工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺采用模塊化設(shè)計，選用國際主流的工業(yè)機(jī)器人，搭配了功能豐富的周邊教學(xué)實(shí)訓(xùn)模塊：基礎(chǔ)編程類實(shí)訓(xùn)模塊。同時實(shí)現(xiàn)并兼顧了工業(yè)機(jī)器人從常規(guī)知識入門教學(xué)到真實(shí)物品生產(chǎn)加工。培養(yǎng)學(xué)生在在機(jī)器人操作與編程、碼垛、搬運(yùn)、激光雕刻、視覺檢測、運(yùn)動控制等方面的綜合運(yùn)用能力。滿足工業(yè)機(jī)器人的全部知識點(diǎn)從入門到深入應(yīng)用的階梯式教學(xué)。 

二、設(shè)備功能概述

本實(shí)訓(xùn)平臺機(jī)構(gòu)設(shè)計緊湊，系統(tǒng)完全開放化，采用透明封裝設(shè)計，程序開源，使教學(xué)、實(shí)訓(xùn)更加容易上手。實(shí)訓(xùn)臺分為機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用區(qū)、電氣控制器接線區(qū)和電腦編程區(qū)，學(xué)生能夠根據(jù)電氣原理圖進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的電氣接線，提升綜合應(yīng)用能力。 

系統(tǒng)采用模塊式設(shè)計，需要進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)切換時，只需在對應(yīng)硬件模塊上進(jìn)行機(jī)器人示教編程，即可進(jìn)行相應(yīng)的功能演示，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，方便不同實(shí)驗(yàn)靈活切換，適合進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人技能考核和職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)與認(rèn)證。

技術(shù)參數(shù)

1．主要技術(shù)參數(shù) 

輸入電源：交流單相220V/50Hz 

額定功率：約1.8kW 

安全保護(hù)：急停開關(guān)、漏電保護(hù)、短路保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù) 

整體尺寸：1800 mm ×1120 mm ×1550mm 

2．主要配置情況 

 工業(yè)機(jī)器人：FANUC 

 plc：西門子 

 視覺系統(tǒng)：國際知名品牌工業(yè)智能相機(jī) 

 氣動系統(tǒng)：AirTAC、SMC 

 電氣組件：施耐德、歐姆龍等國際主流品牌 

3．實(shí)訓(xùn)模塊簡介 

（1）標(biāo)準(zhǔn)實(shí)訓(xùn)臺框架主體 

實(shí)訓(xùn)臺的承重框架采用高強(qiáng)度鋁型材構(gòu)建，這種材料因其輕質(zhì)和高穩(wěn)定性而被廣泛使用。鋁型材的承重主體不僅保證了實(shí)訓(xùn)臺的堅固性，也便于攜帶和移動，適應(yīng)了多樣化的教學(xué)和實(shí)訓(xùn)需求。實(shí)訓(xùn)臺的側(cè)封板選用了耐用的工業(yè)冷軋鋼板，這種鋼板具有優(yōu)良的抗腐蝕性和耐磨損性，能夠保護(hù)實(shí)訓(xùn)臺內(nèi)部組件免受損害。側(cè)封板的設(shè)計還考慮了美觀和實(shí)用性，提供了一個整潔的外觀，同時保護(hù)實(shí)訓(xùn)臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受外界環(huán)境影響。實(shí)訓(xùn)臺的主體結(jié)構(gòu)由堅固的鋁制型材構(gòu)成，以確保足夠的承重能力，而側(cè)板則選用了耐用的工業(yè)冷軋鋼板，以提供額外的保護(hù)和穩(wěn)定性。

實(shí)訓(xùn)臺設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)化的接口，以適應(yīng)機(jī)器人、教學(xué)設(shè)備和功能模塊的安裝需求。這些接口不僅符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也為未來的功能擴(kuò)展提供了便利。實(shí)訓(xùn)臺在設(shè)計時預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)的氣源和電氣接口位置，這允許根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行功能擴(kuò)展。這種設(shè)計考慮了模塊化和靈活性，使得實(shí)訓(xùn)臺能夠適應(yīng)各種教學(xué)和工業(yè)應(yīng)用場景。

實(shí)訓(xùn)臺還配備了矩陣式定位柱，這為多功能模塊的安裝和定位提供了極大的便利，實(shí)現(xiàn)了模塊的自定義安裝位置。此外，實(shí)訓(xùn)臺內(nèi)部設(shè)有可抽拉的模塊存儲柜，這不僅方便了模塊的安裝和固定，也為電氣元件的存儲和調(diào)試提供了空間。

