工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用平臺方案
一、設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)用，相關(guān)行業(yè)對具備工業(yè)機器人技術(shù)的綜合性應(yīng)用人才和生產(chǎn)一線的專業(yè)技術(shù)工人的需求日益增強。為響應(yīng)國家政策號召，配合產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務(wù)企業(yè)技術(shù)升級和轉(zhuǎn)型，近兩年來越來越多的職業(yè)院校開設(shè)了工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用及相關(guān)專業(yè)。
為了提高學(xué)生在工業(yè)機器人安裝、操作、調(diào)試及應(yīng)用等方面的技術(shù)技能水平，搭建集教學(xué)、比賽于一體的競技與交流平臺，推進以學(xué)生為主體的理實一體化教學(xué)模式改革，促進專業(yè)建設(shè)，全國機械職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會向國家有關(guān)部分申請設(shè)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(xué)的要求與特點設(shè)計了機器人技術(shù)應(yīng)用賽項的具體內(nèi)容。
二、具體情況
1、賽項名稱：機器人技術(shù)應(yīng)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(guān)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(yīng)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(shù)，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(yīng)用過程、提高軌跡復(fù)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)機器人典型應(yīng)用，不僅滿足了職業(yè)院校不同專業(yè)學(xué)生針對工業(yè)機器人的操作和編程的教學(xué)需求，來源于工業(yè)應(yīng)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(diào)試、現(xiàn)場示教編程及調(diào)試、離線編程及應(yīng)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(wù)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(shè)計提高裝配產(chǎn)品的復(fù)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(shù)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(guān)、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(shè)備均合理布置在工作站臺面上，方便查看設(shè)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(xué)校需求更換不同品牌近似規(guī)格型號的產(chǎn)品，為確保設(shè)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(fù)定位精度基本相同，小巧靈活特性使其廣泛應(yīng)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(xué)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(yīng)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(fù)合設(shè)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(yù)，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(yīng)用能力。涂膠工具采用仿形設(shè)計，內(nèi)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(qū)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(shè)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(xué)可行性和趣味性。