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工业机器人技术应用平台方案
一、设立背景及目的
随着《中国制造2025》战略规划的推进和制造业转型升级，工业机器人作为智能制造的重要实现者，在汽车、电子、食品、化工、装备制造等行业中得到越来越多的应用，相关行业对具备工业机器人技术的综合性应用人才和生产一线的专业技术工人的需求日益增强。为响应国家政策号召，配合产业发展，服务企业技术升级和转型，近两年来越来越多的职业院校开设了工业机器人技术应用及相关专业。
为了提高学生在工业机器人安装、操作、调试及应用等方面的技术技能水平，搭建集教学、比赛于一体的竞技与交流平台，推进以学生为主体的理实一体化教学模式改革，促进专业建设，全国机械职业教育教学指导委员会向国家有关部分申请设立归属于加工制造类的工业机器人中职国家竞赛且获得正式批准，此后工业机器人赛项专家组根据中职教育教学的要求与特点设计了机器人技术应用赛项的具体内容。
二、具体情况
1、赛项名称：机器人技术应用
2、赛项组别：中职组
3、专业大类：加工制造类
三、平台（工业机器人PCB异形插件工作站）功能
1 产品介绍
工业机器人PCB异形插件工作站，如图 1所示，以桌面式关节型六轴串联工业机器人为核心，在操作平台的四周合理分布有4种不同工艺应用的机器人工具以及涂胶单元、搬运码垛单元、异形芯片原料单元、异形芯片装配单元、视觉检测及光源单元、螺丝供料单元、总控系统及操作面板等组件。工作站深度集成了离线编程技术，软件中不仅包含了与硬件平台的相符三维模型资源，还大大简化了涂胶及搬运码垛工艺实现的编程应用过程、提高轨迹复现精度、避免发生碰撞干涉。工作站包含了涂胶工艺、搬运码垛工艺、分拣工艺、装配工艺等工业机器人典型应用，不仅满足了职业院校不同专业学生针对工业机器人的操作和编程的教学需求，来源于工业应用现场的特征也使该工作站更加适合于作为职业技能竞赛平台。
图 1 工业机器人PCB异形插件工作站
工业机器人PCB异形插件工作站融合了工业机器人维护及操作、系统安装及调试、现场示教编程及调试、离线编程及应用等技能要求，以3C行业典型的异形芯片插件工艺过程为任务主线，产品分为异形芯片零件、PCB电路板和盖板代表不同产品，采用模拟化设计提高装配产品的复用率，如图 2所示。
图 2 电子产品PCB异形芯片插片产品
.2 技术参数
输入电源：交流单相220V，频率50Hz
额定功率：5kW
安全保护：急停开关、漏电保护、短路保护、过载保护
整体尺寸：2200mm×1350mm×1500mm
.3主要配置
工业机器人：ABB IRB 120、STEP SD500
PLC：SIEMENS
模拟工艺：码垛、涂胶、分拣、装配
机械快换：EINS
视觉检测：OMRON
气动组件：AirTAC、SMC
电气组件：OMRON、Schneider、Rittal
.4 核心功能
工业机器人PCB异形插件工作站以3C典型产品的生产装配过程为主线，包含了涂胶、搬运码垛、视觉分拣、装配、锁螺丝、检测等工艺过程，所有涉及设备均合理布置在工作站台面上，方便查看设备状态和操作编程，布局方式如图 3所示。
图 3 工业机器人PCB异形插件工作站布局
工作站选用桌面型工业机器人用来将所有加工工序串联起来，可根据学校需求更换不同品牌近似规格型号的产品，为确保设备使用一贯性和稳定性，建议采用瑞士ABB品牌的IRB 120型、中国新时达品牌的SD 500型，如图 4所示，两款工业机器人的额定负载、工作范围和重复定位精度基本相同，小巧灵活特性使其广泛应用于3C、电子、食品等行业，同时较小的工作半径和额定负载，在保证功能实现效果的前提下，确保教学和竞赛安全，防止发生人员意外，满足工作站使用要求。
图 4 可选工业机器人型号
