工业机器人范文

导语：如何才能写好一篇工业机器人，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

尹镟博说，这些“钢铁之躯”的到来恰逢中国人口拐点的到来，人口红利逐渐消失带来的招工难、成本高，使得未来雇佣机器人成为必然。

若从微观角度来看，企业内部也正在进行劳动力结构转型，尹镟博说：“以前3月到4月的大量招工潮或许会逐渐减退，但对于高附加值的工人需求在不断提升，机器人与机器人之间协调和控制的岗位需求在诞生，只是原本超低附加值的工位被取代。”

在2015年末的第二届世界互联网大会上，2006年就宣称要用机器人代替工人的富士康创始人兼总裁郭台铭表示，传闻中的工人大规模失业只是杞人忧天，“未来工人会由当前的手工劳作为主转变为脑力工作为主。”

那么，真正的替代潮是否已经到来？

进阶工业2.0

罗克韦尔自动化中国区市场推广经理李仲杰告诉记者，从公司多年为客户提供自动化解决方案的经验来看，工业自动化的运用也有一个自上而下的过程，“以往更多是在资源密集型的重工业生产和汽车制造行业，比如在较早开始运用机器人的汽车产业，如今很少看到大量工人的情况。不过近年来，食品饮料、包装等消费品行业以及生命客户行业也开始成为我们新的业务增长点”。

尹镟博也向记者表示，目前台达所深耕的电子消费品市场就是一个全新且巨大的市场，“以一台机械手臂能够取代3个人来估算，假设目前全国有1个亿的制造工人，就有超过3000万台机械手臂的市场容量。”

只是，问题的关键在于，如何评估机器人的适用性？

以汽车制造业为例，虽然机器人的应用可以保持工序的一致性，但机器人更适合大规模生产，“就以单个汽车厂为例，一次性投入的成本在百亿以上，如果一年只生产几百辆车，恐怕很难收回成本。”李仲杰告诉记者，机器人擅长的更多是大批量重复单一动作，所谓的“无人工厂”更接近于乌托邦，“如果生产线需要同时应对多款车型，对于机械设备与控制系统的要求更为复杂，那么投入的资金与时间成本更巨大”。

如果细化至消费电子企业本身，尹镟博强调，因为拥有大脑和自我意识，人工显然更适合辨识与灵活组合，这对现阶段的机器人来说很困难，“未来，机器人的市场有多大，取决于它们在识别领域能够做得多深，可以多大程度上取代人的手工作业。”

刘阳（化名）是富士康郑州工厂的一名工人，负责iPhone6s的主装工作，在工厂的3年间，他也拥有了越来越多机器人伙伴，其中大部分品牌来自日本，“现在的摄像头、电池安装、电池板焊接都由机器人来完成，单一工序，比如器材的投递也全部由机械臂操作，但组装部分，类似抛光、打磨等精细工序还是需要人工”。

此外，企业对于机器人的依赖程度，同样的工位，偏好人还是机器人来完成？“管机器人容易，管理人会有各种问题，每个企业因人而异。”尹镟博说。

刘阳也向记者证实：“在富士康内部，一条生产线动辄上百人，一个车间上千人，整个工厂几万人，很容易发生争吵打架事件，管理压力不小。”

当然，很多人忽视的是，工业机器人是否被大范围应用，也取决于企业本身是否具备了自动化的条件。台达会定期前往客户的工厂做自动化可行性评估，但尹镟博常常发现不少工厂连标准作业程序都没有建立起来，产品设计、工序设计的一致性都没有达到，对于并不具备学习能力的工业机器人而言，要上马作业几乎不可能。“很多中小企业都误以为，只要买了机器人，就可以解决他们很多事，其实不然，自动化对于企业本身的要求并不低。”

如果将当年美国福特第一条自动化生产线的诞生作为工业2.0的标志，那么正如工信部部长苗圩所言，现阶段国内大量中小企业还在做工业2.0的补课。

成本因素

中国机器人产业联盟的数据显示，得益于汽车、电子、食品等行业规模的增长，2014年中国工业机器人需求量约6.14万台，同比增长约30.3%，而 2010年的需求量仅为2.32万台。

尹镟博告诉记者，台达的调研显示，2012年整个消费电子行业，人与机器的生产比例大致为4：6，现在已超过3：7，甚至有些大型制造企业已达2：8。“因为机器取代的进展快，也让国内不少电子厂不需要追随纺织厂、玩具工厂外迁来寻求更低的制造成本。”

那么雇个机器人有多贵？就目前工业机器人的投资回报周期来看，像台达从2014年到2015年生产的DRS40L DRS60L以及DRV90三款3公斤负重的机器人，最短一年到一年半就能收回成本，从整体行业来看，3-5年为常规的回报周期，而汽车厂则通常以10年计。

那么有没有可能进一步下调价格，将回收周期缩短？尹镟博坦言，价格有下降空间，但问题在于，现在销售的机器人中，超过80%依赖进口，即便剩下20%国产机器人，核心零部件还是必须进口。

与诸多制造产业类似，国产化的比例很大程度上决定了成本高低。从机器人的产业链来看，有两大核心，首先是机械制造环节。尽管现在CPU的运算速度一次次超越峰值，但是如何让机械运作跟得上系统速度？另一项，就是唇齿相依的控制层与感知层面的技术。

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[关键词]工业机器人 编程 示教

一、机器人编程语言系统的组成

机器人编程语言像一个计算机系统,包括硬件、软件和被控设备。即机器人语言包括语言本身、运行语言的控制机、机器人、作业对象、周围环境和设备接口等。机器人编程语言系统的组成如图1所示。图中的箭头表示信息的流向,机器人语言的所有指令均通过控制机经过程序的编译、解释后发出控制信号。

控制机一方面向机器人发出运动控制信号,另一方面,向设备发控制信号,设备如机器人焊接系统中的电焊机以及机器人搬运系统中的空压机等。周围环境通过感知系统把环境信息通过控制机反馈给语言,而这里的环境是指机器人作业空间内的物置、姿态以及物体之间的相互关系。

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二、工业机器人的语言功能

1.运算功能。运算功能是机器人最重要的功能之一。对于装有传感器的机器人所进行的主要是解析几何运算,包括机器人的正解、逆解、坐标变换及矢量运算等。根据运算的结果,机器人能自行决定工具或手爪下一步应到达何处。

2.运动功能。运动功能是机器人最基本的功能。机器人的设计目的是用它来代替人的繁复劳动,因此机器人发展到今天,不管其功能多么复杂,动作控制仍然是其基本功能,也是机器人语言系统的基本功能。机器人的运动功能就是机器人语言用最简单的方法向各关节伺服装置提供一系列关节位置及姿态信息,由伺服系统实现运动。

3.决策功能。所谓决策的能就是指机器人根据作业空间范围内的传感信息不做任何运算而做出的判断决策。这种决策功能一般用条件转移指令由分支程序来实现。条件满足则执行一个分支,不满足则执行另一个分支。

三、机器人的坐标系统

要想操控机器人完全按照设定的轨迹运动,必须明确机器人的坐标系统,在什么情况下该用何种坐标系。当前的主流机器人都是采用6自由度,即6个能够独立活动的坐标轴,如图2所示:

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机器人可以建立的坐标系有“World坐标系”,“Base坐标系”,“Tool坐标系”,“Axis轴坐标系”四个。各个坐标系统的特点和用途均不一样:Axis坐标一般用来操作机器人的各个轴的运动(如果是六个自由度的机器人会有A1-A6六个轴,每个轴都有自己的旋转方向和角度),机器人在运行过程中需要各个轴之间配合运动,有旋转也有直线等;World坐标系统主要是在编程的时候用来标定机器人的初始位置以及零点位置,该坐标系统类似于空间三维坐标系统;Tool坐标主要是机器人在进行实际工作时的一个参照坐标系,他的工具可以是夹具、焊钳或者喷枪等;Base坐标主要是机器人相对于自身的坐标系统,其原点一般在机器人底座的中心点。

四、工业机器人的编程

所有的机器人编程主要是从定义机器人运行轨迹和运行方式入手的。当前主流的机器人都是采用定义三种轨迹方式:点到点,直线和圆弧。

1.点到点的移动:工作空间内机器人始终在两点之间的定位,以最快的路径进行,而且所有的轴的移动同时开始和结束,所有的轴必须同步;这时无法精确的预计机器人的轨迹。采用该语句进行程序设计在实际操作过程中容易出现无法预知的运动轨迹,如图3,容易造成一定的安全事故,因此,在编程的时候尽量不用或者少用该语句。

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Meeting the requirement with easy， fast and efficient method is the target in the field of manufacturing. So an intelligent and automatic production line is really important. Germany has put forward the conception industry 4.0 and China also promotes the plan "Made in China 2025".

