葉 暉

（ABB（中國(guó)）有限公司廣州分公司，廣州，510623）

0 前言

自20世紀(jì)60年代初第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世到現(xiàn)在，短短50多年，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和周邊配套應(yīng)用技術(shù)得到了迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)在自動(dòng)化、智能化、定制化生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著用工成本提升、制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，社會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)人才的需求也不斷增多，使得企業(yè)迫切需要功能齊全、用于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)學(xué)習(xí)的裝置，以滿(mǎn)足不同層次人才培養(yǎng)的設(shè)備需求。

1 實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)要求

實(shí)訓(xùn)裝置以使用者學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)為主要目的，并兼顧與工業(yè)機(jī)器人工作站配套的PLC、觸摸屏、傳感器和氣動(dòng)技術(shù)的學(xué)習(xí)。工業(yè)機(jī)器人典型基礎(chǔ)應(yīng)用包括裝配、碼垛、壓鑄、檢測(cè)、軌跡等，要求以項(xiàng)目化和模塊化的形式設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，從而讓使用者在實(shí)訓(xùn)室里完成各種典型工業(yè)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用的學(xué)習(xí)。對(duì)此，我們將實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)開(kāi)放式的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以適應(yīng)不同行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用變化的需求。

2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)臺(tái)架

開(kāi)放式的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)臺(tái)架，是各種功能模塊安裝的基礎(chǔ)，各類(lèi)典型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用模塊均可在平臺(tái)臺(tái)架上進(jìn)行組合搭建，以適應(yīng)不同實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的要求。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)臺(tái)架主要由鋁型材、貼面板、加工件等搭建而成，如圖1所示，其四邊采用圓弧型材搭建，外形美觀。單個(gè)工作臺(tái)外形尺寸為：1600mm×1260mm×780mm。臺(tái)架分為上下兩層，上層用于安裝工業(yè)機(jī)器人和操作對(duì)象，下層用于安裝電氣控制柜和電器安裝板，或其他輔助裝置。工作臺(tái)三面都是雙開(kāi)門(mén)，背面配備散熱風(fēng)機(jī)，利于工業(yè)機(jī)器人控制柜等設(shè)備的安裝和散熱，底部裝有可調(diào)節(jié)高度的腳輪，方便設(shè)備移動(dòng)和放置。

3 工業(yè)機(jī)器人的選型與配套設(shè)計(jì)

3.1 選型

機(jī)器人本體工作站主要由機(jī)器人安裝底座、工業(yè)機(jī)器人、工具夾具等組成。其中，工具夾具主要由氣缸、氣動(dòng)手指、導(dǎo)電電極、真空氣路等組成。工具夾具固定在工業(yè)機(jī)器人第六軸法蘭盤(pán)上，可以直接夾取3種工具——真空吸盤(pán)工具、畫(huà)筆工具、TCP校準(zhǔn)工具進(jìn)行作業(yè)，也可以直接夾取方形工件進(jìn)行搬運(yùn)入庫(kù)工作。工具夾具在抓取拋光工裝和真空吸盤(pán)工裝時(shí)，電路和氣路能夠自動(dòng)對(duì)接，無(wú)需人工輔助。

為了滿(mǎn)足緊湊、小巧、功能完善和性?xún)r(jià)比高的設(shè)計(jì)要求，工業(yè)機(jī)器人本體選用ABB的小型串聯(lián)6軸機(jī)器人，型號(hào)為IRB120-3/0.58，如圖2所示，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 ABB工業(yè)機(jī)器人IRB120

表1 IRB120主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，工業(yè)機(jī)器人必須具備以下功能，以滿(mǎn)足實(shí)訓(xùn)的需求：在機(jī)器人使用壽命內(nèi)，使用機(jī)器人離線軟件進(jìn)行程序、I/O和機(jī)器人3D動(dòng)態(tài)動(dòng)作的監(jiān)控；遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)具備備份與恢復(fù)功能，自動(dòng)工具重量與載荷檢測(cè)設(shè)定功能，提供基于VB的二次開(kāi)發(fā)功能，機(jī)器人全壽命保養(yǎng)自動(dòng)維護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)功能，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)微調(diào)功能；自帶I/O自定義可編程按鈕功能；具備3D實(shí)時(shí)舒適搖桿手動(dòng)操作系統(tǒng)；電池環(huán)保、電量節(jié)省；機(jī)器人系統(tǒng)功能可終身升級(jí)（高級(jí)用戶(hù)）；支持RAPID編程語(yǔ)言規(guī)范，并可直接解釋執(zhí)行；機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件必須基于WINCE平臺(tái)，以便機(jī)器人二次開(kāi)發(fā)；機(jī)器人控制系統(tǒng)原配固態(tài)存儲(chǔ)器容量不得低于1G，并支持USB擴(kuò)展為副存儲(chǔ)器。

3.2 配套設(shè)計(jì)

為便于存放工具，我們?yōu)閷?shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)了工具存放的支架。支架外形尺寸為：500mm×120mm×250mm，由鋁型材和加工件等搭建而成，并且底部裝有方便調(diào)節(jié)位置的安裝底板。工具支架采用鋁件陽(yáng)極氧化噴砂，安裝底板采用Q235A件噴塑。工具支架可以放置3個(gè)子工具，以配合機(jī)器人工具夾具接口完成各種實(shí)訓(xùn)工具切換的需要，如圖3所示。

圖3 工具存放支架

為滿(mǎn)足實(shí)際需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了真空吸盤(pán)工具、畫(huà)筆工具和TCP校準(zhǔn)工具3種子工具用于實(shí)訓(xùn)，如圖4所示。

