工業機器人技術應用平台方案
一、設立背景及目的
隨著《中國製造2025》戰略規劃的推進和製造業轉型升級，工業機器人作為智能製造的重要實現者，在汽車、電子、食品、化工、裝備製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。
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為了提高學生在工業機器人安裝、操作、調試及應用等方麵的技術技能水平，搭建集教學、比賽於一體的競技與交流平台，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於加工製造類的工業機器人中職國家競賽且獲得正式批準，此後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：加工製造類
三、平台（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，以桌麵式關節型六軸串聯工業機器人為核心，在操作平台的四周合理分布有4種不同工藝應用的機器人工具以及塗膠單元、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、總控係統及操作麵板等組件。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台的相符三維模型資源，還大大簡化了塗膠及搬運碼垛工藝實現的編程應用過程、提高軌跡複現精度、避免發生碰撞幹涉。工作站包含了塗膠工藝、搬運碼垛工藝、分揀工藝、裝配工藝等工業機器典型應用，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，完全來源於工業應用現場的特征也使該工作站更加適合於作為職業技能競賽平台。
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、係統安裝及調試、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複用率，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、塗膠、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，包含了塗膠、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台麵上，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
工作站選用桌麵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、工作範圍和重複定位精度基本相同，小巧靈活特性使其廣泛應用於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，多個工具都采用複合設計，以實現不同的工藝功能。所有工具均采用工業級工具快換係統，實現了無需人為幹預，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。塗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塗膠模塊上按軌跡要求塗繪；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指定鎖緊力矩將蓋板和PCB電路板鎖固。
圖 5 工具快換係統及工具
塗膠單元是將工業機器人對產品裝配前的塗膠工藝進行功能抽象化，工業機器人抓持塗膠工具沿具有弧形曲麵的麵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。利用塗膠模塊和所提供的不同內容的軌跡圖紙，利用塗膠工具，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 塗膠單元
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台按照要求搬運碼垛到指定位置，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台堆垛，通過對物料轉移過程和堆垛形式的要求增加教學多樣性，提高編程複雜度。
圖 7 碼垛單元
異形芯片原料單元用於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，分別用於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後放置到指定位置，在完成所有芯片的安裝後，為產品安放蓋板並鎖緊固定螺絲。
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，並將檢測結果傳輸給工業機器人，以輔助其完成後續動作。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，在平台上布置了雲監控，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，存儲在係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，在工作站操作正麵，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，並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 雲監控及安全光柵
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），采用解算算法並已申請軟件著作權，集成了計算機三維實體顯示、係統仿真、智能軌跡優化、運動控製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”，可以輕鬆應對複雜軌跡的高精度生成和複現，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，最後直接生成工業機器人控製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。
