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工業(yè)機器人工程考核實(shí)訓系統
一、系統介紹
1、系統組成
LG-BWL06型 工業(yè)機器人工程考核實(shí)訓系統主要由碼垛機立庫系統、AGV小車(chē)、托盤(pán)流水線(xiàn)、物品盒流水線(xiàn)、視覺(jué)系統、六自由度工業(yè)機器人組成，如下圖1-1所示。
（1） 碼垛機立庫系統，用于存儲物品托盤(pán)，并且按照要求碼垛機完成出庫和入庫；
（2） AGV小車(chē)，用于把安裝有物品的托盤(pán)從碼垛機立庫系統對接為，沿鋪設的磁條運行到托盤(pán)流水線(xiàn)；
（3） 托盤(pán)流水線(xiàn)，負責把貨品托盤(pán)輸送到視覺(jué)檢測工位，經(jīng)視覺(jué)定位識別輸送到抓取工位；
（4） 物品盒流水線(xiàn)，負責成品物品盒的裝箱及傳送；
（5） 視覺(jué)系統，對托盤(pán)流水線(xiàn)上的托盤(pán)上的物品進(jìn)行識別，并把識別結果發(fā)送至主控系統的PLC；
（6） 六自由度工業(yè)機器人系統，根據主控系統 PLC 發(fā)送的數據，對托盤(pán)流水線(xiàn)上的托盤(pán)上的物品進(jìn)行分揀，放置于物品盒流水線(xiàn)上的指定物品盒中，同時(shí)把空托盤(pán)放置于空托盤(pán)庫中。
本系統再現工業(yè)現場(chǎng)從倉儲、搬運、分揀以及包裝的全過(guò)程，將目前工業(yè)自動(dòng)化現場(chǎng)前沿的實(shí)用技術(shù)和方案引入到比賽當中，通過(guò)比賽，讓學(xué)生能熟練掌握自動(dòng)化科技的前沿應用技術(shù)，為我國從制造大國發(fā)展到制造強國，為工業(yè)智能制造培養一批有素質(zhì)，能干活，干好活的新一代職業(yè)能手。
（1） 選用6軸關(guān)節型工業(yè)機器人+堆垛直角坐標機器人+AGV移動(dòng)機器人，該三種機器人都是目前工業(yè)現場(chǎng)應用比較廣泛的機器人；——切合工業(yè)現場(chǎng)，體現機器人的多樣性；
（2） 將立體倉庫（碼垛機器人）+工件運輸（AGV機器人）+檢測分揀（機器視覺(jué)）+機器人自動(dòng)分揀裝配（6軸機器人）+自動(dòng)回收+自動(dòng)包裝完美的融合。——詮釋智能工廠(chǎng)和智能物流的概念；
（3） 設置多物件和多工位+多倉儲，可以展現出非常多的組合場(chǎng)景， 不僅可以展現學(xué)生的控制系統和機器人的編程能力，同時(shí)也能展現學(xué)生的流程規劃策略和優(yōu)化能力；——真實(shí)展示實(shí)際工業(yè)和物流系統場(chǎng)景，非常適合于實(shí)訓和比賽。
（4） 整個(gè)系統采用網(wǎng)絡(luò )化控制構架，以及最新的控制系統。——學(xué)生能夠了解先進(jìn)的控制技術(shù)以及編程方法。
3、工作流程
基本運行流程描述：
（1） 物品以托盤(pán)形式存儲在原料倉庫中（物品共有 8 種不同形狀高度的樣式，每個(gè)托盤(pán)上隨機放置 0-3 個(gè)物品，樣式也隨機，可能相同，也可能不同）。
（2） 物品隨托盤(pán)從碼垛機立庫出庫，由AGV 小車(chē)搬輸送至托盤(pán)流水線(xiàn)；
（3） 托盤(pán)在托盤(pán)流水線(xiàn)的 4 號工位停止，通過(guò)智能相機識別物品數量、類(lèi)型、相對于標定原點(diǎn)的位置、相對于標定姿態(tài)的旋轉角度并傳輸給PLC；
（4） 識別完成后，托盤(pán)流水線(xiàn)把托盤(pán)傳輸到 1 號位置后停止；
（5） 主控系統把需要分揀物品的 XYZ 坐標偏移和旋轉角度通過(guò)MODBUS TCP 協(xié)議依次發(fā)送給六自由度工業(yè)機器人系統，六自由度工業(yè)機器人機器人按照事先編寫(xiě)的程序流程，執行抓取分揀；