利用涂膠模塊和所提供的不同內(nèi)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(yīng)用的基礎(chǔ)操作和編程教學(xué)應(yīng)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(zhuǎn)移過程和堆垛形式的要求增加教學(xué)多樣性，提高編程復(fù)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(jié)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(jié)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(shè)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(xué)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(shè)備的實時操作過程在大尺寸教學(xué)終端中進行展示，避免了集中式教學(xué)學(xué)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(xué)生的操作流程進行實時點評，提高教學(xué)指導(dǎo)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(dāng)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(nèi)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(quán)，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(shù)，使得工業(yè)機器人獲得了更加強大的“大腦"，可以輕松應(yīng)對復(fù)雜軌跡的高精度生成和復(fù)現(xiàn)，在計算機上完成軌跡設(shè)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(shè)計和空間校準算法，縮短了工業(yè)機器人的停機調(diào)試時間，為工業(yè)機器人實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
四、平臺技術(shù)參數(shù)(單臺配置)
序號 | 組件名稱 | 數(shù)量 | 詳細技術(shù)參數(shù) |
1 | 工業(yè)機器人 （ABB） | 1臺 | 本體： 1) ★具有6個自由度，串聯(lián)關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人 2) ★工作范圍580mm 3) ★額定負載3kg 4) ★重復(fù)定位精度0.01mm 5) 安全性包括安全停、緊急停、2通道安全回路監(jiān)測、3位啟動裝置 6) 集成信號源為手腕設(shè)10路信號 7) 集成氣源為手腕設(shè)4路空氣（5bar） 控制器： 1) 采用RobotWare工業(yè)機器人控制軟件 2) 采用RAPID工業(yè)機器人編程語言 3) 內(nèi)置16路輸入/16路輸出的數(shù)字量I/O模塊 示教器： 1) 圖形化彩色觸摸屏 2) 操縱桿 3) 熱插拔，運行時可插拔 底座： 1) 材料鋁合金 2) 尺寸250mm×250mm×15mm |
2 | 快換工具 | 1套 | 1) ▲工具快換系統(tǒng)：機器人手臂安裝有法蘭端快換模塊，可實現(xiàn)不同工具間無需人為干涉自動完成切換，6路氣動信號，額定負載3kg，厚度38mm，重量125g 2) 膠槍工具：含有工具端快換模塊與法蘭端快換模塊配套，總長140mm，外殼為鋁合金材質(zhì)，可以配合軌跡圖紙實現(xiàn)模擬零件外殼涂膠的軌跡編程實訓(xùn)，可更換筆芯設(shè)計且筆芯可10mm竄動放置碰撞損壞 3) 夾爪工具：含有工具端快換模塊與法蘭端快換模塊配套，可穩(wěn)固抓取搬運碼垛物料，總長140mm，夾頭為鋁合金材質(zhì)，采用氣動驅(qū)動，內(nèi)徑20mm，重復(fù)精度±0.01mm，閉合夾持力45N，開閉行程10mm 4) 吸盤工具：含有工具端快換模塊與法蘭端快換模塊配套，總長110mm，結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)，4mm直徑吸盤1個，20mm直徑吸盤2個，可穩(wěn)固抓取各種形狀的芯片零件及蓋板 5) 鎖螺絲工具：含有工具端快換模塊與法蘭端快換模塊配套，結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)，總長360mm，扭力0.19Nm~0.78Nm，轉(zhuǎn)速2200r/min |
3 | 涂膠單元 | 1套 | 1) 3D軌跡圖板尺寸440mm×250mm，具有半經(jīng)50mm的拱形面，材質(zhì)碳鋼烤漆，厚度3mm 2) 軌跡路徑包含圓形、三角形、復(fù)雜輪廓和樣條曲線，以及不同位置、不同指向的基準坐標系 3) 提供工具TCP參數(shù)標定用，材質(zhì)不銹鋼，可以隨意固定在3D軌跡圖板的任何位置 4) 包含2張軌跡圖紙，可自動吸附在3D軌跡圖板上 |
4 | 碼垛單元 | 1套 | 1) 原料臺由鋁型材配合不銹鋼導(dǎo)槽構(gòu)成，利用高度差實現(xiàn)物料自動排列，可滿足6個物料的存儲 2) 碼垛臺由臺面和支撐構(gòu)成，臺面為POM，尺寸110mm×110mm×15mm，采用鋁合金型材支撐，高度160mm，可滿足多種形式的碼垛 3) 包含模擬物料，材質(zhì)PVC，尺寸65mm×32.5mm×15mm，數(shù)量6個，采用工形設(shè)計方便夾爪夾持，可實現(xiàn)在兩個碼垛臺間的搬運、碼垛實訓(xùn) |
5 | 視覺檢測單元 | 1套 | 1) ▲視覺檢測采用CCD拍照檢測，有效像素數(shù)1600×1200，彩色檢測，攝像面積7.1mm×5.4mm，場景數(shù)128個，可存儲圖像數(shù)43張，可利用流程編輯功能制作處理流程，支持串行RS-232C和網(wǎng)絡(luò)Ethernet通訊，提供高速輸入1點、高速輸出4點、通用輸入9點和通用輸出23點的并行通信，提供DVI-I監(jiān)控輸出 2) 提供環(huán)形光源，白色，內(nèi)圓直徑90mm，外圓直徑120mm，供電電壓24V，供電電流440mA 3) 視覺檢測結(jié)果和采集圖像信息通過12英寸顯示器即時顯示，方便視覺檢測參數(shù)調(diào)整和狀態(tài)監(jiān)控 |