工业机器人工具种类直接决定了工业机器人的应用功能，如图 5所示，4种不同功能的工具覆盖了活塞发动机生产的完整过程，多个工具都采用复合设计，以实现不同的工艺功能。所有工具均采用工业级工具快换系统，实现了无需人为干预，工业机器人可在不同工具间自由切换，同时确保气路、电路信号通信正常，大大扩展了工业机器人的应用能力。涂胶工具采用仿形设计，内部安装可轴向移动的颜色笔可以在涂胶模块上按轨迹要求涂绘；夹爪工具利用气缸驱动，采用平行二指形式，可以稳定夹取码垛物料；吸盘工具采用双功能设计，即可稳定吸取异形芯片，又可吸取盖板；锁螺丝工具可以将供螺丝组件提供的螺丝按照锁紧力矩将盖板和PCB电路板锁固。
图 5 工具快换系统及工具
涂胶单元是将工业机器人对产品装配前的涂胶工艺进行功能抽象化，工业机器人抓持涂胶工具沿具有弧形曲面的面板上合理布置不同产品外轮廓轨迹上模拟工艺过程，如图 6所示，保证工艺真实性同时增加教学可行性和趣味性。利用涂胶模块和所提供的不同内容的轨迹图纸，利用涂胶工具，同时可以完成工业机器人脱离工艺应用的基础操作和编程教学应用。
图 6 涂胶单元
搬运码垛单元是将工业机器人对产品搬运码垛工艺进行功能抽象化，工业机器人抓持夹爪工具将已完成生产的方形产品由原料台按照要求搬运码垛到位置，如图 7所示，提供两种不同类型的仓储料库，可以模拟传送带队列式供货和平台堆垛，通过对物料转移过程和堆垛形式的要求增加教学多样性，提高编程复杂度。
图 7 码垛单元
异形芯片原料单元用于存放不同类型的异形芯片，通过形状不同代表不同种类、颜色不同代表不同型号，异形芯片装配单元提供多个装配工位，如图 8所示，分别用于不同产品的装配和检测。不同产品对芯片种类、数量的要求不一，需要工业机器人根据要求从异形芯片原料单元中选取所需的芯片后放置到位置，在完成所有芯片的安装后，为产品安放盖板并锁紧固定螺丝。
图 8 异形芯片原料单元及装配单元
视觉检测及光源单元可以对工业机器人所选取芯片的颜色、形状、位置等信息进行检测和提取，如图 9所示，并将检测结果传输给工业机器人，以辅助其完成后续动作。视觉镜头配套检测光源，可以尽量避免环境光源对检测结果的影响。采用倒置式安装，可以使机器人手持零件进行检测，减少周边配套设备，简化机器人轨迹动作。
图 9 视觉检测单元
工作站为方便教学和竞赛使用，在平台上布置了云监控，如图 10所示，利用互联网可将设备的实时操作过程在大尺寸教学终端中进行展示，避免了集中式教学学生围观又无法切实看清教师操作过程的问题，也可以在竞赛过程中实现直播提高观赏度，同时方便教师对学生的操作流程进行实时点评，提高教学指导效果，存储在系统中的录像实现对操作过程可追溯，为竞赛过程中争议事件提供佐证材料。同时，在工作站操作正面，利用线性光栅作为安全保护措施，当操作人员进入危险区域时，工作站会蜂鸣报警，并降低工业机器人运动速度，甚至触发急停，以避免危险发生。
图 10 云监控及安全光栅
离线编程软件选用可同时支持ABB IRB 120和新时达 SD500两种工业机器人的RobotArt软件（实际上可以支持国内外超过10种主流的工业机器本体），采用解算算法并已申请软件著作权，集成了计算机三维实体显示、系统仿真、智能轨迹优化、运动控制代码生成等核心技术，使得工业机器人获得了更加强大的“大脑”，可以轻松应对复杂轨迹的高精度生成和复现，在计算机上完成轨迹设计、规划、运动仿真、碰撞检查、姿态优化，最后直接生成工业机器人控制器所需的执行运动代码，同时还提供了方便的轨迹整体优化、工艺过程设计和空间校准算法，缩短了工业机器人的停机调试时间，为工业机器人实现更广泛的应用提供技术支撑。
序号 | 组件名称 | 数量 | 详细技术参数 |
1 | 工业机器人 （ABB） | 1台 | 本体： 1) ★具有6个自由度，串联关节型工业机器人 2) ★工作范围580mm 3) ★额定负载3kg 4) ★重复定位精度0.01mm 5) 安全性包括安全停、紧急停、2通道安全回路监测、3位启动装置 6) 集成信号源为手腕设10路信号 7) 集成气源为手腕设4路空气（5bar） 控制器： 1) 采用RobotWare工业机器人控制软件 2) 采用RAPID工业机器人编程语言 3) 内置16路输入/16路输出的数字量I/O模块 示教器： 1) 图形化彩色触摸屏 2) 操纵杆 3) 热插拔，运行时可插拔 底座： 1) 材料铝合金 2) 尺寸250mm×250mm×15mm |