（6） 六自由度工業(yè)機器人根據放置位置的XYZ 坐標偏移和旋轉角度把物品放入禮品箱中。（禮品箱有 8 個(gè)格子，相同的工件放到同一
個(gè)格子，每個(gè)格子最多放 2 件物品。碼垛部分偏移運算由主控系統計算，整合到Z 軸偏移中給六自由度工業(yè)機器人）。
（7） 把物品取完后，六自由度工業(yè)機器人把空托盤(pán)也搬運放置到空托盤(pán)庫中。
（8） 物品裝滿(mǎn)物品箱后，流轉到下料碼垛區。（每個(gè)比賽區不會(huì ) 使用全部物品樣式，應取其中 2-3 種。當中轉箱裝滿(mǎn)或物品無(wú)法按照規則放入物品箱時(shí)流入下一區域）；
（9）當物品箱碼到一定數量或原料出庫完成任務(wù)時(shí)停止比賽。
二、設備安裝
1、設備安裝
本設備共包括：工業(yè)機器人及控制柜、PLC 控制柜、托盤(pán)流水線(xiàn)、物品盒擺放流水線(xiàn)、AGV 小車(chē)等。比賽所用場(chǎng)地為 4m×8m，如圖 2-1 所示為裝備之間的大致布局，現場(chǎng)安裝時(shí)并不一定嚴格按照圖中所標尺寸安裝，允許有所變動(dòng)。在安裝時(shí)需要注意以下事項：
（1） 調節工業(yè)機器人安裝底座的四個(gè)地腳，使工業(yè)機器人的安裝底座水平；(水平儀)
（2） 調節托盤(pán)流水線(xiàn)和物品盒擺放流水線(xiàn)的水平；(水平儀)
（3） 以工業(yè)機器人為基準，確保托盤(pán)流水線(xiàn)與工業(yè)機器人的 Y 軸方向平行，確保物品盒擺放流水線(xiàn)與工業(yè)機器人的 X 軸方向平行；(具體調節方式見(jiàn)節 2.2)
（4） 確保托盤(pán)流水線(xiàn)前端滑輪的平切面低于A(yíng)GV 小車(chē)的平帶面；(見(jiàn)圖 2-2)。
（5） 確保智能相機與托盤(pán)流水線(xiàn)垂直。(見(jiàn)圖 2-3)
如圖 2-4 所示，在工業(yè)機器人末端夾具上安裝了一個(gè)激光筆，具體調節步驟如下：
（1） 利用工業(yè)機器人的工具坐標系調整機器人的姿態(tài)，使得激光筆始終垂直于工業(yè)機器人的安裝基面；
（2）首先控制工業(yè)機器人運動(dòng)到托盤(pán)流水線(xiàn)上方合適的高度，將激光筆發(fā)出的激光對準流水線(xiàn)架上的鋁型材邊線(xiàn)，利用機器人的工具坐標系，使機器人沿著(zhù)基坐標系的 Y 方向運動(dòng)（注意降低機器人的運動(dòng)速度），注意觀(guān)察激光是否偏離鋁型材邊線(xiàn)，并作適當調整。
（3）利用同樣的方法調整物品擺放流水線(xiàn)，只是使機器人沿著(zhù)坐標系的X 方向運動(dòng)。
6 自由度關(guān)節型機器人，如下圖 3.1 所示。6 個(gè)自由度，最大負荷 20KG,臂展>1.5m。
工業(yè)機器人在系統中的位置如下圖 3.2 所示。
四、 視覺(jué)識別系統
本系統安裝于托盤(pán)流水線(xiàn)中，當托盤(pán)貨物到視覺(jué)檢測工位時(shí)， X-SIGHT 機器視覺(jué)系統對托盤(pán)內的貨物進(jìn)行視覺(jué)識別，并把識別的位置，形狀等特征數據給到中央控制器和六關(guān)節機器人，由機械人根據目標存放位置執行相應的動(dòng)作。
1、托盤(pán)流水線(xiàn)
負責把貨品托盤(pán)輸送到視覺(jué)檢測工位，經(jīng)視覺(jué)定位識別輸送到抓取工位，由機械手將托盤(pán)中的貨品，通過(guò)真空吸盤(pán)吸放到相應物品盒中。當貨品托盤(pán)中的貨物全部取空時(shí)，由機械手通過(guò)另一套真空吸盤(pán)將托盤(pán)吸放到空托盤(pán)存放處。
物品盒流水線(xiàn)采用板鏈結構，負責成品物品盒的裝箱及傳送，為5工位流水線(xiàn)，裝在3個(gè)物品盒（占用3個(gè)工位）。
圖 5.4 物品盒流水線(xiàn)效果圖
