基于CHL-DS-01工作站的工业机器人码垛教学案例
2018-10-24王栋
王 栋
（苏州高等职业技术学校，江苏苏州215009）
1 概述
1.1 工业机器人技术专业设置背景
在“中国制造2025”提出及中国制造业加速转型（“机器换人”）的背景下，近年来从高校到职业院校纷纷根据企业需求和当地制造业的特点，进行专业设置调整，与工业机器人技术相关的专业或专业方向如雨后春笋般出现。笔者所在的苏州高等职业技术学校于2015年在江苏省同类学校中率先开设了工业机器人技术专业，近年来通过不断探索人才培养方案和课程体系，稳步推进专业建设。
1.2 “工业机器人示教与编程”课程教学
工业机器人示教与编程”是工业机器人技术专业的一门核心课程，主要学习内容是：工业机器人的基础操作与应用，掌握示教器的使用与典型的示教编程案例。本文将以该课程中的一个项目为案例来探讨课程的教学内容和方法。
1.3 机器人技术应用技能大赛
全国职业院校技能大赛是教育部每年定期举办的一项比赛，它的举办促进了各校的专业建设和师生培养。2017年大赛新增机器人技术应用项目，该项目基于北京华航唯实机器人科技有限公司生产的CHL-DS-01工业机器人异形芯片插件工作站，以ABB IRB120工业机器人为载体，通过示教编程和离线编程的方式实现工业机器人涂胶、码垛、分拣工艺。将大赛资源转化到教学中去一直是举办大赛的目标之一，因此在“工业机器人示教与编程”课程中，笔者便应用大赛设备为教学平台，以工业机器人涂胶、码垛为主要案例进行教学，下面就以码垛为案例介绍教学内容。
2 准备知识
2.1 码垛工艺介绍
码垛是工业机器人实际生产中的一种典型应用，码垛工艺是指：通过对垛的摆放位置进行简单确认就能实现所有垛的整齐摆放。这里的“垛”一般是指工业上生产的某种工件或物料。所谓机器人码垛，我们可以理解为通过机器人代替人工实现重复性的物料搬运工作，并且每个物料的位置都是确定而不是随机的。
2.2 码垛工艺要求
本项目教学基于大赛设备CHL-DS-01，该工作站上安装了一个用于取垛的码垛架（图1）以及一个用于堆垛的码垛台（图2），配备了用于机器人抓取码垛块的夹爪工具。机器人通过安装夹爪工具，可实现自动从码垛架取垛并在码垛台上堆垛。
工业机器人码垛的具体步骤如下：
图1 码垛架
图2 码垛台
（1）工业机器人运行到工具架自动安装夹爪工具。
（2）工业机器人运行到码垛架抓取码垛块。注意：机器人应从码垛架底部抓取工件，当机器人抓走一个工件时，下一个工件会自动滑落到底部，因而每次抓取码垛块的位置是相同的，这就减少了机器人示教次数。
（3）工业机器人运行到码垛台根据示教的位置放置码垛块。
（4）工业机器人运行到工具架放回夹爪工具，然后回原点。
3 码垛示教与编程
CHL-DS-01工作站共有6个码垛块，码垛的形式可以多种多样，教学中可让学生尝试多种码垛形式。下面以单层三花垛（图3）为例介绍码垛的示教编程。
3.1 新建程序数据
首先建立本任务所需的robtarget类型数据（点位置），为下一步示教做准备。本任务的点位置包括：1个夹爪工具位置，1个取垛位置，3个放垛位置，由于后面4个位置在码垛过程中会反复用到，因此建立一个一维数组，将这4个位置都存在该数组中。
打开机器人示教器，点击程序数据，选择robtarget，点击“显示数据”，点击“新建”建立一个一维数组，数组名为“dian”，维数选择1，数组大小设为4。
图3 三花垛（单层）
3.2 机器人示教
示教一般采用机器人手动操纵模式完成，要求学生必须严格按照要求完成每一个点的示教工作，避免误差，以免调试时发生机器人与工作站的碰撞。
