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一、功能總體介紹

近年來(lái)，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革飛速發(fā)展，工業(yè)制造由數(shù)字化向網(wǎng)絡(luò)化、智能化深度拓展。應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)，通過(guò)對(duì)人 、機(jī)、物、系統(tǒng)等全面連接，構(gòu)建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全新制造與服務(wù)體系。為工業(yè)乃至產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展提供了實(shí)現(xiàn)途徑。
智能制造設(shè)備技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，如圖所示，以工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人為核心，在操作平臺(tái)的四周合理分布有多種不同工藝應(yīng)用的機(jī)器人工具以及搬運(yùn)碼垛單元、原料庫(kù)單元、成品庫(kù)單元、裝配檢測(cè)單元、2D視覺(jué)檢測(cè)單元、3D視覺(jué)檢測(cè)單元、螺絲供料單元、皮帶輸送單元、緩存單元、加工單元、2D軌跡訓(xùn)練單元、3D軌跡訓(xùn)練單元、總控系統(tǒng)及操作面板等組件。該平臺(tái)深度集成了離線編程技術(shù)，軟件中不僅包含了與硬件平臺(tái)的相符三維模型資源，還大大簡(jiǎn)化了搬運(yùn)碼垛工藝實(shí)現(xiàn)的編程應(yīng)用過(guò)程、提高軌跡復(fù)現(xiàn)精度、避免發(fā)生碰撞干涉。工作站包含了搬運(yùn)碼垛工藝、分揀工藝、裝配工藝等工業(yè)機(jī)器人最典型應(yīng)用，不僅滿足了職業(yè)院校不同專業(yè)學(xué)生針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的操作和編程的教學(xué)需求，完全來(lái)源于工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的特征也使該工作站更加適合于作為職業(yè)技能競(jìng)賽平臺(tái)。
智能制造設(shè)備技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)采用教育化的設(shè)計(jì)理念和工業(yè)化的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算以及合理的布局，將多種功能集成在應(yīng)用平臺(tái)桌面上。
智能制造設(shè)備技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，還能夠根據(jù)使用者的想法，靈活的改變操作流程，降低或增加操作難度。擁有這種特性的應(yīng)用教學(xué)平臺(tái)能夠伴隨學(xué)員不同階段的成長(zhǎng)而不過(guò)時(shí)。
智能制造設(shè)備技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)取于工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，里面主要元件如工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、鎖螺絲工具、皮帶輸送單元等均來(lái)自實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。
智能制造設(shè)備技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，以實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景為基礎(chǔ)，采用高度模塊化單元自由組合理念設(shè)計(jì)，主要包括設(shè)備架體單元、工業(yè)機(jī)器人單元、協(xié)作機(jī)器人單元、搬運(yùn)碼垛單元、原料庫(kù)單元、裝配檢測(cè)單元、2D視覺(jué)檢測(cè)單元、螺絲供料單元、皮帶輸送單元、芯片供料單元、快換工具單元、成品庫(kù)單元、加工單元、3D視覺(jué)檢測(cè)單元、緩存單元、行星齒輪裝配單元、2D軌跡訓(xùn)練單元、3D軌跡訓(xùn)練單元、總控單元等硬件單元。
此款設(shè)備既可滿足學(xué)校針對(duì)機(jī)器人教學(xué)功能的要求，也可完成機(jī)器視覺(jué)的功能教學(xué)。設(shè)備體現(xiàn)了智能控制的基本概念，為后續(xù)要推廣的智能控制及智能制造兩大領(lǐng)域有很好的理解和影響力。下圖展示了各單元組成。

圖1 單元組成

二、設(shè)備單元介紹

1、設(shè)備架體單元
設(shè)備架體用于支持各單元，上臺(tái)面為型材臺(tái)面，各單元可方便在臺(tái)面安裝。具有腳輪，可用于移動(dòng)設(shè)備。上面安裝有云監(jiān)控安全光柵、三色燈，另一臺(tái)架控制面板上也具有三色燈，用于顯示協(xié)作機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。控制面板安裝有急停開(kāi)關(guān)，可在緊急情況下快速停止設(shè)備。架體前方可開(kāi)門，可放置工具、行星裝配模塊、2D軌跡訓(xùn)練單元、3D軌跡訓(xùn)練單元等物品。如圖所示。

