工業(yè)機器人技術應用平臺方案

一、設立背景及目的

隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的推進和制造業(yè)轉型升級，工業(yè)機器人作為智能制造的重要實現(xiàn)者，在汽車、電子、食品、化工、裝備制造等行業(yè)中得到越來越多的應用，相關行業(yè)對具備工業(yè)機器人技術的綜合性應用人才和生產(chǎn)一線的專業(yè)技術工人的需求日益增強。為響應國家政策號召，配合產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務企業(yè)技術升級和轉型，近兩年來越來越多的職業(yè)院校開設了工業(yè)機器人技術應用及相關專業(yè)。

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為了提高學生在工業(yè)機器人安裝、操作、調試及應用等方面的技術技能水平，搭建集教學、比賽于一體的競技與交流平臺，推進以學生為主體的理實一體化教學模式改革，促進專業(yè)建設，全國機械職業(yè)教育教學指導委員會向國家有關部分申請設立歸屬于加工制造類的工業(yè)機器人中職國家競賽且獲得正式批準，此后工業(yè)機器人賽項專家組根據(jù)中職教育教學的要求與特點設計了機器人技術應用賽項的具體內容。

二、具體情況

1、賽項名稱：機器人技術應用

2、賽項組別：中職組

3、專業(yè)大類：加工制造類

三、平臺（工業(yè)機器人PCB異形插件工作站）功能

1 產(chǎn)品介紹

工業(yè)機器人PCB異形插件工作站，如圖 1所示，以桌面式關節(jié)型六軸串聯(lián)工業(yè)機器人為核心，在操作平臺的四周合理分布有4種不同工藝應用的機器人工具以及涂膠單元、搬運碼垛單元、異形芯片原料單元、異形芯片裝配單元、視覺檢測及光源單元、螺絲供料單元、總控系統(tǒng)及操作面板等組件。工作站深度集成了離線編程技術，軟件中不僅包含了與硬件平臺的相符三維模型資源，還大大簡化了涂膠及搬運碼垛工藝實現(xiàn)的編程應用過程、提高軌跡復現(xiàn)精度、避免發(fā)生碰撞干涉。工作站包含了涂膠工藝、搬運碼垛工藝、分揀工藝、裝配工藝等工業(yè)機器典型應用，不僅滿足了職業(yè)院校不同專業(yè)學生針對工業(yè)機器人的操作和編程的教學需求，完全來源于工業(yè)應用現(xiàn)場的特征也使該工作站更加適合于作為職業(yè)技能競賽平臺。

圖 1  工業(yè)機器人PCB異形插件工作站

工業(yè)機器人PCB異形插件工作站融合了工業(yè)機器人維護及操作、系統(tǒng)安裝及調試、現(xiàn)場示教編程及調試、離線編程及應用等技能要求，以3C行業(yè)典型的異形芯片插件工藝過程為任務主線，產(chǎn)品分為異形芯片零件、PCB電路板和蓋板代表不同產(chǎn)品，采用模擬化設計提高裝配產(chǎn)品的復用率，如圖 2所示。

圖 2  電子產(chǎn)品PCB異形芯片插片產(chǎn)品

.2 技術參數(shù)

? 輸入電源：交流單相220V，頻率50Hz

? 額定功率：5kW

? 安全保護：急停開關、漏電保護、短路保護、過載保護

? 整體尺寸：2200mm×1350mm×1500mm

.3主要配置

? 工業(yè)機器人：ABB IRB 120、STEP SD500

? PLC：SIEMENS

? 模擬工藝：碼垛、涂膠、分揀、裝配

? 機械快換：EINS

? 視覺檢測：OMRON

? 氣動組件：AirTAC、SMC

? 電氣組件：OMRON、Schneider、Rittal

.4 核心功能

工業(yè)機器人PCB異形插件工作站以3C典型產(chǎn)品的生產(chǎn)裝配過程為主線，包含了涂膠、搬運碼垛、視覺分揀、裝配、鎖螺絲、檢測等工藝過程，所有涉及設備均合理布置在工作站臺面上，方便查看設備狀態(tài)和操作編程，布局方式如圖 3所示。

圖 3  工業(yè)機器人PCB異形插件工作站布局

工作站選用桌面型工業(yè)機器人用來將所有加工工序串聯(lián)起來，可根據(jù)學校需求更換不同品牌近似規(guī)格型號的產(chǎn)品，為確保設備使用一貫性和穩(wěn)定性，建議采用瑞士ABB品牌的IRB 120型、中國新時達品牌的SD 500型，如圖 4所示，兩款工業(yè)機器人的額定負載、工作范圍和重復定位精度基本相同，小巧靈活特性使其廣泛應用于3C、電子、食品等行業(yè)，同時較小的工作半徑和額定負載，在保證功能實現(xiàn)效果的前提下，確保教學和競賽安全，防止發(fā)生人員意外，滿足工作站使用要求。

