基于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的多功能教學(xué)工作臺(tái)

羅 濤 邵海軍

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007）

1 設(shè)計(jì)的背景

從20 世紀(jì)50 年代工業(yè)機(jī)器人的雛形開始到20 世紀(jì)末工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的成熟,并具有視覺、觸覺和行走等多種功能,實(shí)現(xiàn)了高速化、高精度化、智能化,完成了實(shí)用化并向工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛使用,目前在制造業(yè)已廣泛使用。

在現(xiàn)實(shí)企業(yè)生產(chǎn)過程中,工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于碼垛搬運(yùn)、裝配、分揀、噴漆、噴涂、拾料、包裝、沖壓連線、壓鑄、上下料、拋光打磨等領(lǐng)域,能夠適應(yīng)高溫、高輻射、高危等工作崗位,受到了制造業(yè)企業(yè)的歡迎,代替人工完成一些特殊崗位。

工業(yè)機(jī)器人在職業(yè)教育教學(xué)中的三大主要應(yīng)用:

(1)運(yùn)動(dòng)功能,即在可達(dá)空間內(nèi)任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)到達(dá);

(2)信號(hào)交換及功能實(shí)現(xiàn),即與其他設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交換,控制其他設(shè)備的開啟和關(guān)閉, 或被PLC 控制與其他設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)功能;

(3)仿真及軌跡模擬,即通過仿真及軌跡模擬,研究機(jī)器人軌跡的可達(dá)性、CT 循環(huán)時(shí)間等。

目前, 國(guó)內(nèi)已有部分高?；蛘呗殬I(yè)技術(shù)學(xué)校配備了相應(yīng)的柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備, 例如大連理工大學(xué)的FMSRobot 實(shí)驗(yàn)平臺(tái),北京理工大學(xué)的智能制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái),常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的可視化柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái), 蘇州市職業(yè)大學(xué)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)訓(xùn)練中心等, 但對(duì)智能制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大多數(shù)針對(duì)單一系統(tǒng)和單一課程教學(xué)所開發(fā)的智能制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái), 不具有綜合性和包容性,無法滿足多種工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)和功能的集成。

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人教育方式的單一化教學(xué)模式,為有效的推進(jìn)教育行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步, 工業(yè)機(jī)器人編程與操作一體化靈動(dòng)課堂規(guī)避了市場(chǎng)上常見的以一個(gè)典型的機(jī)器人用途建一個(gè)工作站的弊端,特別適用于學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)機(jī)器人,如果一開始就按機(jī)器人的用途去建,投入資金非常大,同時(shí)工作站實(shí)現(xiàn)的用途不一樣,老師組織教學(xué)非常不宜,學(xué)生也得不到充足的動(dòng)手,綜合考慮我產(chǎn)品將工業(yè)機(jī)器人的多種用途(如:趣味運(yùn)動(dòng)(繪畫、彈琴、七橋板)、搬運(yùn)、碼垛、分揀、運(yùn)動(dòng)抓取、焊接、噴涂、上下料、打磨等應(yīng)用) 和多種工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng) (可選如:FANUC、ABB、YASKAWA、COMAU、KUKA、GSK 等)綜合開發(fā),集中在一套機(jī)器人多功能教學(xué)系統(tǒng)中,便于教師組織一體化教學(xué),大大降低了教學(xué)成本,能夠滿足廣大職業(yè)院校辦學(xué)需要。

2 核心技術(shù)

2.1 信號(hào)板卡

機(jī)器人與外圍設(shè)備的基礎(chǔ)通訊為16in/16out 數(shù)字輸入輸出板卡,板載光隔離輸入用電源為12VDC 240mA。為了保證快速響應(yīng),且響應(yīng)時(shí)間低于200μ/sec.所有輸入通道都可作為中斷使用可用軟件設(shè)定數(shù)字濾波器和中斷觸發(fā)裝置,如圖1 所示。

