中職工業機器人激光雕刻教學工作站的設計與意義

文/東莞市信息技術學校 李龍平

一、前言

隨著國家“人口紅利”的不斷下降，工業機器人的進一步普及。社會對于工業機器人行業人才的需求越來越大，并且已經表露出不簡單滿足于基本操作的人才趨勢，更加強調人才的學習和創新能力。作為中職學校的工業機器人技術應用專業，必須對這一趨勢進行跟進，通過實踐探索出更加適合社會需求的人才培養方案。只有通過不斷的實踐與理論相結合，才能有新的教學思維火花產生。工業機器人技術實用性很強，實踐教學環節能幫助學生理解課程基礎知識、培養實踐能力、激發創新精神，是提高教學質量重要且有效的手段(馮凌云，劉凱，2021)。筆者在教學的實踐過程中發現，中職學生對于工業機器人實踐教學表現出非常大的熱情，但存在著大多數學生無法深入學習的情況，除了與學生本身的知識儲備不足，也與學校的教學設備存在一定關系。

中職工業機器人實訓教學設備，需緊貼市場需求，同時也需要具備簡單易用，兼備入門和提升等教學功能。激光雕刻在工業上應用廣泛，在教學中也容易加工出實用、有趣的作品，ABB工業機器人的仿真軟件RobotStudio兼容第三方3D模型，能夠調動學生的學習興趣，激發學生動手創新能力。因此，探索工業機器人激光雕刻教學工作站的設計與論證，無論在工業市場需求還是教學上，都具有很好的現實意義。

二、知識準備

市面上許多種類的工業機器人教學工作站，雖然不具備生產功能，但是能夠以非常接近企業生產的方式呈現出來，方便教學。同時各工作站均包含工業機器人技術、PLC技術應用和機電一體化技術等知識內容，屬于一個集成度較高的自動化教學設備。此次在對工業機器人激光雕刻教學工作站進行設計和論證，所需要的工業機器人技術、PLC技術應用以及三維設計等基礎知識較多。

1.SolidWorks三維設計軟件

SolidWorks設計軟件是一款實用的三維機械設計軟件，能夠使初學者快速上手，設計出自己想要的3D模型，并且支持將設計出來的模型轉化成主流設計軟件所兼容的格式。

2.RobotStudio仿真軟件

RobotStudio是瑞士ABB公司設計的給予ABB工業機器人配套使用的仿真軟件，方便使用者進行工作站建立、布局系統、建立工具坐標和工件坐標等全功能工作站建立的仿真軟件。使用簡單，容易上手，方便展開教學，能有效解決由于設備不足而造成的教學困難。

3.PLC技術應用

在工業應用中，與工業機器人、CAD/CAM并稱工業自動化三大支柱的PLC作用越來越重要，尤其是在工業機器人同外界的數據交換中，PLC起著至關重要的作用。并且以其低成本、使用范圍廣和穩定的性能等優良特點使得它在工業上占據著重要的地位。

4.激光雕刻技術

此次采用的激光模組為創聯科技的7W定焦藍光模組，激光波長為450nm，焦距18mm；采用12V直流電源進行供電，并且采用PWM信號進行功率控制，可以通過調節占空比和出光頻率對激光模組進行功率調節。可以對木頭、皮革、塑料、鋁合金和不銹鋼等材質的工件進行雕刻。具有低噪音、散熱好、精度高等特點，能夠滿足精度0.5mm以上的激光雕刻。

三、設計思路

1.工作站建模

虛擬制造業協同創新過程中，也需要重視設計、制造、集成等綜合性全生命周期虛擬制造業無界生態鏈的建設(雍玖，王陽萍，黨建武，2021)。為了較好地進行工業機器人激光雕刻工作站的設計，采用了建模、虛擬仿真、實體機驗證的設計流程。

首先，根據測量得到的創聯科技激光模組、待加工用的紀念品木塊尺寸，利用SolidWorks軟件進行1∶1，并且根據需要設計出可以安裝在ABB 1200型工業機器人末端的配套夾具。然后將模型導入到已經設置好工作站的 RobotStudio 仿真軟件當中，進行工具坐標和工件坐標的建立。隨后，對建立起來的虛擬激光雕刻工作站進行程序的編寫并且完成仿真測試。

2.電路設計

本次設置使用的激光模組采用DC 12V的電源進行供電，采用PWM信號的方式進行驅動，控制頻率在100Hz以內，符合此次生產要求；PWM模塊采用頻率和占空比可調的方波發生器，頻率控制在0-150KHz 之間。初步方案是通過機器人控制器 IRC5 輸出數字信號 DO1，控制12V機械式直流繼電器進行PWM發生器的通斷，從而控制激光模組的出光時間。但在實際生產和教學時，機器人信號的輸出頻率超出機械繼電器的使用頻率，出現通斷的延時，不能及時很好地控制激光模組的出光時間，造成被加工工件和繼電器的損壞。

