李 顯,朱青松,呂世霞,王學雷
(北京電子科技職業(yè)學院,北京100176)
目前成熟的工業(yè)機器人實訓設備是以大型工作臺為底座,工作臺上安裝了各種功能模塊,其中工業(yè)機器人也放置于工作臺上,從而形成一整套工業(yè)機器人應用實訓設備。這類實訓設備的弊端:首先是因為集成度較高,底層應用程序已構建完成,從而不利于學生知識和技能的提升;其次是工業(yè)機器人的選擇只能選擇小型工業(yè)機器人,負載能力較弱,也局限了工業(yè)機器人的工作范圍,不利于實際應用的開展;還有該類實訓設備廠家配備了太多的功能單元,有些功能單元沒有起到提升知識技能的價值,這就造成資源浪費;另外設備體積較大,這對實訓室空間提出較高要求,不方便實訓開展。同時考慮到一般實訓室都有多臺在地面已經安裝好的工業(yè)機器人,只是缺少配套的多種功能單元。基于以上問題,設計了一種基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設備。
基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設備的整體結構如圖1所示,它由升降平臺、多功能模塊、控制部分等組成。實訓設備整體結構體積小,底部采用水平調節(jié)移動支撐型腳輪,即福馬輪,以方便設備可任意位置移動、水平調節(jié)和位置固定。
圖1 設備結構圖
升降平臺結構如圖2所示,由支撐底座、蝸輪蝸桿絲杠機構、光軸滑塊機構、鋁型材平臺組成。采用蝸輪蝸桿絲杠機構,實現(xiàn)平臺的高度調節(jié),以適應不同規(guī)格型號的工業(yè)機器人工作范圍,滿足該設備與工業(yè)機器人相對位置的最佳布置。為保持升降平臺運行的穩(wěn)定性,滿足支撐和導向作用,四個角采用光軸導軌滑塊機構,滑塊固定不動,光軸導軌上下移動。鋁型材平臺采用T型槽結構,以方便功能模塊的拆卸、安裝、位置變動等功能,滿足位置的多樣性,便于學生實訓開展,進行差異化訓練。
圖2 升降平臺
升降平臺可同時由手動控制和自動控制驅動,手動控制是直接手動轉動蝸輪蝸桿絲杠機構,使平臺升高或降低,自動控制是采用變頻器驅動異步電動機動作,從而實現(xiàn)升降平臺的自動高度調節(jié)。增加升降平臺的自動控制,一方面是為了提高自動化水平,另一方面是為了增加變頻器設備,以方便學生對變頻器的學習。
多功能模塊安裝于鋁型材平臺上方,每個模塊都便于安裝、拆卸及位置調整。多功能模塊的設計以提升學生新知識技能、促進專業(yè)建設和發(fā)展為原則,在鞏固傳統(tǒng)知識的基礎上,增加新知識,滿足學生實踐、職業(yè)技能提升及就業(yè)需要。多功能模塊設計了多種模塊,如圖3所示,具體包括觸摸屏、I/O及供電轉接模塊、按鈕開關控制模塊、RFID模塊、視覺模塊、成品庫、步進電機、廢料盒、電磁閥模塊、夾具座、傳送帶、送料模塊、零件庫等。其中觸摸屏實現(xiàn)了RFID數(shù)據寫入及顯示、升降平臺控制、送料模塊控制、傳送帶控制、視覺識別顯示等;I/O及供電轉接模塊實現(xiàn)了傳感器、電磁閥、步進電機、按鈕開關控制模塊等的連接,并提供0V和24V供電;按鈕開關控制模塊包括啟動、急停、停止、復位按鈕以及運行、報警指示燈等;視覺模塊安裝在傳送帶上方,用來識別所傳輸?shù)牧慵愋停ǚ叫?、圓形、三角形)、位置、方向;RFID模塊包含讀寫器和收發(fā)器,讀寫器固定安裝在升降平臺面板上,收發(fā)器(紐扣型電子標簽)嵌在方形零件背面;成品庫用來暫放方形、圓形、三角形零件,并在此處完成零件組裝;廢料盒用來存放非方形、圓形、三角形零件;夾具座用來放置工業(yè)機器人末端夾具,包含吸盤夾具和夾爪夾具;送料模塊采用氣缸驅動,推動隨機放置于零件庫的零件到傳送帶,傳送帶開始工作輸送零件。
圖3 多功能模塊
