工业机器人模块化实训平台的设计与实现

胡伟伟 李奇奇 余春

摘要：随着机器人在各行业的广泛应用，机器人应用培训的需求也不断的增长，工业机器人教学实训平台也应运而生。目前市面上的机器人实训平台受限于工业机器人本体的工作范围，使得实训平台的功能比较少。本文内容为设计一种结构简单、功能齐全、更换实训单元方便的工业机器人模块化综合实训平台。

关键词：工业机器人;教学设备;开发与研究

中图分类号：TP242.6                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）14-0091-02

0  引言

工业机器人技术已经成为当前世界先进制造业中不可替代的重要的装备和手段，已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。我国制造业正处于转型升级的重要时期，人工成本的上升以及环境问题的制约不断的冲击着传统制造业的发展，而工业机器人技术的引进应用正是破解这些冲击的有力手段。因此近年来中国工业机器人市场持续表现强劲，市场容量不断扩大，国内机器人产业园不断新建。产业的发展急需大量高素质的工业机器人技术应用技能型专业人才，因此国内各大专中职院校都陆续的开设了工业机器人技术的相关专业，而理论必须综合实践应用才能培养出优秀技能扎实的专业人才，使得相关学校急需结构简单、便于教学、功能齐全、性价比高的工业机器人培训设备。

1  实训平台组成

工业机器人模块化综合实训平台组成如图1所示，由埃夫特ER3B-C30六自由度工业机器人、实训平台框架、触摸屏、PLC、快换工具、轨迹绘画模块、RFID装配分拣模块、变位焊接模块、皮带线上料码垛模块、视觉检测模块、对射光幕装置、多功能夹具单元及设备资源包组成。可以完成工业机器人夹具选择、轨迹规划、分拣、焊接、打磨、碼垛、视觉检测等典型应用。各模块基座采用标准化设计，模块集成电路与气路航插可在定位基座上实现快速更换，后续根据新的技术的学习要求也可以方便的增加新的模块。本套设备可以在有限的机器人运动臂展范围内实现更多功能的训练。

2  工业机器人选型及末端夹具设计

作为机器人实训装备而言不宜选用较大机器人本体，我们选用国产品牌埃夫特桌面型6自由度串联机器人，型号为ER3-600，该型号机器人本体整体结构紧凑，操作半径覆盖范围大（可达593mm），精度可达±0.02mm。

工业机器人末端夹具主要由气动手指、快换夹具、导电电极、真空气路等组成，末端夹具安通过法兰盘装在机器人第六轴上。末端夹具设计具有两个气动手指，一个气动手指用来直接抓取物料，另外一个气动手指上安装有快换夹具，可以快速切换抓取4种工具，包括TCP标定顶尖、绘画笔、打磨头以及真空吸盘，配备的导电电极和真空气路可以实现电路与气路的自动切换。

3  快换工具的设计

快换工具包括TCP标定顶尖、绘画笔、打磨头以及真空吸盘。快换工具采用标准化D字型切换头设计，整体采用铝合金阳极氧化处理材料设计，底部设计有调整安装孔。机器人末端夹具选取相应的工具来完成不能模块的功能实现，设计图如图2所示。

4  典型应用模块的设计

4.1 轨迹规划模块

轨迹规划模块包含有轨迹模拟单元和写字绘画单元两个部分，两个单元都为阳极氧化铝板装配而成，轨迹模拟单元面板含有平面和曲面图形，可以同时满足平面和曲面轨迹的模拟训练。写字绘画单元大小与A4纸相当，配有磁铁图钉，通用性强，使用笔形工具实现机器人写字绘画功能，设计图如图3所示。

4.2 分拣模块

分拣模块由装配工件、上料单元、立体仓库、电子标签、RFID读写器、多接头气管快换插头等组成，安装板材料均为阳极氧化铝板。机器人使用真空吸盘和气动手指夹爪可实现工件装配以及RFID身份识别分拣的功能，根据身份识别结构可将物料放置在立体仓库的规定位置上，设计图如图4所示。

4.3 变位焊接模块

变位焊接模块由步进电机及驱动器、旋转轴、带座轴承、焊接架、焊接工件、焊接夹钳等装配而成，并且具有变位功能。机器人使用TCP标定顶尖及打磨头工具，可以实现焊接和打磨模拟的训练，设计图如图5所示。

4.4 码垛与视觉检测模块

码垛与视觉检测模块由小型变频调速皮带线、上料机构、物料仓、视觉系统、码垛板、检测传感器等组成。上料架构将物料仓内长方体物料推送到皮带线上，检测传感器检测到物料到位后，通知机器人在码垛板上完成相应的码垛程序。物料仓内也可以放置不同形状和颜色的物料，通过设置在皮带线上的视觉系统完成物料颜色与形状的识别，通知机器人在码垛板上完成视觉分拣的程序，设计图如图6所示。

5  控制系统

该套设备的控制部分主要是由机器人控制柜、西门子PLC、西门子触摸屏、F-BOX物联网、视觉系统、变频器等组成，整个控制系统通过以太网结构通信，结构简单易懂，适用与当前通用通信技术的学习，其余控制对象都是通过I/O信号与各个分系统进行通信，系统结构图如图7所示。

6  设备布局设计

根据各个模块的尺寸以及机器人本体的运动范围，结合人体工学以及电气设备布置的一般规范要求，合理的规划了如图8所示的布局图。

参考文献：

[1]虞嘉丞.工业机器人基础教学实训设备开发探究[J].河北农机，2020（12）：74-75.

[2]叶辉.多功能工业机器人实训设置的设计[J].机器人技术与应用，2018（3）：41-43.

[3]李公文，黄福建，余春.工业机器人教学实训设备的设计与开发[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2019（10）：12-13.

[4]张靖.工业机器人综合实训平台的设计与应用[J].无线互联科技，2020（5）：70-71.