工业机器人PCB异形插件工作站.docx

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工业机器人PCB异形插件工作站

工业机器人PCB异形插件工作站

1产品介绍

当前社会，信息化和互联网已经深入到每一个人的生活中，以电脑、通讯、消费性电子为主的3C产品消费也成为人们的最大消费之一。

由于3C产品品目繁杂、订单化生产、产品质量要求高，使得生产企业在实际制造过程中需要依赖大量的操作工人，在规定的较短时间内完成动作单一重复性工作，劳动量强度极大。

随着大量采用高响应驱动技术和轻量化结构设计，桌面式低负载工业机器人已成功应用于3C电子产品的生产制作过程中，代替人工完成动作单一、劳动强度大的分拣、安装、检测等工序，提高产品生产效率并保证高良品率。

工业机器人PCB异形插件工作站，如图1所示，以桌面式关节型六轴串联工业机器人为核心，在操作平台的四周合理分布有4种不同工艺应用的机器人工具以及涂胶单元、搬运码垛单元、异形芯片原料单元、异形芯片装配单元、视觉检测及光源单元、螺丝供料单元、总控系统及操作面板等组件。

工作站深度集成了离线编程技术，软件中不仅包含了与硬件平台的相符三维模型资源，还大大简化了涂胶及搬运码垛工艺实现的编程应用过程、提高轨迹复现精度、避免发生碰撞干涉。

工作站包含了涂胶工艺、搬运码垛工艺、分拣工艺、装配工艺等工业机器人最典型应用，不仅满足了职业院校不同专业学生针对工业机器人的操作和编程的教学需求，完全来源于工业应用现场的特征也使该工作站更加适合于作为职业技能竞赛平台。

图1工业机器人PCB异形插件工作站

工业机器人PCB异形插件工作站融合了工业机器人维护及操作、系统安装及调试、现场示教编程及调试、离线编程及应用等技能要求，以3C行业最典型的异形芯片插件工艺过程为任务主线，产品分为异形芯片零件、PCB电路板和盖板代表不同产品，采用模拟化设计提高装配产品的复用率，如图2所示。

图2电子产品PCB异形芯片插片产品

2整体技术参数

●输入电源：

交流单相220V，频率50Hz

●额定功率：

5kW

●安全保护：

急停开关、漏电保护、短路保护、过载保护

●整体尺寸：

2200mm×1350mm×1500mm

3实训项目

●工作站结构认知

●关键设备的特性和参数设置

●工业机器人手动控制及基本参数设置

●工业机器人IO通信及总线通信

●工业机器人单轴运动与线性运动控制

●工业机器人工具TCP参数标定

●工业机器人工件坐标系参数标定及多坐标系切换

●工业机器人多类型工具快速更换

●简单平面轨迹、复杂空间轨迹编程

●物料搬运与码垛实训

●产品外壳涂胶实训

●零件颜色、轮廓等视觉检测应用实训

●零件尺寸、位置等视觉检测应用实训

●锁螺丝装配实训

●基于RobotArt的工作站模型环境搭建与配置

●基于RobotArt的涂胶离线编程应用

●基于RobotArt的搬运码垛工艺离线编程应用

4主要配置

●工业机器人：

ABBIRB120

●PLC：

SIEMENS

●模拟工艺：

码垛、涂胶、分拣、装配

●机械快换

●视觉检测

●气动组件

●电气组件

5核心功能

工业机器人PCB异形插件工作站以3C典型产品的生产装配过程为主线，包含了涂胶、搬运码垛、视觉分拣、装配、锁螺丝、检测等工艺过程，所有涉及设备均合理布置在工作站台面上，方便查看设备状态和操作编程，布局方式如图3所示。

图3工业机器人PCB异形插件工作站布局

工作站选用桌面型工业机器人用来将所有加工工序串联起来，可根据学校需求更换不同品牌近似规格型号的产品，为确保设备使用一贯性和稳定性，采用瑞士ABB品牌的IRB120型，如图4所示，小巧灵活特性使其广泛应用于3C、电子、食品等行业，同时较小的工作半径和额定负载，在保证功能实现效果的前提下，确保教学和竞赛安全，防止发生人员以外，满足工作站使用要求。

