作品名稱(chēng)：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成
學(xué)校名稱(chēng)：武漢商學(xué)院
參賽隊(duì)伍：機(jī)器人1號(hào)
參賽老師：桂偉
課程目的：
（1）認(rèn)識(shí)汽車(chē)模型生產(chǎn)線(xiàn)零件出庫(kù)單元。
（2）掌握出庫(kù)單元總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。
（3）掌握標(biāo)準(zhǔn)件的選型與計(jì)算方法。
（4）掌握出庫(kù)單元運(yùn)動(dòng)仿真的方法。
（5）掌握電氣設(shè)計(jì)的方法和組態(tài)軟件的使用。
課程簡(jiǎn)介：
《工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成》課程是本科院校機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)任選課。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題在于其系統(tǒng)集成和自動(dòng)化單元設(shè)計(jì)，本課程對(duì)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化單元的設(shè)計(jì)方法和基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行梳理，聚焦了感知、控制、決策、執(zhí)行等核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以實(shí)際項(xiàng)目為分析對(duì)象，盡量貼合工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生可以理解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化單元集成設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用方法。
教學(xué)基本要求 ：
（1）掌握工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化單元設(shè)計(jì)的概念、發(fā)展、技術(shù)方案
（2）掌握視覺(jué)模塊的設(shè)計(jì)方法及實(shí)踐，
（3）掌握輸送模塊的選型方法及實(shí)踐
（4）掌握控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
（5）掌握電氣電路的設(shè)計(jì)
（6）掌握PLC與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，PLC編程技巧及工作站的程序設(shè)計(jì)。
重點(diǎn)、難點(diǎn)：
重點(diǎn)：機(jī)械總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PLC外部供電電路的搭建方法；
難點(diǎn)：PLC與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交互方法。
教學(xué)方式：
理論教學(xué)、PPT演示、課堂提問(wèn)及課外作業(yè)。采用多媒體輔助CAI課件教學(xué)。課堂上靈活運(yùn)用雨課堂等課堂管理軟件，即時(shí)提問(wèn)與測(cè)試，提高教學(xué)的互動(dòng)性，方便及時(shí)掌握學(xué)生問(wèn)題和解決。實(shí)驗(yàn)任務(wù)提前下發(fā)學(xué)生準(zhǔn)備，理論成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)并重。
考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定：
本課程采用平時(shí)成績(jī)+期末課程論文形式進(jìn)行考核，期末考查60%+平時(shí)成績(jī)40%（其中平時(shí)成績(jī)由考勤20%、作業(yè)20%、實(shí)踐60%組成）
1.認(rèn)識(shí)汽車(chē)模型生產(chǎn)線(xiàn)出庫(kù)單元
（1）設(shè)計(jì)背景
（2）設(shè)計(jì)意義
理論意義：本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)符合機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，考察了綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)課程的理論知識(shí)對(duì)汽車(chē)模型柔性生產(chǎn)線(xiàn)零件出庫(kù)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決汽車(chē)模型自動(dòng)正確出庫(kù)上料問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的工業(yè)機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。
實(shí)踐意義：本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)能夠?yàn)槠髽I(yè)生產(chǎn)面向教學(xué)使用的智能制造設(shè)備提供一定理論參考，能提高學(xué)生對(duì)柔性生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)上下料系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。
圖1 出庫(kù)單元組成圖
圖2 出庫(kù)單元功能圖
圖3 出庫(kù)單元通信圖
2.認(rèn)識(shí)汽車(chē)模型生產(chǎn)線(xiàn)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4三維設(shè)計(jì)圖
（1）料倉(cāng)設(shè)計(jì)
 |
圖5料倉(cāng)三維設(shè)計(jì)圖
料倉(cāng)的總高為915mm，總長(zhǎng)為595mm，該料倉(cāng)分為3層，每層之間間隔為144mm，每層從左至右依次是車(chē)輪、車(chē)尾、車(chē)頭、車(chē)底盤(pán)、車(chē)身。料倉(cāng)支架采用歐標(biāo)鋁型材4040，承載板采用AI6061材料，各個(gè)零件采用3D打印材料ABS。
（2）三軸直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)
 |
圖6直角坐標(biāo)三維設(shè)計(jì)圖
直角坐標(biāo)機(jī)械手由三軸模組組成，每軸模組行程不同，并配有旋轉(zhuǎn)氣缸，裝有夾持氣動(dòng)夾具。
