工業(yè)機(jī)器人模塊化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡偉偉 李奇奇 余春

摘要：隨著機(jī)器人在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人應(yīng)用培訓(xùn)的需求也不斷的增長(zhǎng)，工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)也應(yīng)運(yùn)而生。目前市面上的機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)受限于工業(yè)機(jī)器人本體的工作范圍，使得實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能比較少。本文內(nèi)容為設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、更換實(shí)訓(xùn)單元方便的工業(yè)機(jī)器人模塊化綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;教學(xué)設(shè)備;開(kāi)發(fā)與研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0091-02

0? 引言

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前世界先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要的裝備和手段，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。我國(guó)制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要時(shí)期，人工成本的上升以及環(huán)境問(wèn)題的制約不斷的沖擊著傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展，而工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的引進(jìn)應(yīng)用正是破解這些沖擊的有力手段。因此近年來(lái)中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)持續(xù)表現(xiàn)強(qiáng)勁，市場(chǎng)容量不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園不斷新建。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展急需大量高素質(zhì)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用技能型專業(yè)人才，因此國(guó)內(nèi)各大專中職院校都陸續(xù)的開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)專業(yè)，而理論必須綜合實(shí)踐應(yīng)用才能培養(yǎng)出優(yōu)秀技能扎實(shí)的專業(yè)人才，使得相關(guān)學(xué)校急需結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于教學(xué)、功能齊全、性價(jià)比高的工業(yè)機(jī)器人培訓(xùn)設(shè)備。

1? 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)組成

工業(yè)機(jī)器人模塊化綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)組成如圖1所示，由埃夫特ER3B-C30六自由度工業(yè)機(jī)器人、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架、觸摸屏、PLC、快換工具、軌跡繪畫(huà)模塊、RFID裝配分揀模塊、變位焊接模塊、皮帶線上料碼垛模塊、視覺(jué)檢測(cè)模塊、對(duì)射光幕裝置、多功能夾具單元及設(shè)備資源包組成。可以完成工業(yè)機(jī)器人夾具選擇、軌跡規(guī)劃、分揀、焊接、打磨、碼垛、視覺(jué)檢測(cè)等典型應(yīng)用。各模塊基座采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，模塊集成電路與氣路航插可在定位基座上實(shí)現(xiàn)快速更換，后續(xù)根據(jù)新的技術(shù)的學(xué)習(xí)要求也可以方便的增加新的模塊。本套設(shè)備可以在有限的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)臂展范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能的訓(xùn)練。

2? 工業(yè)機(jī)器人選型及末端夾具設(shè)計(jì)

作為機(jī)器人實(shí)訓(xùn)裝備而言不宜選用較大機(jī)器人本體，我們選用國(guó)產(chǎn)品牌埃夫特桌面型6自由度串聯(lián)機(jī)器人，型號(hào)為ER3-600，該型號(hào)機(jī)器人本體整體結(jié)構(gòu)緊湊，操作半徑覆蓋范圍大（可達(dá)593mm），精度可達(dá)±0.02mm。

工業(yè)機(jī)器人末端夾具主要由氣動(dòng)手指、快換夾具、導(dǎo)電電極、真空氣路等組成，末端夾具安通過(guò)法蘭盤(pán)裝在機(jī)器人第六軸上。末端夾具設(shè)計(jì)具有兩個(gè)氣動(dòng)手指，一個(gè)氣動(dòng)手指用來(lái)直接抓取物料，另外一個(gè)氣動(dòng)手指上安裝有快換夾具，可以快速切換抓取4種工具，包括TCP標(biāo)定頂尖、繪畫(huà)筆、打磨頭以及真空吸盤(pán)，配備的導(dǎo)電電極和真空氣路可以實(shí)現(xiàn)電路與氣路的自動(dòng)切換。

3? 快換工具的設(shè)計(jì)

