CN106683561A - 一种机械教学用加工演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械教学用加工演示系统，包括多个加工单元，每两个所述加工单元之间通过一柔性传送单元连接，每一所述加工单元和每一所述柔性传送单元均包括一机架和罩设在所述机架上的护罩，所述护罩上设有至少一个可视化窗口；所述加工单元包括自适应气动单元、控制单元、机器人单元。本发明可以直观的看到加工演示系统中的控制和加工现象，具有直观显著的教学效果。

Description

一种机械教学用加工演示系统

技术领域

本发明涉及机械教学技术领域，具体地是涉及一种机械教学用加工演示系统。

背景技术

近年来，由于机械应用技术在各行各业的应用，然而对应人才却存在很大缺口。因此，国家教委对现代通用技术增大扶持力度，在全国范围内大力推广通用技术课程，并要求各地区将通用技术列入应试项目，针对此种现状，急需将相应的生产用加工设备转换为教学实用型专用设备，以配合国家教委对现代应用技术人才的培训工作。

因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

发明内容

本发明旨在提供一种机械教学用加工演示系统，其可以直观的看到加工演示系统中的控制和加工现象，具有直观显著的教学效果。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种机械教学用加工演示系统，包括：多个加工单元，每两个所述加工单元之间通过一柔性传送单元连接，每一所述加工单元和每一所述柔性传送单元均包括一机架和罩设在所述机架上的护罩，所述护罩上设有至少一个可视化窗口；所述加工单元包括自适应气动单元、控制单元、机器人单元。

优选地，所述机器人单元为高速SCARA机器人单元、高速并联机器人单元、柔性多关节机器人单元中的一种或者多种。

优选地，所述控制单元为伺服控制单元或者步进控制单元。

优选地，所述自适应气动单元的机架为一框体，在其上端部设置有一工作平台，在所述工作平台上设有所述气缸组合单元，所述气缸组合单元包括第一传动机构和与之连接的第二传动机构和第三传动机构，所述第一传动机构上设有第一气缸，所述第二传动机构上设有第二气缸和第三气缸；所述第三传动机构上设有第四气缸和第五气缸，所述第三传动机构通过一连接件与所述第一传送机构连接，所述第四气缸和所述第五气缸固定在所述连接件下方，所述第五气缸下方设有用于夹持组装模块的夹持机构。

优选地，所述伺服控制单元包括用于演示简易伺服电机丢步现象的第一演示组件，用于演示伺服电机丢步现象的第二演示组件，所述第一演示组件和所述第二演示组件分别包括固定在所述机架的台面上的立柱，所述立柱的上端设置有第一伺服电机，所述第一伺服电机通过同步带驱动升降板上下运动；所述立柱上设置有竖向布置的第一导轨，所述升降板上固定连接有与所述第一导轨配合的第一滑块。

优选地，所述步进控制单元包括设置在机架上用于演示步进电机丢步现象的第三演示组件，所述第三演示组件的一侧设置有用于放置砝码的砝码支架，所述砝码支架包括一个水平设置的底板和一个竖向设置的竖板，所述底板和所述竖板呈L型固定连接，所述底板的两侧分别设置有一个呈直角三角型或直角梯形状的侧板，所述侧板的下端与所述底板连接，所述侧板竖边与所述竖板连接。

优选地，所述高速SCARA机器人单元的机架上设有四轴机械手和运料组件，所述四轴机械手上设有复合手爪；所述运料组件包括皮带传送机构和一用于承载待加工物料的载物台，所述载物台设置在所述皮带传送机构上，并通过所述皮带传送机构传输至所述复合手爪的下方。

优选地，所述柔性多关节机器人单元的机架上设有一六轴机械手和物料存放机构；所述物料存放机构的数量为多个，并分别固定设置在机架上，每一所述物料存放机构上均设有待加工物料。

优选地，所述高速并联机器人单元包括固定座、并联机器人控制机构、并联机器人运动机构、真空吸盘、载料组件，其中所述并联机器人控制机构通过所述固定座固定在其护罩的顶部，所述并联机器人运动机构与所述并联机器人控制机构连接，所述真空吸盘设置在所述并联机器人运动机构的下方；所述载料组件设置在其机架上，其上设有待加工物料。

优选地，所述柔性传送单元的护罩为一框体，其罩设在机架上，并且该护罩具体包括四个侧面、一上端面和一开口的下端面，其中两个相对的侧面上分别设有用于供所述第一流水线通过的开口，所述下端面的大小和尺寸与机架相匹配；机架的上端面为第一工作台，在该第一工作台上设有第一流水线，所述第一流水线两端分别设有接驳机构。