ABBIRB120机身表面光洁，便于清洗；空气管线与用户信号线缆从底脚至手腕全部嵌入机身内部，易于机器人集成。

其采用对称结构，第2轴无外凸，回转半径极小，可靠近其他设备安装，纤细的手腕进一步增强了手臂的可达性。

图4ABB工业机器人IRB120

IRC5紧凑型控制器在最小的空间内融合了多项技术优势，如优异的运动控制能力、高度灵活的RAPID语言等，如图5所示。

IRC5紧凑型控制器除节省空间之外，还通过设置单相电源输入、外置式信号接头及内置式可扩展16路I/O系统，简化了调试步骤。

确保操作员安全是IRC5紧凑型控制器的核心任务，经第三方检验认证，满足所有相关标准。

IRC5紧凑型控制器以先进的动态模型为基础，优化了机器人性能，可大幅缩短节拍时间、提高路径精度。

机器人运行路径不受速度影响，无需程序员调试，机器人即自动达到可预测的优异性能，真正实现所编即所得。

RAPID程序语言是简易性、灵活性和功能性的完美融合，支持结构化程序，适合车间应用，包含诸多高级功能，为各类工艺应用提供强大支持。

IRC5紧凑型控制器支持先进的现场总线，在任何工厂网络中都是一个性能良好的节点。

图5ABBIRC5紧凑型控制器

FlexPendant（示教器）以简洁明了、直观互动的彩色触摸屏和3D操纵杆为设计特色，拥有强大的定制应用支持功能，可加载自定义的操作屏幕等要件，无需另设操作员人机界面，如图6所示。

图6ABBFlexPendant示教器

工业机器人工具种类直接决定了工业机器人的应用功能，如图7所示，4种不同功能的工具覆盖了PCB异形芯片插片生产的完整过程，多个工具都采用复合设计，以实现不同的工艺功能。

所有工具均采用工业级工具快换系统，实现了无需人为干预，工业机器人可在不同工具间自由切换，同时确保气路、电路信号通信正常，大大扩展了工业机器人的应用能力。

涂胶工具采用仿形设计，内部安装可轴向移动的颜色笔可以在涂胶模块上按轨迹要求涂绘；夹爪工具利用气缸驱动，采用平行二指形式，可以稳定夹取码垛物料；吸盘工具采用双功能设计，即可稳定吸取异形芯片，又可吸取盖板；锁螺丝工具可以将供螺丝组件提供的螺丝按照指定锁紧力矩将盖板和PCB电路板锁固。

图7工具快换系统及工具

涂胶单元是将工业机器人对产品装配前的涂胶工艺进行功能抽象化，工业机器人抓持涂胶工具沿具有弧形曲面的面板上合理布置不同产品外轮廓轨迹上模拟工艺过程，如图8所示，保证工艺真实性同时增加教学可行性和趣味性。

利用涂胶模块和所提供的不同内容的轨迹图纸，利用涂胶工具，同时可以完成工业机器人脱离工艺应用的基础操作和编程教学应用。

图8涂胶单元

搬运码垛单元是将工业机器人对产品搬运码垛工艺进行功能抽象化，工业机器人抓持夹爪工具将已完成生产的方形产品由原料台按照要求搬运码垛到指定位置，如图9所示，提供两种不同类型的仓储料库，可以模拟传送带队列式供货和平台堆垛，通过对物料转移过程和堆垛形式的要求增加教学多样性，提高编程复杂度。

图9码垛单元

异形芯片原料单元用于存放不同类型的异形芯片，通过形状不同代表不同种类、颜色不同代表不同型号，异形芯片装配单元提供多个装配工位，如图10所示，分别用于不同产品的装配和检测。

不同产品对芯片种类、数量的要求不一，需要工业机器人根据要求从异形芯片原料单元中选取所需的芯片后放置到指定位置，在完成所有芯片的安装后，为产品安放盖板并锁紧固定螺丝。

图10异形芯片原料单元及装配单元

视觉检测及光源单元可以对工业机器人所选取芯片的颜色、形状、位置等信息进行检测和提取，如图11所示，并将检测结果传输给工业机器人，以辅助其完成后续动作。

视觉镜头配套检测光源，可以尽量避免环境光源对检测结果的影响。

采用倒置式安装，可以使机器人手持零件进行检测，减少周边配套设备，简化机器人轨迹动作。

图11视觉检测单元

工作站为方便教学和竞赛使用，在平台上布置了云监控，如图12所示，利用互联网可将设备的实时操作过程在大尺寸教学终端中进行展示，避免了集中式教学学生围观又无法切实看清教师操作过程的问题，也可以在竞赛过程中实现直播提高观赏度，同时方便教师对学生的操作流程进行实时点评，提高教学指导效果，存储在系统中的录像实现对操作过程可追溯，为竞赛过程中争议事件提供佐证材料。

