工业机器人技术下的项目式教学设备

工业机器人技术下的项目式教学设备工业机器人技术下的项目式教学设备 2019/08/26 摘要：根据企业工业机器人技术应用人才技能需求调研结果，利用现有资源设备，研发了一套小冲床项目式教学设备。该设备很好地囊括工业机器人编程，机械夹具部分的三维设计，电气线路设计与安装，系统联调的知识运用。增强了学生的学习兴趣，提高了学生工业机器人技术应用水平和综合素质。关键词：工业机器人；教学设备；小冲床；电气设计与安装；工业机器人编程引言当今，国际国内竞相布局智能制造，国际竞争空前激烈，发达国家纷纷实施“再工业化”和“制造业回归”战略，谋求以机器人与智能装备技术、产业为重要载体重塑制造业优势1。与此同时，三次产业各领域企业间呈现融合创新的发展趋势，生产方式、管理方式、商业模式正在发生重大变革，一系列新模式、新业态、新特征日益凸显，经济社会正在出现新的活力源，发达国家部分制造行业通过生产智能化，逐步摆脱了生产成本高、用工难等问题，我国制造业的比较优势正在发生变化，正面临“前堵后追”的不利局面。中央提出“中国制造2025”战略，将智能制造作为主攻方向，加速培育我国新的经济增长动力，抢占新一轮产业竞争制高点，力争用10年时间迈入制造强国行列2。据权威机构预测，全球将进入工业机器人加快研发和普及应用的“黄金10年”，我国作为世界制造业第一大国，工业机器人应用市场庞大，2015年销量6.7万台，占全球总销量的1/4，到2018年销量增长1倍以上，达到15万台3。但工业机器人技术应用人才短缺成为当前制约我国制造业发展的一大障碍4。而各类职业院校对这新兴技术的教学和培训尚起步阶段，如何培养市场需要的合格工业机器人技术应用人才成为最为紧迫目标。稀缺的工业机器人技术应用人才需要5在特定工业机器人工作站运用机械、电气自动化、工业机器人控制等综合知识完成机械设备装配、电气线路设计与安装、系统联机调试最终实现预定功能。这就亟需一套设备可以完整地培养学生工业机器人技术应用各方面的能力。因此,为了响应国家“建设知识型、技能型、创新型劳动者大军”的要求，加快培养适应新时代产业发展需要的工业机器人技术应用领域高素质技能人才6，引导广大企业职工和各类职业院校师生努力学习知识、刻苦钻研技术，走技能成才之路。惠州市技师学院机电一体化教研室根据企业工业机器人技术应用人才技能需求调研结果，利用现有资源设备，研发了一套小冲床项目式教学7设备。1工作任务与要求由企业工业机器人技术的装配典型应用，转化为教学的小冲床项目式教学任务，系统由生产线工作台、智能冲压模块、工业机器人、成品区、电气柜以及配套的电气装置等模块组成。（1）开启电源，工作台电器柜电源指示灯亮。（2）从料仓抓取物料，物料存在金属和非金属之分。（3）工业机器人起始位置位于工作台以外安全点，按下启动按钮，系统开始工作。（4）控制小冲床自动冲压装配体，完成装配工作。（5）判断物料为金属部件还是非金属部件。（6）根据要求在成品区放入装配好的金属装配体和非金属装配体，并选择最优路径。（7）全部搬运完毕，机器人回到起始位置安全点。工作任务流程图如图2所示。2完成小冲床机械部分的三维设计根据调研的工业机器人技术在企业的应用实际，进行机器人本体设计的难度较大，涉及工业机器人运动功能设计、传动设计和工业机器人的机械结构系统设计，挑选学生容易完成和企业急需的应用技能入手，完成小冲床夹具的设计。利用主流的设计软件Solidworks进行三维造型，根据实际夹取物料规格参数、抓取方式和所选夹子装置设计夹具、出工程图纸。并由加工和钳工环节完成零件的加工和装配学习。完成设计，制造和装配的企业生产全流程情境学习，灌输企业质量意识、团队合作精神和6S规范。根据所选夹子装置（图3）完成实现抓取指定形状、规格物料任务的卡爪设计，卡爪的类型、形状、尺寸是重点设计部分，又要兼顾简单经济的加工工艺。