如圖所示，從左到右設為1-5工位，當前物品盒處于2 、3 、4工位，定義為物品盒A、B、C，機械手裝載3號工位的物品盒，即B物 品盒。如果需要裝載A物品盒，則流水線(xiàn)傳送機構動(dòng)作右移，當右檢測物品盒傳感器接通時(shí)，流水線(xiàn)停止運行，此時(shí)機械手裝載A物品盒。如果下一個(gè)要裝載的是C物品盒，則流水線(xiàn)向左運行，碰到左面物品盒檢測傳感器時(shí)停止運行。系統中另設有零位檢測傳感器，以檢測物品盒處于中間工位。為防止物品盒滑落，在左右極限位置設有左右限位開(kāi)關(guān)，以防止控制失誤，致物品盒跌落。
物品盒流水線(xiàn)由步進(jìn)電機控制，實(shí)際控制策略可以采用脈沖定位控制的方式。
六、 電氣控制系統
本系統采用國際上先進(jìn)的控制理念和最新的控制產(chǎn)品，采用網(wǎng)絡(luò )化控制模式，系統主要控制框圖如 6.1 所示。
關(guān)鍵詞： 數控車(chē)床 實(shí)訓設備 實(shí)訓裝置 教學(xué)儀器 實(shí)驗設備 教學(xué)設備 實(shí)訓臺 考核裝置 技能考核 電工電子 實(shí)驗裝置 數控技術(shù) 實(shí)訓考核 技能實(shí)訓 數控系統 電氣控制 自控實(shí)訓 實(shí)驗系統 數控軟件 數控實(shí)訓 電氣技術(shù) 數控設備 數控銑床 高教設備 教學(xué)車(chē)床 數控機床 職教設備 PLC控制 PLC技術(shù) PLC實(shí)驗
1、系統組成
LG-BWL06型 工業(yè)機器人工程考核實(shí)訓系統主要由碼垛機立庫系統、AGV小車(chē)、托盤(pán)流水線(xiàn)、物品盒流水線(xiàn)、視覺(jué)系統、六自由度工業(yè)機器人組成，如下圖1-1所示。
（1） 碼垛機立庫系統，用于存儲物品托盤(pán)，并且按照要求碼垛機完成出庫和入庫；
（2） AGV小車(chē)，用于把安裝有物品的托盤(pán)從碼垛機立庫系統對接為，沿鋪設的磁條運行到托盤(pán)流水線(xiàn)；
（3） 托盤(pán)流水線(xiàn)，負責把貨品托盤(pán)輸送到視覺(jué)檢測工位，經(jīng)視覺(jué)定位識別輸送到抓取工位；
（4） 物品盒流水線(xiàn)，負責成品物品盒的裝箱及傳送；
（5） 視覺(jué)系統，對托盤(pán)流水線(xiàn)上的托盤(pán)上的物品進(jìn)行識別，并把識別結果發(fā)送至主控系統的PLC；
（6） 六自由度工業(yè)機器人系統，根據主控系統 PLC 發(fā)送的數據，對托盤(pán)流水線(xiàn)上的托盤(pán)上的物品進(jìn)行分揀，放置于物品盒流水線(xiàn)上的指定物品盒中，同時(shí)把空托盤(pán)放置于空托盤(pán)庫中。
圖 1-1 整體組成
2、系統整體設計目標本系統再現工業(yè)現場(chǎng)從倉儲、搬運、分揀以及包裝的全過(guò)程，將目前工業(yè)自動(dòng)化現場(chǎng)前沿的實(shí)用技術(shù)和方案引入到比賽當中，通過(guò)比賽，讓學(xué)生能熟練掌握自動(dòng)化科技的前沿應用技術(shù)，為我國從制造大國發(fā)展到制造強國，為工業(yè)智能制造培養一批有素質(zhì)，能干活，干好活的新一代職業(yè)能手。
（1） 選用6軸關(guān)節型工業(yè)機器人+堆垛直角坐標機器人+AGV移動(dòng)機器人，該三種機器人都是目前工業(yè)現場(chǎng)應用比較廣泛的機器人；——切合工業(yè)現場(chǎng)，體現機器人的多樣性；
（2） 將立體倉庫（碼垛機器人）+工件運輸（AGV機器人）+檢測分揀（機器視覺(jué)）+機器人自動(dòng)分揀裝配（6軸機器人）+自動(dòng)回收+自動(dòng)包裝完美的融合。——詮釋智能工廠(chǎng)和智能物流的概念；