同时，在工作站操作正面，利用线性光栅作为安全保护措施，当操作人员进入危险区域时，工作站会蜂鸣报警，并降低工业机器人运动速度，甚至触发急停，以避免危险发生。

图12云监控及安全光栅

配套工具如图13所示，具体参数如下：

工具箱1个、内六角扳手1套、250mm活动扳手1把、17mm/19mm开口扳手1把、13mm开口扳手1把、5.5mm开口扳手1把、螺丝刀1套、5米卷尺1个、斜口钳1把、Y型端子钳1把、裸端型端子钳1把、剥线钳1把、美工刀1把、万用表1个、PLC编程线1根、触摸屏编程线1根、程序拷贝U盘1个

图13配套工具

离线编程软件选用国内首款中文界面的RobotArt工业机器人离线编程软件，采用独家解算算法并已申请软件著作权，集成了计算机三维实体显示、系统仿真、智能轨迹优化、运动控制代码生成等核心技术，使得工业机器人获得了更加强大的“大脑”，可以轻松应对复杂轨迹的高精度生成和复现，在计算机上完成轨迹设计、规划、运动仿真、碰撞检查、姿态优化，最后直接生成工业机器人控制器所需的执行运动代码，同时还提供了方便的轨迹整体优化、工艺过程设计和空间校准算法，缩短了工业机器人的停机调试时间，为工业机器人实现更广泛的应用提供技术支撑。

工业机器人离线编程软件

1软件概述

随着工业机器人技术的发展，高精度、高性能、高智能工业机器人相继问世，助其不断地扩展应用领域。

不同于简单的物料搬运、码垛应用，新兴工业机器人应用需要更高精度轨迹和复杂工艺支持，导致了传统示教编程和语言编程无法完全满足。

同时在线操作和调试使得工业机器人必须停机配合，致使生产线停产，造成企业损失。

工业机器人离线编程技术集成了计算机三维实体显示、系统仿真、智能轨迹优化、运动控制代码生成等核心技术，使得工业机器人获得了更加强大的“大脑”，可以轻松应对复杂轨迹的高精度生成和复现，在计算机上完成轨迹设计、规划、运动仿真、碰撞检查、姿态优化，最后直接生成工业机器人控制器所需的执行运动代码，同时还提供了方便的轨迹整体优化、工艺过程设计和空间校准算法，缩短了工业机器人的停机调试时间，为工业机器人实现更广泛的应用提供技术支撑。

RobotArt工业机器人离线编程软件，华航唯实掌握核心算法并申请了软件著作权，如图14所示，已经在工业机器人应用领域取得初步成功，切实解决了实际应用问题，打破了国外软件垄断局面。

RobotArt充分考虑到软件应用特点，实现了功能最优化、使用简易化、界面人性化、操作统一化，在教育领域为学校提供教育版，提供专业的技术支持和二次开发服务，实现教学功能定制化。

图14RobotArt软件著作权

2推荐硬件配置要求

●操作系统：

Windows7/Windows8/Windows8.1/Windows10（32bit/64bit）

●网络要求：

程序运行过程中稳定访问互联网

●CPU：

Inteli5及以上，主频3.2GHz

●内存：

DDR48GB

●显卡：

NVIDIAGT720显示芯片，独立2GB显示内存

●参考电脑型号：

联想扬天A6860f，戴尔V3000-24N8，惠普580-056cn等

3特色功能

3.1多品牌工业机器人离线编程功能

RobotArt采用独家解算算法，可以支持市面上所有品牌工业机器人的离线编程操作，目前模型库中已附带KUKA、ABB、STAUBLI、广州数控、新时达等品牌工业机器人模型，可以导入三维模型并进行轨迹规划，采用通用化空间正逆解算算法真实仿真运动过程，一键即可完成复杂的程序编译过程，直接生成运行所需要的控制代码文件，如图15所示，简化工业机器人编程过程，统一编程接口，提高应用效率。

图15多品牌工业机器人离线编程支持

3.2基于CAD数据的轨迹设计

RobotArt采用通用的3D核心模块，提供了基础的曲线、曲面及实体建模功能，满足简单建模需求，同时RobotArt独家提供了丰富的模型文件接口，包含了通用标准三维模型格式如step、igs、stl、x_t，以及市面上广泛使用的三维设计软件如UG的prt、ProE的prt、CATIA的CATPart、Solidworks的sldpart等格式的模型文件，方便用户在不同软件中建立真实的工作环境并导入到RobotArt中，提高设计环境真实度。

