HKJQR-BRI06型 工业机器人基础教学工作站
图 1 工业机器人示教编程实验工作站
一、功能介绍
HKJQR-BRI06型 工业机器人基础教学工作站针对学校的教学特点，综合了理（工业机器人编程理论知识）、虚（工业机器人虚拟仿真实训任务）、实（实验工作站与实训任务配套）一体化教学特征，选用性能优良的设备，采用最新自动化技术，融合“智能制造、智慧工厂”理念，采用“模块化、简易化”设计方法，可充分学习工业机器人及其周边应用技术，切实掌握相关实操技能，基础教学实验工作站具有如下特征：
1、知识面覆盖广：该实验装置综合应用了多学科技术，适用于机械原理、自动控制原理、电气控制与可编程控制器、传感器与检测技术、计算机控制技术等课程的实践教学，具体实践内容包括：工业机器人基础教学， 智能视觉系统的应用，电气控制与可编程控制器应用，传感器与检测技术应用，计算机控制技术，工业总线技术等。
2、性能质量优良：采用市场占有率高、应用范围广的ABB品牌ABB IRB 120型工业机器人和自动化控制行业领军品牌的德国SIEMENS公司S7-2 00 SMART系列PLC控制系统，确保平台设备性能完全满足学校的基础教学需求，综合考虑了控制模块的可拓展功能，通过总线模块可将多套工作站组合连接起来；
3、运行稳定可靠：气动执行设备采用企业实际应用中常用的日本SMC品牌和台湾AirTAC品牌优质气动组件；电气控制元件采用企业实际应用中常用的法国Schneider品牌和日本OMRON品牌继电器、接触器、按钮等元器件，以确保设备功能可靠和丰富；
4、技术领先开放：工业机器人与PLC以及其他外围器件的电气接线全部引出到工作台面，并使用通用端子，可方便实现工作站的信号连接实验， 方便对工作站控制结构进行拆分教学、常规维护、简单排错维护和工业机器人应用二次开发等实验操作；PLC控制组件为模块化设计，可以根据需求随意添加所需功能模块，方便工业机器人系统功能扩展；
5、资源丰富配套：配套的教学资源与工业机器人离线编程仿真软件精密结合，与工作站深入融合，可在软件中建立与真实工作站等比例的虚拟模型并进行轨迹规划、调整与仿真，充分体现出离线编程相对于在线示教的技术优越性和操作便捷性；配套的课程资源由华昱智汇自主开发，涵盖了基础技术理论、实验操作过程、维护排错技巧、系统搭建调试、离线编程应用等所有内容，包含实体教材、PPT课件、实操录像、专家讲解等全方位资源，方便教学工作的开展，提高学生学习兴趣。
二、模块配置
1、轨迹模块
如图 2所示，基础功能模块分为基本轨迹练习区、离线编程练习区、坐标系偏移练习区和复杂工艺轨迹练习区。在基本轨迹练习区，基础轨迹包括的矩形轨迹、三角形轨迹和圆弧轨迹等，通过基础轨迹区域可完成示教编程基本运动指令、精确定位和轨迹逼近等实验功能。离线编程区域设计了一个基本的椭圆轨迹和一个带有复杂曲线的企鹅图案，椭圆轨迹既可以通过多点示教编程和离线编程两种方式完成，通过对比，可以直观的了解两种编程方式的差异和应用场合，企鹅轨迹的绘制提高了学生在学习过程中的趣味性。在坐标系偏移练习区，有三个带有平面坐标系的三角形轨迹，通过此部分可训练坐标系的建立及运动轨迹的平移和旋转。
复杂工艺轨迹练习区由一条贴附在 3D 轨迹板凸起部分的复杂样条曲线组成。在工业机器人抓持笔工具后，可在此部分实现模拟涂胶和焊接复杂轨迹的运动功 能，并在运动过程中练习调整工具姿态。
图2 基础功能模块
2、智能料库模块
智能料库分为上下两层，每层设置 4 个工位。每个工位都可以放置正方形、长方形或圆形的物料。同时，每个工位安装有传感检测装置，可自行判断此工位是否有物料。
图3 智能料库模块
3、模拟流水线模块
模拟流水线模块由多功能料井、自动上料装置、传送装置、视觉检测装置和废料去除装置组成，是一个集工业机器人、PLC、人机交互控制、传感器、气动控制、视觉检测等前沿技术的综合性实验平台。
图 4 模拟流水线模块
多功能料井为铝合金材质，可兼容正方形、长方形和圆形三种形状的物料块以固定的姿态到达料井底部，料井底部设置有反射型光纤传感器，当传感器检测到有物料落下时，触发自动上料装置，双轴气缸将物料推送到传送装置上。传送装置上电机配合精密减速器驱动传送带模拟真实工厂的流水线，在流水线的中间设置有视觉检测装置，检测合格产品可以到达传送带的末端，不合格产品作为废料，由废料去除装置推出传送带。在传送带末端配有精密传感器感应产品是否到位。
4、视觉检测模块
视觉检测装置分为形状识别和颜色识别两部分，形状识别采用高精度 CCD 视觉系统，检测系统的基本工作原理是，首先建立起被检测对象的标准图像模板， 然后对生产过程中接受检测的对象一一拍照成像，再把每一幅图像，再把每一副 图像与标准图像板进行对比评判，从而区分出不同物块产品并按要求作相应处理。实际上，在线视觉检测系统在进行对比评判时，主要是根据受检对象的特征和需 要重点关注的部位，有选择地设置一些检测比较区域，并依据所选区域的特征利 用相应的分析方法来进行对比评判，以达到在线检测的目的。色标传感器常用于 检测特定色标或物体上的斑点，就其原理来说并不是检测颜色，它是通过检测色 标对光束的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的。色标传感器实际 是一种反向装置，光源垂直于目标物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装， 让它只检测来自目标物体的散射光，从而避免传感器直接接收反射光，并且可使 光束聚焦很窄。白炽灯和单色光源都可用于色标检测。