未来生产力

未来的工业大批量生产是怎么样的？还有多少工作需要人工操作？笔者认为随着智能工业化的普及，机器人工业革命将离我们越来越近：许多人工生产岗位被淘汰，取而代之的是智能化机器人更大规模的生产力以及有效的生产成本控制。

全球自动化趋势正加速到来，中国制造业面临的最大难题将是机器智能和自动化带来的冲击。在可预见的将来，机器人行业将与大数据、移动通信等进行跨领域技术融合，基于服务创新的机器人产业体系也许很快就要到来。

机器人出现在工厂里并不新鲜。几乎在每一个制造业部门，从汽车到半导体，它们都变得不可或缺。电动车企业特斯拉公司在加利福尼亚州弗里蒙特有个新计划，要使用160个具有高度灵活度的工业机器人每星期组装约400辆汽车。每当一个新的汽车底盘到了流水线的下一个位置，便会有多个机器人围上来，协同操作。机器人能够使用机械手臂自主切换工具，完成各种任务。比如，同一个机器人能安装座位、更换设备、涂黏合剂并将风窗玻璃安装到位。据国际机器人协会称，工业机器人全球的出货量在2000～2012年间增长了60%以上，2012年的总销售额约为280亿美元。迄今为止，全球增长最快的市场是中国，机器人装置在2005～2012年间以每年大约25%的速度增长。

目前，工业机器人也有其局限性，对于指令只能做到简单规律性的重复，也就是说，还没有达到所谓的“智能”。例如，在搬运箱子过程中，只能完成从A点到B点的运输，如果途中发生以外掉落，工业机器人无法自动识别并将货物拾起继续完成运输。如今工业机器人的工作单一性也是局限之一，同一条生产线上很难实现根据客户需求订制完成几个不同方案，可见还未达到真正的“智能化生产”，这也是工业机器人所追求的。

向工业4.0迈进的KUKA机器人

2015年8月26日，世界领先的机器人公司KUKA ，登陆2015第十一届上海国际汽车制造技术及装备与材料展览会（AMTS 2015）的车身焊装工程展区，展示车身焊装工程最先进的产品和技术。

此次KUKA携带三台机器人组成的机器人焊接与涂胶应用工作站参展，展示柔性自动化解决方案。其中有KUKA最新的重负载机器人FORTEC系列KR360 R2830，展示白车身零件的抓取和搬运。而特别为汽车行业研发的QUANTEC系列KR210 R2700 extra， 则出色展示白车身零件的焊接应用和涂胶应用。

汽车财经全媒体对库卡机器人（上海）有限公司汽车行业销售部经理王磊进行了专访。机器人在汽车制造中的应用，他认为机器人在如今工业生产领域应用很广，最具代表性的是汽车行业。KUKA工业机器人在汽车领域的应用占所有业务的50%～60%。王磊表示：“如今人工仍然是工业化进程中最核心价值， 同时，机器人的应用将成为定义行业未来发展的关键元素。高效、灵活以及最重要的安全的生产系统只有在充分尊重生产员工需求的基础下，才有可能实现可持续发展的自动化理念。”在本次AMTS 2015上，KUKA不仅展示其产品怎样提高客户的竞争力，更要证明公司如何在一个全球电子化的时代拥抱这个大趋势。

KUKA机器人相对于这一领域其它品牌的优势尤为明显，在四大工业机器人家族中，KUKA在汽车行业中的应用是全球最成功，在中国占有率最高、销量最多；在汽车领域的应用包括整车厂中的焊接、涂胶、搬运、装配、绲边、激光焊接、冲压、总装等环节；KUKA工业机器人平均2年维护更新一次，7～8年不坏，具有极高的可靠性，大大为企业减少了使用成本和投资成本； KUKA工业机器人在产品结构上有着非常大的优势，其中中型机器人能够基本完成焊装车间95%的工作； KUKA机器人在材料方面也有革新，使其轻量化，用铝合金作为材料；KUKA机器人目前全球装机量已超过15万台。截至2015年8月底，KUKA机器人中国的订单数已经超过2014年的订单数。和人工相比，工业机器人生产的汽车零部件产品质量和稳定性更高，同时将人工从危险、重复、繁重的工作当中解放出来，参与到更加高级的智能化研发当中。

库卡机器人（上海）有限公司建立于2000年。库卡公司工业机器人至今已在全球安装了超过15万台工业机器人。公司生产有效负荷能力3kg到1300kg的五轴和六轴机器人，其工作范围从635mm到3900mm不等，全部由一台基于计算机的操控平台控制。KUKA机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、消费产品、物流、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业上。主要应用于材料处理、机床装料、装配、包装、堆垛、焊接、表面修整等领域。

KUKA机器人在如今工业生产领域应用很广，最具代表性的是汽车行业。KUKA工业机器人在汽车领域的应用占所有业务的50% ～ 60%。

――库卡机器人（上海）有限公司

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【关键词】 快速切换；工业机器人；安装调试

随着时代的发展，人类生产力的开始变革，人工逐渐被机械取代，开始广泛应用于生产的各个方面。尤其是工业机器人的诞生，在很多方面代替了人工劳动，使生产向自动化迈进，显著提高了生产效率。此外，工业机器人具有很多人工没有的优点，如适用性强、重复精度高等，这些优点使其在电子、物流、化工和航天等多个领域发挥着越来越重要的作用。在我国经济飞速发展的背景下，使用工业机器人可以节约人力资源，增强企业的生产力，在相关行业的转型升级和提升装备制造能力方面具有十分重要的意义。

一、工业机器人的定义

工业机器人是一类面向工业领域的具有多关节机械手的机器装置，有一定的自动性，主要是靠自身动力和外界控制来实现功能的。它受人类操纵，按照预先编排的程序执行指令。现代的改良版的工业机器人可以人工智能根据制定的原则纲领来运作。除此之外工业机器人还具有一定的柔韧性和扩展性，可以根据接收到的信号完成规定运动，从而快速适应新环境。

工业机器人的手部还有一个名字就是末端操作器，是指机器人手腕上用来直接抓握零件或执行作业的部分。工业机器人的作业能力和效率深受其末端操作器能力的影响，因此可以通过以下操作提高机器人的作业能力、作业效率：改良操作器的设计，提高其灵活程度和临场反应能力，为机器人配置专门的工具库和作业所需的相关操作器，定期更新末端操作器的自动更新系统。结合上述方法，提高工业机器人工作能力，并在此基础上使用工具库中的各种操作器、借助工作自动转换来达到完成任务的目的。

二、快换装置的优点

快速转换装置的优点如下：第一，可以在极短时间内完成生产线的更换；第二，各种工具的更换快速准确；第三，可以在应用中同时使用多个末端执行器，增加机器人柔性；第四，可自动交换末端执行器取代原有功能复杂的功能执行器。