快換工具包括TCP標(biāo)定頂尖、繪畫(huà)筆、打磨頭以及真空吸盤(pán)。快換工具采用標(biāo)準(zhǔn)化D字型切換頭設(shè)計(jì)，整體采用鋁合金陽(yáng)極氧化處理材料設(shè)計(jì)，底部設(shè)計(jì)有調(diào)整安裝孔。機(jī)器人末端夾具選取相應(yīng)的工具來(lái)完成不能模塊的功能實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

4? 典型應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)

4.1 軌跡規(guī)劃模塊

軌跡規(guī)劃模塊包含有軌跡模擬單元和寫(xiě)字繪畫(huà)單元兩個(gè)部分，兩個(gè)單元都為陽(yáng)極氧化鋁板裝配而成，軌跡模擬單元面板含有平面和曲面圖形，可以同時(shí)滿足平面和曲面軌跡的模擬訓(xùn)練。寫(xiě)字繪畫(huà)單元大小與A4紙相當(dāng)，配有磁鐵圖釘，通用性強(qiáng)，使用筆形工具實(shí)現(xiàn)機(jī)器人寫(xiě)字繪畫(huà)功能，設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

4.2 分揀模塊

分揀模塊由裝配工件、上料單元、立體倉(cāng)庫(kù)、電子標(biāo)簽、RFID讀寫(xiě)器、多接頭氣管快換插頭等組成，安裝板材料均為陽(yáng)極氧化鋁板。機(jī)器人使用真空吸盤(pán)和氣動(dòng)手指夾爪可實(shí)現(xiàn)工件裝配以及RFID身份識(shí)別分揀的功能，根據(jù)身份識(shí)別結(jié)構(gòu)可將物料放置在立體倉(cāng)庫(kù)的規(guī)定位置上，設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

4.3 變位焊接模塊

變位焊接模塊由步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)軸、帶座軸承、焊接架、焊接工件、焊接夾鉗等裝配而成，并且具有變位功能。機(jī)器人使用TCP標(biāo)定頂尖及打磨頭工具，可以實(shí)現(xiàn)焊接和打磨模擬的訓(xùn)練，設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

4.4 碼垛與視覺(jué)檢測(cè)模塊

碼垛與視覺(jué)檢測(cè)模塊由小型變頻調(diào)速皮帶線、上料機(jī)構(gòu)、物料倉(cāng)、視覺(jué)系統(tǒng)、碼垛板、檢測(cè)傳感器等組成。上料架構(gòu)將物料倉(cāng)內(nèi)長(zhǎng)方體物料推送到皮帶線上，檢測(cè)傳感器檢測(cè)到物料到位后，通知機(jī)器人在碼垛板上完成相應(yīng)的碼垛程序。物料倉(cāng)內(nèi)也可以放置不同形狀和顏色的物料，通過(guò)設(shè)置在皮帶線上的視覺(jué)系統(tǒng)完成物料顏色與形狀的識(shí)別，通知機(jī)器人在碼垛板上完成視覺(jué)分揀的程序，設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

5? 控制系統(tǒng)

該套設(shè)備的控制部分主要是由機(jī)器人控制柜、西門(mén)子PLC、西門(mén)子觸摸屏、F-BOX物聯(lián)網(wǎng)、視覺(jué)系統(tǒng)、變頻器等組成，整個(gè)控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)通信，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，適用與當(dāng)前通用通信技術(shù)的學(xué)習(xí)，其余控制對(duì)象都是通過(guò)I/O信號(hào)與各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行通信，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

6? 設(shè)備布局設(shè)計(jì)

根據(jù)各個(gè)模塊的尺寸以及機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)范圍，結(jié)合人體工學(xué)以及電氣設(shè)備布置的一般規(guī)范要求，合理的規(guī)劃了如圖8所示的布局圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞嘉丞.工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備開(kāi)發(fā)探究[J].河北農(nóng)機(jī)，2020（12）：74-75.

[2]葉輝.多功能工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2018（3）：41-43.

[3]李公文，黃福建，余春.工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)（上旬刊），2019（10）：12-13.

[4]張靖.工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2020（5）：70-71.