3小冲床项目式教学设备主电路和控制电路设计小冲床主电路和控制电路设计从电气原理图开始，根据需要完成的功能设计电路和气路。设计的电气原理图包括选择电气元器件类型，电气元器件的规格参数和数量，导线的线性和颜色等等。开始在A4纸上绘制草图，确定元器件种类、规格和数量，实现基本功能。然后在电气绘图软件AUTOCAD中进行电气图的设计，利用规范的电气图形和符号、合理的导线、号码管等完成电气图的设计。为后面按电工接线规范进行电气接线，完成控制柜主电路和机器人I/O控制的接线提供技术图纸。图4所示是小冲床项目式教学设备的控制柜主电路和广州数控机器人控制电路。主电路使用了两个电磁阀分别控制夹子气缸和推子气缸，实现夹取和冲压功能。工业机器人I/O输入端连接夹爪的夹取松开，推子的冲压和回缩到位信号，启动按钮SB实现机器人全自动启动。机器人I/O输出端连接控制夹子气缸的中间继电器KA1，推子气缸的中间继电器KA2，实现机器人对夹子和推子的控制。机器人I/O控制电路可以根据场地机器人设备条件进行适当修改。4电路连接与调试按照电气原理图进行电路连接与调试，这个环节重点培养学生的布线接线规范意识和电工工具的使用，达到从电气原理图设计到项目布线实施，故障排除的能力提升。从实物元器件的铭牌辨识、元器件的好坏判断开始，巩固电工工具如剪线钳、剥线钳、压线钳的使用，利用万用表进行线路通断调试、按钮控制调试、机器人输入输出信号调试，实现机器人系统与外部传感器的互联互通，与外部执行气缸的动作实现。5工业机器人小冲床项目程序编制完成电路连接和功能调试以后，小冲床项目的外部执行部件和感知传感部件已全部搭建好，需要进行工业机器人的程序编制。利用前面调试工作进行工业机器人I/O的信号备注，方便后续编程。这里以广州数控GSKRB08工业机器人为例。表1所示为GSKRB08工业机器人与小冲床I/O信号对照表。以下为小冲床项目参考主程序：机器人编程方法多种多样，但原则是简单、清晰、明了，各种安全防护到位。熟练以后要求机器人节拍要尽可能快，满足企业生产实际。6结束语该项目式教学设备容易进行改良优化升级，增加功能，如加上三色信号灯，可以根据机器人运行状态显示不同颜色，机器人停止时显示黄色，运行时显示绿色，按下急停红色信号灯亮。更改成品区的孔槽排布可以实现一定数量的工业机器人码垛搬运。该项目式教学设备应用3年来，难度适中，综合性强，又能很好增强学生的学习兴趣，提高师生的水平和综合能力。参与该项目设备研发和教学的三位教师获得了“全国技术能手”称号8，培养了两届全国智能制造技术应用大赛学生组一等奖，其中一组为全国冠军9，更培养了一大批合格的工业机器人应用人才服务了惠州市制造产业，取得了不错效果。参考文献：1崔博.河北省智能制造发展研究J.合作经济与科技，2018（22）：4-5.2何呈娟.智能制造背景下数控加工专业“三三五”课程体系构建J.教育现代化，2017（40）：127-128.3惠州经济和信息化局.惠州市智能制造发展规划EB/OL.2017-08-22/2019-06-06.4韩鸿鸾.深度工业机器人技术人才的培养方案全解析EB/OL.2016-08-16/2019-06-06.5叶超等.工业4.0下关于智能控制课程的探索J.科技视界，2018（12）：241-242.6张立新.促进人才融合发展，建设知识型、技能型、创新型劳动者大军EB/OL.2018-12-12/2019-06-06.7邵长春.项目式教学在工业机器人技术课程中的应用J.亚太教育，2015（13）：127.8大赛组委会公布2017年中国技能大赛全国智能制造应用技术技能大赛决赛获奖名单EB/OL.2018-01-27/2019-06-06.9关于公布2018年中国技能大赛第二届全国智能制造应用技术技能大赛决赛获奖名单EB/OL.2018-12-24/2019-06-06.