机器人快换装置能够做到在制造和装备的过程中快速交换使用不同的末端执行器，从而达到增加柔性的目的，已经在自动点焊、冲压、检测、装配、包装等操作方面广泛应用。另外，快换装置能够在一些突况下为其提供备份工具，减少意外事件的发生，机器人快换装置自动更换备用工具比人工更换工具更加快速方便。快速装置还在一些非机器人领域，如托台系统、人工材料抓举等领域上有着十分积极的作用。

三、对工人机器人进行安装调试的意义

第一，影响设备性能。运转中的设备如果出现安装、调试不够精准的现象，设备就容易出现难以固定、震动、移位等现象，最终导致机器人无法按设计速度运转；型号较大的设备的重心如果没有准确固定在支撑点上，生产中会出现倾斜，会对生产造成严重影响甚至危害工作人员的人身安全。

第二，影响设备寿命。如果两个相连设备的运转轴的中心不在一条线上，那么运转中轴就会长时间承受弯曲带来的压力，直径较大的轴长期处于此状态，最终会断裂；包含相对运动的设备，若安装位置不够准确，其相对运动面上就难以保持受力平衡，很快会出现磨损，带来不同程度的损伤。

第三，影响设备的作业率。设备的安装、调试准确性没有保障，发生故障的次数就会增加，就会需要修理、停机，严重影响各企业的生产状况，对企业效益造成损伤。

四、安装调试的具体操作

第一，了解程序。安装调试设备的工作范围确定后，就需要对整个工程的情况有一个详细的了解，了解我们要安装调试的设备在工程项目中的作用、整个项目中会用到哪些设备、各设备之间的关系、哪些设备比较关键，哪些设备之间的相互位置尺寸要做到丝毫不差、哪些可以适当释放。此外，还要详细的研究分析安装图纸，掌握所安装调试设备的工作原理、结构功能，并寻找适合的工具和设备。

第二、制定方案。要结合现场情况和风俗习惯，对每台设备制定科学详尽的安装调试方案，在制定过程中要考虑周全，准备多个应急方案，做到面面俱到、有的放矢，确保不会因发生意外情况而安装调试质量和进度造成影响。此外，在进场前，还应制定相应的作业指导书，作业指导书中要注明操作规程、要点、需用人员及设备、自检要求等，还应该为所需的安装设备统一提供依据。作业指导书要一式五份，保证公司、客户、监理部门、安装调试指挥部、现场施工队等各有一份，避免出现不必要的麻烦。

第三，严格执行操作方案。每安装完一台或一组设备，都要对其进行详细的复查，在安装连接设备时，也要对已安装好的设备的关键尺寸进行详细的复查，避免出现因尺寸变化造成整体返工的情况出现。设备全部安装完以后要进行一次认真的自检，尽量做到在调试验收前发现并及时解决出现的问题，达到安装验收一次合格的高标准，保证设备安装进度正常，并在规定工期内完工。

综上所述，工业机器人的广泛应用为各个行业带来了诸多便利，通过对工业机器人的制造理念、运行原理和发明技术等方面的深入研究，并与相关团队进行密切合作，针对机器人应用方面的关键技术进行研究和突破，从而实现工业机器人在各大领域的发展与推广。

参考文献：

[1] 刘吉波，丁攀.装载机液控快换装置[J].工程机械，2016，47（4）：18-23

[2]张雪成，周存龙，张婧，等.一种喷嘴快换装置的设计及其自动化控制[J].重型机械，2016，1（2）：15-20

[3]颜玮.工业机器人快换装置的安装与调试[J].山东工业技术，2016，2（19）：9-10

[4]佟雪梅.强化设备管理，降低设备故障率――辅机拉线卷筒快换装置的研制[J].自然科学：文摘版，2015，1（12）：274

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关键词：PLC控制；工业机器人；系统设计；方案

引言

我国工业领域中涉及到重体力劳动的工人数量不在少数，如何减轻工人劳动量，提升生产效率，是诸多企业现阶段急需解决的问题。在此背景下，基于PLC系统控制的工业机器人应运而生。

1工业机器人整体方案

1.1工业机器人整体结构

工业机器人的整体结构可分为执行系统、驱动系统、控制系统等几部分模块，这些系统主要负责工业机器人的正常运转与操作指令。其中执行系统是工业机器人的重要构成之一，该系统主要控制机器人在工业生产环节中的正常运行，将工业机器人的各个零部件串联起来并有效配合；驱动系统是工业机器人的动力控制中心，主要为执行系统提供动力，提供动力的主要方式为液压、气压和电动驱动等；控制系统是工业机器人的大脑，主要负责控制和指挥工作，向执行系统传递信息，因此也可称为中枢管理系统，其主要依靠计算机和相关编程软件实现功能，此外还需要电气控制回路和电器元件等作为辅助。

1.2设计基本要求

工业机器人能否达成设计目标与实现设计功能，都需要依据相关指标进行衡量。工业机器人的结构不同，其评价指标也是不同的。机器人可以通过多种编程语言进行控制，以此来完成复杂的制造任务。部分企业为了节约经济成本，进一步提升生产效率，所使用的机器人的结构布局、机器大小、关节数、传动系统驱动方式等部分都会因操作功能不同而异。因此，在工业机器人设计整体方案中，机器人必须满足基本工作空间、机械自由度、有效负载、动力等相关重要参数。

1.3伺服控制系统

伺服控制系统是工业机器人的重要组成部分，其主要分为两种操控方式：一是开环控制系统；二是闭环控制系统。开环伺服控制系统主要采用电机驱动方式，电机为整个结构提供动力；而闭环伺服控制系统使用直流或交流作为动力，两者的动力来源完全不同。此外，闭环伺服控制系统采用的是负反馈控制系统，系统中的检测元件将执行部件的位移、转角、速度等形变量变成电信号，之后将这种电信号传递到系统输入端，与标准信息进行比较，得出最终信号的大小，最后按照减小误差的方法控制驱动电路，并将误差减小到零，而开环伺服控制系统则没有此种功能。

2基于PLC控制的工业机器人系统设计

2.1硬件设置

在选择PLC系统时，应本着实现基本功能的目标，设计简练、性能优异的控制程序，并具有程序容量大（60K）、I/O点数多（4096点），运算处理速度快（0.034μs），存储器可扩展性强（1M），与外部设备通信功能较强（USB接口、RS232接口）等主要特性。

另外，机器人需具有240K字节程序存储器、128K字节标准RAM和496K字节标准ROM等设备模块，为系统高速运转提供必备条件。在PLC模块中，检测元件和执行元件应选择适合的输入和输出模块，做好系统分配，确定合适的冗余量。

信息选择模块是通过HMI实现交流的，其基于MC协议进行通信与数据传输，该协议能够读取系统中的数据和读写顺序，全面把控PLC的踪迹。此外，该种系统不需要编程功能，即可实现数据的自动交互，操作起来极为方便。

2.2软件程序设计

工业机器人的软件程序设计主要是对系统软件的控制程序进行编程与设计，设计人员在进行PLC编程之前，应当根据实际控制需求编制程序流程图，以下仅以搬运系统为例。

图1 搬运系统简介

图1中可以看到机器人通过5个示教程序来完成四个工艺过程的物料流转，依次为毛坯件上料到生产过程1，生产过程1下料到生产过程2，生产过程2下料到生产过程3，生产工程3下料到生产过程4，生产过程4下料为成品。根据启动条件，搬运机器人可以随机启动，这种自动化机器人在实际搬运工作中运行方便，能大大提高工作效率。

3结语

总而言之，基于PLC控制的工业机器人系统已经在工业制造的各个领域广泛应用，随着我国信息技术、机电一体化技术不断发展，PLC控制系统将会运用到更广泛的领域。因此，为了促进工业又好、又快发展，PLC控制系统应该在未来更加满足工业设计的基本要求和人性化需求，以此实现生产效率的提高。