首先示教夹爪工具位置（示教器中设为“jz”）：通过手动操纵模式，控制机器人到达夹爪工具所在位置，在示教器中选择“修改位置”确定该点位置。
然后示教数组dian里面的4个点位置（1个取垛和3个放垛位置）：点击数组dian，可以看到4个点数据初始值是一样的。手动操纵机器人，控制机器人到达码垛架底部的取垛位置，选择数组第一个数据{1}并点击“修改位置”确定dian{1}为取垛位置；然后继续手动操纵机器人确定3个放垛位置，并分别通过“修改位置”存入dian{2}、dian{3}和dian{4}。
3.3 机器人编程
打开示教器，新建例行程序maduo，然后按照码垛工艺顺序编写RAPID程序。
（1）安装夹爪工具程序。
添加MoveAbsJ指令使机器人回原点（命名为home），然后利用MoveJ、MoveL等运动指令编写程序完成以下步骤：利用Offs偏移功能使机器人到达夹爪工具上方，再降低速度到达夹爪位置，等待0.5 s（WaitTime 0.5）后复位快换工具信号（Reset HandChange_Start）安装夹爪工具，再等待0.5 s后上升到过渡位置。
（2）单层三花垛码垛程序。
单层三花垛共需码垛三次，可使用循环指令（FOR或WHILE）实现，首先设一个计数变量m，初值为1；然后利用FOR指令编写取、放垛程序，指定循环计数值为1～3即可实现3次循环。循环程序中将取垛位置设为dian{1}，放垛的位置设为dian{m+1}（当m=1，放垛位置是dian{2}；当m=2，放垛位置是dian{3}；当m=3，放垛位置是dian{4}）。
其中放垛程序如下：
ConfJOn;！关节运动的轴配置控制，使机器人避开奇异点或不可达位置
MoveJ Offs(dian{m+1},0,0,15),v500,fine,tool0;！到达码垛位置过渡点
MoveL dian{m+1},v50,fine,tool0;！到达码垛位置
WaitTime 0.5;
Reset Grip;！夹爪松开放置码垛块
WaitTime 0.5;
MoveL Offs(dian{m+1},0,0,20),v500,z50,tool0; ！回到码垛位置过渡点
ConfJOn;
（3）放回夹爪工具程序。
与安装夹爪工具程序步骤相反，首先利用偏移功能到达夹爪工具位置上方，再降低速度到达夹爪位置，等待0.5 s后置位快换工具信号（Set HandChange_Start）松开夹爪工具，再等待0.5 s后上升到夹爪工具过渡点，最后机器人回原点结束任务。
3.4 机器人调试
程序编写完必须通过调试来验证例行程序的正确性，从安全考虑，可以先单步调试再连续运行调试。未经教师允许，学生不得启动自动模式调试机器人。
（1）单步调试。
在示教器上单击“调试”，选择“PP移至例行程序”，选择单层三花垛程序，按下示教器使能按钮，再按下单步调试前进按钮，按步观察机器人运行情况。如调试无误则可松开使能按钮准备连续运行程序，如机器人出现停顿并报错务必及时解决问题后重新调试。
（2）连续运行调试。
按下使能按钮后再按下连续运行按钮，观察机器人在手动限速模式下单层三花垛任务完成情况，确认无误后结束调试。
4 结语
本文以单层三花垛为例，介绍“工业机器人示教与编程”课程中一个任务的教学内容。机器人程序中应用了数组和FOR指令以简化程序，实际生产中码垛工艺会更加复杂，例如码垛的层数会更多，码垛的姿态会不同，因此，课后应引导学生进一步优化机器人码垛程序。学生通过机器人码垛的示教编程学习，可以掌握RAPID程序的基本指令及工业机器人应用的基本操作流程，为掌握更全面的工业机器人技术奠定基础；通过将大赛设备引入教学，也实现了大赛资源的及时转化，使大赛服务于教学。