圖 4  可選工業(yè)機器人型號

工業(yè)機器人工具種類直接決定了工業(yè)機器人的應用功能，如圖 5所示，4種不同功能的工具覆蓋了活塞發(fā)動機生產(chǎn)的完整過程，多個工具都采用復合設計，以實現(xiàn)不同的工藝功能。所有工具均采用工業(yè)級工具快換系統(tǒng)，實現(xiàn)了無需人為干預，工業(yè)機器人可在不同工具間自由切換，同時確保氣路、電路信號通信正常，大大擴展了工業(yè)機器人的應用能力。涂膠工具采用仿形設計，內部安裝可軸向移動的顏色筆可以在涂膠模塊上按軌跡要求涂繪；夾爪工具利用氣缸驅動，采用平行二指形式，可以穩(wěn)定夾取碼垛物料；吸盤工具采用雙功能設計，即可穩(wěn)定吸取異形芯片，又可吸取蓋板；鎖螺絲工具可以將供螺絲組件提供的螺絲按照指定鎖緊力矩將蓋板和PCB電路板鎖固。 

圖 5  工具快換系統(tǒng)及工具

涂膠單元是將工業(yè)機器人對產(chǎn)品裝配前的涂膠工藝進行功能抽象化，工業(yè)機器人抓持涂膠工具沿具有弧形曲面的面板上合理布置不同產(chǎn)品外輪廓軌跡上模擬工藝過程，如圖 6所示，保證工藝真實性同時增加教學可行性和趣味性。利用涂膠模塊和所提供的不同內容的軌跡圖紙，利用涂膠工具，同時可以完成工業(yè)機器人脫離工藝應用的基礎操作和編程教學應用。

圖 6  涂膠單元

搬運碼垛單元是將工業(yè)機器人對產(chǎn)品搬運碼垛工藝進行功能抽象化，工業(yè)機器人抓持夾爪工具將已完成生產(chǎn)的方形產(chǎn)品由原料臺按照要求搬運碼垛到指定位置，如圖 7所示，提供兩種不同類型的倉儲料庫，可以模擬傳送帶隊列式供貨和平臺堆垛，通過對物料轉移過程和堆垛形式的要求增加教學多樣性，提高編程復雜度。

圖 7  碼垛單元

異形芯片原料單元用于存放不同類型的異形芯片，通過形狀不同代表不同種類、顏色不同代表不同型號，異形芯片裝配單元提供多個裝配工位，如圖 8所示，分別用于不同產(chǎn)品的裝配和檢測。不同產(chǎn)品對芯片種類、數(shù)量的要求不一，需要工業(yè)機器人根據(jù)要求從異形芯片原料單元中選取所需的芯片后放置到指定位置，在完成所有芯片的安裝后，為產(chǎn)品安放蓋板并鎖緊固定螺絲。

圖 8  異形芯片原料單元及裝配單元

視覺檢測及光源單元可以對工業(yè)機器人所選取芯片的顏色、形狀、位置等信息進行檢測和提取，如圖 9所示，并將檢測結果傳輸給工業(yè)機器人，以輔助其完成后續(xù)動作。視覺鏡頭配套檢測光源，可以盡量避免環(huán)境光源對檢測結果的影響。采用倒置式安裝，可以使機器人手持零件進行檢測，減少周邊配套設備，簡化機器人軌跡動作。

圖 9  視覺檢測單元

工作站為方便教學和競賽使用，在平臺上布置了云監(jiān)控，如圖 10所示，利用互聯(lián)網(wǎng)可將設備的實時操作過程在大尺寸教學終端中進行展示，避免了集中式教學學生圍觀又無法切實看清教師操作過程的問題，也可以在競賽過程中實現(xiàn)直播提高觀賞度，同時方便教師對學生的操作流程進行實時點評，提高教學指導效果，存儲在系統(tǒng)中的錄像實現(xiàn)對操作過程可追溯，為競賽過程中爭議事件提供佐證材料。同時，在工作站操作正面，利用線性光柵作為安全保護措施，當操作人員進入危險區(qū)域時，工作站會蜂鳴報警，并降低工業(yè)機器人運動速度，甚至觸發(fā)急停，以避免危險發(fā)生。

圖 10  云監(jiān)控及安全光柵

離線編程軟件選用可同時支持ABB IRB 120和新時達 SD500兩種工業(yè)機器人的RobotArt軟件（實際上可以支持國內外超過10種主流的工業(yè)機器本體），采用解算算法并已申請軟件著作權，集成了計算機三維實體顯示、系統(tǒng)仿真、智能軌跡優(yōu)化、運動控制代碼生成等核心技術，使得工業(yè)機器人獲得了更加強大的“大腦”，可以輕松應對復雜軌跡的高精度生成和復現(xiàn)，在計算機上完成軌跡設計、規(guī)劃、運動仿真、碰撞檢查、姿態(tài)優(yōu)化，最后直接生成工業(yè)機器人控制器所需的執(zhí)行運動代碼，同時還提供了方便的軌跡整體優(yōu)化、工藝過程設計和空間校準算法，縮短了工業(yè)機器人的停機調試時間，為工業(yè)機器人實現(xiàn)更廣泛的應用提供技術支撐。