（3）夾持裝置設(shè)計(jì)
 |
圖7夾持裝置三維圖
夾持器由氣動(dòng)手指氣缸以及夾爪組成，由氣動(dòng)手指氣缸控制氣動(dòng)手指的開(kāi)合來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)模型零件的夾取與卸下。夾爪如圖7所示，為ABS材料。
3. 標(biāo)準(zhǔn)件的選型
（1）電機(jī)的選型
選定臺(tái)達(dá)B2系列伺服電機(jī)ECMA-C20604RS，具體參數(shù)見(jiàn)下表。
表1電機(jī)參數(shù)表
（2）旋轉(zhuǎn)氣缸的選型
選用型號(hào)為HRQ10的旋轉(zhuǎn)氣缸，規(guī)格為10，接管口徑為M5牙，最大允許徑向負(fù)載為80N，最大允許軸向負(fù)載為80N，最大允許彎矩負(fù)載為2.5Nm。
（3）夾持器的選型
選用的夾持器是平行開(kāi)閉式氣動(dòng)手指氣缸，型號(hào)為MHZ2-16D。
圖8手指氣缸
表2氣缸參數(shù)表
（4）PLC選型
控制系統(tǒng)使用西門(mén)子S7-1200 PLC作為控制器，它滿(mǎn)足項(xiàng)目要求，并且可以控制3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行（可以連接6個(gè)信號(hào)模塊）。
3. 運(yùn)動(dòng)仿真
運(yùn)動(dòng)仿真流程如圖9所示。
圖9仿真設(shè)計(jì)流程圖
圖10創(chuàng)建仿真算例
圖11設(shè)置時(shí)間
3. 電氣設(shè)計(jì)
當(dāng)系統(tǒng)中元件選擇并設(shè)計(jì)完畢后，需要進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)，既將電氣元件鏈接起來(lái)，為系統(tǒng)供電，并分配PLC觸點(diǎn)。
圖12工作站組成圖
輸出端:Q0.0接三軸直角機(jī)械手X方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入口；Q0.1接三軸直角機(jī)械手X方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方向輸入口；Q0.2接三軸直角機(jī)械手Y方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入口；Q0.3接三軸直角機(jī)械手Y方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方向輸入口；Q0.4接三軸直角機(jī)械手Z方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入口；Q0.5接三軸直角機(jī)械手Z方向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方向輸入口；Q8.0接前檔氣缸；Q8.1接推料氣缸；Q8.2接插銷(xiāo)氣缸；Q8.3接夾爪氣缸；Q8.4接旋轉(zhuǎn)氣缸。
表3零件出庫(kù)單元IO分配表
圖13 PLC引腳圖
PLC觸點(diǎn)均分配了對(duì)應(yīng)功能，需要對(duì)相應(yīng)引腳進(jìn)行選擇。
MCGS組態(tài)軟件主要是用于人機(jī)交互界面開(kāi)發(fā)，與下位機(jī)S7-1200 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)視與控制。
1.工作站設(shè)計(jì)處處體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)
本章對(duì)汽車(chē)模型生產(chǎn)線(xiàn)的出庫(kù)單元部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，從機(jī)械總體設(shè)計(jì)，元件的選型，運(yùn)動(dòng)仿真到電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本章內(nèi)容包括電氣控制原理的介紹、I/O端口介紹以、參數(shù)設(shè)置及注意事項(xiàng)，再到各個(gè)單元的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，包括觸摸屏的選型及其與S7-1200 PLC的通訊方法、各個(gè)單元具體的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)應(yīng)該有效掌握機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)方法。
2.課程的必要性及創(chuàng)新性
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成的實(shí)體設(shè)計(jì)存在投資較大、設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限、實(shí)驗(yàn)室面積緊張、實(shí)驗(yàn)時(shí)間與教學(xué)實(shí)踐沖突、細(xì)微實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以細(xì)致觀(guān)察等問(wèn)題。工作站設(shè)計(jì)是利用理論模型、數(shù)值方法、信息網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將真實(shí)的物理現(xiàn)象或過(guò)程模型化，在計(jì)算機(jī)上以圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)或曲線(xiàn)等直觀(guān)形式展現(xiàn)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享使用。
3.傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展
設(shè)計(jì)方法與實(shí)際項(xiàng)目現(xiàn)象相結(jié)合，極大拓展傳統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)課程范圍。堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合”的原則，內(nèi)容選取當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新性和創(chuàng)業(yè)型機(jī)器人工程人才培養(yǎng)需求的高昂設(shè)備、不易操作的設(shè)計(jì)，且嚴(yán)格履行工業(yè)機(jī)器人操作規(guī)程和機(jī)械，電氣設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范。
