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工業(yè)機器人示教編程實驗裝置
一、功能介紹
LG-BRI06型 工業(yè)機器人基礎教學工作站針對學校的教學特點，綜合了理（工業(yè)機器人編程理論知識）、虛（工業(yè)機器人虛擬仿真實訓任務）、實（實驗工作站與實訓任務配套）一體化教學特征，選用性能優(yōu)良的設備，采用最新自動化技術，融合“智能制造、智慧工廠”理念，采用“模塊化、簡易化”設計方法，可充分學習工業(yè)機器人及其周邊應用技術，切實掌握相關實操技能，基礎教學實驗工作站具有如下特征：
1、知識面覆蓋廣：該實驗裝置綜合應用了多學科技術，適用于機械原理、自動控制原理、電氣控制與可編程控制器、傳感器與檢測技術、計算機控制技術等課程的實踐教學，具體實踐內(nèi)容包括：工業(yè)機器人基礎教學， 智能視覺系統(tǒng)的應用，電氣控制與可編程控制器應用，傳感器與檢測技術應用，計算機控制技術，工業(yè)總線技術等。
2、性能質量優(yōu)良：采用市場占有率高、應用范圍廣的ABB品牌ABB IRB 120型工業(yè)機器人和自動化控制行業(yè)領軍品牌的德國SIEMENS公司S7-2 00 SMART系列PLC控制系統(tǒng)，確保平臺設備性能完全滿足學校的基礎教學需求，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、運行穩(wěn)定可靠：氣動執(zhí)行設備采用企業(yè)實際應用中常用的日本SMC品牌和臺灣AirTAC品牌優(yōu)質氣動組件；電氣控制元件采用企業(yè)實際應用中常用的法國Schneider品牌和日本OMRON品牌繼電器、接觸器、按鈕等元器件，以確保設備功能可靠和豐富；
4、技術領先開放：工業(yè)機器人與PLC以及其他外圍器件的電氣接線全部引出到工作臺面，并使用通用端子，可方便實現(xiàn)工作站的信號連接實驗， 方便對工作站控制結構進行拆分教學、常規(guī)維護、簡單排錯維護和工業(yè)機器人應用二次開發(fā)等實驗操作；PLC控制組件為模塊化設計，可以根據(jù)需求隨意添加所需功能模塊，方便工業(yè)機器人系統(tǒng)功能擴展；
5、資源豐富配套：配套的教學資源與工業(yè)機器人離線編程仿真軟件精密結合，與工作站深入融合，可在軟件中建立與真實工作站等比例的虛擬模型并進行軌跡規(guī)劃、調整與仿真，充分體現(xiàn)出離線編程相對于在線示教的技術優(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)，涵蓋了基礎技術理論、實驗操作過程、維護排錯技巧、系統(tǒng)搭建調試、離線編程應用等所有內(nèi)容，包含實體教材、PPT課件、實操錄像、專家講解等全方位資源，方便教學工作的開展，提高學生學習興趣。
1、軌跡模塊
如圖 2所示，基礎功能模塊分為基本軌跡練習區(qū)、離線編程練習區(qū)、坐標系偏移練習區(qū)和復雜工藝軌跡練習區(qū)。在基本軌跡練習區(qū)，基礎軌跡包括的矩形軌跡、三角形軌跡和圓弧軌跡等，通過基礎軌跡區(qū)域可完成示教編程基本運動指令、精確定位和軌跡逼近等實驗功能。離線編程區(qū)域設計了一個基本的橢圓軌跡和一個帶有復雜曲線的企鵝圖案，橢圓軌跡既可以通過多點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用場合，企鵝軌跡的繪制提高了學生在學習過程中的趣味性。在坐標系偏移練習區(qū)，有三個帶有平面坐標系的三角形軌跡，通過此部分可訓練坐標系的建立及運動軌跡的平移和旋轉。
復雜工藝軌跡練習區(qū)由一條貼附在 3D 軌跡板凸起部分的復雜樣條曲線組成。在工業(yè)機器人抓持筆工具后，可在此部分實現(xiàn)模擬涂膠和焊接復雜軌跡的運動功 能，并在運動過程中練習調整工具姿態(tài)。