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[关键词]PLC；工业机器人；自动控制

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0359-01

引言

目前，工业机器人已经广泛用于机械制造业中，代替人完成具有大批量、高质量要求的工作。工业机器人多用在自动工位上，由设备控制程序的启动和运行。本文主要介绍如何利用GEPLC实现对FANUC系统机器人的自动控制。

一、基于PLC控制的工业机器人系统概述

目前，PLC控制技术、工业机器人技术以及CAD技术已经成为了工业自动化领域最关键的几个技术。这几个技术的不断完善和发展，给现代工业自动化领域的形成提供了巨大的帮助。近几年来，随着科学技术的不断发展，基于PLC控制的工业机器人系统的研究已经进入了关键阶段，实现基于PLC控制的工业机器人系统在生产中的应用也成为了现实。由于基于PLC控制的工业机器人系统可以在工业生产之中发挥重要作用，基于PLC控制的工业机器人系统在工业生产中的应用水平已经成为了衡量工业自动化领域发展水平的关键因素之一。基于PLC控制的工业机器人系统可以使得工业机器人在PLC系统的控制之下，自动地完成工业生产过程之中要进行的多功能型任务。除此之外，基于PLC控制的工业机器人系统还可以完胜一系列的工业生产工作，有效地实现机电一体化生产。

二、基于PLC控制的工业机器人系统的控制特点

基于PLC控制的工业机器人系统在应用中有着许多的优良特性，其主要集中体现在以下三个方面：首先，PLC编码控制器拥有着强大的控制性能，可以迅速地向工业机器人系统发出指令信息，而且在对工业机器人系统的控制过程中，还可以通过联网技术的应用，实现工业机器人系统的各种操作指令；其次，PLC编码控制器拥有着可靠性强的特点，由于PLC编码控制器拥有着相应的编码加密处理，这就形成了PLC编码控制器的强大抗干扰能力，使得基于PLC控制的工业机器人系统在运行过程中可以稳定地进行工业生产；最后，PLC编码控制器拥有着适用范围广的特点，目前，基于PLC控制的工业机器人系统已经可以广泛地应用于各个领域，体现了其适用范围的广泛性。

三、基于PLC实现工业机器人的自动控制系统设计

1、底层控制器的选型

底层控制器作为控制系统的核心，其选择的合适与否对整个系统来说十分重要，其性能直接影响了控制系统的可靠性、数据处理速度、数据采集的实时性等。移动机器人运行环境较恶劣，干扰源众多，对运动控制器的实时性和可靠性要求较高，所以选择一种稳定可靠地运动控制器至关重要，既要满足系统要求，又要具有良好的可扩展性和兼容性。

考虑到实验环境以及可扩展程度等问题，选择PLC用于适合本系统的底层运动控制器。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

2、电气系统设计

在对轮式全向移动机器人控制系统硬件进行选型以后，根据移动机器人的硬件组成进行电气系统设计。移动机器人的电气系统主要包括三个部分：主电路、伺服驱动系统电路和PLC控制系统电路。

移动机器人控制系统主电路通过PLC和继电器实现控制。控制原理如下：继电器由线圈和辅助触点两部分组成。当线圈通电的时候，其对应的常开触点闭合，常闭触点断开。在控制电路中，继电器线圈的电压为24V，继电器线圈的一端与PLC数字量输出相连，另一端与地相连。PLC的数字量输出电压为24V，通过控制PLC数字量的输出进而控制继电器线圈的通电和断电，继电器触点所控制的元件就会得电和失电。

3、I/O配置段设计

I/O配置段包括I/O刷新周期（典型为4ms）和I/O数据映像区大小信息，通过软PLC编程系统的工程配置模块进行可视化配置，以适应不同机器人应用程序对I/O设备的不同需求。长度固定为16字节，内容包括I/O刷新周期、本地数字输入LDI（Local Digital Input）单元个数、本地数字输出LDO（Local Digital Output）单元个数、本地模拟输入LAI（Local Analog Input）单元个数、本地模拟输出LAO（Local Analog Output）单元个数、远程数字输入RDI（Remote Digital Input）单元个数、远程数字输出RDO（Remote Digital Output）单元个数、远程模拟输入RAI（RemoteAnalogInput）单元个数、远程模拟输出RAO（Remote Analog Output）单元个数。

4、PLC程序设计

篇7

在中国制造2050和工业4.0“机器换人”的大背景下，中国工业生产正由制造向智造转型升级。本文在铅蓄电池极板生产线中引入工业机器人，开发了一种极板搬运工作站，并进行了PLC控制系统的设计，大大提电池极板生产效率，实现自动化。

【关键词】

工业机器人；电池极板；搬运工作站

铅蓄电池是一种技术成熟且安全性能好的能源，工业和生活领域的发展，如低速电动车、通讯设备储能等都离不开铅蓄电池，尤其是电动车是减少大气污染的重要措施。然而在电池极板生产中，行业内规模化运作的企业主要还是依靠劳动力手工操作，特别是电池极板上下料搬运作业，其劳动工作强度大，员工搬运工作效率低下、同时铅粉污染危害健康人员的身体，影响工人的工作寿命[1]，其发展急需产业转型升级。在国外，工业机器人已经成为一种标准化的设备，形成了一些具有竞争力的著名公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、安川，德国的KUKA[2-3]，占领国际和国内市场上的大部分份额。在国内，工业机器人受制核心零部件和工艺原因，还在刚起步。目前有沈阳新松、广州数控设备有限公司、哈尔滨博实自动化有限公司等，在系统集成和核心零部件进行了相关的研究和突破，都有了相应的进展。同时国内也涌现了一大批以工业机器人集成技术为中心的公司，进行工业机器人的集成应用，引进国外技术结合实际生产，为制造业、快消行业等服务工作。工业机器人是一种能模仿人工操作，可编程和自动控制的高端智能装备，具有高自动化、柔性化，是中国实现工业4.0“机器换人”战略的核心，是“中国制造2025”战略的重要组成部分。在铅蓄行业，引入工业机器人，可以代替手工操作的同时可以大大提电池极板生产效率，确保生产安全和提高企业的效益[4]。因此，机器人极板搬运工作站的研究对铅蓄行业实现自动化及转型升级具有重要的现实意义。

1机器人极板搬运工作站的设计

目前工业机器人在生产中的应用，主要以机器人人工作站和机器人工作生产线的形式进行整合集成应用。搬运机器人工作站，它的主要工作任务针对重物、消耗人力大且动作简单重复的搬运和贮藏工作[5]，如机床上下料、堆料码垛，机床柔性线等。针对电池极板的几何特性分析和工艺要求，进行极板机器人搬运工作站的设计和实现。

1.1工作站工作原理机器人极板搬运工作站由搬运机器人、电池极板输送机、极板架和控制系统等组成。机器人工作站以工业机器人为工作核心，极板输送机和极板架都在机器人工作空间内，工作时，电池极板由极板输送机运送至输送机末端定位点，然后等待机器人抓取电池极板，机器人收到相应的传感器信号后，按照预先规划的路径到达极板位置，末端夹取执行器夹手对其进行夹取，然后按照规划轨迹搬运至极板架位置，将极板准确放置于极板架上，代替人工作业。

1.2工作站机器人选型衡量工业机器人的指标很多，有自由度、工作空间、定位精度及重复定位精度、承载能力及最大工作速度等。极板搬运工作站的机器人选型主要考虑以下几个重要指标：（1）自由度指标，它是衡量机器人运动灵活程度的参数，是衡量机器人的重要指标，自由度越多，机器人越灵活，一般地工业机器人的自由度为3-6个。（2）工作空间指标，它指的是机器人的工作范围，机器人腕部或者末端执行器能达到的最大范围，工作空间越大，机器人运动范围越大。在运动控制中，注意机器人的极限位置，注意抓取位置和极限位置的考虑。（3）承载能力指标，机器人在工作范围内任何位置能承受最大的载荷，取决于负载的质量、速度和加速度等，同时要考虑末端执行器的质量，故机器人承载能力是末端执行器和机械手抓取负载的总和还要大。（4）定位精度指标，机器人实际位置与理想位置之间的偏差，同时重复定位精度是考验一个机器人同一环境和条件下，重复若干次其分散的偏差值，机器人多次重复到相同位置的偏差越小，机器人的重复定位值越高。通过这几个指标，极板搬运机器人工作站可以选择工作空间大、承载能力强、定位精度高的6自由度工业机器人作为机器人工作的机器本体，设计相应的安装座，以它为中心来设计整个工作站的安装控件。同时，6自由度的机器人具有较高的灵活性，方便完成极板的抓取和实现复杂路径的轨迹规划。

