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工業機器人技術應用平臺方案
一、設立背景及目的
隨著《中國制造2025》戰略規劃的推進和制造業轉型升級，工業機器人作為智能制造的重要實現者，在汽車、電子、食品、化工、裝備制造等行業中得到越來越多的應用，相關行業對具備工業機器人技術的綜合性應用人才和生產一線的專業技術工人的需求日益增強。為響應國家政策號召，配合產業發展，服務企業技術升級和轉型，近兩年來越來越多的職業院校開設了工業機器人技術應用及相關專業。
為了提高學生在工業機器人安裝、操作、調試及應用等方面的技術技能水平，搭建集教學、比賽于一體的競技與交流平臺，推進以學生為主體的理實一體化教學模式改革，促進專業建設，全國機械職業教育教學指導委員會向國家有關部分申請設立歸屬于加工制造類的工業機器人中職國家競賽且獲得正式批準，此后工業機器人賽項專家組根據中職教育教學的要求與特點設計了機器人技術應用賽項的具體內容。
二、具體情況
1、賽項名稱：機器人技術應用
2、賽項組別：中職組
3、專業大類：加工制造類
三、平臺（工業機器人PCB異形插件工作站）功能
1 產品介紹
工業機器人PCB異形插件工作站，如圖 1所示，以桌面式關節型六軸串聯工業機器人為核心，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、總控系統及操作面板等組件。工作站深度集成了離線編程技術，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的編程應用過程、提高軌跡復現精度、避免發生碰撞干涉。工作站包含了涂膠工藝、搬運碼垛工藝、分揀工藝、裝配工藝等工業機器人典型應用，不僅滿足了職業院校不同專業學生針對工業機器人的操作和編程的教學需求，來源于工業應用現場的特征也使該工作站更加適合于作為職業技能競賽平臺。
圖 1 工業機器人PCB異形插件工作站
工業機器人PCB異形插件工作站融合了工業機器人維護及操作、系統安裝及調試、現場示教編程及調試、離線編程及應用等技能要求，以3C行業典型的異形芯片插件工藝過程為任務主線，產品分為異形芯片零件、PCB電路板和蓋板代表不同產品，采用模擬化設計提高裝配產品的復用率，如圖 2所示。
圖 2 電子產品PCB異形芯片插片產品
.2 技術參數
? 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、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
工業機器人PCB異形插件工作站以3C典型產品的生產裝配過程為主線，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，所有涉及設備均合理布置在工作站臺面上，方便查看設備狀態和操作編程，布局方式如圖 3所示。
圖 3 工業機器人PCB異形插件工作站布局
工作站選用桌面型工業機器人用來將所有加工工序串聯起來，可根據學校需求更換不同品牌近似規格型號的產品，為確保設備使用一貫性和穩定性，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，兩款工業機器人的額定負載、工作范圍和重復定位精度基本相同，小巧靈活特性使其廣泛應用于3C、電子、食品等行業，同時較小的工作半徑和額定負載，在保證功能實現效果的前提下，確保教學和競賽安全，防止發生人員意外，滿足工作站使用要求。
圖 4 可選工業機器人型號
工業機器人工具種類直接決定了工業機器人的應用功能，如圖 5所示，4種不同功能的工具覆蓋了活塞發動機生產的完整過程，多個工具都采用復合設計，以實現不同的工藝功能。所有工具均采用工業級工具快換系統，實現了無需人為干預，工業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，大大擴展了工業機器人的應用能力。涂膠工具采用仿形設計，內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動，采用平行二指形式，可以穩定夾取碼垛物料；吸盤工具采用雙功能設計，即可穩定吸取異形芯片，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 工具快換系統及工具
涂膠單元是將工業機器人對產品裝配前的涂膠工藝進行功能抽象化，工業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可行性和趣味性。利用涂膠模塊和所提供的不同內容的軌跡圖紙，利用涂膠工具，同時可以完成工業機器人脫離工藝應用的基礎操作和編程教學應用。
圖 6 涂膠單元
搬運碼垛單元是將工業機器人對產品搬運碼垛工藝進行功能抽象化，工業機器人抓持夾爪工具將已完成生產的方形產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，通過對物料轉移過程和堆垛形式的要求增加教學多樣性，提高編程復雜度。
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，分別用于不同產品的裝配和檢測。不同產品對芯片種類、數量的要求不一，需要工業機器人根據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，并將檢測結果傳輸給工業機器人，以輔助其完成后續動作。視覺鏡頭配套檢測光源，可以盡量避免環境光源對檢測結果的影響。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
工作站為方便教學和競賽使用，在平臺上布置了云監控，如圖 10所示，利用互聯網可將設備的實時操作過程在大尺寸教學終端中進行展示，避免了集中式教學學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直播提高觀賞度，同時方便教師對學生的操作流程進行實時點評，提高教學指導效果，存儲在系統中的錄像實現對操作過程可追溯，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，當操作人員進入危險區域時，工作站會蜂鳴報警，并降低工業機器人運動速度，甚至觸發急停，以避免危險發生。
圖 10 云監控及安全光柵
離線編程軟件選用可同時支持ABB IRB 120和新時達 SD500兩種工業機器人的RobotArt軟件（實際上可以支持國內外超過10種主流的工業機器本體），采用解算算法并已申請軟件著作權，集成了計算機三維實體顯示、系統仿真、智能軌跡優化、運動控制代碼生成等核心技術，使得工業機器人獲得了更加強大的“大腦”，可以輕松應對復雜軌跡的高精度生成和復現，在計算機上完成軌跡設計、規劃、運動仿真、碰撞檢查、姿態優化，最后直接生成工業機器人控制器所需的執行運動代碼，同時還提供了方便的軌跡整體優化、工藝過程設計和空間校準算法，縮短了工業機器人的停機調試時間，為工業機器人實現更廣泛的應用提供技術支撐。