圖4 實(shí)訓(xùn)子工具

4 工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)

4.1 供料傳輸模塊

為了模擬訓(xùn)練工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)碼垛的實(shí)際工作情況，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)供料傳輸模塊，如圖5所示。該模塊由傳送帶、供料機(jī)構(gòu)等組成。在工作過(guò)程中，工件首先在料倉(cāng)中由氣動(dòng)裝置推到傳送帶上，完成工件的供料傳輸，然后工件再經(jīng)傳送帶輸送到位后，由機(jī)器人抓取工件送入裝配單元。傳送帶由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)有張緊機(jī)構(gòu)，方便調(diào)節(jié)。

4.2 裝配單元模塊

為了模擬訓(xùn)練工業(yè)機(jī)器人物料組合裝配的實(shí)際工作情況，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)裝配單元模塊，如圖6所示。該模塊由型材搭建支架、底座、工作底板、擋邊立柱等組成，其底座采用Q235A噴塑，工作底板采用鋁件陽(yáng)極氧化噴砂，擋邊立柱采用鋼鍍鉻。擋邊立柱形成4個(gè)裝配區(qū)，供機(jī)器人抓取工件裝配；底座上有調(diào)節(jié)孔，方便位置調(diào)節(jié)。

4.3 碼垛單元模塊

為了模擬訓(xùn)練工業(yè)機(jī)器人物料碼垛的實(shí)際工作情況，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了碼垛單元模塊。該模塊由型材搭建支架、底座、工作底板等組成，其底座采用Q235A噴塑，工作底板采用鋁件陽(yáng)極氧化噴砂。工作底板上裝有防護(hù)墊；底座上有調(diào)節(jié)孔，方便位置調(diào)節(jié)，如圖7所示。機(jī)器人抓取工件在工作底板上進(jìn)行碼垛。

圖5 供料傳輸模塊

圖6 裝配單元模塊

4.4 壓鑄機(jī)單元模塊

為了模擬訓(xùn)練工業(yè)機(jī)器人壓鑄機(jī)上下料的實(shí)際工作情況，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了壓鑄機(jī)單元模塊。該模塊由型材搭建支架、壓鑄機(jī)構(gòu)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)等組成，其鋁質(zhì)部件采用陽(yáng)極氧化噴砂處理，鋼質(zhì)部件則采用噴塑處理，機(jī)構(gòu)外圍安裝有鈑金罩殼和安全罩，既美觀又安全，如圖8所示。

在工作過(guò)程中，壓鑄機(jī)構(gòu)在接收到PLC控制指令信號(hào)后，向電磁閥發(fā)出電信號(hào)，使氣缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)模在導(dǎo)桿上進(jìn)行直線合模運(yùn)動(dòng)。在合模完畢后，工件從存儲(chǔ)單元中由氣缸推入壓鑄機(jī)構(gòu)的模腔內(nèi)，然后由PLC向電磁閥發(fā)出信號(hào)，使氣缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)模在導(dǎo)桿上進(jìn)行直線開(kāi)模運(yùn)動(dòng)，到位后機(jī)器人將工件從壓鑄機(jī)構(gòu)取出，從而實(shí)現(xiàn)工件的模擬壓鑄過(guò)程。

圖7 碼垛單元模塊

圖8 壓鑄機(jī)單元模塊

4.5 檢測(cè)單元模塊

壓鑄完成之后的工件由工業(yè)機(jī)器人夾取到檢測(cè)機(jī)構(gòu)上進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果放置在指定位置。檢測(cè)單元模塊如圖9所示。

圖9 檢測(cè)單元模塊

4.6 軌跡模擬單元模塊

為了模擬訓(xùn)練工業(yè)機(jī)器人軌跡應(yīng)用的實(shí)際情況，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了軌跡模擬單元模塊。該模塊由型材、底座、軌跡模擬板、畫(huà)圖板、紙張、磁鋼等組成。其底座采用Q235A噴塑，軌跡模擬板采用鋁件陽(yáng)極氧化噴砂，畫(huà)圖板采用茶色有機(jī)玻璃，板內(nèi)嵌磁鋼。機(jī)器人可以抓取工裝進(jìn)行軌跡模擬訓(xùn)練，也可以將背面磁鋼固定的畫(huà)圖板放置到正面進(jìn)行畫(huà)圖訓(xùn)練，如圖10所示。

5 工業(yè)機(jī)器人整體布局設(shè)計(jì)

在完成工業(yè)機(jī)器人各模塊功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，我們將所有模塊在平臺(tái)上按照機(jī)器人可到達(dá)范圍及模塊功能的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)，如圖11所示。

6 結(jié)論

ABB公司設(shè)計(jì)完成的多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)裝置，為培養(yǎng)實(shí)用型工業(yè)機(jī)器人安裝、調(diào)試和維護(hù)的自動(dòng)化技術(shù)人員提供了高效、安全實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)平臺(tái)。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用的工業(yè)機(jī)器人均為單一工作站，而工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)的是復(fù)合型技能人才，要求專(zhuān)業(yè)技能高度綜合性，需要掌握的技術(shù)和技能要涵蓋工業(yè)機(jī)器人不同行業(yè)的應(yīng)用，如：碼垛、搬運(yùn)、上下料、壓鑄、傳輸線跟蹤、抓取等，故培訓(xùn)裝置要能完成多種工業(yè)、行業(yè)應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)技能培訓(xùn)，以減少用戶(hù)的設(shè)備投入成本，創(chuàng)造高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖10 軌跡模擬單元模塊

圖11 多功能工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)裝置整體布局