多轴工业机器人运动原理演示及实践操作教学装置

技术领域

本发明涉及工业机器人控制教学技术领域，具体涉及多轴工业机器人运动原理演示及实践操作教学装置。

背景技术

工业机器人以其高精度、高可靠性、高适用性等特点成为工业生产各领域的重要生产设施，并广泛应用于汽车、电子、食品、化工、物流等众多领域。随着“智能制造”的普及，工业机器人市场需求量连续高速增长。随之而来的则是对工业机器人技术人才的需求增加，适合工业机器人相关知识教学实践的教学装置无疑能助力工业机器人专业知识人才的培养。

现在常见的各种类型的工业机器人教学实践平台都存在着片面性，不能很好的完成对教学所要求专业知识和实践能力的培养。存在的限制因素主要包括：功能固化、成本高、效率低、延展性差、不便于移动、不能在一个平台上完成工业机器人相关知识的系统教学。单纯采用虚拟仿真技术的教学平台只能按照预先设计好的模块运行，不能体现实际生产使用过程中的复杂情况；直接使用现有品牌的工业机器人成本高，示教效果差，教学效率低；使用工业机器人和PLC控制系统搭建的教学平台，结构固化，不能完成多种生产环境的模拟构建，延展性差。多轴工业机器人运动原理演示及实践操作教学装置的设计可以系统地在一台装置上实现工业机器人关节运动原理和多关节复杂运动的演示，工业机器人与PLC控制系统的集成教学，工业机器人虚拟现实环境数字孪生演示教学，以及上述功能的实践操作练习，具有系统性和经济性。

发明内容

根据以上技术问题，本发明提供多轴工业机器人运动原理演示及实践操作教学装置，其特征在于包括触摸显示屏、设备电源显示灯、设备急停按钮、示教器支架、示教器、伺服电机展示区、外部扩展输入、输出端子、外部通讯接口、电源开关、示教器接口、直流电源、机器人控制器、伺服驱动器、交换机和设备主体；所述触摸显示屏固定设置于设备主体的前侧上端，所述设备电源显示灯固定设置于设备主体的前侧且位于触摸显示屏的右侧，所述电源开关设置于触摸显示屏和设备电源显示灯之间且与设备主体固定连接，所述伺服电机展示区固定设置于设备主体的前侧中部，所述外部扩展输入、输出端子、外部通讯接口和设备急停按钮均设置于伺服电机展示区的下侧且均与设备主体固定连接，所述直流电源、机器人控制器、伺服驱动器、交换机均从左至右依次设置于伺服电机展示区的内部，所述设备主体的一侧固定设置有示教器支架，所述示教器支架的前端设置有示教器接口，所述示教器接口的前侧安装有示教器，所述设备主体的底部固定设置有多个万向轮，所述万向轮的上侧均设置有缓冲机构。

所述缓冲机构包括缓冲杆和固定板，所述固定板固定设置于万向轮的上侧，所述固定板的中部活动穿设有安装架，所述安装架的上表面与设备主体固定连接，所述固定板的上表面两侧均固定设置有固定块，所述固定块之间固定设置有固定杆，所述固定杆的两端均活动套接有滑套，所述滑套之间设置有第一弹簧，所述第一弹簧与固定杆活动套接，所述第一弹簧的两端均与对应的滑套固定连接，所述缓冲杆设置于安装架的内侧，所述缓冲杆的两端均通过轴销与对应的安装架和滑套固定连接，所述安装架的两侧均固定设置有缓冲板，所述缓冲板的下侧固定设置有滑杆，所述滑杆的下端贯穿固定板，所述滑杆的杆壁且位于固定板的上侧活动套接有第二弹簧，所述第二弹簧的两端均与对应的固定板和缓冲板固定连接。

所述外部扩展输入、输出端子包含：16路输入端子、16路晶体管输出端子、8路继电器输出端子。

所述外部通讯接口包含：2个EtherNet接口、1个串行接口、1个EtherCAT接口以及两个USB接口。

所述设备主体的内部顶端设置有换气风扇。

本发明的有益效果为：

1.该装置设计的多轴工业机器人运动原理演示及实践操作教学装置可完成4种工业机器人运动原理相关教学与实践，并且可以将工业机器人各关节伺服电机的实时运行状态信息传送到显示屏上；

