基于CHL-DS-01工作站的工業(yè)機(jī)器人碼垛教學(xué)案例

王 棟

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇蘇州215009）

1 概述

1.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)設(shè)置背景

在“中國(guó)制造2025”提出及中國(guó)制造業(yè)加速轉(zhuǎn)型（“機(jī)器換人”）的背景下，近年來從高校到職業(yè)院校紛紛根據(jù)企業(yè)需求和當(dāng)?shù)刂圃鞓I(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行專業(yè)設(shè)置調(diào)整，與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的專業(yè)或?qū)I(yè)方向如雨后春筍般出現(xiàn)。筆者所在的蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校于2015年在江蘇省同類學(xué)校中率先開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)，近年來通過不斷探索人才培養(yǎng)方案和課程體系，穩(wěn)步推進(jìn)專業(yè)建設(shè)。

1.2 “工業(yè)機(jī)器人示教與編程”課程教學(xué)

工業(yè)機(jī)器人示教與編程”是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的一門核心課程，主要學(xué)習(xí)內(nèi)容是：工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)操作與應(yīng)用，掌握示教器的使用與典型的示教編程案例。本文將以該課程中的一個(gè)項(xiàng)目為案例來探討課程的教學(xué)內(nèi)容和方法。

1.3 機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用技能大賽

全國(guó)職業(yè)院校技能大賽是教育部每年定期舉辦的一項(xiàng)比賽，它的舉辦促進(jìn)了各校的專業(yè)建設(shè)和師生培養(yǎng)。2017年大賽新增機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目，該項(xiàng)目基于北京華航唯實(shí)機(jī)器人科技有限公司生產(chǎn)的CHL-DS-01工業(yè)機(jī)器人異形芯片插件工作站，以ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人為載體，通過示教編程和離線編程的方式實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人涂膠、碼垛、分揀工藝。將大賽資源轉(zhuǎn)化到教學(xué)中去一直是舉辦大賽的目標(biāo)之一，因此在“工業(yè)機(jī)器人示教與編程”課程中，筆者便應(yīng)用大賽設(shè)備為教學(xué)平臺(tái)，以工業(yè)機(jī)器人涂膠、碼垛為主要案例進(jìn)行教學(xué)，下面就以碼垛為案例介紹教學(xué)內(nèi)容。

2 準(zhǔn)備知識(shí)

2.1 碼垛工藝介紹

碼垛是工業(yè)機(jī)器人實(shí)際生產(chǎn)中的一種典型應(yīng)用，碼垛工藝是指：通過對(duì)垛的擺放位置進(jìn)行簡(jiǎn)單確認(rèn)就能實(shí)現(xiàn)所有垛的整齊擺放。這里的“垛”一般是指工業(yè)上生產(chǎn)的某種工件或物料。所謂機(jī)器人碼垛，我們可以理解為通過機(jī)器人代替人工實(shí)現(xiàn)重復(fù)性的物料搬運(yùn)工作，并且每個(gè)物料的位置都是確定而不是隨機(jī)的。

2.2 碼垛工藝要求

本項(xiàng)目教學(xué)基于大賽設(shè)備CHL-DS-01，該工作站上安裝了一個(gè)用于取垛的碼垛架（圖1）以及一個(gè)用于堆垛的碼垛臺(tái)（圖2），配備了用于機(jī)器人抓取碼垛塊的夾爪工具。機(jī)器人通過安裝夾爪工具，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)從碼垛架取垛并在碼垛臺(tái)上堆垛。

工業(yè)機(jī)器人碼垛的具體步驟如下：

圖1 碼垛架

圖2 碼垛臺(tái)

（1）工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行到工具架自動(dòng)安裝夾爪工具。

（2）工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行到碼垛架抓取碼垛塊。注意：機(jī)器人應(yīng)從碼垛架底部抓取工件，當(dāng)機(jī)器人抓走一個(gè)工件時(shí)，下一個(gè)工件會(huì)自動(dòng)滑落到底部，因而每次抓取碼垛塊的位置是相同的，這就減少了機(jī)器人示教次數(shù)。

（3）工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行到碼垛臺(tái)根據(jù)示教的位置放置碼垛塊。

（4）工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行到工具架放回夾爪工具，然后回原點(diǎn)。

3 碼垛示教與編程

CHL-DS-01工作站共有6個(gè)碼垛塊，碼垛的形式可以多種多樣，教學(xué)中可讓學(xué)生嘗試多種碼垛形式。下面以單層三花垛（圖3）為例介紹碼垛的示教編程。

3.1 新建程序數(shù)據(jù)

首先建立本任務(wù)所需的robtarget類型數(shù)據(jù)（點(diǎn)位置），為下一步示教做準(zhǔn)備。本任務(wù)的點(diǎn)位置包括：1個(gè)夾爪工具位置，1個(gè)取垛位置，3個(gè)放垛位置，由于后面4個(gè)位置在碼垛過程中會(huì)反復(fù)用到，因此建立一個(gè)一維數(shù)組，將這4個(gè)位置都存在該數(shù)組中。

打開機(jī)器人示教器，點(diǎn)擊程序數(shù)據(jù)，選擇robtarget，點(diǎn)擊“顯示數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊“新建”建立一個(gè)一維數(shù)組，數(shù)組名為“dian”，維數(shù)選擇1，數(shù)組大小設(shè)為4。

圖3 三花垛（單層）

3.2 機(jī)器人示教

示教一般采用機(jī)器人手動(dòng)操縱模式完成，要求學(xué)生必須嚴(yán)格按照要求完成每一個(gè)點(diǎn)的示教工作，避免誤差，以免調(diào)試時(shí)發(fā)生機(jī)器人與工作站的碰撞。

