基于工业机器人电工实训平台的改造升级

苟良

摘 要：为了改善我校实训教学条件，积极探索工业机器人电工实习在培养具有创新能力的高职技能人才中的工程教育作用，对现有的工业机器人技术应用实训平台进行改造升级。改造升级内容包括视觉系统、机器人工装夹具、生产线和实训内容。改造后的实训平台将教学与工程实践紧密结合，为培养学生工程实践能力、科技创新能力提供了良好的条件。

关键词：工业机器人;电工实习;改造

一、引言

工业机器人电工实习是工科院校一门重要的综合性实践课程，主要任务是培养学生在工业机器人电工方面的操作技能和解决实际问题的能力。随着国家产业升级和智能制造的深入推进，工业机器人方向的电工技能人才技能需求不断扩充变化，工作对象涵盖PLC、触摸屏、变频器、组态技术、智能传感器、工业机器人等众多自动化技术。新对人才技能需求对实训平台提出了更高的要求。

二、当前实训平台概述

我校现有的工业机器人电工实习平台是2015年全国职业院校技能大赛“工业机器人技术应用”指定竞赛设备——HBHX-RCPS-C10型工业机器人技术应用实训平台，它主要包括工业机器人、AGV 机器人、托盘生产线、工件盒生产线、视觉系统和立体仓库等六部分组成，如图1 所示。

系统的主要工作目标是将工件从立体仓库上取出，通过AGV 机器人搬运到托盘生产线上，并通过托盘生产线上的视觉系统对工件进行识别，然后由工业机器人进行工件盒的抓取及分类装箱。视觉系统检测位置如图2所示。

三、实训平台改造与创新

（一）关于视觉系统的实训内容升级

改造平台视觉系统采用信捷公司的X-sight SV4-30ml智能视觉传感器。该系统包括镜头、智能相机和光源控制器三部分。系统中智能相机和PC 机之间使用RJ45 网口连接。PC 机主要用于智能相机图像的处理、编程、程序下载、监控等。相机的控制可通过SIC-242 光源控制器与PLC 连接来控制，SIC-242 型光源控制器通过双绞线与PLC 连接通信。相机程序需要利用X-Sight studio 图像处理软件对光源控制器进行预先的编程，将采集到的图像转换成系统所需的数字量信息。相机通过对工件比对的特征值进行学习采样，做成模板。相机正常运行时，将拍照完成后的工件信息与模板中的工件信息进行比对并显示相应的结果。

在以往的实训中，学生通过使用X-Sight studio 图像处理软件视觉工具栏中“定位工具”的子菜单项“图案定位”即可完成特征值标定，如判断工件大小、形状、圆孔数量。在实际的工业生产中，缺陷工件的出现总是不能完全避免的，如谐波减速器和输出法兰中的多孔或少孔问题。增加对缺陷工件的检测是平台视觉系统实训内容升级的方向。在升级过程中，首先尝试了“瑕疵检测”“定位工具”中的众多功能选项，但效果和成功率都不理想。通过多次研究分析，最终通过“计数工具”里的“圆孔计数”结合脚本程序算法解决了缺陷件的检测问题。

（二）关于机器人工装夹具的改造升级

工业机器人的外部工装是用来进行操作及作业的装置，是机器人最重要的执行机构，可分为搬运、加工、测量等用途。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。吸附式末端执行机构又称吸盘，有气吸式和磁吸式两种，分别利用吸盘内负压产生吸力来吸住并移动工件。改造平台的工业机器人为了配合自动生产线工作，采用吸盘内负压产生吸力来移动工件及收集空托盘，为了保证抓取到的物体在工业机器人动作的过程中不会掉落下来，改造平台使用了单吸盘和双吸盘的工装夹具，单吸盘用于移动工件，双吸盘用于将空托盘放置到托盘收集处。

改造平台工业机器人工装夹具虽有两个可切换工具，但都为吸盘结构，不能吸取没有上表面的中空结构工件，如关节底座。改造升级后的机器人工装夹具将原单吸盘的部分修改成了气动三爪卡盘，用于抓取中空工件;将原双吸盘缩小，用于吸取平面工件和空托盘。同时，为了增加机器人工具坐标系标定的精度，设计了用于标定双吸盘工具坐标系的标定尖针，分为活动端标定尖针与固定端标定尖针。活动端的标定尖针安装在机器人双吸盘的连接杆上，固定端的尖针则安装在装配流水线的备料库中间的M8螺纹孔中。

