工业机器人实验装置研究

王 华

(商丘职业技术学院，河南 商丘 476100)

工业机器人是应用于工业环境的一种自动化生产装置.该装置通过人工编制机器人程序，在电力驱动下，由PC机带动伺服电机实现机器人的运动、定位等.为工业机器人装上夹爪、焊枪、喷头则可以代替人工完成搬运、焊接、喷涂等高难度的工作.随着工业技术的快速发展，工业机器人应用越来越广泛，而操作工业机器人的人才却远远满足不了其应用需求.因此，工业机器人成了高职院校的一项热门专业，工业机器人技术应用也成了一门专业核心课程.这门课程是一门动手性很强的课程.因此，实训课上若仅用一台机器人本体，就不能很好地提高学生的动手能力和学生对知识的综合应用能力，并且一台机器人本体价格也比较昂贵，一次性购买大量机器人本体对高职院校来说是一个很大的资金压力，也是一个很大的资源浪费.因此，工业机器人集成系统符合职业院校教学需求，具有很大的应用价值.

把一台机器人本体和几个工作站集成在一个工作台上，每个工作站既可以独立操作，工作站与工作站之间又可以通过以太网通信.工作台既可以单独培训学生工业机器技能，又可以培训学生对PLC的综合应用能力，不仅充分发挥了工作台的价值，而且一定程度上缓解了高职院校购买大量实验设备的资金压力.

2 工业机器人实验装置工作任务

2.1 工业机器人人才培养的重要性

机器人的出现是人类社会发展、工业经济发展、技术发展的必然趋势.它把人不能干、人干不了、人不愿意干的活承担下来.它可以在高温、高热、高污染、高危险的环境下工作，并且可以使工业生产的自动化程度得到提高.目前，中国社会的老龄化严重，人口红利消失，人海战术失去优势，招人难、留人难、人难管的现象严重，机器人的出现满足了用工需求.随着工业机器人被大量引入到生产领域中，机器人的操作编程维护人才日趋短缺，因此，急需高职院校能够培养出大量的能适应岗位要求的工业机器人技术人才[1].

2.2 工业机器人专业人才培养目标

知识目标：掌握工业机器人基本理论知识；理解工业机器人工具坐标、工件坐标的含义和创建方法；理解工业机器人常用的编程语言；掌握ABB robotstudio软件使用方法；掌握动态工作站的创建方法；理解Profinet的通讯原理.

技能目标[2]：

1)能熟练地创建工业机器人工具坐标、工件坐标；2)能够操作机器人按照轨迹要求行使；3)能读懂工业机器人外围设备可控制线路原理图并排除常见电气故障；4)能够在线编程，调试机器人实现搬运、装配、视觉分拣等功能；5)能正确使用robotstudio软件进行动态工作站的创建和离线编程；6)能正确安装和调试工业控制网络系统.

素质目标：

1)通过分组实训培养学生团队合作的能力；2)培养学生面对问题时能够独立思考，解决问题的能力；3)在项目实习中培养学生爱岗敬业的能力，让学生在做项目的过程中尊重岗位、尊重职责、学会担当；4)培养学生的学习能力和创新能力，面对问题有自己的思路和方法.

2.3 实训集成系统的工作任务

1)工业机器人基本操作；2)工业机器人机械原点矫正；3)工业机器人工具坐标、工件坐标创建；4)工业机器人目标点示教；5)工业机器人轨迹运动编程；6)工业机器人搬运码垛工作站编程；7)工业机器人装配编程；8)工业机器人和PLC、触摸屏、伺服电机之间的通信、编程、控制；9)每个工作站之间的切换可以实现手动控制，也可以通过触摸屏实现自动控制.

3 实验装置集成系统构成

3.1 基础实验部分

工业机器人基础实验部分，需要在一个操作台上放置IRB120机器人本体，并配置DQS652控制器，工业网络选择709-1 DeviceNet Master，适配器选用840-2 PROFIBUS anybus Device.操作台上有工具坐标练习、目标点示教、轨迹运行、简单编程练习等基础操作练习模块.