软件操作过程与通用3DCAD软件基本相同，在教学上具有延续性，如利用三维球对模型位置和姿态进行调整等，便于学生掌握软件操作。

同时RobotArt的工业机器人轨迹生成采用基于CAD模型数据技术，可通过实体模型、曲面或曲线直接生成运动轨迹，简化轨迹生成步骤，提高轨迹精度。

3.3灵活的编程模式和轨迹优化功能

工业机器人在真实应用时，会根据不同需求采用工业机器人手持工具或手持工件两种方式实现，有时因为空间限制或成本要求，一个工业机器人工位需要完成多个工序功能，要求工业机器人配合快速更换工具实现多种末端执行器自动替换。

RobotArt为解决此类应用问题，将轨迹仅与工件和工具关联，可以实现手持工具和手持工件两种轨迹编程模式自由切换，并对多个工具进行定义编程，多个工序一次实现，简化编程流程，充分模拟真实应用效果。

RobotArt提供了多种工具用来解决轨迹优化过程可能出现的问题：

利用仿真实时碰撞检查工具可以检查编程结果在仿真运行过程中模型间的碰撞，防止真实应用时发生危险；利用轨迹分析工具可以对工业机器人的可达性、姿态奇异点和轴超限进行检查，以提示设计人员对轨迹进行调整，避免实际运行中的无故停机，提高调试效率；利用独家算法的智能轨迹优化工具，采用可视化界面实现复杂轨迹的优化调整，规避不可达点、姿态奇异点和轴超限点，简化轨迹优化操作过程，如图16所示。

图16轨迹分析工具及优化

3.4多机器人联动仿真

在真实生产应用中，由于工艺要求复杂、产品结构特殊等原因，同一工位处经常需要多个机器人互相配合完成要求的加工动作，有时甚至需要两到三个机器人联动完成复杂空间轨迹的动作，这使得工业机器人的工作环境极为复杂，容易发生碰撞等危险，在编程调试过程中，需要更加细致和小心，也对工作站的整体设计提出了更高的要求。

RobotArt利用独家的轨迹关联技术，可以在同一三维环境下导入多个不同品牌、不同型号的工业机器人，并对每一个工业机器人进行轨迹编程，如图17所示。

利用IO关联控制技术可以实现多个机器人之间轨迹的联动控制，从而达到完全模拟真实状态下，工业机器人的仿真过程，从而在虚拟环境中对工业机器人的工作空间进行碰撞检查，避免危险发生，同时也可以直观地验证多机配合情况下轨迹的复现效果，提高程序调试效率，缩短设备停机时间。

图17多机器人联动仿真

3.5第七轴扩展及变位机应用

最常用的串联六自由度关节型工业机器人，因其结构特点使其工作范围为近似球型，与人的工作范围相同。

但随着应用形式的扩展，大幅度提高工业机器人的工作范围成为了主要需求。

但单纯增加工业机器人工作半径，不仅严重影响了有效负载和重复定位精度两大指标，还使得成本大幅提升，得不偿失。

为此，利用线性行走模块使工业机器人增加第7轴实现沿一维自由运动，从而将球形工作范围迅速扩展成为圆柱形空间，且高精度导轨和高性能伺服技术的发展也确保了优良的定位精度，成为了当前主流应用方式。

RobotArt为解决该应用问题，将轨迹与机器人在几何关系上解耦，实现了机器人动态实时跟踪轨迹运动仿真，不论机器人运动到任何位置都可准确定位到目标轨迹点，同时对当前状态下的机器人轨迹数据进行输出，实现扩展第7轴的离线编程应用，如图18所示。

图18扩展第7轴的编程仿真应用

在焊接应用过程中，由于焊接零件的尺寸及焊缝轨迹的要求，经常需要工业机器人配合变位机实现单工位下多个焊接工序的加工过程。

对于非联动的变位机应用，示教编程还可以勉强应付，但当需要应对贯穿线等复杂轨迹加工时，需要工业机器人与变位机联动完成，即加工过程中工业机器人和变位机同时运动，这使得传统示教编程基本无法满足，必须依靠离线编程实现，以满足高精度加工需求。