圖1 信號(hào)板卡

2.2 機(jī)器人手爪

配合有氣動(dòng)元器件的手爪,用來做帶有抓取動(dòng)作的應(yīng)用(搬運(yùn)、分揀、碼垛、上下料、打磨等，可自由配置各種形狀和大小的裝載物;可通過多種多樣的抓手(選裝件),實(shí)現(xiàn)從小件到大件的各類搬運(yùn)作業(yè)擁有大范圍的工作半徑的同時(shí)有效的控制了干涉空間,實(shí)現(xiàn)緊湊且靈活的機(jī)體設(shè)計(jì)。如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人手爪

2.3 機(jī)器人軌跡控制

帶有水性油漆筆的工具,用來做軌跡實(shí)訓(xùn),可以用在焊接和噴涂的前期學(xué)習(xí), 機(jī)器人表面制造工具柜軌跡規(guī)劃方法研究首先對(duì)目前存在的機(jī)器人姿態(tài)控制方法與路徑規(guī)劃方法進(jìn)行對(duì)比分析,針對(duì)研究對(duì)象為洗削加工,為滿足加工與使用要求,確定采用歐拉角插補(bǔ)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人變姿態(tài)運(yùn)動(dòng), 并以此方式實(shí)現(xiàn)空間直線、圓弧的軌跡插補(bǔ)算法,并且對(duì)機(jī)器人控制時(shí)遇到機(jī)器人工作范圍內(nèi)奇異點(diǎn)導(dǎo)致逆運(yùn)動(dòng)學(xué)無解等問題通過采用隨機(jī)概率方法對(duì)機(jī)器人工作空間進(jìn)行分析, 從而確定工件完備的工作位置。

3 多功能教學(xué)工作臺(tái)的特點(diǎn)

本多功能教學(xué)工作臺(tái)由工業(yè)機(jī)器人及控制系統(tǒng)、工具庫、氣動(dòng)系統(tǒng)、物料庫、傳送帶、視覺系統(tǒng)、搬運(yùn)工作臺(tái)、碼垛工作臺(tái)、打磨工作臺(tái)、焊接工作臺(tái)、綜合實(shí)訓(xùn)臺(tái)、可編程邏輯控制器實(shí)訓(xùn)單元、離線編程仿真單元及安全防護(hù)設(shè)施組成。如圖3 所示。

圖3 多功能教學(xué)工作臺(tái)

本多功能教學(xué)工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)其基本結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、基礎(chǔ)操作實(shí)訓(xùn)、參數(shù)配置聯(lián)系、在線示教編程實(shí)訓(xùn)、簡(jiǎn)單語言編程實(shí)訓(xùn)的教學(xué);結(jié)合工具庫、搬運(yùn)工作臺(tái)、碼垛工作臺(tái)、打磨工作臺(tái)、焊接工作臺(tái)、綜合實(shí)訓(xùn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)工具更換、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜多種工藝應(yīng)用的軌跡規(guī)劃、編程以及綜合實(shí)訓(xùn);利用所配的PLC 實(shí)訓(xùn)單元實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和模擬生產(chǎn)線的配合實(shí)訓(xùn);該產(chǎn)品應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人編程與操作一體化靈動(dòng)課堂規(guī)避了市場(chǎng)上常見的以一個(gè)典型的機(jī)器人用途建一個(gè)工作站的弊端, 適用于學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)機(jī)器人,工業(yè)機(jī)器人的多種用途(如:趣味運(yùn)動(dòng)(繪畫、彈琴、七橋板)、搬運(yùn)、碼垛、分揀、運(yùn)動(dòng)抓取、焊接、噴涂、上下料、打磨等應(yīng)用)和多種工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)(可選如:FANUC、ABB、YASKAWA、COMAU、KUKA、GSK 等)綜合開發(fā),集中在一套機(jī)器人多功能教學(xué)系統(tǒng)中,便于教師組織一體化教學(xué)。

結(jié)束語

本多功能教學(xué)工作臺(tái)可以有效提高教育實(shí)體化與模擬化,將一體化教學(xué)環(huán)境、多種用途及多種工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)三者完美融合,大大加大了該方案的落地實(shí)施性。保證學(xué)生在面臨全球性競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì)下教育有效化,提高實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。