智能料庫分為上下兩層，每層設置 4 個工位。每個工位都可以放置正方形、長方形或圓形的物料。同時，每個工位安裝有傳感檢測裝置，可自行判斷此工位是否有物料。
模擬流水線模塊由多功能料井、自動上料裝置、傳送裝置、視覺檢測裝置和廢料去除裝置組成，是一個集工業(yè)機器人、PLC、人機交互控制、傳感器、氣動控制、視覺檢測等前沿技術的綜合性實驗平臺。
圖 4 模擬流水線模塊
多功能料井為鋁合金材質，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)到達料井底部，料井底部設置有反射型光纖傳感器，當傳感器檢測到有物料落下時，觸發(fā)自動上料裝置，雙軸氣缸將物料推送到傳送裝置上。傳送裝置上電機配合精密減速器驅動傳送帶模擬真實工廠的流水線，在流水線的中間設置有視覺檢測裝置，檢測合格產(chǎn)品可以到達傳送帶的末端，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準圖像模板， 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 圖像與標準圖像板進行對比評判，從而區(qū)分出不同物塊產(chǎn)品并按要求作相應處理。實際上，在線視覺檢測系統(tǒng)在進行對比評判時，主要是根據(jù)受檢對象的特征和需 要重點關注的部位，有選擇地設置一些檢測比較區(qū)域，并依據(jù)所選區(qū)域的特征利 用相應的分析方法來進行對比評判，以達到在線檢測的目的。色標傳感器常用于 檢測特定色標或物體上的斑點，就其原理來說并不是檢測顏色，它是通過檢測色 標對光束的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實現(xiàn)檢測的。色標傳感器實際 是一種反向裝置，光源垂直于目標物體安裝，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)機器人進行應用整合，賦予機器人智能化的能力， 打造出智能化自動流水線系統(tǒng)，可以學習機器視覺與工業(yè)機器人協(xié)同工作的多個技術難點。此模塊集相機、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，可以實現(xiàn)與外圍設備的無縫通信。同時，從應用程序構筑到模擬均支持進一步自定義開發(fā)環(huán)境，可以進行二次開發(fā)的教學實踐。
搬運碼垛是工業(yè)機器人應用最廣泛的行業(yè)之一，此模塊作為流水線下料的存放臺，臺面上設置有與物料形狀對應的 6 個工位。當傳送裝置末端到位傳感器檢測到有信號時，會出發(fā)機器人將物料塊從傳送帶末端搬運到此臺面對應的工位。同時，此模塊具有兩個獨立的碼垛練習工位，每個工位有三個尺寸相同的長方形碼垛塊，通過這 6 個碼垛塊可以練習數(shù)組和循環(huán)指令的使用。
機器人末端工具是機器人的執(zhí)行單元，如圖 8 所示此模塊包括尖點輔助工具、筆工具、氣動夾爪工具和氣動吸盤工具。尖點輔助工具形狀為圓錐，具有TCP 校準功能，同時可以模擬去毛刺、涂膠工具。筆工具、夾爪工具和吸盤工具都配備了機械快換工具，與機器人法蘭盤的機械快換工具配套使用，可實現(xiàn)工具的快速更換。筆工具內(nèi)部設置有緩沖裝置，可以有效減少學生初步學習機器人操作時，由于不熟練導致剛性碰撞產(chǎn)生對工具的損壞。筆工具可以完成軌跡、寫字和繪畫等實驗內(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。