新的夹具包含的执行元件是一个三爪卡盘和两个真空吸盘。原机器人本体中已经穿了两路气管，其中一根用于驱动真空吸盘，另一路则连接到三爪卡盘。因三爪卡盘需要两条气路，所以需要在机器人本体中再穿一根Φ4的气管，机器人四节的盖板也需要增加一个Φ13的通孔，用于安装Φ4的隔板直通。为了与三爪卡盘气缸配套，同时将机器人底座内的电磁阀进行了更换，将原来用于驱动单吸盘的两位三通阀更换为两位五通阀，电磁阀连接电路不变。

（三）关于生产线的改造升级

改造平台的工件盒生产线最多可放3 个工件盒，每个工件盒8 格，每格可放1～2 层，最多可放置16 个工件。工件盒生产线与工业机器人配合能完成工件盒分拣任务。分拣虽是工业生产中的重要环节，但学生若仅掌握工业机器人分拣技术是不够的。为了丰富实训内容和层次，生产线改造升级的方案是将工件盒生产线改造为装配线生产线，并搭配成品库和备件库，从而实现装配和分拣两大训练内容。

改造后的装配流水线由成品库工位、装配工位和备件库工位三个部分组成。定义成品库工位的工作位置为装配流水线回原点后往中间运动200mm的位置;装配工位的工作位置为在装配流水線中间位置;备件库工位的工作位置为装配流水线回原点后往中间运动200mm的位置。备件库主要用于暂时存放多余的同类型装配工件，也可以用于缺陷工件的临时存放。成品库主要用于存放已装配完成的工件，也可以用于其它工件临时存放。

装配工位配置有四个定位工作位。每个定位工作位安装了伸缩气缸用于工件的二次定位，当机器人将工件送至装配工位后，先通过气缸将其进行二次定位，然后再进行装配，以提高机器人的抓取精度，保证顺利完成装配。因二次定位装置中使用了四个伸缩气缸，气路较多，为了整体设备的美观，将控制气缸伸缩的电磁阀用汇流板连接，并安装于装配流水线侧边型材上。二次定位装置中使用了四个伸缩气缸，对应的有四个二位五通电磁阀，这4个阀分别连接到机器人的第16、17、18、19个数字量输出点。经计算一共需连接4根电缆，为了保证走线简洁美观，使用一根6芯电缆（4根输出点信号线+1根底线+1根PE线）进行接线，在与机器人连接处采用航插中转。

（四）实训内容的拓展升级

通过对实训平台的改造升级，可以满足学生实训内容的扩展和升级。

1.电气安装

（1）安装并调试托盘流水线传感器

安装托盘流水线上的入口光电开关、拍照工位光电开关以及抓取工位光电开关到托盘流水线正确位置。

（2）将安全护栏传感器安装在安全护栏门的正确位置，使后续编程时能够实现：当安全门打开时，机器人停止运动。

2.工业机器人末端手抓控制气路的安装

完成工业机器人一轴底座真空发生器气路、三爪卡盘和双吸盘控制电磁阀的部分气路连接：

（1）机器人主气路接头的连接;

（2）三爪卡盘与吸盘电磁阀的安装及其气路的连接;

（3）吸盘真空发生器的安装与连接;

（4）机器人手抓夹具及激光笔控制电缆的连接。

3.装配流水线定位夹具及控制气路的安装

（1）流水线上G8工位三个定位块及夹具的安装;

（2）三个定位夹具气管接头的安装;

（3）气管拖链及其相关部件的安装;

（4）气管到电磁阀的气路布线;

（5）电磁阀体气管接头的连接。

4.视觉及网络系统的连接

安装连接相机的电源线、通信线于正确位置，按照系统网络拓扑图完成系统组网。

5.视觉系统编程调试

能编写正常工件和缺陷件脚本文件，并准确识别。

6.工业机器人系统编程和调试

准确设定手爪1双吸盘的工具坐标系和手爪2三爪卡盘的工具坐标系。

7.工业机器人示教编程

通过工业机器人示教器示教、编程和再现，能够实现依次将按照不同的工业生产要求将工件（含缺陷工件）在装配生产线上进行装配和分拣。

参考文献：

[1] 赵春锋.基于PLC 的电工实习教学装置的研发.实验室研究与探索，2013.1.

[2] 顾佩华.从CDIO 到EIP-CDIO——汕头大学工程教育与人才培养模式探讨.高等工程教育研究，2008.