1.3末端执行器的设计工业机器人末端执行器的设计一般是针对作用对象进行非标设计，它是机器人操作与目标对象直接接触进行工作，是机器人的关键部件，它可以扩大工作空间范围，提升工作作业能力具有非常重要的作用。有电磁式、气动式、机械式等，其中机械式夹取可以分为双指式和多指式，其中双指式又分为回转式和平移式。根据电池极板的几何外形，故末端执行器夹具可采用气动驱动的平移型二指手抓对其进行抓取，采用气动驱动具有响应动作快，灵活，动力清洁等优点，其平移范围必须大于极板的横向尺寸。

1.4电池极板输送机电池极板输送机由支架，输送链、输送槽、极板定位板等组成，其中输送链安装在机架的若干个链槽内。工作时，三相异步电动机带动主轴运动，然后链式传送机构对放置在其上面的电池极板进行传送。采用链式传动，启动时电池极板运行平稳，无打滑现象，其适用于远距离运输和恶劣环境等优点。

2控制系统

机器人极板搬运工作站电气控制系统主要的功能实现包括：①工业机器人示教、调试编程与自动运行等功能；②极板末端执行器气缸动作、传感器的信号传递，实现抓取；③工业机器、PLC和人机界面交互和参数的设置；④整个极板搬运工作站的实现。

2.1极板工作站控制系统组成极板搬运工作站的控制系统包括：①PLC控制系统；②机器人控制系统；③示教器。其主要系统采用PLC为控制核心，机器人控制器的I/O信号模块与PLC通信模块可以直接或者间接通信，电池极板输送链上的极板信号和极板末端执行器信号也是通过PLC然后传递给机器人，进行信号的传递。工作时，搬运机器人按照人工示教好的程序正常运行，同时受PLC的控制。（1）机器人示教器，机器人编程有离线编程和示教编程，示教再现是机器人编程应用较广的编程方式。工作人员观察产品生产的工艺流程，然后根据生产实践，对工业机器人的动作位姿、工作路径、运动参数和工艺参数进行调试，按照需要的任务要求完成机器人编程示教。整个编程过程中，机器人示教器是一个重要的编程设备，通过其对机器人进行控制。（2）机器人控制器其核心是多轴运动控制平台，实现对多轴机器人的关节伺服控制，同时又相应的机器人专用端口和机器人通用端口和PLC进行信息传递，同时设置相应的总线控制和以太网控制端口，方便与外部设备通讯。（3）PLC控制柜，其以PLC为控制核心，将机器人控制柜、传感系统、人机界面进行集成控制，整个搬运系统的实现主要依赖PLC的逻辑控制的调试与实现，具有非常重要的作用。

2.2控制软件设计机器人工作站的控制软件设计以PLC为中心实现。根据搬运工作站的工作原理，首先采用示教器对机器人进行轨迹路径规划，考虑机器人在搬运极板时所需的运动学和动力学性能，以最舒服的姿态来进行工作。将机器人进行轨迹示教完成以后，再根据机器人抓取执行器极板准备、极板到位、进行抓取、机器人进行搬运到极板架放置，放置结束后重新循环开始的整个过程，然后进行程序的设计和实现。整个系统程序的设计包括系统初始化、手动运行、自动运行、信号显示系统和系统复位。（1）系统初始化：当整个控制系统开机时，按一下初始化按钮，机器人搬运工作站所有的执行动作按照一定的先后顺序恢复到预先的原始位置，使机器人工作站处于准备运行状态，随时准备开始工作。（2）手动运行：机器人单机示教轨迹路径，完成路径的最佳规划，手动运行是用来对整个机器人各个功能块进行调试时的状态。通过手动运行模块，可以调试抓取执行器的开合动作，以此来进行极板的抓取力度调节。同时也可以实现抓取后整机联合运行调试操作，让机器人、末端执行器和极板输送架达到最佳状态。（3）自动运行：自动运行状态是整机连续工作状态，一旦参数都设置好后，正常情况下进入自动运行状态，搬运工业机器人能自动完成电池极板的抓取，搬运、放置循环工作，实现生产的自动化，可以通过按钮或者触摸屏上的启动开始，接受停止指令后停止。其程序的设计可以采用步进顺序控制，按照一定的生产流程来实现工业机器人极板的搬运工作。（4）信号显示系统和复位系统：通过信号显示可以观察系统的运行情况，可以观察其各功能状态，通过信号显示来判断程序运行的进度、状态以及极板的搬运数量。同时一旦出现故障，可以通过报警灯来提示故障问题，通过触摸屏显示系统快速找到故障点，并且可以通过相应的复位系统进行复位。

2.3人机界面设计人机界面的设计，主要通过触摸屏和组态来实现搬运机器人控制系统和人的人机交互，通过信息的交流来实现人对搬运机器人的控制。随着信息技术的发展，传统的纯按键操作平台逐渐被触摸屏所取代，可以克服接线繁琐、按钮多等诸多问题。同时，随着组态技术的发展，可以组建适合工业生产相应的控制系统界面，包启动、停止、循环、单机及数等功能，同时可以制作相应效果更好的系统界面。本文选取昆仑通态的触摸屏为人机交互界面，同时通过昆仑的MCGS组态软件集成实现机器人工作站的控制要求，根据机器人工作站功能及控制任务的要求，配置相应的对象定义，编辑属性和状态特征等，同时制作组态画面来显示状态信号和一系列的人机操作等。人机界面完成控制硬件与软件的联系，建立了操作人员与监控层的控制与沟通平台，在机器人搬运工作中方便灵活。

3总结

本文开发了一种铅蓄电池的极板搬运机器人工作站，该极板搬运机器人工作站可以实现极板输送、定位抓取、搬运、放置等功能，同时控制系统采用PLC和昆仑人机界面进行控制来实现整机的运行，其操作性高、性能稳定，从而代替人工实现极板的自动搬运，大大提高工作效率。

【参考文献】

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［2］王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业发展技化发展战略[J].机械工程学报，2014,9（50）：1-13.

［3］顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化,2006,2:6-9.

［4］陈立新，郭文彦.工业机器人在冲压自动化生产线中的应用[J].机械工程与自动化，2010,3：133-135.