由工業(yè)機器人、IO 模塊、IO 操作臺、高性能 PLC、觸摸屏等構成，實現(xiàn)工業(yè)機器人 IO 參數(shù)配置、通信設置及高級程序編程練習，通過 PLC 模擬工業(yè)機器人在生產(chǎn)線應用中的相關實驗內(nèi)容。為了模擬工業(yè)機器人真實應用環(huán)境，操控平臺包含高性能 PLC 組件，以實現(xiàn)工業(yè)機器人與PLC 進行通訊協(xié)調工作。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)行時間可達 0.15μs，在應對繁瑣的程序邏輯、復雜的工藝要求時從容不迫，在同級別小型 PLC 中遙遙領先；采用模塊化設計， 方便二次升級和擴展；內(nèi)置數(shù)字量輸入 24 點、數(shù)字量輸出 16 點，包含 4 路高速計數(shù)器，同時集成了 3 路最高可達 100KHz 的高速脈沖輸出，支持 PWM/PTO 輸出方式以及多種運動模型，可自由設置運動包絡；內(nèi)置以太網(wǎng)口，集成了強大的編程通信功能，方便快捷地實現(xiàn)程序上傳下載和與周邊設備的通信，簡化組網(wǎng)過程；在繼承 SIEMENS 編程軟件強大功能的基礎上，融入了更多的人性化設計，如新穎的帶狀式菜單，全移動式界面窗口，方便的程序注釋功能，強大的密碼保護等。
臺面上所有功能部件采用模塊化設計，臺面上所有功能模塊具有可拆卸、可重復利用的優(yōu)點。每個模塊都有獨立的氣路和電路系統(tǒng)，模塊間留有氣源和線路接口。學校可以根據(jù)教學需要進行不同模塊的選配，在不同的情況下通過不同的組合達到不同的教學效果，功能模塊可以自由增減，搭配非常靈活。同時，學生在對機器人設備有一定的了解后，可對臺面進行二次開發(fā)，根據(jù)興趣和需要自主設計趣味性或競賽性模塊，很大程度上提高了學生的學習興趣。
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、便于擴展的優(yōu)點。各工作站既可以作為獨立的功能個體，完成機器人的實訓任務。也可以作為相互的擴展模塊，通過電纜緊密拼裝后組成一個整體的結構。某一個工作站作為主控，其他工作站協(xié)同。通過之前所述不同的設計賦予每個工作站不同的功能， 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，使其整體實現(xiàn)更加多元化的功能。
LG-BRI06型 工業(yè)機器人基礎教學工作站針對學校的教學特點，綜合了理（工業(yè)機器人編程理論知識）、虛（工業(yè)機器人虛擬仿真實訓任務）、實（實驗工作站與實訓任務配套）一體化教學特征，選用性能優(yōu)良的設備，采用最新自動化技術，融合“智能制造、智慧工廠”理念，采用“模塊化、簡易化”設計方法，可充分學習工業(yè)機器人及其周邊應用技術，切實掌握相關實操技能，基礎教學實驗工作站具有如下特征：
1、知識面覆蓋廣：該實驗裝置綜合應用了多學科技術，適用于機械原理、自動控制原理、電氣控制與可編程控制器、傳感器與檢測技術、計算機控制技術等課程的實踐教學，具體實踐內(nèi)容包括：工業(yè)機器人基礎教學， 智能視覺系統(tǒng)的應用，電氣控制與可編程控制器應用，傳感器與檢測技術應用，計算機控制技術，工業(yè)總線技術等。
2、性能質量優(yōu)良：采用市場占有率高、應用范圍廣的ABB品牌ABB IRB 120型工業(yè)機器人和自動化控制行業(yè)領軍品牌的德國SIEMENS公司S7-2 00 SMART系列PLC控制系統(tǒng)，確保平臺設備性能完全滿足學校的基礎教學需求，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、運行穩(wěn)定可靠：氣動執(zhí)行設備采用企業(yè)實際應用中常用的日本SMC品牌和臺灣AirTAC品牌優(yōu)質氣動組件；電氣控制元件采用企業(yè)實際應用中常用的法國Schneider品牌和日本OMRON品牌繼電器、接觸器、按鈕等元器件，以確保設備功能可靠和豐富；
4、技術領先開放：工業(yè)機器人與PLC以及其他外圍器件的電氣接線全部引出到工作臺面，并使用通用端子，可方便實現(xiàn)工作站的信號連接實驗， 方便對工作站控制結構進行拆分教學、常規(guī)維護、簡單排錯維護和工業(yè)機器人應用二次開發(fā)等實驗操作；PLC控制組件為模塊化設計，可以根據(jù)需求隨意添加所需功能模塊，方便工業(yè)機器人系統(tǒng)功能擴展；
