工业机器人应用编程1+X平台应用及其末端执行器优化设计★

李小军

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741000）

引言

目前，国内中等、高等职业院校及应用型本科院校为了适应产业发展对人才培养提出的新要求，纷纷开设工业机器人领域相关专业（方向），仅中职、高职院校设置工业机器人技术相关专业办学点数量就达上千个，单从工业机器人应用领域复合型技能人才培养方面看，还存在学习体系不健全，专业教学标准、实训条件标准和评价标准不完善，实训基地建设质量不高等一系列问题[1]。

甘肃机电职业技术院根据区域产业发展需求，积极参与工业机器人应用编程职业技能等级证书试点工作，并申报获批成为工业机器人应用编程1+X省级管理中心。通过与企业加强合作，共同探索双元制人才培养模式。在实际应用过程中，学院推行专业、学科交叉人才培养模式，将“X”证书相关教学内容，与企业生产实际相结合，通过专业指导团队，结合学院增材制造专业（3D打印）、工业设计等专业优势，对学院现有的实训设备进行技改，强化学生在“理论+实践”过程中专业综合素质培养。针对工业机器人专业学生，基于3D打印技术，对1+X平台工业机器人末端执行器进行优化和设计，通过校企联合，共同实施人才培养，探索工、学交替的灵活教学方式。

1 工业机器人应用编程1+X平台概述

服务于“1+X”证书制度试点名单中“工业机器人应用编程”和“智能制造生产管理与控制”职业技能等级实训考核与技能鉴定的工业机器人应用编程创新平台，如图1所示。平台根据“1+X”证书制度职业技能等级标准，结合企业实际岗位技能需求，设计开发了满足高职院校实际教学及考核站点需求的综合应用的一体化教学创新平台，并配套了专业的工业机器人末端执行器一套。采用模块化的设计，可以根据需求灵活组合。平台用于工业机器人应用编程中一制二项职业技能等级证书的初、中、高实训考核与技能鉴定，涵盖产线设计、仿真软件、智能制造MES生产管理软件，可满足工业机器人应用编程、智能制造生产管理及控制二项职业技能等级证书的初、中、高实训考核与技能鉴定。

工业机器人应用编程1+X创新平台配置主要有以下3种类型，分别为：A型、B型和C型（3种类型平台可根据院校自身情况选配ABB、FANUC、KUKA、汇博机器人和华数机器人中的任何一款）。

1）A型设备模块化设计，模块可任意组合。A型设备可以满足工业机器人应用编程初级、中级的实训教学以及初级、中级的职业技能等级考核。

2）B型设备兼容A型设备的所有特点和功能，B型设备在A型设备的基础上增加虚拟调试软件和二次开发软件包。

3）C型设备由A型和B型组合而成，兼容A型和B型设备的所有特点和功能。C型设备满足工业机器人应用编程初、中、高级教学实训及职业技能考核。

2 工业机器人末端执行器概述

工业机器人的末端执行器，即安设在工业机器人手腕上的手部夹具，其主要作用是直接抓握工件或者执行相关作业。机器人的手部，可以是类似人的手部有手指，也可以没有手指，还可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷涂枪、焊接工具等，应用领域不同，机器人末端执行器就会不同。

工业机器人通过安设不同的末端执行器，可实现对回转体类零件、金属板类等各种工件的搬运。此外，还可以配合数控机床，实现自动上料、下料、工件翻转、工件转序等工作步骤。虽然看似不起眼，却举足轻重，作为与外部环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高工业机器人的柔性和实用性起着十分重要的作用，其性能的好坏在一定程度上影响了整个机器人的工作性能。

随着国内工业机器人市场的快速发展，末端执行器获得了很大的发展空间，参照Global Market Insights，Inc的研究报告，在2018年，工业机器人末端执行器的市场收入约为25亿美元，预计到2025年将达到65亿美元，2019年至2025年间增长达14%。

