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工業(yè)機(jī)器人示教編程實(shí)驗(yàn)裝置

一、功能介紹
LG-BRI06型工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)工作站針對學(xué)校的教學(xué)特點(diǎn)，綜合了理（工業(yè)機(jī)器人編程理論知識）、虛（工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)任務(wù)）、實(shí)（實(shí)驗(yàn)工作站與實(shí)訓(xùn)任務(wù)配套）一體化教學(xué)特征，選用性能優(yōu)良的設(shè)備，采用最新自動(dòng)化技術(shù)，融合“智能制造、智慧工廠”理念，采用“模塊化、簡易化”設(shè)計(jì)方法，可充分學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人及其周邊應(yīng)用技術(shù)，切實(shí)掌握相關(guān)實(shí)操技能，基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作站具有如下特征：
1、知識面覆蓋廣：該實(shí)驗(yàn)裝置綜合應(yīng)用了多學(xué)科技術(shù)，適用于機(jī)械原理、自動(dòng)控制原理、電氣控制與可編程控制器、傳感器與檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程的實(shí)踐教學(xué)，具體實(shí)踐內(nèi)容包括：工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)，智能視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，電氣控制與可編程控制器應(yīng)用，傳感器與檢測技術(shù)應(yīng)用，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，工業(yè)總線技術(shù)等。
2、性能質(zhì)量優(yōu)良：采用市場占有率高、應(yīng)用范圍廣的ABB品牌ABB IRB 120型工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化控制行業(yè)領(lǐng)軍品牌的德國SIEMENS公司S7-2 00 SMART系列PLC控制系統(tǒng)，確保平臺(tái)設(shè)備性能完全滿足學(xué)校的基礎(chǔ)教學(xué)需求，綜合考慮了控制模塊的可拓展功能，通過總線模塊可將多套工作站組合連接起來；
3、運(yùn)行穩(wěn)定可靠：氣動(dòng)執(zhí)行設(shè)備采用企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中常用的日本SMC品牌和臺(tái)灣AirTAC品牌優(yōu)質(zhì)氣動(dòng)組件；電氣控制元件采用企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中常用的法國Schneider品牌和日本OMRON品牌繼電器、接觸器、按鈕等元器件，以確保設(shè)備功能可靠和豐富；
4、技術(shù)領(lǐng)先開放：工業(yè)機(jī)器人與PLC以及其他外圍器件的電氣接線全部引出到工作臺(tái)面，并使用通用端子，可方便實(shí)現(xiàn)工作站的信號連接實(shí)驗(yàn)，方便對工作站控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分教學(xué)、常規(guī)維護(hù)、簡單排錯(cuò)維護(hù)和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用二次開發(fā)等實(shí)驗(yàn)操作；PLC控制組件為模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需求隨意添加所需功能模塊，方便工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)功能擴(kuò)展；
5、資源豐富配套：配套的教學(xué)資源與工業(yè)機(jī)器人離線編程仿真軟件精密結(jié)合，與工作站深入融合，可在軟件中建立與真實(shí)工作站等比例的虛擬模型并進(jìn)行軌跡規(guī)劃、調(diào)整與仿真，充分體現(xiàn)出離線編程相對于在線示教的技術(shù)優(yōu)越性和操作便捷性；配套的課程資源由華昱智匯自主開發(fā)，涵蓋了基礎(chǔ)技術(shù)理論、實(shí)驗(yàn)操作過程、維護(hù)排錯(cuò)技巧、系統(tǒng)搭建調(diào)試、離線編程應(yīng)用等所有內(nèi)容，包含實(shí)體教材、PPT課件、實(shí)操錄像、專家講解等全方位資源，方便教學(xué)工作的開展，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖 1 工業(yè)機(jī)器人示教編程實(shí)驗(yàn)工作站

二、模塊配置
1、軌跡模塊
如圖 2所示，基礎(chǔ)功能模塊分為基本軌跡練習(xí)區(qū)、離線編程練習(xí)區(qū)、坐標(biāo)系偏移練習(xí)區(qū)和復(fù)雜工藝軌跡練習(xí)區(qū)。在基本軌跡練習(xí)區(qū)，基礎(chǔ)軌跡包括的矩形軌跡、三角形軌跡和圓弧軌跡等，通過基礎(chǔ)軌跡區(qū)域可完成示教編程基本運(yùn)動(dòng)指令、精確定位和軌跡逼近等實(shí)驗(yàn)功能。離線編程區(qū)域設(shè)計(jì)了一個(gè)基本的橢圓軌跡和一個(gè)帶有復(fù)雜曲線的企鵝圖案，橢圓軌跡既可以通過多點(diǎn)示教編程和離線編程兩種方式完成，通過對比，可以直觀的了解兩種編程方式的差異和應(yīng)用場合，企鵝軌跡的繪制提高了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的趣味性。在坐標(biāo)系偏移練習(xí)區(qū)，有三個(gè)帶有平面坐標(biāo)系的三角形軌跡，通過此部分可訓(xùn)練坐標(biāo)系的建立及運(yùn)動(dòng)軌跡的平移和旋轉(zhuǎn)。
復(fù)雜工藝軌跡練習(xí)區(qū)由一條貼附在 3D 軌跡板凸起部分的復(fù)雜樣條曲線組成。在工業(yè)機(jī)器人抓持筆工具后，可在此部分實(shí)現(xiàn)模擬涂膠和焊接復(fù)雜軌跡的運(yùn)動(dòng)功能，并在運(yùn)動(dòng)過程中練習(xí)調(diào)整工具姿態(tài)。

