浅谈《工业机器人技术及应用》教学实验平台开发

张秀香，牛晓飞，唐永刚

(宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000)

《工业机器人技术及应用》是机械专业、电气专业、电信专业的一门专业课，主要讲授工业机器人的发展概况及分类，工业机器人的机械结构和运动控制，手动操纵工业机器人，初识工业机器人的作业示教，搬运、码垛、焊接、涂装、装配机器人及其操作应用等相关内容[1]。全面、详细地阐述工业机器人的基础理论知识和应用技术，涉及知识点多、实操性强，内容繁多，学生掌握难度大。目前《工业机器人技术及应用》教学仅以理论讲授为主，缺乏实物模拟训练，实践性和创造性差。在工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平重要标志的时代，培养掌握工业机器人应用技术的工程技术人才，满足社会发展的需求，显得尤其紧要[2]。因此，增设一种基于典型工业机器人应用技术的可视化和实践性实验教学--微型智慧工厂，使课程教学直观生动、便于理解、易于掌握，从而激发学生的学习兴趣，锻炼学生实践能力，培养学生创新意识，具有重要的意义。

1 《工业机器人技术及应用》教学方式存在的问题

《工业机器人技术及应用》为机电专业课，在进行教学时，专业性是比较强的，涉及理论和内容繁多。目前的《工业机器人技术及应用》课程教学存在的主要问题有：

(1)国内各大高校《工业机器人技术及应用》的教学方式主要以理论讲授为主，仅仅围绕课本中工业机器人应用案例，实践教学环节薄弱，缺乏启发性[3]。比如，在机器人运动轴与坐标系、认识和使用示教器、搬运、码垛、焊接、涂装、装配机器人运动轨迹程序编写及调试等实操理论进行讲解时，单单依赖语言及PPT图片来描述是不足的，完全没有说服力，导致学生认识不强，课堂兴趣平淡乏味。

(2)应用型教材书目较少。教材大多以讲解机器人结构设计、操作手运动学和动力学、机器人控制等机械和控制系统方面的知识为重点，而应用型教材相对较少，学生缺少实践实操能力。这种重视理论知识、忽视应用能力的培养，导致学生局限于理论设计方法，综合分析问题能力薄弱。由于学生的应用实践能力匮乏，难以满足工业现场对工业机器人操作者的使用要求[4-5]。

(3)工业机器人应用中，包括在线示教和离线编程。离线编程软件中，机器人和设备模型均为三维显示，可直观设置、观察机器人的位置、动作与干涉情况。离线编程可以锻炼学生的实际操作能力，但是出于生产现场的复杂性、作业的可靠性等方面的考虑，也只能在工业机器人应用认识上有一定的提高，具有很大的局限性[6]。

2 微型智慧工厂实验平台

2.1 智慧工厂的科学意义

智慧工厂是现代工厂信息化发展的新阶段，是在先进自动化工厂的基础上，利用物联网的计算和设备监控技术加强信息管理和服务；清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、即时正确的采集生产线数据，以及合理的生产计划编排与生产进度[7]。主要包括如下技术：先进制造技术、制造自动化技术、工业工程管理技术、物联网技术。根据目前科技发展和教学方向，在制造生产线上增设软硬件设施，包括自动化仓储系统、AGV小车、数控系统、RFID射频识别、工位看板、MES软件、ERP、车辆在线追踪功能的运输管理模块，整合系统建设模拟化微型智能工程。基于物联系统采用先进的物联网技术、自动化技术、网络技术和实验开设理念，将“先进制造”、“工业工程”学科与“企业应用”三方面在该系统中进行有机地融合，通过让学生参与实践，将课堂教学与工业现场、企业实践结合，达到感性和理性认识的目的[8-9]。

2.2 微型智慧工厂的特点

设备首先要满足特定的功能要求，达到学生模拟锻炼的目的，同时要尽量降低投资成本，减少占地面积和噪声污染，保证操作安全。因此，设备的微型化具有积极的意义。

(1)微型化可以减少硬件投资：动力及机械结构尺寸大幅降低，材料及加工成本较低，同时运输及包装费用也相应减少，硬件成本可以减少50%。

(2)节约空间：微型化与大型设备空间相比，减少70%。

(3)节约能耗：由于动力大幅降低，用电量及用气量也大幅减少，能源可以减少80%。

(4)增加安全性：大型设备载荷大，运动部件重量大，安全性要求高。微型化产品载荷小，运动要求低，对人体安全性也降低，教学及科研方便动手变得简单，真正达到教学与科研的工程目的。

2.3 系统概述

该平台是以微型加工车间为对象，可实现工件加工、检测和装配生产流程，包含了柔性制造系统、物联网及生产管理系统，是多学科技术集成的综合实验与研究平台。平台采用工业标准化设计，各实验设备安装可靠，机械结构、电气控制回路、执行机构相对独立，适合机械电子、自动化类相关专业的实训教学，适合自动化技术人员进行工程训练及技术应用开发。智慧工厂平台组成模块如图1所示，主要包括9个单元模块，它们分别为：