實(shí)訓(xùn)臺配備了可靠的電源系統(tǒng)，為工業(yè)機(jī)器人、教學(xué)設(shè)備和各類功能模塊提供持續(xù)穩(wěn)定的電力。這一設(shè)計確保了所有設(shè)備的運(yùn)行不受電力波動的影響，增強(qiáng)了實(shí)訓(xùn)臺在各種應(yīng)用場景下的穩(wěn)定性和可靠性。電源系統(tǒng)的設(shè)計考慮了不同設(shè)備的電力需求，提供了足夠的電流和電壓，以支持機(jī)器人、示教器和功能模塊的高效運(yùn)行。實(shí)訓(xùn)臺的電源設(shè)計還包括了過載保護(hù)和短路保護(hù)功能，以防止因電力問題導(dǎo)致的設(shè)備損壞。此外，電源系統(tǒng)還配備了緊急斷電裝置，以確保在緊急情況下能夠迅速切斷電源，保障操作人員的安全。

實(shí)訓(xùn)臺內(nèi)部設(shè)計了矩陣式的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一系列定位柱組成，它們允許多功能模塊在實(shí)訓(xùn)臺上進(jìn)行精確的定位和固定。這種設(shè)計使得模塊可以根據(jù)需要進(jìn)行自定義位置安裝，提供了高度的靈活性和適應(yīng)性，以適應(yīng)不同的教學(xué)和實(shí)訓(xùn)需求。

實(shí)訓(xùn)臺還設(shè)有內(nèi)置的抽拉式模塊存放柜，這一設(shè)計不僅方便了模塊的快速安裝和固定，還為通用電氣元件的安裝和調(diào)試提供了空間。存放柜的設(shè)計考慮了模塊的存儲需求，使得各種模塊和電氣元件可以有序地存放，便于管理和維護(hù)。

此外，實(shí)訓(xùn)臺的多功能模塊固定設(shè)計還包括了側(cè)封板上預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)氣源和電氣接口安裝位置，這些預(yù)留接口可以根據(jù)模塊的使用情況進(jìn)行功能的擴(kuò)展，進(jìn)一步增強(qiáng)了實(shí)訓(xùn)臺的實(shí)用性和靈活性。通過這些設(shè)計，實(shí)訓(xùn)臺能夠牢固地安裝多種應(yīng)用模塊，滿足工業(yè)機(jī)器人教學(xué)和實(shí)訓(xùn)的多樣化需求。

實(shí)驗(yàn)臺尺寸（mm）：1300×1200×900mm；

模塊固定板：多個；

快速電氣接口數(shù)量：4組；

快速氣路接口數(shù)量：4組；

主電源：單相 AC220V ；

控制電源：DC24V；

氣源輸出壓力：0.5Pa。

（2）機(jī)器人本體

實(shí)訓(xùn)臺采用國際主流的工業(yè)機(jī)器人——FANUC，通過掌握機(jī)器人的編程和應(yīng)用，能夠?qū)W會兩類機(jī)器人系統(tǒng)的編程與調(diào)試，滿足就業(yè)崗位對職業(yè)能力的要求。

本單元由工業(yè)機(jī)器人ER-4iA、機(jī)器人底座、機(jī)器人末端工具、機(jī)器人控制柜和示教盒、控制柜放置架等組成。六軸工業(yè)機(jī)器人能夠容易進(jìn)行機(jī)械內(nèi)部安裝，采用高剛性手臂和最尖端的伺服技術(shù)，即使高速動作也不會產(chǎn)生晃動。其核心參數(shù)如下所示：

自由度 6

軸工作范圍及速度

J1 軸 340°（460°/s）

J2軸 230°（460°/s）

J3 軸 402°（520°/s）

J4 軸 380°（560°/s）

J5 軸 240°（560°/s）

J6 軸 720°（560°/s）

定位精度（mm） ±0.02mm

額定負(fù)載  4kg

最大工作半徑 550mm

TCP 最大速度 4000mm/s

防護(hù)等級  IP30 

通信功能 modbus，可擴(kuò)展配置其他總線通訊功能如profinet等

機(jī)器人本體末端配有快換夾具

（3）夾具模塊

快速更換支架組件：包含一套支架，其尺寸為360×200×20毫米，而底座的規(guī)格為380×150×10毫米。該支架設(shè)計有3個快速更換工具位，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)訓(xùn)臺的定位安裝相兼容。

快速更換盤組件：配備一套，整個裝置采用鋁合金材質(zhì)作為主體，而緊鎖機(jī)制則使用合金鋼。該裝置的承重能力為3千克，最大允許力矩為20牛頓米，工作壓力范圍在0.3至1兆帕之間，整體重量為0.5千克。