圖2 基礎(chǔ)功能模塊

2、智能料庫模塊
智能料庫分為上下兩層，每層設(shè)置 4 個(gè)工位。每個(gè)工位都可以放置正方形、長方形或圓形的物料。同時(shí)，每個(gè)工位安裝有傳感檢測裝置，可自行判斷此工位是否有物料。

圖3 智能料庫模塊

3、模擬流水線模塊
模擬流水線模塊由多功能料井、自動(dòng)上料裝置、傳送裝置、視覺檢測裝置和廢料去除裝置組成，是一個(gè)集工業(yè)機(jī)器人、PLC、人機(jī)交互控制、傳感器、氣動(dòng)控制、視覺檢測等前沿技術(shù)的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖 4 模擬流水線模塊

多功能料井為鋁合金材質(zhì)，可兼容正方形、長方形和圓形三種形狀的物料塊以固定的姿態(tài)到達(dá)料井底部，料井底部設(shè)置有反射型光纖傳感器，當(dāng)傳感器檢測到有物料落下時(shí)，觸發(fā)自動(dòng)上料裝置，雙軸氣缸將物料推送到傳送裝置上。傳送裝置上電機(jī)配合精密減速器驅(qū)動(dòng)傳送帶模擬真實(shí)工廠的流水線，在流水線的中間設(shè)置有視覺檢測裝置，檢測合格產(chǎn)品可以到達(dá)傳送帶的末端，不合格產(chǎn)品作為廢料，由廢料去除裝置推出傳送帶。在傳送帶末端配有精密傳感器感應(yīng)產(chǎn)品是否到位。
4、視覺檢測模塊
視覺檢測裝置分為形狀識別和顏色識別兩部分，形狀識別采用高精度 CCD 視覺系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)的基本工作原理是，首先建立起被檢測對象的標(biāo)準(zhǔn)圖像模板，然后對生產(chǎn)過程中接受檢測的對象一一拍照成像，再把每一幅圖像，再把每一副圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像板進(jìn)行對比評判，從而區(qū)分出不同物塊產(chǎn)品并按要求作相應(yīng)處理。實(shí)際上，在線視覺檢測系統(tǒng)在進(jìn)行對比評判時(shí)，主要是根據(jù)受檢對象的特征和需要重點(diǎn)關(guān)注的部位，有選擇地設(shè)置一些檢測比較區(qū)域，并依據(jù)所選區(qū)域的特征利用相應(yīng)的分析方法來進(jìn)行對比評判，以達(dá)到在線檢測的目的。色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，就其原理來說并不是檢測顏色，它是通過檢測色標(biāo)對光束的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實(shí)現(xiàn)檢測的。色標(biāo)傳感器實(shí)際是一種反向裝置，光源垂直于目標(biāo)物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測來自目標(biāo)物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。白熾燈和單色光源都可用于色標(biāo)檢測。

圖 5 視覺檢測連接方式

此模塊將視覺檢測與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)用整合，賦予機(jī)器人智能化的能力，打造出智能化自動(dòng)流水線系統(tǒng)，可以學(xué)習(xí)機(jī)器視覺與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同工作的多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。此模塊集相機(jī)、通信端口及圖像處理算法等智能圖像處理系統(tǒng)于一體，也兼?zhèn)?nbsp;PC-BASE 圖像處理的靈活性。為方便客戶教學(xué)和研究等用途，視覺檢測系統(tǒng)具有良好的開放性，具有豐富的端口，不限定連接對象，可以實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的無縫通信。同時(shí)，從應(yīng)用程序構(gòu)筑到模擬均支持進(jìn)一步自定義開發(fā)環(huán)境，可以進(jìn)行二次開發(fā)的教學(xué)實(shí)踐。

圖 6 拍照圖片處理流程

5、碼垛模塊
搬運(yùn)碼垛是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的行業(yè)之一，此模塊作為流水線下料的存放臺(tái)，臺(tái)面上設(shè)置有與物料形狀對應(yīng)的 6 個(gè)工位。當(dāng)傳送裝置末端到位傳感器檢測到有信號時(shí)，會(huì)出發(fā)機(jī)器人將物料塊從傳送帶末端搬運(yùn)到此臺(tái)面對應(yīng)的工位。同時(shí)，此模塊具有兩個(gè)獨(dú)立的碼垛練習(xí)工位，每個(gè)工位有三個(gè)尺寸相同的長方形碼垛塊，通過這 6 個(gè)碼垛塊可以練習(xí)數(shù)組和循環(huán)指令的使用。