（3） 設置多物件和多工位+多倉儲，可以展現出非常多的組合場(chǎng)景， 不僅可以展現學(xué)生的控制系統和機器人的編程能力，同時(shí)也能展現學(xué)生的流程規劃策略和優(yōu)化能力；——真實(shí)展示實(shí)際工業(yè)和物流系統場(chǎng)景，非常適合于實(shí)訓和比賽。
（4） 整個(gè)系統采用網(wǎng)絡(luò )化控制構架，以及最新的控制系統。——學(xué)生能夠了解先進(jìn)的控制技術(shù)以及編程方法。
3、工作流程
（1） 物品以托盤(pán)形式存儲在原料倉庫中（物品共有 8 種不同形狀高度的樣式，每個(gè)托盤(pán)上隨機放置 0-3 個(gè)物品，樣式也隨機，可能相同，也可能不同）。
（2） 物品隨托盤(pán)從碼垛機立庫出庫，由AGV 小車(chē)搬輸送至托盤(pán)流水線(xiàn)；
（3） 托盤(pán)在托盤(pán)流水線(xiàn)的 4 號工位停止，通過(guò)智能相機識別物品數量、類(lèi)型、相對于標定原點(diǎn)的位置、相對于標定姿態(tài)的旋轉角度并傳輸給PLC；
（4） 識別完成后，托盤(pán)流水線(xiàn)把托盤(pán)傳輸到 1 號位置后停止；
（5） 主控系統把需要分揀物品的 XYZ 坐標偏移和旋轉角度通過(guò)MODBUS TCP 協(xié)議依次發(fā)送給六自由度工業(yè)機器人系統，六自由度工業(yè)機器人機器人按照事先編寫(xiě)的程序流程，執行抓取分揀；
（6） 六自由度工業(yè)機器人根據放置位置的XYZ 坐標偏移和旋轉角度把物品放入禮品箱中。（禮品箱有 8 個(gè)格子，相同的工件放到同一
個(gè)格子，每個(gè)格子最多放 2 件物品。碼垛部分偏移運算由主控系統計算，整合到Z 軸偏移中給六自由度工業(yè)機器人）。
（7） 把物品取完后，六自由度工業(yè)機器人把空托盤(pán)也搬運放置到空托盤(pán)庫中。
（8） 物品裝滿(mǎn)物品箱后，流轉到下料碼垛區。（每個(gè)比賽區不會(huì ) 使用全部物品樣式，應取其中 2-3 種。當中轉箱裝滿(mǎn)或物品無(wú)法按照規則放入物品箱時(shí)流入下一區域）；
（9）當物品箱碼到一定數量或原料出庫完成任務(wù)時(shí)停止比賽。
二、設備安裝
1、設備安裝
本設備共包括：工業(yè)機器人及控制柜、PLC 控制柜、托盤(pán)流水線(xiàn)、物品盒擺放流水線(xiàn)、AGV 小車(chē)等。比賽所用場(chǎng)地為 4m×8m，如圖 2-1 所示為裝備之間的大致布局，現場(chǎng)安裝時(shí)并不一定嚴格按照圖中所標尺寸安裝，允許有所變動(dòng)。在安裝時(shí)需要注意以下事項：
（1） 調節工業(yè)機器人安裝底座的四個(gè)地腳，使工業(yè)機器人的安裝底座水平；(水平儀)
（2） 調節托盤(pán)流水線(xiàn)和物品盒擺放流水線(xiàn)的水平；(水平儀)
（3） 以工業(yè)機器人為基準，確保托盤(pán)流水線(xiàn)與工業(yè)機器人的 Y 軸方向平行，確保物品盒擺放流水線(xiàn)與工業(yè)機器人的 X 軸方向平行；(具體調節方式見(jiàn)節 2.2)
（4） 確保托盤(pán)流水線(xiàn)前端滑輪的平切面低于A(yíng)GV 小車(chē)的平帶面；(見(jiàn)圖 2-2)。
（5） 確保智能相機與托盤(pán)流水線(xiàn)垂直。(見(jiàn)圖 2-3)
圖 2-1 設備布局
圖 2-2 托盤(pán)流水線(xiàn)高度調節
圖 2-3 智能相機安裝
2、平行度調節如圖 2-4 所示，在工業(yè)機器人末端夾具上安裝了一個(gè)激光筆，具體調節步驟如下：
（1） 利用工業(yè)機器人的工具坐標系調整機器人的姿態(tài)，使得激光筆始終垂直于工業(yè)機器人的安裝基面；
（2）首先控制工業(yè)機器人運動(dòng)到托盤(pán)流水線(xiàn)上方合適的高度，將激光筆發(fā)出的激光對準流水線(xiàn)架上的鋁型材邊線(xiàn)，利用機器人的工具坐標系，使機器人沿著(zhù)基坐標系的 Y 方向運動(dòng)（注意降低機器人的運動(dòng)速度），注意觀(guān)察激光是否偏離鋁型材邊線(xiàn)，并作適當調整。