圖2 設(shè)備架體單元

2、工業(yè)機(jī)器人單元
采用ABB品牌的IRB 120，如圖所示，小巧靈活特性使其廣泛應(yīng)用于3C、電子、食品等行業(yè)，同時(shí)較小的工作半徑和額定負(fù)載，在保證功能實(shí)現(xiàn)效果的前提下，確保教學(xué)和競(jìng)賽安全，防止發(fā)生人員以外，滿足工作站使用要求。

圖3 工業(yè)機(jī)器人

3、協(xié)作機(jī)器人單元
該工作站選用協(xié)作機(jī)器人，機(jī)器人參數(shù)如下：

協(xié)作機(jī)器人如圖所示。

圖4協(xié)作機(jī)器人單元

4、螺絲供料單元
螺絲供料單元由1臺(tái)螺絲機(jī)組成，它通過(guò)旋轉(zhuǎn)式圓盤將成排的螺絲分成單顆供給，消除了螺絲重疊的現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的裝夾。螺絲供給采用旋轉(zhuǎn)式分料比直線往返式，縮短了回原點(diǎn)時(shí)間，提高了螺絲的供給速度。

圖5 螺絲供料單元

5、裝配檢測(cè)單元
裝配單元提供多個(gè)裝配工位，如圖 所示，分別用于不同產(chǎn)品的裝配和檢測(cè)。不同產(chǎn)品對(duì)芯片種類、數(shù)量的要求不一，需要工業(yè)機(jī)器人根據(jù)要求從原料庫(kù)中選取所需的芯片后放置到指定位置，在完成所有芯片的安裝后，為產(chǎn)品安放蓋板并鎖緊固定螺絲。

圖6裝配檢測(cè)單元

6、2D視覺(jué)檢測(cè)單元  
2D視覺(jué)檢測(cè)單元可以對(duì)工業(yè)機(jī)器人所選取芯片的顏色、形狀、位置等信息進(jìn)行檢測(cè)和提取，如圖所示，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給工業(yè)機(jī)器人，以輔助其完成后續(xù)動(dòng)作。視覺(jué)鏡頭配套檢測(cè)光源，可以盡量避免環(huán)境光源對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。采用倒置式安裝，可以使機(jī)器人手持零件進(jìn)行檢測(cè)，減少周邊配套設(shè)備，簡(jiǎn)化機(jī)器人軌跡動(dòng)作。

圖7 2D視覺(jué)檢測(cè)單元

7、成品庫(kù)單元
成品庫(kù)如圖所示，兩側(cè)是存儲(chǔ)芯片區(qū)域，中間是存儲(chǔ)電路板區(qū)域，分有合格區(qū)和不合格區(qū)。

圖8 成品庫(kù)單元

8、搬運(yùn)碼垛單元
搬運(yùn)碼垛單元是將工業(yè)機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品搬運(yùn)碼垛工藝進(jìn)行功能抽象化，工業(yè)機(jī)器人抓持夾爪工具將已完成生產(chǎn)的方形產(chǎn)品由原料臺(tái)按照要求搬運(yùn)碼垛到指定位置，如圖所示，提供兩種不同類型的倉(cāng)儲(chǔ)料庫(kù)，可以模擬傳送帶隊(duì)列式供貨和平臺(tái)堆垛，通過(guò)對(duì)物料轉(zhuǎn)移過(guò)程和堆垛形式的要求增加教學(xué)多樣性，提高編程復(fù)雜度。

圖9搬運(yùn)碼垛單元

9、皮帶輸送單元
皮帶輸送單元是設(shè)備的重要組成部分，負(fù)責(zé)接駁CPU托盤的運(yùn)輸，包括輸送機(jī)本體、氣缸定位機(jī)構(gòu)、編碼器測(cè)速機(jī)構(gòu)、光電開(kāi)關(guān)等組件構(gòu)成，如圖所示。芯片托盤在兩端位置可以用氣缸定位機(jī)構(gòu)定位，方便機(jī)器人精準(zhǔn)上料，編碼器可以實(shí)時(shí)測(cè)得皮帶線速度，以結(jié)合機(jī)器人和視覺(jué)相機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)抓取及物料識(shí)別。側(cè)面具有光電開(kāi)關(guān)，可檢測(cè)芯片托盤位置。如圖所示

圖10 皮帶輸送單元

10、芯片供料單元
芯片供料單元由料盒、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、芯片定位機(jī)構(gòu)、條形光源等組成。芯片可以在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上進(jìn)行正反方向改變，料盒振動(dòng)功能，由氣缸伸縮實(shí)現(xiàn)?？蓪?shí)現(xiàn)芯片的重新排列。料盒兩側(cè)具有條形光源，可補(bǔ)償外部環(huán)境對(duì)于視覺(jué)的干擾。芯片定位機(jī)構(gòu)是利用芯片的自重可進(jìn)行二次定位，以便于協(xié)作機(jī)器人精準(zhǔn)取放。如圖所示