單吸盤工具組件：配備一套，吸盤直徑為20毫米，具有10牛頓的吸附力。該工具套裝還包含一個真空發(fā)生器和一個電磁閥。

平行爪工具組件：配備一套，氣缸的行程為24毫米。

三爪工具組件：配備一套，該工具可以執(zhí)行外撐或內(nèi)夾操作，且無需外部電源。

繪圖工具組件：配備一套，用于繪圖筆的工具。

（4）繪圖模塊

平面繪圖組件的尺寸（長度乘以寬度）為400×300毫米，以確保能夠適配標(biāo)準(zhǔn)實(shí)訓(xùn)臺并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位安裝。該模塊支持的圖樣數(shù)量含橢圓、六邊形波形、五角星及圓環(huán)等5種。

（5）圓柱體搬運(yùn)模塊

實(shí)訓(xùn)臺搭配了針對機(jī)器人教學(xué)知識點(diǎn)的配套實(shí)訓(xùn)模塊，系統(tǒng)以西門子PLC為總控制器，實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器人的系統(tǒng)集成應(yīng)用，將各個模塊與機(jī)器人進(jìn)行有機(jī)搭配和組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)模塊串聯(lián)應(yīng)用。 

（6）搬運(yùn)碼垛模塊 

碼垛單元具有開闊的碼垛平臺，碼垛平臺上采用線條進(jìn)行分區(qū)，可以進(jìn)行豐富的碼垛內(nèi)容和檢驗(yàn)碼垛的準(zhǔn)確性。通過程序可以進(jìn)行靈活的碼垛垛型訓(xùn)練。

（7）通用倉儲模塊

該模塊由一個穩(wěn)固的底板、一個立體倉庫單元等關(guān)鍵部件構(gòu)成。學(xué)生可以依據(jù)提供的機(jī)械安裝圖紙，將倉儲模塊精確地安裝在工作平面上預(yù)先設(shè)定的位置。該模塊的外部尺寸為300×220×240毫米（允許有±5%的誤差范圍），而底座的尺寸則為300×220×10毫米（同樣允許±5%的誤差）。在布局上，模塊被設(shè)計為2行3列的陣列形式，這樣的設(shè)計旨在優(yōu)化空間利用并提高存儲效率。

該模塊特別設(shè)計為兼容單一種類的工件，確保了操作的專一性和高效性。通過精心設(shè)計的模塊化結(jié)構(gòu)，學(xué)生不僅能夠?qū)W習(xí)到機(jī)械安裝的基礎(chǔ)知識，還能夠掌握倉儲系統(tǒng)的布局和操作流程。這種設(shè)計不僅便于教學(xué)和學(xué)習(xí)，也為未來的自動化倉儲系統(tǒng)提供了一個實(shí)際的操作平臺。

整個系統(tǒng)的設(shè)計和制造都遵循了精確的工程標(biāo)準(zhǔn)，確保了在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和持久性。通過這種模塊化的倉儲解決方案，學(xué)生能夠獲得寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為將來在自動化和物流領(lǐng)域的發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

（8）運(yùn)輸模塊

該模塊主要由傳送帶、速度控制器、穩(wěn)固底座、傳送帶本身以及不銹鋼把手等部件構(gòu)成。使用者能夠調(diào)節(jié)供料和輸送部分的相互位置，以確保物料能夠平穩(wěn)地被輸送。該傳送帶裝置采用鋁合型材構(gòu)建。其驅(qū)動系統(tǒng)基于單相交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，裝置內(nèi)嵌入光電傳感器和阻擋機(jī)構(gòu)，用于檢測和阻止工件的移動。通過調(diào)速電機(jī)的驅(qū)動，皮帶能夠輸送多種不同的組件，且傳送帶具備啟動、停止和速度調(diào)節(jié)的功能。其外型尺寸為446×200×196.4毫米（允許有±5%的誤差），底座尺寸為400×200×10毫米（同樣允許±5%的誤差）。傳送帶的長度為446毫米，有效工作寬度為80毫米，最高運(yùn)行速度可達(dá)4米/分鐘，電源需求為交流220伏特。速度控制器的規(guī)格為單相交流220伏特，頻率為50/60赫茲。該設(shè)備適用于溫度在-10攝氏度至+50攝氏度，濕度低于90%的工作環(huán)境。

（9）智能視覺檢測模塊 

智能視覺檢測模塊采用知名品牌智能相機(jī)進(jìn)行設(shè)計。智能相機(jī)具有集成度高、靈活性強(qiáng)、外觀小巧精致的特點(diǎn)，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的配件。智能相機(jī)一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信單元等構(gòu)成。各部分的功能如下： 

?圖像采集單元：在智能相機(jī)中，圖像采集單元相當(dāng)于普通意義上的CCD/CMOS相機(jī)和圖像采集卡。它將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為模擬/數(shù)字圖像，并輸出至圖像處理單元。 

?圖像處理單元：圖像處理單元類似于圖像采集、處理卡。它可對圖像采集單元的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的存儲，并在圖像處理軟件的支持下進(jìn)行圖像處理。 