2 | 快换工具 | 1套 | 1) ▲工具快换系统：机器人手臂安装有法兰端快换模块，可实现不同工具间无需人为干涉自动完成切换，6路气动信号，额定负载3kg，厚度38mm，重量125g 2) 胶枪工具：含有工具端快换模块与法兰端快换模块配套，总长140mm，外壳为铝合金材质，可以配合轨迹图纸实现模拟零件外壳涂胶的轨迹编程实训，可更换笔芯设计且笔芯可10mm窜动放置碰撞损坏 3) 夹爪工具：含有工具端快换模块与法兰端快换模块配套，可稳固抓取搬运码垛物料，总长140mm，夹头为铝合金材质，采用气动驱动，内径20mm，重复精度±0.01mm，闭合夹持力45N，开闭行程10mm 4) 吸盘工具：含有工具端快换模块与法兰端快换模块配套，总长110mm，结构为铝合金材质，4mm直径吸盘1个，20mm直径吸盘2个，可稳固抓取各种形状的芯片零件及盖板 5) 锁螺丝工具：含有工具端快换模块与法兰端快换模块配套，结构为铝合金材质，总长360mm，扭力0.19Nm~0.78Nm，转速2200r/min |
3 | 涂胶单元 | 1套 | 1) 3D轨迹图板尺寸440mm×250mm，具有半经50mm的拱形面，材质碳钢烤漆，厚度3mm 2) 轨迹路径包含圆形、三角形、复杂轮廓和样条曲线，以及不同位置、不同指向的基准坐标系 3) 提供工具TCP参数标定用，材质不锈钢，可以随意固定在3D轨迹图板的任何位置 4) 包含2张轨迹图纸，可自动吸附在3D轨迹图板上 |
4 | 码垛单元 | 1套 | 1) 原料台由铝型材配合不锈钢导槽构成，利用高度差实现物料自动排列，可满足6个物料的存储 2) 码垛台由台面和支撑构成，台面为POM，尺寸110mm×110mm×15mm，采用铝合金型材支撑，高度160mm，可满足多种形式的码垛 3) 包含模拟物料，材质PVC，尺寸65mm×32.5mm×15mm，数量6个，采用工形设计方便夹爪夹持，可实现在两个码垛台间的搬运、码垛实训 |
5 | 视觉检测单元 | 1套 | 1) ▲视觉检测采用CCD拍照检测，有效像素数1600×1200，彩色检测，摄像面积7.1mm×5.4mm，场景数128个，可存储图像数43张，可利用流程编辑功能制作处理流程，支持串行RS-232C和网络Ethernet通讯，提供高速输入1点、高速输出4点、通用输入9点和通用输出23点的并行通信，提供DVI-I监控输出 2) 提供环形光源，白色，内圆直径90mm，外圆直径120mm，供电电压24V，供电电流440mA 3) 视觉检测结果和采集图像信息通过12英寸显示器即时显示，方便视觉检测参数调整和状态监控 |
6 | 装配检测单元 | 1套 | 1) 安装检测单元内含4个功能相同的装配检测工位，可与工业机器人配合完成PCB异形芯片的安装及检测功能，4个工位的安装由铝型材搭建的框架支撑 2) 安装检测工位整体尺寸为410mm×190mm×180mm，结构为铝合金材质，分为底板、安装平台和检测支架 3) 安装平台安装在双列线性滑轨上，宽度9mm，长度300mm，采用气动驱动，内径16mm，有效行程200mm，安全保持力140N 4) 检测支架升降由气动驱动，内径16mm，有效行程20mm，安装有LED导光板，尺寸为100mm×100mm×1.5mm，颜色蓝色，可在检测过程中亮起 5) 底板安装有红、绿两色指示灯，用于在检测完成后提示安装是否有误、芯片是否有缺陷 |
7 | 螺丝供料单元 | 1套 | 1) 包含送料系统和分配系统，可通过管道将螺丝排序并输送分配到电动锁螺丝工具上，采用涡轮方式将螺丝排序到震动导轨上，通过气管压力将螺丝分配到工具锁嘴处 2) 外形尺寸360mm×250mm×160mm 3) 输送速度0.5s/颗 4) 适用螺丝规格M2~M5，螺丝长度20mm 5) 提供液晶屏显示当前状态，具有计数和报警功能，可手动控制螺丝供料 |
