基于工业机器人技术的多功能教学工作台

罗 涛 邵海军

（九江职业技术学院，江西 九江 332007）

1 设计的背景

从20 世纪50 年代工业机器人的雏形开始到20 世纪末工业机器人技术的成熟,并具有视觉、触觉和行走等多种功能,实现了高速化、高精度化、智能化,完成了实用化并向工业领域进行广泛使用,目前在制造业已广泛使用。

在现实企业生产过程中,工业机器人广泛应用于码垛搬运、装配、分拣、喷漆、喷涂、拾料、包装、冲压连线、压铸、上下料、抛光打磨等领域,能够适应高温、高辐射、高危等工作岗位,受到了制造业企业的欢迎,代替人工完成一些特殊岗位。

工业机器人在职业教育教学中的三大主要应用:

(1)运动功能,即在可达空间内任意点的运动到达;

(2)信号交换及功能实现,即与其他设备进行信号交换,控制其他设备的开启和关闭, 或被PLC 控制与其他设备一起实现功能;

(3)仿真及轨迹模拟,即通过仿真及轨迹模拟,研究机器人轨迹的可达性、CT 循环时间等。

目前, 国内已有部分高校或者职业技术学校配备了相应的柔性生产线教学设备, 例如大连理工大学的FMSRobot 实验平台,北京理工大学的智能制造实验平台,常州工业职业技术学院的可视化柔性制造系统实训平台, 苏州市职业大学的数字化设计与制造技术训练中心等, 但对智能制造实验平台大多数针对单一系统和单一课程教学所开发的智能制造实训平台, 不具有综合性和包容性,无法满足多种工业机器人系统和功能的集成。

针对工业机器人教育方式的单一化教学模式,为有效的推进教育行业的发展与进步, 工业机器人编程与操作一体化灵动课堂规避了市场上常见的以一个典型的机器人用途建一个工作站的弊端,特别适用于学生刚开始学习机器人,如果一开始就按机器人的用途去建,投入资金非常大,同时工作站实现的用途不一样,老师组织教学非常不宜,学生也得不到充足的动手,综合考虑我产品将工业机器人的多种用途(如:趣味运动(绘画、弹琴、七桥板)、搬运、码垛、分拣、运动抓取、焊接、喷涂、上下料、打磨等应用) 和多种工业机器人控制系统 (可选如:FANUC、ABB、YASKAWA、COMAU、KUKA、GSK 等)综合开发,集中在一套机器人多功能教学系统中,便于教师组织一体化教学,大大降低了教学成本,能够满足广大职业院校办学需要。

2 核心技术

2.1 信号板卡

机器人与外围设备的基础通讯为16in/16out 数字输入输出板卡,板载光隔离输入用电源为12VDC 240mA。为了保证快速响应,且响应时间低于200μ/sec.所有输入通道都可作为中断使用可用软件设定数字滤波器和中断触发装置,如图1 所示。

图1 信号板卡

2.2 机器人手爪

配合有气动元器件的手爪,用来做带有抓取动作的应用(搬运、分拣、码垛、上下料、打磨等，可自由配置各种形状和大小的装载物;可通过多种多样的抓手(选装件),实现从小件到大件的各类搬运作业拥有大范围的工作半径的同时有效的控制了干涉空间,实现紧凑且灵活的机体设计。如图2 所示。

图2 机器人手爪

2.3 机器人轨迹控制

带有水性油漆笔的工具,用来做轨迹实训,可以用在焊接和喷涂的前期学习, 机器人表面制造工具柜轨迹规划方法研究首先对目前存在的机器人姿态控制方法与路径规划方法进行对比分析,针对研究对象为洗削加工,为满足加工与使用要求,确定采用欧拉角插补方式实现机器人变姿态运动, 并以此方式实现空间直线、圆弧的轨迹插补算法,并且对机器人控制时遇到机器人工作范围内奇异点导致逆运动学无解等问题通过采用随机概率方法对机器人工作空间进行分析, 从而确定工件完备的工作位置。

3 多功能教学工作台的特点

本多功能教学工作台由工业机器人及控制系统、工具库、气动系统、物料库、传送带、视觉系统、搬运工作台、码垛工作台、打磨工作台、焊接工作台、综合实训台、可编程逻辑控制器实训单元、离线编程仿真单元及安全防护设施组成。如图3 所示。

图3 多功能教学工作台

本多功能教学工作台可以实现其基本结构认识、基础操作实训、参数配置联系、在线示教编程实训、简单语言编程实训的教学;结合工具库、搬运工作台、码垛工作台、打磨工作台、焊接工作台、综合实训台实现工具更换、由简单到复杂多种工艺应用的轨迹规划、编程以及综合实训;利用所配的PLC 实训单元实现工业机器人和模拟生产线的配合实训;该产品应用工业机器人编程与操作一体化灵动课堂规避了市场上常见的以一个典型的机器人用途建一个工作站的弊端, 适用于学生刚开始学习机器人,工业机器人的多种用途(如:趣味运动(绘画、弹琴、七桥板)、搬运、码垛、分拣、运动抓取、焊接、喷涂、上下料、打磨等应用)和多种工业机器人控制系统(可选如:FANUC、ABB、YASKAWA、COMAU、KUKA、GSK 等)综合开发,集中在一套机器人多功能教学系统中,便于教师组织一体化教学。

结束语

本多功能教学工作台可以有效提高教育实体化与模拟化,将一体化教学环境、多种用途及多种工业机器人控制系统三者完美融合,大大加大了该方案的落地实施性。保证学生在面临全球性竞争的形势下教育有效化,提高实战经验。