5、資源豐富配套：配套的教學資源與工業(yè)機器人離線編程仿真軟件精密結合，與工作站深入融合，可在軟件中建立與真實工作站等比例的虛擬模型并進行軌跡規(guī)劃、調整與仿真，充分體現(xiàn)出離線編程相對于在線示教的技術優(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)，涵蓋了基礎技術理論、實驗操作過程、維護排錯技巧、系統(tǒng)搭建調試、離線編程應用等所有內(nèi)容，包含實體教材、PPT課件、實操錄像、專家講解等全方位資源，方便教學工作的開展，提高學生學習興趣。
圖 1 工業(yè)機器人示教編程實驗工作站
二、模塊配置1、軌跡模塊
如圖 2所示，基礎功能模塊分為基本軌跡練習區(qū)、離線編程練習區(qū)、坐標系偏移練習區(qū)和復雜工藝軌跡練習區(qū)。在基本軌跡練習區(qū)，基礎軌跡包括的矩形軌跡、三角形軌跡和圓弧軌跡等，通過基礎軌跡區(qū)域可完成示教編程基本運動指令、精確定位和軌跡逼近等實驗功能。離線編程區(qū)域設計了一個基本的橢圓軌跡和一個帶有復雜曲線的企鵝圖案，橢圓軌跡既可以通過多點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用場合，企鵝軌跡的繪制提高了學生在學習過程中的趣味性。在坐標系偏移練習區(qū)，有三個帶有平面坐標系的三角形軌跡，通過此部分可訓練坐標系的建立及運動軌跡的平移和旋轉。
復雜工藝軌跡練習區(qū)由一條貼附在 3D 軌跡板凸起部分的復雜樣條曲線組成。在工業(yè)機器人抓持筆工具后，可在此部分實現(xiàn)模擬涂膠和焊接復雜軌跡的運動功 能，并在運動過程中練習調整工具姿態(tài)。
圖2 基礎功能模塊
2、智能料庫模塊智能料庫分為上下兩層，每層設置 4 個工位。每個工位都可以放置正方形、長方形或圓形的物料。同時，每個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，是一個集工業(yè)機器人、PLC、人機交互控制、傳感器、氣動控制、視覺檢測等前沿技術的綜合性實驗平臺。
圖 4 模擬流水線模塊
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準圖像模板， 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 圖像與標準圖像板進行對比評判，從而區(qū)分出不同物塊產(chǎn)品并按要求作相應處理。實際上，在線視覺檢測系統(tǒng)在進行對比評判時，主要是根據(jù)受檢對象的特征和需 要重點關注的部位，有選擇地設置一些檢測比較區(qū)域，并依據(jù)所選區(qū)域的特征利 用相應的分析方法來進行對比評判，以達到在線檢測的目的。色標傳感器常用于 檢測特定色標或物體上的斑點，就其原理來說并不是檢測顏色，它是通過檢測色 標對光束的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實現(xiàn)檢測的。色標傳感器實際 是一種反向裝置，光源垂直于目標物體安裝，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檢測。
圖 5 視覺檢測連接方式
圖 6 拍照圖片處理流程
5、碼垛模塊搬運碼垛是工業(yè)機器人應用最廣泛的行業(yè)之一，此模塊作為流水線下料的存放臺，臺面上設置有與物料形狀對應的 6 個工位。當傳送裝置末端到位傳感器檢測到有信號時，會出發(fā)機器人將物料塊從傳送帶末端搬運到此臺面對應的工位。同時，此模塊具有兩個獨立的碼垛練習工位，每個工位有三個尺寸相同的長方形碼垛塊，通過這 6 個碼垛塊可以練習數(shù)組和循環(huán)指令的使用。
圖 7 碼垛模塊