8 | 原料料库 | 1套 | 1) 材质白色POM，单层共4个料区，可分别用于存放异形芯片零件、盖板和PCB电路板 2) 整体弧形设计，内圆半径500mm，方便机器人抓取物料 |
9 | 电子产品PCB电路板 | 5套 | 1) ▲电子产品PCB电路板由异形芯片零件、PCB电路板和盖板组成，PCB电路板和盖板由螺丝紧固 2) 异形芯片零件，包括圆形、小矩形、大矩形、方形等不同形状和不同颜色的芯片，用以代表CPU、集成电路、电阻、电容、三极管等元件 3) PCB电路板，尺寸120mm×120mm，厚12mm，上绘制了模拟电路线路图，留有不同异形芯片零件的安装位置，每个PCB电路板的线路图和芯片零件安装位置都不相同，代表不同电子产品，四角提供螺钉孔 4) 盖板，尺寸120mm×120mm，厚5mm，外壳雕刻文字代表不同电子产品，四角提供螺钉孔 |
10 | 操控面板 | 1套 | 1) 提供工作站启动、停止、模式控制和急停按钮，可实现对设备运行操作 2) 提供故障及设备运行状态指示灯 3) 提供多个故障设置点，可模拟不同情况下的故障 4) 提供多个电路信号及气路信号的快接插口，可以方便完成电气接线及调试训练 5) ▲包含工业HMI触摸屏作为人机交互接口，显示器为7英寸TFT，分辨率800×480，亮度350，对比度500:1，背光类型LED，触控面板类型为4线电阻式，Flash存储器120MB，DRAM为64MB，处理器为 32BitRISC CPU 400MHz，提供RS-232和RS-485串行接口 |
11 | 总控系统 | 1套 | 1) ▲采用高性能PLC实现集成控制，提供以太网及串口通信，模块化设计，支持6个模块扩展，方便升级 2) 电气控制元件采用好的产品，包含滤波、短路保险等安全机制 3) 工作台正面提供运行安全装置，采用光栅传感器，光轴数量8，光轴间距40mm 4) 操作过程可通过摄像头采集记录，焦距2.8mm，焦段广角，清晰度720p，感光面积1/3英寸，IP66防水防尘，可通过WiFi连接云端监控，监控信息可存储在扩展存储卡中，并将监控信息通过12寸显示屏实时显示 5) 供气系统功率600W，排气量118L/min，压力8bar，储气罐24L，噪音52db，无油，配套气路控制元件和真空元件 |
12 | 工作台架 | 1台 | 1) 铝合金框架，有机玻璃门，碳钢钣金侧板及底板，正面和背面可打开存放设备及物品 2) 整体尺寸2200mm×1350mm×700mm 3) 安装台面为铝合金T型槽，台面尺寸2100mm×1100mm，厚度20mm 4) 底部安装有万向脚轮和固定支撑，方便移动和固定 |
13 | 配套工具 | 1套 | 提供安装、调试工作站所需工具一套，包括：工具箱1个、内六角扳手1套、250mm活动扳手1把、17mm/19mm开口扳手1把、13mm开口扳手1把、5.5mm开口扳手1把、螺丝刀1套、5米卷尺1个、斜口钳1把、Y型端子钳1把、裸端型端子钳1把、剥线钳1把、美工刀1把、万用表1个、PLC编程线1根、触摸屏编程线1根、程序拷贝U盘1个 |
14 | 离线编程 | 5节点 | RobotArt竞赛版 1) 正版软件，可提供持续的中文技术支持服务、软件可使用所有功能模块； 2) 包含与硬件平台完成一致的三维模型环境 4) 采用通用3D技术，与CAD教学衔接，支持3D CAD系统的模型文件导入，可通过三维球功能对模型进行平移、旋转操作 5) 轨迹生成基于CAD数据，简化轨迹生成过程，提高精度，可利用实体模型、曲面或曲线直接生成运动轨迹 6) 包含丰富的轨迹调整优化工具包，如碰撞检查、工业机器人可达性、姿态奇异点、轴超限功能 7) 包含涂胶和码垛工艺包，可以方便的完成复杂轨迹涂胶和物料的码垛拆垛工序编程 8) 支持工具快换功能，可以方便的仿真并输出工业机器人对工具快换系统的操作，扩展工业机器人应用范围，使工业机器人可以在涂胶工具和夹爪工具间自由切换。 |