(1)自动化仓储单元；

(2)柔性加工单元；

(3)自动检测单元；

(4)自动装配单元；

(5)人工装配单元；

(6)电子标签拣选单元；

(7)自动拣选单元；

(8)物联网单元；

(9)生产管理与控制单元(MES/FMS)。

图1 智慧工厂平台组成模块

硬件系统主要设备包含自动化立体仓库、AGV导引车、六自由度工业机器人、数控机床系统、智能视觉检测系统、智能输送系统、RFID、PLC控制系统及中央控制系统等组成，可以实现对工件进行出入库、生产加工、搬运、质量检测、装配等操作。是一条真实地小型生产线，使学生身临其境，实现实训与岗位培训的合二为一，使教学培训直观和高效。系统软件分MES软件(上层：办公层)、FMS软件(中间层)、CNC层(下层：数控软件、机器人软件、仓库软件)，智慧工厂软件系统结构层次图如图2所示。

图2 智慧工厂软件系统结构层次图

2.4 系统工位布局

微型智慧工厂的设备空间需要7×8m2，智慧工厂平台组成模块在工位的布局位置如图3所示。

图3 系统组成模块工位布局图

3 工业机器人在微型智慧工厂的具体应用

微型智慧工厂的引入，不仅能够有效满足《工业机器人技术及应用》的实践性实验教学要求，同时融会了机械、数控、工业技术总线、物流管理、PLC编程等多门学科知识，辅助机电专业的其他课程，使学生得到更好的模拟与训练。本文只针对工业机器人的具体应用进行详述。

3.1 六自由度机器人

选用六自由度垂直串联关节式机器人系统，其广泛应用在搬运、装配、焊接及喷涂等工业生产现场，由操作机、控制系统、搬运/装配/焊接/喷涂系统组成，末端手爪配备多种工具，可进行工件的吸附、夹取及装配等操作，或配置视觉传感系统、触觉传感系统，更好地完成工件的焊接或装配作业。

表1 六自由度工业机器人主要参数表

机器人本体由六自由度关节组成，固定在滑移平台上，如图4所示，机器人具体参数如表1和表2所示。

表2 六自由度机器人系统配置及参数表

图4 六自由度机器人

3.2 六自由度机器人应用案例设计

3.2.1 任务描述

微型智慧工厂选用六自由度搬运机器人系统，实验学习需要掌握的内容如下：

(1)掌握搬运机器人的系统组成及机器人技术参数；

(2)掌握示教器的使用方法：示教器控制面板功能及各功能键作用。

(3)掌握通过示教器进行车床上下料、铣床上下料在线示教程序编写。

3.2.2 应用方案

(1)学生学习搬运机器人系统：操作机、机器人控制柜、示教器、气体发生装置、末端执行器和滑移平台，让学生对搬运机器人系统具有初步认识，并介绍搬运机器人系统的工作流程。

(2)学生深入学习表1和表2中相关参数后，介绍搬运机器人的运动轴与坐标系，通过示教器演示六个轴的运动方式，学习工业机器人的自由度、工作空间、额定负载、最大工作度速和工作精度等主要参数。

(3)搬运机器人示教器各键功能熟悉，示教器如图5所示。示教器主要由液晶屏幕和操作按键组成，是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完成的。学生通过使用说明书学习示教器各键功能，手动设定安全移动速度，驱动演示搬运机器人轴的动作方式，加深理解机器人的自由度和动作范围，准备进行在线示教。

(4)在线示教:由操作人员手持示教器引导，控制机器人运动，记录机器人作业的程序点并插入所需的机器人命令来完成程序的编制，该过程称为机器人的在线示教或直接示教[6，10]。搬运机器人上料轨迹如图6和程序点说明如表3所示，要求学生利用示教器分别拾取图6中车床上料的7个程序点，按照表3中程序点说明，实现搬运机器人的直线运动轨迹作业程序编写及调试等工作，并根据搬运完成结果进行学生学习质量的评价。车床下料和铣床上、下料编程示教不再赘述。

图5 示教器

图6 搬运机器人上料轨迹 表3 程序点说明

程序点说明手爪动作程序点说明手爪动作1机器人原点-5搬运作业点放置2搬运临近点-6搬运规避点-3搬运作业点抓取7机器人原点-4搬运中间点抓取

4 结语

针对《工业机器人技术及应用》课程教学方式中存在的问题，提出微型智慧工厂实践性实验平台，并详细说明了工业机器人的具体应用操作。微型智慧工厂加深了学生对工业机器人的结构组成、实践操作的认识，通过机床上下料等在线示教编程训练，掌握与其相关的应用操作技术，并且该平台可进行多门学科知识的交叉学习，培养学生分析和解决实际问题的能力[11]。

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