6、機器人工具模塊機器人末端工具是機器人的執(zhí)行單元，如圖 8 所示此模塊包括尖點輔助工具、筆工具、氣動夾爪工具和氣動吸盤工具。尖點輔助工具形狀為圓錐，具有TCP 校準功能，同時可以模擬去毛刺、涂膠工具。筆工具、夾爪工具和吸盤工具都配備了機械快換工具，與機器人法蘭盤的機械快換工具配套使用，可實現(xiàn)工具的快速更換。筆工具內(nèi)部設置有緩沖裝置，可以有效減少學生初步學習機器人操作時，由于不熟練導致剛性碰撞產(chǎn)生對工具的損壞。筆工具可以完成軌跡、寫字和繪畫等實驗內(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 機器人工具模塊
7、綜合實驗功能由工業(yè)機器人、IO 模塊、IO 操作臺、高性能 PLC、觸摸屏等構成，實現(xiàn)工業(yè)機器人 IO 參數(shù)配置、通信設置及高級程序編程練習，通過 PLC 模擬工業(yè)機器人在生產(chǎn)線應用中的相關實驗內(nèi)容。為了模擬工業(yè)機器人真實應用環(huán)境，操控平臺包含高性能 PLC 組件，以實現(xiàn)工業(yè)機器人與PLC 進行通訊協(xié)調工作。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)行時間可達 0.15μs，在應對繁瑣的程序邏輯、復雜的工藝要求時從容不迫，在同級別小型 PLC 中遙遙領先；采用模塊化設計， 方便二次升級和擴展；內(nèi)置數(shù)字量輸入 24 點、數(shù)字量輸出 16 點，包含 4 路高速計數(shù)器，同時集成了 3 路最高可達 100KHz 的高速脈沖輸出，支持 PWM/PTO 輸出方式以及多種運動模型，可自由設置運動包絡；內(nèi)置以太網(wǎng)口，集成了強大的編程通信功能，方便快捷地實現(xiàn)程序上傳下載和與周邊設備的通信，簡化組網(wǎng)過程；在繼承 SIEMENS 編程軟件強大功能的基礎上，融入了更多的人性化設計，如新穎的帶狀式菜單，全移動式界面窗口，方便的程序注釋功能，強大的密碼保護等。
圖 9 SIEMENS 品牌 SIMATIC S7-200 SMART 系列 PLC
8、模塊搭配靈活臺面上所有功能部件采用模塊化設計，臺面上所有功能模塊具有可拆卸、可重復利用的優(yōu)點。每個模塊都有獨立的氣路和電路系統(tǒng)，模塊間留有氣源和線路接口。學校可以根據(jù)教學需要進行不同模塊的選配，在不同的情況下通過不同的組合達到不同的教學效果，功能模塊可以自由增減，搭配非常靈活。同時，學生在對機器人設備有一定的了解后，可對臺面進行二次開發(fā)，根據(jù)興趣和需要自主設計趣味性或競賽性模塊，很大程度上提高了學生的學習興趣。
圖 10 臺面模塊部件（可選配）
另外，模塊化機械設計是工業(yè)發(fā)達國家近二十年來一直采用的一種先進的機械產(chǎn)品設計方法。學生自主設計臺面功能模塊可作為《機械設計》課程的綜合實驗部分。學生根據(jù)課上所學機械原理和機械設計的基礎知識，在三維設計軟件中實現(xiàn)自己的設計想法，可自行設計機器人末端工具，臺面工裝、生產(chǎn)流水線及視覺分揀等。學生也可組隊完成整個臺面的重新規(guī)劃，利用設備本體提供的氣路和電路總線，賦予臺面新的設計亮點。此部分也可作為機械設計、機械制造、機電一體化、工業(yè)設計等專業(yè)的畢業(yè)設計內(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、便于擴展的優(yōu)點。各工作站既可以作為獨立的功能個體，完成機器人的實訓任務。也可以作為相互的擴展模塊，通過電纜緊密拼裝后組成一個整體的結構。某一個工作站作為主控，其他工作站協(xié)同。通過之前所述不同的設計賦予每個工作站不同的功能， 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，使其整體實現(xiàn)更加多元化的功能。
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