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【关键词】工业机器人；市场需求；关键技术；问题

工业机器人制造和发展的过程中涉及到的技术和领域非常多，包括机械、电子和计算机等，通过多种高新技术的整合形成的一种综合式的研究领域，因此，工业机器人在发展的过程中对所有涉及到的科学领域都一定的联系。随着工业机器人发展的标准化和网络化等成都越来越高，其在使用的过程中能够满足人们的更多需求，本文对工业机器人的技术发展和应用进行了简单的分析。

1、机器人发展历程

1.1 国内发展史

我国的工业机器人起步较晚，大概在上世纪70年代才开始进行工业机器人的研究，到目前为止，我国的工业机器人发展已经经历了30多年的时间。对于工业机器人的前期研究，其主要是自主研发，在这一过程中面临的问题较多，导致发展较为缓慢，随后我国将其列入到我国的国家计划中，发展速度开始加快，特别是几个五年计划中对工业机器人发展的技术支持，为我国的工业机器人发展提供了充足的动力。近些年来，随着科学技术的不断发展，我国的工业机器人生产和制造逐渐为用户带来了巨大的经济效益，而机器人的自动化生产也逐渐被引进我国，国内的各行各业也在逐渐将生产设备向着自动化技术前进，这都为我国的工业机器人发展创造了良好的外部环境。截止到目前，我国的北进和上海等城市已经拥有了具有自主知识产权的工业机器人产品，一些产品已经投入了市场，为我国的工业机器人发展创造了良好的条件。

1.2 国外发展史

世界上工业机器人发展最先进的国家是日本，在当前，全球大约有40%的工业机器人来源于日本，其不论是在工业机器人的技术含量以及市场的发展中都具有非常大的优势，占据着世界机器人市场的最大份额。在2004年，日本将工业机器人的发展列入到国家的新产业发展战略中，随后又在其他的发展战略中将工业机器人发展列入其中，通过日本政府的重视，日本的工业机器人发展具有非常好的技术和经济等支持，为日本的工业机器人发展创造了良好的外部条件。此外，还有机器人的诞生地美国，其对机器人的研究最早，经过40多年时间的发展，美国的工业人机器人已经具有非常雄厚的资金和技术支持，国内的工业机器人生产商具有较高的科研能力，为美国工业机器人的发展提供了有力的技术和资金支持，其他的像西方的发达国家，其对工业机器人的发展都具有相当高的重视，这为其国内的工业机器人发展创造了良好的氛围。

2、工业机器人发展趋势和特点

对于工业机器人，其主要是为了满足制造生产的高效和高精度，为此，未来的工业机器人发展将逐渐向着高速、高精和智能化等方向发展，通过日本的机械学会对工业机器人的发展研究得知，随着工业机器人的精度设计水平提高，其将会向着重复定位精度方向发展，这为工业机器人的应用创造了非常大的优势。此外，各种新材料的开发和利用也使得工业机器人能够不断减轻自身的重量，为其应用提供更加便利的条件，下面对工业机器人的技术特点进行了简单的介绍：

首先是工业及其热的精密化和柔性化等特点，工业机器人在开发和使用的过程中涉及到的技术种类较多，为了保证工业机器人的快速发展，需要通过有效的技术检测来对工业机器人的管理进行优化调度和控制等，实现工业机器人的品质和产量双增加。此外，随着当前可持续经济发展理念的盛行，工业机器人的发展也将逐渐向着低能耗、无污染的方向前进，着将是为来工业机器人的发展最高水平。

然后是工业机器人的自动化成套装备，其在生产的过程中更加注重产品的精细化加工和生产，随着我国工业机器人的发展，其逐渐向着高智能化的方向前进，从而实现工业生产的自动化和数字化等特点。

然后是工业机器人以及成套的自动化设备，这是工业生产中的重要设备，像制造业中的生产、安装和检测等都对其具有较高的技术要求，且这些设备广泛应用在汽车的整体以及单个零件的生产中，此外还有军工和金融等多个行业。

3、国际市场需求分析

根据IFR的相关统计数据可以得知，工业机器人的生产和销售目前已经达到了一个非常可观的水平，在2008年，全球的工业机器人安装就达到了11.3万套，而对应的销售额也达到了62亿美元的总体水平，大约占据了整体市场容量的三分之一左右。随后，每年的工业机器人生产和安装也在逐渐增加，除了2008年和2009年金融危机的影响，后续几年工业机器人的生产和销售额都在稳步增长中。对于我国当前的工业机器人生产、制造和销售，仅仅有30%是国产的工业机器人，而其他的市场份额几乎被美日德等发达国家占据完全，通过对我国工业机器人的市场进行调查研究可以发现，当前我国的工业机器人市场需求是非常大的。在国际市场上，我国是工业机器人进口最大的国家之一，且我国的工业机器人发展速度也是非常快的。随着工业机器人技术的不断成熟，国际上也出现了一批具有高端技术的工业机器人生产厂家，像KUKA和ABB等，这些工业机器人生产商的技术水平非常高，在国际市场 上占有非常高的地位。

通过对工业机器人的发展趋势进行研究可以发现，其在制造业中的应用具有非常广阔的前景，像机械加工和焊接等操作汇总，机器人的使用能够大大提高施工水平，且产品的质量也非常高，避免了人工操作过程中可能出现的各种失误。通过工业机器人的生产和发展，其大大推动了世界工业技术的发展。像产线的装配机器人，其在自动化装配产线中的应用减少了工人的劳动强度，减少了生产过程中的人工成本，为企业的发展创造了更大的价值。

4、工业机器人技术分析

对于常规的工业机器人来说，其组成部分主要包括机械主体和控制系统等，通过这几个基本的组成部分就能够实现一些常规的工业生产操作。对于工业机器人来说，其中的控制系统和传动系统等对其具有决定性的影响，为了保证工业机器人的高精度生产和高性能运行以及稳定的操作等，需要对工业机器人的这些系统进行有效的控制。在当前，我国的工业机器人研究对其中的关键性技术仍然没有完全掌握和开发，这对我国的工业机器人发展具有非常大的限制。

4.1高精度减速机

在当前我国的工业机器人发展中，高精度机器人的关节减速器大部分都是依赖国外的厂家提供，这对我国的工业机器人发展是一项严重的限制。为了更好的实现我国工业机器人的国产化，我国的部分高校开始致力于高精度摆线针轮减速机的开发和研究，到目前为止，我国已经研究出了能够替代谐波减速机的相关产品，但由于我国的相关技术还不完善，高精度减速机的研制过程中还存在着一些技术问题，下面对其进行了简单的分析：

首先是材料的成型控制技术，为了保证工业机器人的正常使用，需要对其RV减速机的减速齿轮进行高耐磨等性能的提高，这样才能保证工业机器人的高精度，因此，对于RV减速机的相关材料具有非常高的要求，这体现在材料化学中的各种构成材料含量等的控制方面。然后是对于一些特殊部件的加工技术，对于RV减速机，其中的非标特殊轴承是最为复杂的组成元件之一，在生产的过程中需要保证其间隙的准确性，这就要求对该器件的生产采用一些特殊的生产模式，但在当前我国还没有找到最佳的生产方法。然后是装配技术的精密性，对于工业机器人，其在使用的过程中具有较大的减速效果，因此，在进行实际的装配时需要结合当前的精密装配技术来实现工业机器人的精密装配，保证其良好的减速效果，通过对RV输出轴侧隙的零标准控制，使工业机器人具有较好的静刚度。

4.2电机和高精度伺服驱动器

对于工业机器人，其在使用的过程中需要具有较高精度的控制，而传统的电机和驱动器很难满足这一要求，为此需要采用专业的电机和驱动器来实现对工业机器人的精确控制。在国外的工业机器人生产中，以及设计制造了专业的电机和驱动器设备，其能够保证工业机器人的高效节能和低噪音等效果。而在我国国内的工业机器人制造和生产中，还没有专门的高性能电机和伺服器制造企业，主要是其中的关键技术没有掌握，下面对其进行了简单的介绍：首先是伺服控制器的快响应技术，在当前的工业机器人电机驱动中主要是由三个方面控制的，每一部分对工业机器人的电机驱动都有非常重要的影响，像驱动器内环的深度等，其是影响工业机器人电机驱动的关键性技术，对电机的电流环具有直接的影响，但由于我国的电流环在干扰观测和前馈补偿算法等方面的设计存在着较大的差距，导致其内部的预测模型无法实现对闭环的优化。此外，还有在线参数的自整定技术辨识功能较差等都对我国的工业机器人电机和驱动具有较大的影响。

5、总结

随着我国经济的高速发展，我国的工业机器人发展迎来了一个新的发展机遇，特别是企业对工业机器人的需求增加，国内的工业机器人发展技术不断成熟以及国家的大力支持等，这些都为我国的工业机器人发展创造了良好的条件。但由于我国的工业机器人起步较晚，很多的核心技术还没有完全掌握，因此，相关部门需要加快对我国工业机器人发展的人才支持，促进我国的工业机器人的研究和发展。

参考文献

[1]骆敏舟，方健，赵江海.工业机器人的技术发展及其应用[J].机械制造与自动化，2015，01：1-4.