?圖像處理軟件：圖像處理軟件主要在圖像處理單元硬件環(huán)境的支持下，完成圖像處理功能。如幾何邊緣的提取、Blob、灰度直方圖、OCV/OVR、簡單的定位和搜索等。在智能相機(jī)中，以上算法都封裝成固定的模塊，用戶可直接應(yīng)用而無須編程。 

?網(wǎng)絡(luò)通信單元：網(wǎng)絡(luò)通信裝置是智能相機(jī)的重要組成部分，主要完成控制信息、圖像數(shù)據(jù)的通信任務(wù)。智能相機(jī)一般均內(nèi)置以太網(wǎng)通信裝置，并支持多種標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和總線協(xié)議，從而使多臺智能相機(jī)構(gòu)成更大的機(jī)器視覺系統(tǒng)。

（10）伺服定位控制模塊 

伺服定位控制模塊由西門子Profinet總線伺服驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成，由PLC控制伺服系統(tǒng)進(jìn)行位置控制，實(shí)現(xiàn)高精度定位控制，掌握工業(yè)領(lǐng)域中伺服驅(qū)控系統(tǒng)的使用關(guān)鍵技術(shù)。模塊具有傳感檢測、總線通信功能，作為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成的重要組成部分，伺服控制技術(shù)與PLC、工業(yè)機(jī)器人的結(jié)合，從而培養(yǎng)知識技能綜合全面的人才。

（11）電氣控制套件模塊 

實(shí)訓(xùn)臺采用開放式設(shè)計，讓學(xué)生的培養(yǎng)不僅僅局限于工業(yè)機(jī)器人及周邊自動化設(shè)備的編程和調(diào)試。實(shí)訓(xùn)臺具有開放的電氣接口，能夠根據(jù)教學(xué)需要，由學(xué)生自主進(jìn)行電氣原理圖設(shè)計并進(jìn)行電氣系統(tǒng)接線、系統(tǒng)參數(shù)配置和整機(jī)調(diào)試，擴(kuò)展學(xué)生在硬件設(shè)計、動手實(shí)踐及應(yīng)用方面的能力。 其中，接線面板區(qū)包括PLC控制區(qū)、機(jī)器人控制區(qū)、電源輸出區(qū)、編程接口區(qū)等，引腳和接口豐富，如下圖所示。一方面教師可以通過學(xué)生接線的正確與否，來判斷學(xué)生對于課堂知識的掌握程度；另一方面學(xué)生通過對面板的實(shí)際接線鞏固課堂知識，提升自己的動手和創(chuàng)新能力。 

教學(xué)連線功能需根據(jù)每個模塊的配置進(jìn)行連接，由于模塊的各有不同所以接線方式有類似也有不同的。在了解模塊特性并編寫對應(yīng)訓(xùn)練程序后根據(jù)需要對PLC、機(jī)器人和模塊三部分之間進(jìn)行連接插線完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。 

接線面板三大功能分區(qū)及實(shí)訓(xùn)接線示例（部分接線）

“PLC控制信號區(qū)”，采用西門子S7-1214網(wǎng)絡(luò)型PLC，通過將PLC的IO外置，能夠培養(yǎng)學(xué)生對PLC電氣控制設(shè)計能力的培養(yǎng)。 “工業(yè)機(jī)器人控制信號”區(qū)，包括機(jī)器人輸入信號、機(jī)器人輸出信號和機(jī)器人本體信號，用于進(jìn)行和PLC、外部實(shí)訓(xùn)模塊進(jìn)行信號交互，實(shí)現(xiàn)真正的開放式系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用。   

PLC控制信號區(qū)及機(jī)器人控制信號區(qū)

配套紅綠黑黃藍(lán)五色香蕉線（黃色和藍(lán)色香蕉線為信號線，其他顏色香蕉線為電源線），采用了全新設(shè)計的公頭形狀，增加了接觸面積能接插更大的電流，同時插頭鍍層經(jīng)過特殊處理，防氧化，有效的延長了插頭的使用壽命，每種顏色線材分別有4mm、6mm的口徑和100mm~2000mm的長度，滿足不同使用需求。 

系統(tǒng)采用S7-1214C 型號的PLC控制器，作為系統(tǒng)的總控制器，協(xié)調(diào)控制工業(yè)機(jī)器人及周邊設(shè)備的運(yùn)行，并具有通用開放的編程軟件，學(xué)生可以自主進(jìn)行PLC的程序設(shè)計。 

系統(tǒng)采用西門子 7寸高清工業(yè)觸摸屏，進(jìn)行控制和人機(jī)交互，觸摸屏自帶PN以太網(wǎng)接口，可以方便地與S7-1200 PLC進(jìn)行ProfiNet通訊。