近年来，国内外先后研发出多种机器人末端执行器，其许多材质为非刚性材料，质量、外形和尺寸等相差很大，在不同行业、不同领域，应用的机器人末端执行器基本都是专用的。实现对各种柔、脆、不规则形状材料灵巧、柔顺地抓取，一直是机器人末端执行器的设计难点。

3 工业机器人应用编程1+X平台绘图模块应用分析

3.1 绘图（雕刻）模块离线仿真

3.1.1 创建工作站

以IRB 120型工业机器人为目标，对其进行分析，首先打开ABB工业机器人仿真软件RobotStudio，导入工业机器人考核平台、工业机器人ABBIRB 120（型号与实物一致）、绘图（雕刻）笔工具、主盘工具和绘图模块，搭建工业机器人绘图（雕刻）仿真工作站，工业机器人布局时需考虑安装到考核平台基座上，快换装置模块及绘图（雕刻）模块的位置，绘图（雕刻）笔工具必须安装到快换工具模块上。

3.1.2 参数设定

创建工业机器人控制系统，完成I/O板卡、I/O信号设置，设定绘图（雕刻）笔工具相关功能参数，标定绘图（雕刻）笔工具坐标系和绘图模块工件坐标系。

3.1.3 离线编程

通过RobotStudio仿真软件进行绘图（雕刻）模型的离线编程，要完成关节运动范围设定，注意绘图笔及本站布局时应尽量避免工业机器人运动轨迹进入奇异点，在绘图笔垂直绘图板进行绘图（雕刻）时，调用绘图（雕刻）笔工具坐标系和绘图模块工件坐标系。工业机器人从HOME点开始运行，进行绘图（雕刻）作业，绘图（雕刻）作业完成后工业机器人将绘图（雕刻）笔自动放回快换装置，最后工业机器人需返回HOME点[2]。

3.1.4 雕刻仿真验证

通过仿真软件进行绘图（雕刻）功能仿真验证。

3.2 绘图模块应用

3.2.1 设备准备

根据上页图1所示，完成工作站模块布局，手动设定绘图（雕刻）模块面向工业机器人一侧30°左右倾斜，手动将一张A4纸安装到绘图模块上，手动取下绘图（雕刻）笔帽，并将绘图（雕刻）笔工具安装到工业机器人末端。

3.2.2 参数设定

创建并标定绘图（雕刻）笔工具坐标系和绘图（雕刻）笔模块工件坐标系（工件坐标系的原点位置需要进行自定义）。

3.2.3 导入并修改离线程序

设置好网络通讯，再将仿真软件中离线程序利用网线或U盘直接导入示教器中，根据实际情况，适当修改导入后的离线程序，包括修改新建的绘图（雕刻）笔工具坐标系和绘图模块工件坐标系，修改取放工具点位控制信号等必要程序。

3.2.4 （绘图）雕刻实物验证

手动操作示教器运行导入程序，利用工业机器人将绘图（雕刻）模型在绘图纸上绘制出来，以验证离线程序绘图（雕刻）功能。工业机器人须从HOME点开始运行，然后进行绘图（雕刻）作业，绘图（雕刻）完成后将绘图（雕刻）笔自动放回快换装置放置点，最后再将工业机器人运行至HOME点，如果运行过程中出现奇异点，需手动改动，绘制结果如图2所示。

4 依托3D打印技术对其末端执行器（绘图工具）进行优化设计

4.1 3D打印技术

3D打印技术（Three Dimensionzl Printing，3DP）是通过计算机辅助设计，把建好的模型文件（或三维扫描的图形文件）导入到打印机软件中，通过3D打印设备来控制打印材料，逐层堆积出三维实物的一种先进制造技术。我们将3D打印技术称之为增材制造、快速成型制造或三维打印等[3]。