2.该装置配有外部扩展接口，可以实现与PLC控制系统的集成控制，配合各种PLC生产控制平台，模拟多种实际生产环境，完成相关教学与实践；

3.该装置内置虚拟现实环境数字孪生演示控制系统，可以实现各种构型工业机器人的虚拟现实数字孪生教学与实践；

4.该装置为移动式设计，底部装有万向轮，方便移动和搬运。

附图说明

图1为本发明的整体结构实体图；

图2为图1的前视结构示意图；

图3为图1中局部A部分的结构放大示意图；

图4为本发明中多轴运动控制系统架构图。

如图：1-触摸显示屏，2-设备电源指示灯，3-设备急停按钮，4-示教器支架，5-示教器，6-伺服电机展示区，7-外部扩展输入、输出端子，8-外部通讯接口，9-电源开关，10-示教器接口，11-直流电源,12-机器人控制器，13-伺服驱动器，14-交换机，15-换气风扇，16-万向轮，17-设备主体，18-固定板，19-安装架，20-固定块，21-固定杆，22-缓冲杆，23-滑套，24-第一弹簧，25-缓冲板，26-滑杆，27-第二弹簧。

具体实施方式

实施例1

本发明提供多轴工业机器人运动原理演示及实践操作教学装置，其特征在于包括触摸显示屏1、设备电源显示灯2、设备急停按钮3、示教器支架4、示教器5、伺服电机展示区6、外部扩展输入、输出端子7、外部通讯接口8、电源开关9、示教器接口10、直流电源11、机器人控制器12、伺服驱动器13、交换机14和设备主体17；触摸显示屏1固定设置于设备主体17的前侧上端，设备电源显示灯2固定设置于设备主体1的前侧且位于触摸显示屏1的右侧，电源开关9设置于触摸显示屏1和设备电源显示灯2之间且与设备主体17固定连接，伺服电机展示区6固定设置于设备主体17的前侧中部，外部扩展输入、输出端子7、外部通讯接口8和设备急停按钮3均设置于伺服电机展示区6的下侧且均与设备主体17固定连接，直流电源11、机器人控制器12、伺服驱动器13、交换机14均从左至右依次设置于伺服电机展示区6的内部，设备主体17的一侧固定设置有示教器支架4，示教器支架4的前端设置有示教器接口10，示教器接口10的前侧安装有示教器5，设备主体17的底部固定设置有多个万向轮16，万向轮16的上侧均设置有缓冲机构。

缓冲机构包括缓冲杆22和固定板18，固定板18固定设置于万向轮16的上侧，固定板16的中部活动穿设有安装架19，安装架19的上表面与设备主体17固定连接，固定板18的上表面两侧均固定设置有固定块20，固定块20之间固定设置有固定杆21，固定杆21的两端均活动套接有滑套23，滑套23之间设置有第一弹簧24，第一弹簧24与固定杆21活动套接，第一弹簧24的两端均与对应的滑套23固定连接，缓冲杆22设置于安装架19的内侧，缓冲杆22的两端均通过轴销与对应的安装架19和滑套23固定连接，安装架19的两侧均固定设置有缓冲板25，缓冲板25的下侧固定设置有滑杆26，滑杆26的下端贯穿固定板18，滑杆26的杆壁且位于固定板18的上侧活动套接有第二弹簧27，第二弹簧27的两端均与对应的固定板18和缓冲板25固定连接。

外部扩展输入、输出端子7包含：16路输入端子、16路晶体管输出端子、8路继电器输出端子。

外部通讯接口8包含：2个EtherNet接口、1个串行接口、1个EtherCAT接口以及两个USB接口。

设备主体1的内部顶端设置有换气风扇15，能够提高设备散热性能。

实施例2

本发明在使用时，先要选定教学任务，根据实际任务的需要，完成系统与其他硬件平台的连接(PLC集成实验使用)，完成系统的硬件组态，之后根据任务要求完成控制程序的编写，将编写好的程序下载到机器人控制器。运行控制程序，在伺服电机展示区观察组态电机运行情况，通过触摸屏实时监控系统各组成部分的运行参数和运行状态，并据此修改完善程序，直至达到实验预期。装置内置虚拟现实环境数字孪生演示控制系统，利用虚拟现实数字孪生技术可以实现各种构型工业机器人的仿真教学与实践操作，加深对各种构型工业机器人运行轨迹和实际应用环境的理解，同时，该装置为移动式设计，底部装有具有缓冲机构的万向轮，方便移动和搬运。