（3）利用同樣的方法調整物品擺放流水線(xiàn)，只是使機器人沿著(zhù)坐標系的X 方向運動(dòng)。
圖 2-4 平行度調整
三、6 自由度關(guān)節型機器人6 自由度關(guān)節型機器人，如下圖 3.1 所示。6 個(gè)自由度，最大負荷 20KG,臂展>1.5m。
工業(yè)機器人在系統中的位置如下圖 3.2 所示。
圖 3.1 工業(yè)機器人在系統中的位置
機器人工作流程如下所示：
本系統安裝于托盤(pán)流水線(xiàn)中，當托盤(pán)貨物到視覺(jué)檢測工位時(shí)， X-SIGHT 機器視覺(jué)系統對托盤(pán)內的貨物進(jìn)行視覺(jué)識別，并把識別的位置，形狀等特征數據給到中央控制器和六關(guān)節機器人，由機械人根據目標存放位置執行相應的動(dòng)作。
圖 4.1 智能視覺(jué)系統整體圖
五、流水線(xiàn)1、托盤(pán)流水線(xiàn)
負責把貨品托盤(pán)輸送到視覺(jué)檢測工位，經(jīng)視覺(jué)定位識別輸送到抓取工位，由機械手將托盤(pán)中的貨品，通過(guò)真空吸盤(pán)吸放到相應物品盒中。當貨品托盤(pán)中的貨物全部取空時(shí)，由機械手通過(guò)另一套真空吸盤(pán)將托盤(pán)吸放到空托盤(pán)存放處。
圖 5.1 托盤(pán)流水線(xiàn)效果圖
圖 5.2 托盤(pán)流水線(xiàn)倍速鏈實(shí)物圖
圖 5.3 托盤(pán)流水線(xiàn)與 AGV 對接口實(shí)物圖
2、物品盒流水線(xiàn)物品盒流水線(xiàn)采用板鏈結構，負責成品物品盒的裝箱及傳送，為5工位流水線(xiàn)，裝在3個(gè)物品盒（占用3個(gè)工位）。
圖 5.4 物品盒流水線(xiàn)效果圖
圖 5.6 物品盒流水線(xiàn)實(shí)物圖
本系統中6自由度工業(yè)機器人負責把托盤(pán)流水線(xiàn)上托盤(pán)中的貨品抓取到，根據規定的目標物品盒，放入到相應的位置。機械手裝載貨品限定在5工位的中間工位。如需裝載左右物品盒，通過(guò)左右移位將邊上的物品盒移到中間工位。如圖所示，從左到右設為1-5工位，當前物品盒處于2 、3 、4工位，定義為物品盒A、B、C，機械手裝載3號工位的物品盒，即B物 品盒。如果需要裝載A物品盒，則流水線(xiàn)傳送機構動(dòng)作右移，當右檢測物品盒傳感器接通時(shí)，流水線(xiàn)停止運行，此時(shí)機械手裝載A物品盒。如果下一個(gè)要裝載的是C物品盒，則流水線(xiàn)向左運行，碰到左面物品盒檢測傳感器時(shí)停止運行。系統中另設有零位檢測傳感器，以檢測物品盒處于中間工位。為防止物品盒滑落，在左右極限位置設有左右限位開(kāi)關(guān)，以防止控制失誤，致物品盒跌落。
物品盒流水線(xiàn)由步進(jìn)電機控制，實(shí)際控制策略可以采用脈沖定位控制的方式。
六、 電氣控制系統
本系統采用國際上先進(jìn)的控制理念和最新的控制產(chǎn)品，采用網(wǎng)絡(luò )化控制模式，系統主要控制框圖如 6.1 所示。
圖 6.1 設備電氣網(wǎng)絡(luò )拓撲圖
如上圖所示，整個(gè)系統通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)，把工業(yè)機器人、主控流水線(xiàn) PLC、碼垛機立庫系統 PLC、碼垛機立庫系統觸摸屏、主控流水線(xiàn)觸摸屏、視覺(jué)系統、變頻器以及編程開(kāi)發(fā)計算機等均通過(guò)以太網(wǎng)連接。編程開(kāi)發(fā)計算機負責開(kāi)發(fā)調試程序、視覺(jué)系統特征識別開(kāi)發(fā)以及機器人示教等編程。碼垛立庫系統和主控流水線(xiàn)觸摸屏負責管理碼垛立庫系統、主控流水線(xiàn)的運行參數，以及系統報警和提示信息等。