3D打印技术思想起源于美国，J.E.Blanther在1892年提出，当时主要用于地形图的制作。经过100多年的发展，目前，欧美一些国家的3D打印技术在设备及应用领域等方面都有了很大的突破。国内3D打印技术起步于上个世纪90年代，经过30多年的发展，已从最初的科学普及发展到了目前工业级的生产阶段[4]。

4.2 末端执行器（绘图工具）优化设计

根据实际现场教学、培训指导经验发现，学生或培训者在平台操作过程中由于操作不熟练，极易造成工业机器人末端执行器碰撞，从而导致末端执行器定位精度下降及损坏。1+X创新平台绘图（雕刻）模块配套末端执行器只能简单加持一种类型的笔芯，结构比较单一。

工业机器人在工作过程中对外围辅助绘图平台的平整性要求极高，在写字或者绘图的过程中，由于夹持笔芯工具没有设计弹性装置，稍有偏差极易撞坏笔芯。针对以上问题，我们积极探索、思考，在原有平台绘图（雕刻）模块配套末端执行器基础上增加弹性装置及内套装置，可以随时更换不同型号、不同类型的绘图笔，实现绘图（雕刻）功能多元化，具体设计如图3所示。

1）结构方面：末端执行器保留上端原快换装置不变，将下端侧立式夹持方式调整成中心式夹持方式。在实际应用过程中，采用中心式夹持方式，可减少坐标系标定次数，提高效率。

2）材质方面：将下端夹持材料由原来的金属材料调整为塑料，针对原末端执行器只能加持一种类型笔芯、夹持笔芯工具没有设计弹性装置的问题，结合学院现有的3D打印设备，设计了内、外两种嵌套夹持工具，并内增了弹簧装置，以便于装夹马克笔、绘图笔和圆珠笔等不同的绘图工具。

4.3 依托3D打印技术对其末端执行器（绘图工具）进行增材制造

按照三维设计图，依靠FDM熔融层积成型技术基本原理，采用性价比高的热塑成形材料丝，材料丝经过加热器的挤压头熔化成为液体，再由计算机控制将挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的末端执行器上，并在极短的时间内快速凝固，形成一层材料。挤压头沿轴向向上运动微小距离，再进行下一层材料的建造。如此就可以由底到顶逐层堆积完成一个末端执行器制造过程。

比起传统制造工艺二维图纸，3D打印技术更具有高的直观性和启示性，设计人员可以及时发现产品设计阶段中的缺陷。对可装配使用的末端执行器工业机器人，设计人员能够对其结构、性能、定位精度、灵活性、通用性和美学品质进行全面检验。

材料性能一直是FDM工艺的主要优点，其中ABS原型强度可达到注塑零件的三分之一。近年又发展出了PC、PPSFPC、ABS等材料，它们强度、硬度已经接近或领先于普通注塑零件，在某些特定场合（如新品试用、产品维修、零部件替换等）下可以直接使用。虽然金属材料成型（近年有很多研究机构和公司都对此进行研究，是当今快速成型领域的一个热点研究课题）的永生性能更好，但对于塑料零件，FDM工艺是一种非常适宜的快速增材制造方式，特别适合于以塑料件代替金属件制造及修复改造工业机器人末端执行器的绿色环保理念。

5 结语

目前，随着各大职业院校工业机器人应用编程1+X证书制度试点工作的顺利推动并平稳落地，急需解决的问题除了提高师资队伍建设以外，还需要将职业技术教育的课程与岗位技能需求进行融合，根据机器人职业技能等级标准，参照评价组织能力要求，试点院校可搭建符合自身院校发展、接近工业实际应用，而且学生参与度较强的高水平创新性实训平台，可以改造升级自己原有的技术平台，结合3D打印技术设计、优化平台机器人末端执行器。不但可以提高教师、学生技术技能水平，还可以更大限度优化、整合实验、实训设备，对于整个提升专业的建设水平以及自主创新能力都有很大提高。并且，可以结合生产实际，灵活运用到企业实践中去。