图 5 视觉检测连接方式
此模块将视觉检测与工业机器人进行应用整合，赋予机器人智能化的能力， 打造出智能化自动流水线系统，可以学习机器视觉与工业机器人协同工作的多个技术难点。此模块集相机、通信端口及图像处理算法等智能图像处理系统于一体， 也兼备 PC-BASE 图像处理的灵活性。为方便客户教学和研究等用途，视觉检测系统具有良好的开放性，具有丰富的端口，不限定连接对象，可以实现与外围设备的无缝通信。同时，从应用程序构筑到模拟均支持进一步自定义开发环境，可以进行二次开发的教学实践。
图 6 拍照图片处理流程
5、码垛模块
搬运码垛是工业机器人应用最广泛的行业之一，此模块作为流水线下料的存放台，台面上设置有与物料形状对应的 6 个工位。当传送装置末端到位传感器检测到有信号时，会出发机器人将物料块从传送带末端搬运到此台面对应的工位。同时，此模块具有两个独立的码垛练习工位，每个工位有三个尺寸相同的长方形码垛块，通过这 6 个码垛块可以练习数组和循环指令的使用。
图 7 码垛模块
6、机器人工具模块
机器人末端工具是机器人的执行单元，如图 8 所示此模块包括尖点辅助工具、笔工具、气动夹爪工具和气动吸盘工具。尖点辅助工具形状为圆锥，具有TCP 校准功能，同时可以模拟去毛刺、涂胶工具。笔工具、夹爪工具和吸盘工具都配备了机械快换工具，与机器人法兰盘的机械快换工具配套使用，可实现工具的快速更换。笔工具内部设置有缓冲装置，可以有效减少学生初步学习机器人操作时，由于不熟练导致刚性碰撞产生对工具的损坏。笔工具可以完成轨迹、写字和绘画等实验内容，彩笔可快速更换。夹爪工具和吸盘工具采用国际知名品牌， 用于物料的抓取和吸附。
图 8 机器人工具模块
7、综合实验功能
由工业机器人、IO 模块、IO 操作台、高性能 PLC、触摸屏等构成，实现工业机器人 IO 参数配置、通信设置及高级程序编程练习，通过 PLC 模拟工业机器人在生产线应用中的相关实验内容。为了模拟工业机器人真实应用环境，操控平台包含高性能 PLC 组件，以实现工业机器人与PLC 进行通讯协调工作。PLC 采用德国 SIEMENS 品牌 SIMATIC S7-200 SMART 系列 PLC，如图 68 所示。PLC采用专用高速处理芯片，基本指令执行时间可达 0.15μs，在应对繁琐的程序逻辑、复杂的工艺要求时从容不迫，在同级别小型 PLC 中遥遥领先；采用模块化设计， 方便二次升级和扩展；内置数字量输入 24 点、数字量输出 16 点，包含 4 路高速计数器，同时集成了 3 路最高可达 100KHz 的高速脉冲输出，支持 PWM/PTO 输出方式以及多种运动模型，可自由设置运动包络；内置以太网口，集成了强大的编程通信功能，方便快捷地实现程序上传下载和与周边设备的通信，简化组网过程；在继承 SIEMENS 编程软件强大功能的基础上，融入了更多的人性化设计，如新颖的带状式菜单，全移动式界面窗口，方便的程序注释功能，强大的密码保护等。
图 9 SIEMENS 品牌 SIMATIC S7-200 SMART 系列 PLC
8、模块搭配灵活
台面上所有功能部件采用模块化设计，台面上所有功能模块具有可拆卸、可重复利用的优点。每个模块都有独立的气路和电路系统，模块间留有气源和线路接口。学校可以根据教学需要进行不同模块的选配，在不同的情况下通过不同的组合达到不同的教学效果，功能模块可以自由增减，搭配非常灵活。同时，学生在对机器人设备有一定的了解后，可对台面进行二次开发，根据兴趣和需要自主设计趣味性或竞赛性模块，很大程度上提高了学生的学习兴趣。
图 10 台面模块部件（可选配）
另外，模块化机械设计是工业发达国家近二十年来一直采用的一种先进的机械产品设计方法。学生自主设计台面功能模块可作为《机械设计》课程的综合实验部分。学生根据课上所学机械原理和机械设计的基础知识，在三维设计软件中实现自己的设计想法，可自行设计机器人末端工具，台面工装、生产流水线及视觉分拣等。学生也可组队完成整个台面的重新规划，利用设备本体提供的气路和电路总线，赋予台面新的设计亮点。此部分也可作为机械设计、机械制造、机电一体化、工业设计等专业的毕业设计内容。
此工作站整体外形统一，具有外部通讯接口，所以有配置灵活、便于扩展的优点。各工作站既可以作为独立的功能个体，完成机器人的实训任务。也可以作为相互的扩展模块，通过电缆紧密拼装后组成一个整体的结构。某一个工作站作为主控，其他工作站协同。通过之前所述不同的设计赋予每个工作站不同的功能， 可添加节拍控制、生产管理、工业系统工程等管理思路，使其整体实现更加多元化的功能。
