工業機器人抓取到方形零件，則工業機器人要移動到RFID讀寫器上端，由讀寫器從方形零件背面的收發器上讀取數據，并在觸摸屏上顯示，然后工業機器人把零件放到成品庫1號位置。待方形零件、圓形零件和三角形零件全部組裝完成后，由工業機器人夾持成品移動到RFID讀寫器上端，讀寫器寫入數據到成品背面的收發器上，然后工業機器人把成品放到成品庫4號位置，4號位置為待出貨位置，然后控制升降平臺降落，以方便其他設備取貨，至此完成一整套流程動作。

4 結束語

本文提出了一種基于多類型工業機器人的多功能實訓設備，從整體結構到控制系統再到功能等方面進行了詳細闡述，其設備體積小、功能全、成本低、適應性強、技術新，能很好地與不同類型工業機器人配合使用，滿足學生學習新知識、提升職業技能的需求，以及促進專業建設和發展的目的。

圖7 氣動原理圖

圖8 與工業機器人的搭配