圖10 芯片供料單元

11、快換工具單元
該設(shè)備快換工具單元共有8套工具，如下表所示。工業(yè)機(jī)器人可通過(guò)程序控制到指定位置安裝或釋放工具，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需人為干預(yù)，工業(yè)機(jī)器人可在不同工具間自由切換，同時(shí)確保氣路正常，大大擴(kuò)展了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用能力。

12、原料庫(kù)單元
原料庫(kù)單元由鋁合金板材拼接而成，由架體、光電開(kāi)關(guān)等組成。共有兩層四個(gè)庫(kù)位，每個(gè)庫(kù)位有光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行有無(wú)檢測(cè)。用于存放檢測(cè)完成后的產(chǎn)品。上層用于存放合格產(chǎn)品，下層用于存放不合格品（倉(cāng)位功能可自由設(shè)定）。同時(shí)也可放置芯片托盤。機(jī)器人根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，將產(chǎn)品放入對(duì)應(yīng)的倉(cāng)位。下方集成了電磁閥、真空發(fā)生器、真空表等。方便集中調(diào)試管理。如圖所示。

圖11 原料庫(kù)單元

13、加工單元
加工單元由安裝架體、銑刀電動(dòng)工具、打磨電動(dòng)工具等組成，可對(duì)零件表面進(jìn)行銑削以及打磨，并且兩個(gè)工具都可以調(diào)整角度，方便與機(jī)器人進(jìn)行角度配合。非常詳細(xì)的展示實(shí)際生產(chǎn)中這兩種不同的加工工藝，極大的加深了學(xué)生對(duì)兩種工藝?yán)斫夂驼J(rèn)知。如圖所示。

圖12 加工單元

14、3D視覺(jué)檢測(cè)單元
3D視覺(jué)檢測(cè)單元是整個(gè)設(shè)備的核心單元之一，基于雙目結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)獲取物體的深度圖像，具有高精度、廣視角等技術(shù)特點(diǎn)?？筛鶕?jù)視覺(jué)系統(tǒng)的處理結(jié)果，機(jī)器人可進(jìn)行物料無(wú)序分揀、形狀識(shí)別、顏色識(shí)別。如圖所示。

圖13 3D視覺(jué)檢測(cè)單元

15、緩存單元
緩存單元是機(jī)器人將分揀后的芯片放入定位板內(nèi)；可以根據(jù)需求設(shè)定，讓機(jī)器人取揀選不同的芯片放至對(duì)應(yīng)的槽位。由支撐架體、定位板等組成。如圖所示。

圖14 緩存單元

16、行星齒輪裝配單元
行星齒輪裝配單元是用于機(jī)器人和視覺(jué)進(jìn)行柔性裝配的重要一環(huán)，由支撐架體、行星輪、太陽(yáng)輪、外齒輪等組成。此裝配過(guò)程通過(guò)視覺(jué)定位齒輪位置進(jìn)行行星齒輪快速柔性裝配，可避免齒輪齒形誤差造成的安裝困難。并且很好的展示了協(xié)作機(jī)器人的力控特性。如圖所示。

圖15行星齒輪裝配單元

17、2D軌跡訓(xùn)練單元
2D軌跡訓(xùn)練單元是將協(xié)作機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品裝配前的涂膠工藝進(jìn)行功能抽象化，協(xié)作機(jī)器人抓持涂膠工具沿軌跡板上不同輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)，模擬涂膠工藝，軌跡板角度可調(diào)，保證工藝真實(shí)性同時(shí)增加教學(xué)可行性和趣味性。配備發(fā)動(dòng)機(jī)模擬蓋板組件，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)位置處的軌跡訓(xùn)練如圖所示

圖16  2D軌跡訓(xùn)練單元

18、3D軌跡訓(xùn)練單元
3D軌跡訓(xùn)練單元是將協(xié)作機(jī)器人對(duì)焊接工藝進(jìn)行功能抽象化，機(jī)器人模擬兩個(gè)圓柱零件焊接軌跡訓(xùn)練，如圖所示。

19、總控單元
總控單元是各單元程序執(zhí)行和動(dòng)作流程的總控制端，拓?fù)鋱D如下所示 。

圖18 拓?fù)鋱D