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Abstract： Based on the national model of Nanning College for Vocational Technology， the paper presents the curriculum model building by schools and enterprises from innovation of teaching model， reform of content， organization and implementation， reform on teaching method， development of informatization teaching method and teaching environment， and course evaluation reform.

关键词： 校企共建；课程设计；工业机器人

Key words： building by schools and enterprises；design of the program；industrial robot

中图分类号：TP313 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）13-0263-02

0 引言

南宁职业技术学院是全国首批28所、广西首家国家示范性高职院校，《工业机器人安装编程调试》是学院机电一体化专业（工业机器人应用方向）的核心课程，以工作过程为导向，进行课程设计开发建设，通过校企共建模式做了一些探索实践。

1 明确课程定位、教学目标、建设目标

1.1 机电一体化专业（工业机器人应用方向）培养目标 培养拥护党的基本路线，遵纪守法，适应工业机器人技术应用第一线需要的，德、智、体、美等方面全面发展，具有必备的工业机器人应用基础理论知识和专门知识及劳动技能，具有良好的职业道德和敬业精神，可从事工业机器人等智能装备、自动控制设备生产和使用的制造、安装、调试、编程、操作、维修、养护和技术管理及营销服务等工作的高技能应用型专门人才。

1.2 课程定位 本课程是在机电一体化专业（工业机器人应用方向）中开设的一门专业核心课程，它是介于前续课程与顶岗实习之间的综合性课程，为了满足工业机器人行业要培养工业机器人装配调试、操作维修、设备维护管理专业人才需要。通过本课程的学习，学生能够了解工业机器人安装与调试的一般流程方法，能够独立完成工业机器人的安装、调试、运行、维护、维修等工作。为学生后续顶岗实习和今后从事工业机器人技术领域的工作打下坚实的基础。

1.3 课程教学目标 通过学习课程工作任务的完成，使学生了解工业机器人的分类、特点、组成、工作原理等基本理论和技术，掌握工业机器人的安装、编程、调试的一般方法与流程，具备工业机器人的安装、编程、调试、故障检测与维修，设备管理等解决实际问题的基本技能，提高其实际应用技能，并使学生养成善于观察、独立思考的习惯，同时通过教学过程中的案例强化学生的职业道德意识和职业素质养成意识。

1.4 课程建设目标 根据实际情况，设定了课程建设目标：编写适合校企课程的教材，扩充及完善现有的多媒体教学资源，建立课程教学网站，扩充设备条件，校企共建校内、校外实训室（基地）加强教师培训，开放实训室、工作室。

2 校企共建课程实践

依据机电学院机电一体化专业（工业机器人应用方向）校企合作人才培养方案的要求，具体做以下的探索创新：

2.1 《工业机器人安装、编程与调试》课程的开设情况 我院于2010年将此课程列入机电一体化专业选修课程，2012年申请设立机电一体化专业（工业机器人应用方向）将此课程例入专业核心课程。

2.2 选择与富士康科技集团（南宁）进行校企业合作的理由及背景 ①富士康科技集团（南宁）正式落户南宁；②2011年富士康科技集团，掌舵人郭台铭宣布将投入“百万机器人”到生产线上。

2.3 与合作企业人员共同制订课程设置方案 在工业机器人专业申报中广西制造业工业机器人应用情况及人才需求情况调研报告基础上，结合合作企业具体情况，与合作企业人员共同修订课程设置方案，遵循以职业能力培养为重点，与行业企业合作进行基于工作过程的课程开发与设计，充分体现职业性、实践性和开放性的要求。课程设置方案如图1所示：

2.4 整合课程内容，在课程教学内容引入合作企业中工业机器人应用案例 为强化学生的工业机器人安装、编程与调试的实际应用能力，在教材中及课程教学中引入合作企业中工业机器人应用案例。将相关课程内容进行整合，确定了本课程内容，课程内容涵盖了简单到复杂。如表1所示：

2.5 与合作企业人员共同编写课程教材 当前工业机器人的教材及教学特点是过分强调细节及知识的完整性，忽略学生兴趣的培养及总体知识的掌握，忽略了调动学生学习积极性，很多学生学习完所有课程知识后，仍然无法完成完整的最简单的系统设计应用，教学和实际应用脱节，学生没有达到最起码的入门要求。编写适合校企课程的教材是本门课程建设的重点工作。引入合作企业中工业机器人应用案例，同时结合现有实训设备条件，与合作企业人员共同编写课程教材。

2.6 采用教、学、做一体化教学 在教学方法、教学内容、教学场所三方面实施教、学、做一体化：即在教学中采用以“教学做一体化”为核心的教学法，结合项目驱动教学法、比较教学法、案例教学法、启发式教学法、分组讨论教学法等多种教学法，调动学生学习积极性，提高教学的效率，开发学生主动思考问题的创新能力；教学内容为教、学、做一体化内容；教学场所为教、学、做一体化实训室。

2.7 充分应用信息化教学手段 在教学中充分应用教学软件：提供单片机、PLC、工业机器人编程教学版、工业版编程软件及（虚拟）仿真软件，能够提供仿真教学环境，优化教学过程；还注重多媒体教学资料应用，包括教学课件（PPT）、电子教案、视频资料、案例材料等。切实提高教学质量和效率。扩充及完善现有多媒体教学资源：通过收集国内外的最新资料，进一步扩充及完善现有的多媒体教学资源，工业机器人技术发展速度很快，特别注意资料的时效性，不仅满足课内教学要求，还能满足课程拓展教学要求。建立课程教学网站：依照网络教学环境“网络教学资源丰富，架构合理，硬件环境能够支撑网络课程的正常运行，并能有效共享”的目标要求建立课程教学网站，提高学生自主学习能力。

2.8 扩充设备条件，与合作企业共建校内校外（企业）实训室（基地） 通过扩充与整合设备条件，校企共建校内实训室（基地）有：教学做一体化实训室4间（现代工业控制技术实训室1间、变频及PLC控制实训室1间、GE智能实验室1间、液压与气动传动1间），校企合作企业富士康科技集团提供的SMT生产线2条；在富士康科技集团（南宁）工业园区建立校外（企业）实训室（基地）。具备有单片机实训设备、PLC、三轴直角坐标机械手、智能小车、三菱五（六）自由度工业机器人、FESTO柔性生产线等本课程相关的专业实训设备，完全满足课程教学要求。

2.9 多途径加强教师培训 通过参加行业内技术培训、技术论坛等途径，加强对教师在工业机器人新技术方面培训，达到更新知识，紧追行业新技术，提高教学水平，增强教学效果。

2.10 开放实训室、工作室 通过逐步开放相关实训室、机电一体化技术应用工作室，向学生提供自主学习场所，强化技能训练，引导学生参与校企合作科研项目、参加技能大赛，增强学生的提高工业机器人技能的应用能力及创新能力。

2.11 改革课程评价方法，并在课程评价内容引入合作企业中工业机器人典型应用案例 为能如实考核学生的工业机器人安装、编程与调试的实际应用能力，校企共同研究制订课程评价方案，在课程评价内容引入合作企业中工业机器人典型应用案例作为考核内容，着重考核学生对知识技能的应用能力、团队合作能力、职业素养。为此拟采用如下课程评价：

2.11.1 设置科学的考核内容（引入企业实际项目案例）

①通过制订工作计划；②机械、电气线路图读识、安装与调试；③编程：工业机器人控制系统控制程序的设计、编程能力；④整体控制系统的运行调试能力；⑤按职业工种标准考核职业素养。