控制部分設計在升降平臺的下端,由PLC、交換機、變頻器、步進驅動器、視覺控制器以及供電部分等組成??刂破鞑捎肧7-1200PLC,具有PROFINET通信接口,并擴展連接RF120C通信模塊,實現(xiàn)與西門子RFID系統(tǒng)的通信;變頻器采用具有以太網通信接口的變頻器,以適應新技術要求;交換機的使用使設備間形成局域網絡,這是當前自動化設備采用的主流通信方式,方便了設備與設備間的連接及控制,亦實現(xiàn)基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設備與工業(yè)機器人的快速通信連接。
基于設計的多功能模塊,特配套設計如圖4所示的零件庫零件,包括方形零件、圓形零件、三角形零件及廢料。工業(yè)機器人可對方形、圓形、三角形零件進行裝配,其中方形零件可選用夾具座的夾爪夾具或吸盤夾具搬運,圓形零件只能選擇夾爪夾具進行搬運組裝,三角形零件只能選擇吸盤夾具進行搬運組裝。
圖4 零件庫零件
為完成零件及成品信息的讀寫,故在方形零件的背面嵌入紐扣型RFID收發(fā)器,如圖5所示。
圖5 RFID收發(fā)器安裝位置
電氣部分控制框圖,如圖6所示,PLC作為控制核心,通過以太網連接到交換機,同時通過I/O硬接線連接到I/O及供電轉接模塊,以方便其他多功能模塊及傳感器接線,并直接與RFID串口通信連接。計算機、變頻器、觸摸屏、視覺控制器通過以太網接口,可直接連接到交換機。
圖6 電氣控制框圖
氣動部分實現(xiàn)對送料模塊的控制,推動零件庫的零件到傳送帶。另外,也可以實現(xiàn)對工業(yè)機器人末端夾具的氣動控制,完成夾爪夾具和吸盤夾具的動作。氣動部分原理圖如圖7所示,借助電磁閥模塊和真空發(fā)生器實現(xiàn)氣動動作。
基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設備需要與實訓室現(xiàn)有的在地面已安裝好的工業(yè)機器人搭配使用。通過移動該多功能實訓設備到某一工業(yè)機器人前方,如圖8所示,并完成與工業(yè)機器人的通信連接、氣路連接等。然后根據工業(yè)機器人類型或規(guī)格,手動或自動調整升降平臺的高度,以適應機器人工作范圍。該基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設備可以根據不同要求,變換多功能模塊安裝位置,以形成多個不同的工作過程。
現(xiàn)以某一工作過程如圖3所示布局舉例。首先,把方形零件、圓形零件、三角形零件及廢料隨機放置于零件庫里,開始工作后,送料模塊推動零件庫最下面的一個零件到傳送帶,傳感器1檢測到信號后,PLC控制步進電機開始以較快速度運行。當傳感器2檢測到信號后,降低傳送帶運行速度,傳送帶緩慢運行。當零件到達傳感器3時,傳送帶停止運行,視覺模塊開始工作,判斷零件類型、位置、方向。若為方形零件、圓形零件或三角形零件,則直接啟動工業(yè)機器人,搬運零件到成品庫完成組裝;若為廢料,則傳送帶繼續(xù)低速運行到傳感器4,傳送帶停止運行,啟動工業(yè)機器人動作,搬運廢料到廢料盒。方形零件、圓形零件和三角形零件在成品庫1號位置進行組裝,2號和3號位置為暫存零件位置。其中,在工業(yè)機器人工作過程中,會根據零件類型的不同,選擇吸盤夾具或夾爪夾具。若工業(yè)機器人抓取到方形零件,則工業(yè)機器人要移動到RFID讀寫器上端,由讀寫器從方形零件背面的收發(fā)器上讀取數(shù)據,并在觸摸屏上顯示,然后工業(yè)機器人把零件放到成品庫1號位置。待方形零件、圓形零件和三角形零件全部組裝完成后,由工業(yè)機器人夾持成品移動到RFID讀寫器上端,讀寫器寫入數(shù)據到成品背面的收發(fā)器上,然后工業(yè)機器人把成品放到成品庫4號位置,4號位置為待出貨位置,然后控制升降平臺降落,以方便其他設備取貨,至此完成一整套流程動作。
本文提出了一種基于多類型工業(yè)機器人的多功能實訓設備,從整體結構到控制系統(tǒng)再到功能等方面進行了詳細闡述,其設備體積小、功能全、成本低、適應性強、技術新,能很好地與不同類型工業(yè)機器人配合使用,滿足學生學習新知識、提升職業(yè)技能的需求,以及促進專業(yè)建設和發(fā)展的目的。
圖7 氣動原理圖
圖8 與工業(yè)機器人的搭配