实施例3

工业机器人运动原理及系统集成演示实践操作，具体实施步骤如下：

步骤1：接通设备电源，启动设备，待其完成初始化；

步骤2：选择实验环境，和实验任务；

步骤3：完成对应实验的硬件连接，硬件组态与程序编写；

步骤4：利用设备伺服电机展示区的伺服电机完成对控制程序的可视化验证；

步骤5：通过触摸显示屏对各电机或集成系统运行参数和运行状态实时采集和监控；

步骤6：根据采集到的数据和状态对控制程序进行调整和完善，最终得到预期的实验结果。

多轴运动控制系统实训平台主要分为控制区、演示区、操作区、扩展区。控制区主要由控制器和电源控制模块组成，电源控制模块包括电源开关、工作及报警指示灯、急停按钮以及伺服系统供电空开等电气元件，多轴运动控制系统实训平台的主要控制功能在本区域实现；演示区布置6台伺服驱动器和伺服电机组成的伺服系统，用于实际观察控制程序的控制效果；操作区安装示教器，以便于操作开发平台；扩展区布置了多轴运动控制系统实训平台使用过程中可能会使用到的按钮和指示灯，用户可以通过快插导线自由与控制器输出输出信号连接使用，另外平台可外通过PC实现程序的开发和实验效果的监控。

控制器根据用户编辑好的程序指令控制伺服驱动器，间接驱动伺服电机完成对各伺服电机的运动控制。该控制器与伺服驱动器之间的数据指令传输使用EtherCAT网络通讯，控制器数字量输入输出端子及其他接口可以用作控制系统的外部设备扩展，所有扩展接口均以快插接头形式布置在运动控制器周围，方便用户直接插接使用。Ether NET接口可以实现用户的远程或在线控制，RS232接口可以连接触摸屏或者机器人示教器。

多轴运动控制系统实训平台的另一个重要组成部分是伺服系统。伺服系统被广泛应用于各个领域，例如数控机床的定位控制和运行轨迹控制、雷达和武器的自动跟踪、工业机器人的关节动作控制等等，伺服系统是工业、科技以及国防等领域比不可少的设备，是运动控制系统的重要组成部分。伺服系统由伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器四部分组成。

1.伺服电机

伺服电机是伺服系统的执行机构，在小功率伺服系统中多用永磁式伺服电机或磁阻式伺服电机。在大功率或较大功率的情况下也可采用电励磁的直流或交流伺服电机。从电机结构和数学模型来看，伺服电机与调速电机无本质的区别，伺服电机的转动惯量一般小于调速电机，低速和零速带载性能优于调速电机，目前常用的是交流伺服电机或直流无刷伺服电机。

2.伺服系统功率驱动器

功率驱动器主要作用是功率放大，根据不同的伺服电机，输出合适的电压和频率，从而控制伺服电机的转矩和转速，满足伺服系统的实际需求，达到预期的性能指标。由于伺服电机需要四象限运行，故功率驱动器必须是可逆的，中、小功率的伺服系统常用IGBT或Power-MOSFET构成的PWM变换器。

3.伺服系统控制器

控制器是伺服系统的关键所在，控制器根据位置偏差信号，经过必要的控制算法，产生功率驱动器的控制信号。伺服系统控制器经历了由模拟控制向计算机数字控制的发展过程。

早期的伺服控制系统采用模拟的控制器和模拟的位置传感器，系统的定位精度和性能控制效果不理想。计算机控制技术的发展改变了这一现象，计算机数字控制技术应用于伺服系统逐步取代模拟控制的伺服系统，并逐渐成为伺服系统控制的主流方式。计算机数字控制可以实现数据通信、复杂的逻辑和数据处理、故障判别等功能，性能远远超过模拟控制方式，再配以高精度的数字位置传感器，使伺服系统的定位精度和动态性能得以改善和提高。

4.伺服系统传感器

传感器是指能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。传感器是实现自动检测和自动控制的重要环节。在伺服控制系统中我们所说的传感器是指位置传感器，是可以将执行机构的实际位移(直线位移或者转角位移)检测出来，并转换成模拟信号或数字信号，然后通过相应的算法和电路计算出信号与控制器输入量的偏差信号。伺服控制器根据偏差信号执行控制，消除偏差。常见的位置传感器种类包括：电位器、电磁位置传感器、光电编码器以及磁性编码器等。

需要指出的是，上述实施例仅为发明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围之内。