圖 7 碼垛模塊

6、機(jī)器人工具模塊
機(jī)器人末端工具是機(jī)器人的執(zhí)行單元，如圖 8 所示此模塊包括尖點(diǎn)輔助工具、筆工具、氣動(dòng)夾爪工具和氣動(dòng)吸盤工具。尖點(diǎn)輔助工具形狀為圓錐，具有TCP 校準(zhǔn)功能，同時(shí)可以模擬去毛刺、涂膠工具。筆工具、夾爪工具和吸盤工具都配備了機(jī)械快換工具，與機(jī)器人法蘭盤的機(jī)械快換工具配套使用，可實(shí)現(xiàn)工具的快速更換。筆工具內(nèi)部設(shè)置有緩沖裝置，可以有效減少學(xué)生初步學(xué)習(xí)機(jī)器人操作時(shí)，由于不熟練導(dǎo)致剛性碰撞產(chǎn)生對工具的損壞。筆工具可以完成軌跡、寫字和繪畫等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，彩筆可快速更換。夾爪工具和吸盤工具采用國際知名品牌，用于物料的抓取和吸附。

圖 8 機(jī)器人工具模塊

7、綜合實(shí)驗(yàn)功能
由工業(yè)機(jī)器人、IO 模塊、IO 操作臺(tái)、高性能 PLC、觸摸屏等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人 IO 參數(shù)配置、通信設(shè)置及高級程序編程練習(xí)，通過 PLC 模擬工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線應(yīng)用中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為了模擬工業(yè)機(jī)器人真實(shí)應(yīng)用環(huán)境，操控平臺(tái)包含高性能 PLC 組件，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與PLC 進(jìn)行通訊協(xié)調(diào)工作。PLC 采用德國 SIEMENS 品牌 SIMATIC S7-200 SMART 系列 PLC，如圖 68 所示。PLC采用專用高速處理芯片，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá) 0.15μs，在應(yīng)對繁瑣的程序邏輯、復(fù)雜的工藝要求時(shí)從容不迫，在同級別小型 PLC 中遙遙領(lǐng)先；采用模塊化設(shè)計(jì)，方便二次升級和擴(kuò)展；內(nèi)置數(shù)字量輸入 24 點(diǎn)、數(shù)字量輸出 16 點(diǎn)，包含 4 路高速計(jì)數(shù)器，同時(shí)集成了 3 路最高可達(dá) 100KHz 的高速脈沖輸出，支持 PWM/PTO 輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模型，可自由設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)；內(nèi)置以太網(wǎng)口，集成了強(qiáng)大的編程通信功能，方便快捷地實(shí)現(xiàn)程序上傳下載和與周邊設(shè)備的通信，簡化組網(wǎng)過程；在繼承 SIEMENS 編程軟件強(qiáng)大功能的基礎(chǔ)上，融入了更多的人性化設(shè)計(jì)，如新穎的帶狀式菜單，全移動(dòng)式界面窗口，方便的程序注釋功能，強(qiáng)大的密碼保護(hù)等。

圖 9 SIEMENS 品牌 SIMATIC S7-200 SMART 系列 PLC

8、模塊搭配靈活
臺(tái)面上所有功能部件采用模塊化設(shè)計(jì)，臺(tái)面上所有功能模塊具有可拆卸、可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)模塊都有獨(dú)立的氣路和電路系統(tǒng)，模塊間留有氣源和線路接口。學(xué)校可以根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行不同模塊的選配，在不同的情況下通過不同的組合達(dá)到不同的教學(xué)效果，功能模塊可以自由增減，搭配非常靈活。同時(shí)，學(xué)生在對機(jī)器人設(shè)備有一定的了解后，可對臺(tái)面進(jìn)行二次開發(fā)，根據(jù)興趣和需要自主設(shè)計(jì)趣味性或競賽性模塊，很大程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖 10 臺(tái)面模塊部件（可選配）

另外，模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)是工業(yè)發(fā)達(dá)國家近二十年來一直采用的一種先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。學(xué)生自主設(shè)計(jì)臺(tái)面功能模塊可作為《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程的綜合實(shí)驗(yàn)部分。學(xué)生根據(jù)課上所學(xué)機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識，在三維設(shè)計(jì)軟件中實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)想法，可自行設(shè)計(jì)機(jī)器人末端工具，臺(tái)面工裝、生產(chǎn)流水線及視覺分揀等。學(xué)生也可組隊(duì)完成整個(gè)臺(tái)面的重新規(guī)劃，利用設(shè)備本體提供的氣路和電路總線，賦予臺(tái)面新的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)。此部分也可作為機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)電一體化、工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。
此工作站整體外形統(tǒng)一，具有外部通訊接口，所以有配置靈活、便于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。各工作站既可以作為獨(dú)立的功能個(gè)體，完成機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)任務(wù)。也可以作為相互的擴(kuò)展模塊，通過電纜緊密拼裝后組成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)。某一個(gè)工作站作為主控，其他工作站協(xié)同。通過之前所述不同的設(shè)計(jì)賦予每個(gè)工作站不同的功能，可添加節(jié)拍控制、生產(chǎn)管理、工業(yè)系統(tǒng)工程等管理思路，使其整體實(shí)現(xiàn)更加多元化的功能。

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