四、平臺技術參數(單臺配置)
序號 | 組件名稱 | 數量 | 詳細技術參數 |
1 | 工業機器人 （ABB） | 1臺 | 本體： 1) ★具有6個自由度，串聯關節型工業機器人 2) ★工作范圍580mm 3) ★額定負載3kg 4) ★重復定位精度0.01mm 5) 安全性包括安全停、緊急停、2通道安全回路監測、3位啟動裝置 6) 集成信號源為手腕設10路信號 7) 集成氣源為手腕設4路空氣（5bar） 控制器： 1) 采用RobotWare工業機器人控制軟件 2) 采用RAPID工業機器人編程語言 3) 內置16路輸入/16路輸出的數字量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：機器人手臂安裝有法蘭端快換模塊，可實現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，可以配合軌跡圖紙實現模擬零件外殼涂膠的軌跡編程實訓，可更換筆芯設計且筆芯可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，可穩固抓取搬運碼垛物料，總長140mm，夾頭為鋁合金材質，采用氣動驅動，內徑20mm，重復精度±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，結構為鋁合金材質，4mm直徑吸盤1個，20mm直徑吸盤2個，可穩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，結構為鋁合金材質，總長360mm，扭力0.19Nm~0.78Nm，轉速2200r/min |
3 | 涂膠單元 | 1套 | 1) 3D軌跡圖板尺寸440mm×250mm，具有半經50mm的拱形面，材質碳鋼烤漆，厚度3mm 2) 軌跡路徑包含圓形、三角形、復雜輪廓和樣條曲線，以及不同位置、不同指向的基準坐標系 3) 提供工具TCP參數標定用，材質不銹鋼，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槽構成，利用高度差實現物料自動排列，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PVC，尺寸65mm×32.5mm×15mm，數量6個，采用工形設計方便夾爪夾持，可實現在兩個碼垛臺間的搬運、碼垛實訓 |
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1600×1200，彩色檢測，攝像面積7.1mm×5.4mm，場景數128個，可存儲圖像數43張，可利用流程編輯功能制作處理流程，支持串行RS-232C和網絡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監控輸出 2) 提供環形光源，白色，內圓直徑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，方便視覺檢測參數調整和狀態監控 |
6 | 裝配檢測單元 | 1套 | 1) 安裝檢測單元內含4個功能相同的裝配檢測工位，可與工業機器人配合完成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，結構為鋁合金材質，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，采用氣動驅動，內徑16mm，有效行程200mm，安全保持力140N 4) 檢測支架升降由氣動驅動，內徑16mm，有效行程20mm，安裝有LED導光板，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) 包含送料系統和分配系統，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) 適用螺絲規格M2~M5，螺絲長度20mm 5) 提供液晶屏顯示當前狀態，具有計數和報警功能，可手動控制螺絲供料 |
8 | 原料料庫 | 1套 | 1) 材質白色POM，單層共4個料區，可分別用于存放異形芯片零件、蓋板和PCB電路板 2) 整體弧形設計，內圓半徑500mm，方便機器人抓取物料 |
9 | 電子產品PCB電路板 | 5套 | 1) ▲電子產品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，可實現對設備運行操作 2) 提供故障及設備運行狀態指示燈 3) 提供多個故障設置點，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試訓練 5) ▲包含工業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，Flash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 | 1套 | 1) ▲采用高性能PLC實現集成控制，提供以太網及串口通信，模塊化設計，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連接云端監控，監控信息可存儲在擴展存儲卡中，并將監控信息通過12寸顯示屏實時顯示 5) 供氣系統功率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，碳鋼鈑金側板及底板，正面和背面可打開存放設備及物品 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、調試工作站所需工具一套，包括：工具箱1個、內六角扳手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節點 | RobotArt競賽版 1) 正版軟件，可提供持續的中文技術支持服務、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境 4) 采用通用3D技術，與CAD教學銜接，支持3D CAD系統的模型文件導入，可通過三維球功能對模型進行平移、旋轉操作 5) 軌跡生成基于CAD數據，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) 包含豐富的軌跡調整優化工具包，如碰撞檢查、工業機器人可達性、姿態奇異點、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機器人對工具快換系統的操作，擴展工業機器人應用范圍，使工業機器人可以在涂膠工具和夾爪工具間自由切換。 |