2.11.2 评价的方式 评价的方式采用过程评价（占40%）与集中考核评价（占60%）结合。1）过程评价：实训报告、综合作业、各阶段学习评价（每个学习情境均有学习评价表）；2）集中考核评价：按设定的考核内容的要求，以团队合作形式完成，进行成果展示。教师及企业工程师对其成果进行如下评价：①安装过程优化设计；②操作行为的规范性；③环保意识；④职业素养。

3 校企业共建课程的成效

从2010年至今进行了近3年的校企共建课程探索、实践，取得了较显著的效果：①学生参加技能竞赛成绩显著。2011年广西高职院校技能大赛（机器人项目）第二名，2011年全国职业院校技能大赛高职组（机器人项目）三等奖，2011年全国高职院校自动生产线安装与调试技能大赛二等奖，2012年广西高职院校技能大赛（机器人项目）第一名，2012年全国职业院校技能大赛高职组（机器人项目）三等奖。②学生职业技能取得明显的提高，毕业生在技术岗位上就业人数明显增加。以前机电一体化专业毕业学生以相关设备的操作为主，近两年来通过校企共建课程的学习、训练，学生的工业机器人安装、编程、调试职业技能取得明显的提高，从事相关设备安装、调试、维护岗位的人数明显增加。

4 结束语

通过校企共建课程模式，使课程体系以职业能力培养为主要目标，以典型工作任务（项目）为载体，将学习过程、工作过程与学生能力培养有机结合起来，充分体现工学结合，有效提高了学生“零距离”就业竞争力。

参考文献：

[1]姜大源.职业教育学研究新论[H].北京：教育科学出版社，2007.

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【关键词】实时控制系统；高速通讯总线；自动化

随着机械自动化水平的提高，机器人以其在机械结构、适用范围、灵活性、成本以及维护等方面的优势，使其应用渐为广泛，并成为一种发展趋势。而机器人控制系统的性能决定着机器人的品质，目前主流高性能运动控制系统的发展趋势是在具有很强计算能力的计算机上集成高性能实时系统和高速通讯总线的控制架构。以该种控制结构完成具有前馈补偿的控制结构。运动学、动力学和用于前馈补偿的伺服控制算法均在计算性能强大的工控机中完成。在每一个伺服周期内伺服控制指令通过高速通讯总线传递给驱动器，同时在同一个伺服周期内完成运动指令的反馈。伺服控制指令被叠加到电流回路指令给定端作为前馈补偿，其可以补偿动力学耦合和结构柔性产生的非线性效应。控制指令可以根据相应的控制算法进行实时计算。在前馈补偿作用下，每一个主动关节即可以视为一个简单的单输入单输出系统，从而采用驱动器内部的线性控制器即可获得较好的控制性能。

1 Windows 内嵌实时系统

目前由于Windows 良好的人机界面和交互功能，在工控领域应用越来越广泛，但由于其并不是一个实时系统，时间片设定在5 毫秒以下时，其便很难保持精确稳定的运行。从而用于实时性要求较高的工控场合会存在很多的局限性，如完成伺服层的伺服调试，需要1个毫秒以下的精确定时。为了解决这一矛盾，出现了很多利用Window 环境进行扩展或者内嵌实时内核的实时系统。其中德国Beckhoff 公司的TwinCAT 系统就是其中之一，TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology）的原意是指“基于Windows 的控制和自动化技术”，其通过在Windows 环境下内嵌实时内核的方法，将每一台PC 变为多个具有很强大处理能力的PLC 集合，并同时具有良好的开发和编程环境，符合IEC-61131-3 标准。其集成的人机界面开发环境，可以支持高级语言如VC++，Matlab 直接编程。TwinCAT 将实时控制与Windows 环境有机结合，为工控机进行高性能工控任务提供了强大的实时扩展。所有的Windows 环境下的程序，例如图形和可视化模块均可以通过ADS 通讯的方式访问TwinCAT 数据，或进行实时的数据交互。同时TwinCAT 在软件方面集成了完善的错误诊断，稳定和安全机制，特别在各从站信号同步方面，采用了分布式时钟和抖动监测器，严格保证信号同步，增加了系统可靠性。同时其实时内核具有很高优先级和稳定性，在Windows 系统蓝屏时，仍可保证后台服务稳定运行。

2 基于工业以太网的高速通讯总线技术

当完成所有在线指令的实时计算后，运动控制指令需要从运动控制单元传输到驱动单元中。以往的运动控制系统，运动控制指令通过模拟量进行传输，从而不存在时间延迟。但是电磁干扰和噪声对于模拟量是一个严重的问题。因此，采用模拟量方式进行运动指令传输在工业应用中要稳定可靠的运行难度很大，且一般无法进行长距离传输。目前由德国Beckhoff 和EtherCAT Technology Group（ETG）推广的基于工业以太网的高性能通讯总线EtherCAT， 其采用主从结构，由主站和多个从站组成。主站可以是工控机或者其他嵌入式控制器，从站使用专用芯片构成EtherCAT 从站控制器，其具有完成EtherCAT 通信协议所要求的物理层和数据链路层的所有功能。这种通讯总线将一些优秀的专门用于运动控制的总线协议（如Sercos，CAN）与以太网的高通讯带宽结合起来。同时传统工业以太网一般需要在每个节点接收以太网数据包，然后进行解码和编码，而EtherCAT 在数据帧处理方式与此不同，系统控制周期由主站发起，主站发出下行电报。当数据帧通过每一个从站设备时，EtherCAT 从站控制器直接分析寻址到本机的报文，根据EtherCAT 报文，读写数据到报文指定的位置，同时从站硬件把该报文的工作计数器（WKC）加1，表示该数据被处理，整个过程大约产生十几个纳秒延迟。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关，有效地提高了通讯实时性。并且从站数量的增加对这一指标影响不大，在同时连接1000 个I/O 类型的从站节点下，能稳定运行的最小循环时间能达到62.5 微秒。目前该总线已成为先进运动控制的主流，其所有协议均是开放，越来越多的工控和伺服厂家推出了支持该种通讯总线的产品。

3 机器人控制系统的软件实现

在 TwinCAT PLC Control 中提供的遵循IEC 61131-3 标准的编程环境下，对4自由度搬运机器人底层软件进行了编写，并期望通过通用功能模块化封装的思想，开发能适用于各种型号工业机器人的底层运动控制程序库。整个控制器程序可以看做一个复杂的状态机，根据程序当前运行结果或外部条件触发而更改运行状态，并调用组件库中的对应功能。机器人组件库由一些功能模块组成，包括插补及运动规划组件，其以运动规划算法为基础完成机器人离线或者在线的运动规划，并在每一个主程序循环周期进行一次机器人的正逆解运算。伺服控制模块通过状态机的方式实现对机器人各轴进行控制，电机轴的运动状态可以通过示教盒或自身内部改变；编码器及传感器读取模块用于读取机器人电机轴的编码器数据及各传感器数据，用于进行反馈控制；上位机通讯网络模块，用于在示教状态下和外部输入设备交互，调用机器人系统的功能；机器人运动学及动力学组件库建立机器人运动学及动力学算法，在每个主程序循环周期内进行计算，通过高速总线将前馈补偿值传递给驱动器。安全模块对整个机器人系统提供安全保障。在软件系统中每个功能模块都以一个任务的形式存在，系统软件流程简图如下：

图1

4 总结

本文提出的控制系统架构和软件实现，使系统动态响应能力大幅提高，动态跟踪误差明显降低。可广泛用于物流自动化行业中的搬运、分拣等方面，具有广阔的前景。

【参考文献】

[1]ALBU-SCHAFFER A， HADDADIN S， OTT C， et al.The DLR lightweight robot：design and control concepts for robots in human environments[J].Ind Robot，2007， 34（5）： 376-85.

[2]SPONG M W. Modeling and Control of Elastic Joint Robots [J]. J Dyn Syst-tAsme， 1987， 109（310-9.

[3]LI Q.Experimental validation on the integrated design and control of a parallel