RobotArt软件中提供了单轴L型、单轴H型、单轴转盘型、双轴等不同形式的变位机，方便不同应用工况下的快速部署与应用，也提供了自定义变位机的接口，满足定制化需求，如图19所示。

图19变位机联动轨迹规划及仿真

3.6快换工具应用支持

在自动化生产线中，由于空间、成本等因素限制，经常会要求单一工业机器人完成多种工艺过程，如搬运装配复合、点焊抓取复合、装配检测复合等等，这使得工业机器人需要能够自动更换末端执行器。

为满足该工业需求，工业机器人用快换工具应运而生，分为机器人端和工具端，机器人端安装在机器人法兰盘上，可以与同规格的工具端实现快速装配和分离，采用气动控制。

RobotArt软件利用独家的轨迹关联技术，实现同一工业机器人不同工具间的轨迹匹配，完全模拟了真实快换工具的应用方式。

同时针对快换动作特点，增加了抓取、放回工具的快捷工具，简化了编程过程，提高了应用效率，如图20所示。

图20快换工具应用支持

3.7丰富的工艺工具包

为满足工业机器人不同工艺应用需求，RobotArt提供了工艺工具包以解决实际应用问题，如图21所示：

可以根据需求自定义工具模型和坐标参数，满足个性化工作站设计要求；通过多点智能匹配算法可实现虚拟设计环境与真实应用环境的坐标变换，在轨迹轮廓不变的情况下对所有标志点进行变换，提高适应性；可利用搬运码垛工艺包真实还原工业机器人抓取物料搬运并摆放的整个工艺过程，避免与环境中其他设备的碰撞；利用点云数据直接生成打孔轨迹，简化轨迹编程过程；利用CAM软件生成的复杂APTSource或NC格式G代码文件生成数控加工轨迹，完成复杂轮廓轨迹或立体模型雕刻。

图21工艺应用工具包

3.8定制教学功能

RobotArt为方便教学应用，在学校进行部署时，会在软件中集成与学校所购买的硬件实训设备相同的模型环境，以方便在教学过程中融入离线编程应用，如图22所示。

同时，在进行硬件实训教学前，利用RobotArt的虚拟环境熟悉实训操作过程，可以提高硬件设备使用率，降低设备损坏率。

为满足集中式教学，RobotArt提供了仿真结果3D动画输出功能，在完成离线编程后，可以通过浏览器直接查看运行效果，方便教师对学生的学习情况进行考核，避免实机操作时发生危险。

为保障软件的正常使用和教学应用，华航唯实可以提供及时的技术支持，充分解答软件的各种使用疑问，并会定期在网上进行软件操作培训。

图22集成实训设备模型资源

4工业应用项目

RobotArt软件依靠其强大的离线编程功能，多品牌的支持，简单易用的操作特点，已经在航空、航天、汽车等行业中取得成功应用，并与多家科研单位和院校针对复杂工艺应用项目展开项目合作，解决技术难题：

●与中航工业北京航空材料研究院合作利用RobotArt配合ABBIRB6640工业机器人完成某机型舱门的打磨工序应用；

●与航天一院211厂合作利用RobotArt配合ABBIRB1410工业机器人完成某机型油箱密封件焊接工序应用；

●与长城汽车合作利用RobotArt配合ABBIRB1410工业机器人完成某型发动机缸体铸造后边缘去毛刺工序应用；

●与Instron合作利用RobotArt配合ABBIRB1410工业机器人完成试验机样件的自动上下料应用；

●与沈飞集团合作利用RobotArt配合KUKAKR360工业机器人完成某机型机身自动制孔工序应用；

●与飞虹激光合作利用RobotArt配合KUKAKR30HA工业机器人完成鼓风机罩焊接工序应用；

●与北京大学包头研究院合作利用RobotArt配合KUKAKR100HA工业机器人完成轴类零件激光熔覆工序应用；

●与北京卫星制造厂合作利用RobotArt配合KUKAKR16-2工业机器人完成某型号部件柔性装配工序应用；

●与福建福耀玻璃合作利用RobotArt配合KUKAKR100HA工业机器人完成汽车车窗玻璃打磨工序应用；

●与北京工业大学合作利用RobotArt配合KUKAKR16-2工业机器人完成机器人3D打印制造工序应用；

●与深圳圆梦精密制造研究院合作利用RobotArt配合KUKAR150和R2700完成复杂精密零件制孔工序应用；

●与长春福耀玻璃研究院合作利用RobotArt配合KUKA工业机器人完成玻璃制品自动化测量工序应用。