首先示教夾爪工具位置（示教器中設(shè)為“jz”）：通過手動(dòng)操縱模式，控制機(jī)器人到達(dá)夾爪工具所在位置，在示教器中選擇“修改位置”確定該點(diǎn)位置。

然后示教數(shù)組dian里面的4個(gè)點(diǎn)位置（1個(gè)取垛和3個(gè)放垛位置）：點(diǎn)擊數(shù)組dian，可以看到4個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)初始值是一樣的。手動(dòng)操縱機(jī)器人，控制機(jī)器人到達(dá)碼垛架底部的取垛位置，選擇數(shù)組第一個(gè)數(shù)據(jù){1}并點(diǎn)擊“修改位置”確定dian{1}為取垛位置；然后繼續(xù)手動(dòng)操縱機(jī)器人確定3個(gè)放垛位置，并分別通過“修改位置”存入dian{2}、dian{3}和dian{4}。

3.3 機(jī)器人編程

打開示教器，新建例行程序maduo，然后按照碼垛工藝順序編寫RAPID程序。

（1）安裝夾爪工具程序。

添加MoveAbsJ指令使機(jī)器人回原點(diǎn)（命名為home），然后利用MoveJ、MoveL等運(yùn)動(dòng)指令編寫程序完成以下步驟：利用Offs偏移功能使機(jī)器人到達(dá)夾爪工具上方，再降低速度到達(dá)夾爪位置，等待0.5 s（WaitTime 0.5）后復(fù)位快換工具信號(hào)（Reset HandChange_Start）安裝夾爪工具，再等待0.5 s后上升到過渡位置。

（2）單層三花垛碼垛程序。

單層三花垛共需碼垛三次，可使用循環(huán)指令（FOR或WHILE）實(shí)現(xiàn)，首先設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)變量m，初值為1；然后利用FOR指令編寫取、放垛程序，指定循環(huán)計(jì)數(shù)值為1～3即可實(shí)現(xiàn)3次循環(huán)。循環(huán)程序中將取垛位置設(shè)為dian{1}，放垛的位置設(shè)為dian{m+1}（當(dāng)m=1，放垛位置是dian{2}；當(dāng)m=2，放垛位置是dian{3}；當(dāng)m=3，放垛位置是dian{4}）。

其中放垛程序如下：

ConfJOn;！關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的軸配置控制，使機(jī)器人避開奇異點(diǎn)或不可達(dá)位置

MoveJ Offs(dian{m+1},0,0,15),v500,fine,tool0;！到達(dá)碼垛位置過渡點(diǎn)

MoveL dian{m+1},v50,fine,tool0;！到達(dá)碼垛位置

WaitTime 0.5;

Reset Grip;！夾爪松開放置碼垛塊

WaitTime 0.5;

MoveL Offs(dian{m+1},0,0,20),v500,z50,tool0; ！回到碼垛位置過渡點(diǎn)

ConfJOn;

（3）放回夾爪工具程序。

與安裝夾爪工具程序步驟相反，首先利用偏移功能到達(dá)夾爪工具位置上方，再降低速度到達(dá)夾爪位置，等待0.5 s后置位快換工具信號(hào)（Set HandChange_Start）松開夾爪工具，再等待0.5 s后上升到夾爪工具過渡點(diǎn)，最后機(jī)器人回原點(diǎn)結(jié)束任務(wù)。

3.4 機(jī)器人調(diào)試

程序編寫完必須通過調(diào)試來驗(yàn)證例行程序的正確性，從安全考慮，可以先單步調(diào)試再連續(xù)運(yùn)行調(diào)試。未經(jīng)教師允許，學(xué)生不得啟動(dòng)自動(dòng)模式調(diào)試機(jī)器人。

（1）單步調(diào)試。

在示教器上單擊“調(diào)試”，選擇“PP移至例行程序”，選擇單層三花垛程序，按下示教器使能按鈕，再按下單步調(diào)試前進(jìn)按鈕，按步觀察機(jī)器人運(yùn)行情況。如調(diào)試無誤則可松開使能按鈕準(zhǔn)備連續(xù)運(yùn)行程序，如機(jī)器人出現(xiàn)停頓并報(bào)錯(cuò)務(wù)必及時(shí)解決問題后重新調(diào)試。

（2）連續(xù)運(yùn)行調(diào)試。

按下使能按鈕后再按下連續(xù)運(yùn)行按鈕，觀察機(jī)器人在手動(dòng)限速模式下單層三花垛任務(wù)完成情況，確認(rèn)無誤后結(jié)束調(diào)試。

4 結(jié)語

本文以單層三花垛為例，介紹“工業(yè)機(jī)器人示教與編程”課程中一個(gè)任務(wù)的教學(xué)內(nèi)容。機(jī)器人程序中應(yīng)用了數(shù)組和FOR指令以簡(jiǎn)化程序，實(shí)際生產(chǎn)中碼垛工藝會(huì)更加復(fù)雜，例如碼垛的層數(shù)會(huì)更多，碼垛的姿態(tài)會(huì)不同，因此，課后應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人碼垛程序。學(xué)生通過機(jī)器人碼垛的示教編程學(xué)習(xí)，可以掌握RAPID程序的基本指令及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的基本操作流程，為掌握更全面的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)奠定基礎(chǔ)；通過將大賽設(shè)備引入教學(xué)，也實(shí)現(xiàn)了大賽資源的及時(shí)轉(zhuǎn)化，使大賽服務(wù)于教學(xué)。