為了有效解決激光模組接收PWM信號的問題，在通過重新設計電路方案和實踐后，確定電路如圖1所示。引入西門子smart-200系列PLCSR40替代原有的機械繼電器，SR40屬于繼電器輸出型PLC，具有三路高速脈沖輸出，可以輸出頻率在100KHz以內的脈沖信號，符合激光模組的控制要求。主要控制流程為：PWM發生器根據產品要求設置好頻率參數后，一直給激光器提供信號，機器人控制器IRC5通過輸出信號DO1給 PLC，控制信號是否能傳送到激光模組。其中，PLC程序起著信號取反的功能，并且預留了足夠的 I/O端口，方便工作站日后的升級和改造。

圖1

3.程序設計

工業機器人激光雕刻工作站是實現對工件的加工，加工出客戶想要的圖案和文字，要求機器人運動到指定的工作位置后，再開啟激光進行加工，加工完成后再關閉激光。涉及信號的頻繁導通和斷開。因此，在設計程序的時候需要采用程序調用和等待指令(如圖2所示)，進入被調用程序后，進行 0.5秒的等待后，再利用置位指令從DO1端口輸出信號給PLC，以此來控制激光模組的出光，在等待又一個 0.5秒后，再進行程序的調用運行軌跡圖案；完成一條輪廓后再對出光信號進行復位，避免激光燒壞工件。由于圖案較為復雜，編寫的程序的量足夠大，在運行時容易出現堆棧溢出導致機器人停止工作，所以當程序量足夠大的時候，需要使用特定指令ClearPath進行清理(如圖3所示)。ClearPath能夠有效地解決由于程序過多而導致的堆棧溢出問題。

圖2

圖3

四、現實意義

1.有利于解決部分學校教學設備不足而教學難以開展的問題

工業機器人RobotStudio仿真軟件能夠有效構建虛擬三維實訓場景， 模擬真實場景，有利于學生提前熟悉實際操作的環境與內容(夏中堅，2021)。筆者所在學校有ABB工業機器人2臺，在進行工業機器人教學時很難開展充分的實踐教學。為了有效激發學生學習興趣，開展行之有效的實踐教學，筆者曾利用Robotstudio仿真軟件對學校的教學設備進行1∶1建模，采用“理虛實”的教學模式進行教學，極大地激發了學生的學習興趣，促進了教學實踐的效果，教學效果優良。同時，仿真教學也具有更高的安全性。

2.虛實結合，有利于激發學生學習和創造能力

職業學校的教學設備大多數是通過向企業定制使用的，較為刻板，學生們未曾見到過一臺設備或一條生產線從無到有的過程，所以還是未能很好地調動積極性。此次進行工業機器人激光雕刻教學工作站的設計與論證，學生能夠在SolidWorks三維設計軟件上設計、ABB工業機器人仿真軟件Robotstudio上論證，協助老師進行工作站的安裝和調試。這是一個很好的教學過程，能夠充分激勵學生，激發學生學習的動力，提升專業認同感。同時，該工作室采用模塊化設計，拆卸、拼裝簡單，有利于長期的教育教學開展。

3.促進專業教師專業能力提升

工業設備和教學設備的設計與論證，是教師專業能力的體現。工業設備和教學設備的制造，要從理論到實際的遷移，理論與實際相結合總是存在著實踐的困難，只有深入去應用理論知識解決實踐中的困難，才能更好地促進教師專業能力的提升。此次設計的激光雕刻工作站雖然在硬件上涉及的元件不多，但是涉及3D建模、ABB 工業機器人的使用、RobotStudio仿真軟件的使用、激光模組、PLC技術應用以及PWM等知識，綜合程度比較強，對教師來說是一次非常不錯的鍛煉。

4.促進工業機器人1+X 證書的課證融通

在工業機器人激光雕刻工作站的教學中，涉及工業機器人的基本操作、工具坐標和工件坐標的設置，I/O 信號以及PLC技術應用等多個知識點，符合當前教育部所公布的多個工業機器人1+X證書的職業等級標準，如工業機器人應用和工業機器人運維等職業等級標準。以激光雕刻工作站作為知識的載體，學生根據自己的意愿生產出產品，學習效果可通過產品看得到，能夠激發學生進一步的學習欲望，夯實學習成果。

五、結語

隨著職業教育的快速發展，中等職業學校的教學設備更新速度加快，只有把握住市場的需求，設置行之有效的教學過程，才能更好地為國家和社會培養更多合適的人才，促進職業教育的發展。激光雕刻屬于市場中較為新興的技術，應用已經極為廣泛，學生乃至專業教師雖然知道應用的原理，卻還是很陌生。因此工業機器人激光雕刻工作站的設計，或者說每一次的教學載體的設計與論證，都在一定程度上加速了教師專業能力的成長和產教融合成果的產出，促進著教育教學的良性發展。