6 | 裝配檢測單元 | 1套 | 1) 安裝檢測單元內(nèi)含4個功能相同的裝配檢測工位，可與工業(yè)機器人配合完成PCB異形芯片的安裝及檢測功能，4個工位的安裝由鋁型材搭建的框架支撐 2) 安裝檢測工位整體尺寸為410mm×190mm×180mm，結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)，分為底板、安裝平臺和檢測支架 3) 安裝平臺安裝在雙列線性滑軌上，寬度9mm，長度300mm，采用氣動驅(qū)動，內(nèi)徑16mm，有效行程200mm，安全保持力140N 4) 檢測支架升降由氣動驅(qū)動，內(nèi)徑16mm，有效行程20mm，安裝有LED導(dǎo)光板，尺寸為100mm×100mm×1.5mm，顏色藍色，可在檢測過程中亮起 5) 底板安裝有紅、綠兩色指示燈，用于在檢測完成后提示安裝是否有誤、芯片是否有缺陷 |
7 | 螺絲供料單元 | 1套 | 1) 包含送料系統(tǒng)和分配系統(tǒng)，可通過管道將螺絲排序并輸送分配到電動鎖螺絲工具上，采用渦輪方式將螺絲排序到震動導(dǎo)軌上，通過氣管壓力將螺絲分配到工具鎖嘴處 2) 外形尺寸360mm×250mm×160mm 3) 輸送速度0.5s/顆 4) 適用螺絲規(guī)格M2~M5，螺絲長度20mm 5) 提供液晶屏顯示當(dāng)前狀態(tài)，具有計數(shù)和報警功能，可手動控制螺絲供料 |
8 | 原料料庫 | 1套 | 1) 材質(zhì)白色POM，單層共4個料區(qū)，可分別用于存放異形芯片零件、蓋板和PCB電路板 2) 整體弧形設(shè)計，內(nèi)圓半徑500mm，方便機器人抓取物料 |
9 | 電子產(chǎn)品PCB電路板 | 5套 | 1) ▲電子產(chǎn)品PCB電路板由異形芯片零件、PCB電路板和蓋板組成，PCB電路板和蓋板由螺絲緊固 2) 異形芯片零件，包括圓形、小矩形、大矩形、方形等不同形狀和不同顏色的芯片，用以代表CPU、集成電路、電阻、電容、三極管等元件 3) PCB電路板，尺寸120mm×120mm，厚12mm，上繪制了模擬電路線路圖，留有不同異形芯片零件的安裝位置，每個PCB電路板的線路圖和芯片零件安裝位置都不相同，代表不同電子產(chǎn)品，四角提供螺釘孔 4) 蓋板，尺寸120mm×120mm，厚5mm，外殼雕刻文字代表不同電子產(chǎn)品，四角提供螺釘孔 |
10 | 操控面板 | 1套 | 1) 提供工作站啟動、停止、模式控制和急停按鈕，可實現(xiàn)對設(shè)備運行操作 2) 提供故障及設(shè)備運行狀態(tài)指示燈 3) 提供多個故障設(shè)置點，可模擬不同情況下的故障 4) 提供多個電路信號及氣路信號的快接插口，可以方便完成電氣接線及調(diào)試訓(xùn)練 5) ▲包含工業(yè)HMI觸摸屏作為人機交互接口，顯示器為7英寸TFT，分辨率800×480，亮度350，對比度500:1，背光類型LED，觸控面板類型為4線電阻式，F(xiàn)lash存儲器120MB，DRAM為64MB，處理器為 32BitRISC CPU 400MHz，提供RS-232和RS-485串行接口 |
11 | 總控系統(tǒng) | 1套 | 1) ▲采用高性能PLC實現(xiàn)集成控制，提供以太網(wǎng)及串口通信，模塊化設(shè)計，支持6個模塊擴展，方便升級 2) 電氣控制元件采用好的產(chǎn)品，包含濾波、短路保險等安全機制 3) 工作臺正面提供運行安全裝置，采用光柵傳感器，光軸數(shù)量8，光軸間距40mm 4) 操作過程可通過攝像頭采集記錄，焦距2.8mm，焦段廣角，清晰度720p，感光面積1/3英寸，IP66防水防塵，可通過WiFi連接云端監(jiān)控，監(jiān)控信息可存儲在擴展存儲卡中，并將監(jiān)控信息通過12寸顯示屏實時顯示 5) 供氣系統(tǒng)功率600W，排氣量118L/min，壓力8bar，儲氣罐24L，噪音52db，無油，配套氣路控制元件和真空元件 |
12 | 工作臺架 | 1臺 | 1) 鋁合金框架，有機玻璃門，碳鋼鈑金側(cè)板及底板，正面和背面可打開存放設(shè)備及物品 2) 整體尺寸2200mm×1350mm×700mm 3) 安裝臺面為鋁合金T型槽，臺面尺寸2100mm×1100mm，厚度20mm 4) 底部安裝有萬向腳輪和固定支撐，方便移動和固定 |
13 | 配套工具 | 1套 | 提供安裝、調(diào)試工作站所需工具一套，包括：工具箱1個、內(nèi)六角扳手1套、250mm活動扳手1把、17mm/19mm開口扳手1把、13mm開口扳手1把、5.5mm開口扳手1把、螺絲刀1套、5米卷尺1個、斜口鉗1把、Y型端子鉗1把、裸端型端子鉗1把、剝線鉗1把、美工刀1把、萬用表1個、PLC編程線1根、觸摸屏編程線1根、程序拷貝U盤1個 |
14 | 離線編程 | 5節(jié)點
| RobotArt競賽版 1) 正版軟件，可提供持續(xù)的中文技術(shù)支持服務(wù)、軟件可使用所有功能模塊； 2) 包含與硬件平臺完成一致的三維模型環(huán)境 4) 采用通用3D技術(shù)，與CAD教學(xué)銜接，支持3D CAD系統(tǒng)的模型文件導(dǎo)入，可通過三維球功能對模型進行平移、旋轉(zhuǎn)操作 5) 軌跡生成基于CAD數(shù)據(jù)，簡化軌跡生成過程，提高精度，可利用實體模型、曲面或曲線直接生成運動軌跡 6) 包含豐富的軌跡調(diào)整優(yōu)化工具包，如碰撞檢查、工業(yè)機器人可達性、姿態(tài)奇異點、軸超限功能 7) 包含涂膠和碼垛工藝包，可以方便的完成復(fù)雜軌跡涂膠和物料的碼垛拆垛工序編程 8) 支持工具快換功能，可以方便的仿真并輸出工業(yè)機器人對工具快換系統(tǒng)的操作，擴展工業(yè)機器人應(yīng)用范圍，使工業(yè)機器人可以在涂膠工具和夾爪工具間自由切換。
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