通过本基础工作站，可以让学生练习工业机器人原点校订，掌握原点校订的方法；使学生对工件坐标和工具坐标的理解形象化、深刻化；熟练掌握工件坐标和工具坐标的创建方法；练习目标点的示教，同时利用偏移指令、移动指令等可以使机器人轻松地达到预定的轨迹，实现自动控制；练习应用基本指令画椭圆、圆形轨迹等.图1所示的是基本操作练习模块.

图2所示的是一个飞马的图案，根据这个现有的轨迹，可以让学生练习操作机器人走出轨迹图形.通过本工作站的操作练习，让学生达到熟练掌握各种简单指令的使用以及灵活创建工具坐标和工件坐标的目的.

图1 基本操作练习模块 图2 飞马图形轨迹

3.2 搬运码垛装配工作站

码垛，用很通俗的语言来说就是将物品整齐地堆放在一起.起初码垛都是由人工进行的，但随着科学技术的发展，人工码垛已慢慢地退出了这个舞台，取而代之的则是机器人码垛.从近期看，机器人码垛刚开始投入的成本看上去会很高，但是，从长期的角度来看，机器人码垛的优点是显而易见的.就工作效率来说，机器人码垛不仅速度快、美观，而且可以不间断地工作从而极大地提高了工作效率.人工码垛却存在很多危险性.机器人码垛，效率和安全一手抓，应用性强，适用范围广.

图3所示是一个搬运码垛工作站.3号设备是立体仓库模块，4号设备是装配定位模块，5号设备是物料传送带模块.物料传送带模块是由PLC驱动伺服电机控制的，工作原理是机器人1号夹爪从立体仓库模块拾取1号物料盒放置在装配定位模块后气缸推出，对物料盒进行定位，气缸收回.此时，机器人向PLC发出信号，驱动传送带的气缸推出，物料从料桶推出到传送带上，光电传感器感应到物料后向PLC发出信号，驱动伺服电机工作，把物料传送到传送带的末端，传送带末端的光电传感器感应到物料后发信号给机器人，由机器人2号卡盘拾取物料，装配到装配定位模块的物料盒里，然后由机器人1号夹爪把物料连同物料盒放回到立体仓库模块1号位置，然后拾取2号物料盒到装配模块，依次进行，直至装配完四个物料，分别放置在立体仓库的四个位置，机器人回原位.

在本工作站中，PLC主机模块选择的是西门1200PLC，主机型号是CPU1212C DC DC DC，扩展输入输出部分可以选用华泰模块.采用以太网，在同一个网段上分别给PLC、触摸屏、机器人、上位机设置一个不同的IP地址，用网线把几个设备通过路由器连在一起实现通信[3].

图3 搬运码垛装配工作站

3.3 视觉分拣工作站

随着时代的发展，高效、快速是生产技术领域的主要任务要求.为解放多余劳动力，提高生产效率、减少生产成本、缩短生产周期，工业机器人与视觉系统结合的智能分拣便应运而生，它可以代替人工进行货物分类、搬运、装卸工作或代替人类搬运危险物品.

机器人工件识别与分拣平台主要由图像采集系统、图像处理系统和机器人系统三部分组成[4].系统整体框图如图4所示.

图4 视觉分拣工作站

1)图像采集系统主要包括信捷相机、LED光源以及通讯数据线.信捷相机是图像采集系统的主体机构，通过网线与上位机相连，完成图像的传输.相机通过螺丝紧固件固定在工作站的一个合适的位置.在该工作站中，机器人每一次拾取物料都要来到相机位置处拍照，实现图像的采集并进行编码.

2)图像处理系统是由上位机和图像处理软件组成.相机采集的图像数据通过通讯数据线传给上位机，经过图形处理软件完成图像处理和工件识别，并实现解码.工业机器人和上位机之间通过profinet进行连接，上位机把图像处理软件解码的数据发送给机器人，实现目标工件的位置信息的传输.

3)机器人系统指工业机器人在该工作站中实现工件的分拣.机器人根据图像处理软件处理的数据分辨出各个工件是放在次品的盒里，还是根据工件的不同形状把其放在不同的位置，实现工件的分拣.

4 结语

本文对工业机器人集成系统进行了研究，根据课程进度由浅入深地安排了几个实训工作站，有单个知识点的应用，也有整个知识系统的综合应用，符合学生能力发展特点和人才培养需求，同时也充分地利用了教学资源，提高了教学设备利用率.