采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

本发明所述的机械教学用加工演示系统，可以直观的看到加工演示系统中的控制和加工现象，具有直观显著的教学效果。

附图说明

图1a为本发明所述的柔性传送单元的结构示意图(略去护罩)；

图1b为本发明所述的柔性传送单元的护罩的结构示意图；

图1c为两个柔性传送单元连接的示意图；

图2a为本发明所述的自适应气动单元的结构示意图(略去护罩)；

图2b为本发明所述的气缸组合单元的结构示意图；

图2c为自适应气动单元与柔性传送单元连接的示意图；

图3a为本发明所述的伺服控制单元的结构示意图；

图3b为本发明所述的伺服控制单元与柔性传送单元连接的示意图；

图4a为本发明所述的步进控制单元的结构示意图；

图4b为本发明所述的步进控制单元与柔性传送单元连接的示意图；

图5为本发明所述的加工单元用护罩的结构示意图；

图6a为本发明所述的高速SCARA机器人单元的结构示意图(略去护罩)；

图6b为高速SCARA机器人单元与柔性传送单元连接的示意图；

图7a为本发明所述的高速并联机器人单元的结构示意图(略去护罩)；

图7b为高速并联机器人单元用护罩的结构示意图；

图7c为高速并联机器人单元与柔性传送单元连接的示意图；

图8a为本发明所述的柔性多关节机器人单元的结构示意图(略去护罩)；

图8b为柔性多关节机器人单元与柔性传送单元连接的示意图；

图9为一实施例中机器人模型的结构示意图。

其中：01.机架，011.外向轮；02.护罩，021.工作状态指示灯，022.触摸屏，023.按钮组件，024.可视化窗口；1.柔性传送单元，11.第一工作台，12.第二工作台，13.第一流水线,14.第二流水线，15.接驳机构；2.自适应气动单元，21.气缸组合单元，22.第一气缸，23.第二气缸，24.第三气缸，25.第四气缸，26.第五气缸；3.伺服控制单元，31.第一演示组件，32.第二演示组件，33.第一滑台组件,34.第一纵向输送组件，35.第一横向输送组件，36.第四吸盘；4.步进控制单元，41.第三演示组件，42.砝码支架，43.第二滑台组件，44.第二纵向输送组件，45.第二横向输送组件；5.机器人模型；6.高速SCARA机器人单元，61.四轴机械手，62.皮带传送机构，63.载物台；7.高速并联机器人单元，71.固定座，72.并联机器人运动机构，73.真空吸盘，74.载料组件；8.柔性多关节机器人单元，81.六轴机械手，82.物料存放机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图9所示，为符合本发明的一种机械教学用加工演示系统，包括：多个加工单元，每两个所述加工单元之间通过一柔性传送单元1连接，每一所述加工单元和每一所述柔性传送单元1均包括一机架01和罩设在所述机架01上的护罩02，所述护罩02上设有至少一个可视化窗口024；所述加工单元包括自适应气动单元2、控制单元、机器人单元。

优选地，所述机器人单元为高速SCARA机器人单元6、高速并联机器人单元7、柔性多关节机器人单元8中的一种或者多种。本实施例优选为三个，其中所述高速SCARA机器人单元6通过所述柔性传送单元1与所述控制单元和所述柔性多关节机器人单元8连接，所述柔性多关节机器人单元8通过所述柔性传送单元1与所述高速并联机器人单元7连接。

优选地，所述控制单元为伺服控制单元3或者步进控制单元4。

优选地，所述自适应气动单元2的机架01为一框体，在其上端部设置有一工作平台，在所述工作平台上设有所述气缸组合单元21，所述气缸组合单元21包括第一传动机构和与之连接的第二传动机构和第三传动机构，所述第一传动机构上设有第一气缸22，所述第二传动机构上设有第二气缸23和第三气缸24；所述第三传动机构上设有第四气缸25和第五气缸26，所述第三传动机构通过一连接件与所述第一传送机构连接，所述第四气缸25和所述第五气缸26固定在所述连接件下方，所述第五气缸26下方设有用于夹持组装模块的夹持机构。优选地，所述第一气缸22、第二气缸23、第三气缸24、第四气缸25和/或第五气缸26为无杆气缸、薄型气缸、宽型夹爪气缸、旋转气缸、标准气缸、回转气缸、双杆气缸、迷你气缸、多位置固定气缸中的一种。更为优选地，所述第一气缸22为无杆气缸，所述第二气缸23为无杆气缸，所述第三气缸24为旋转气缸，所述第四气缸25为薄型气缸，所述第五气缸26为宽型夹爪气缸。其工作原理在于：第五气缸26下的抓取机构用于抓取产品，第四气缸25带动第五气缸26上下运动。同时如果有需要对产品进行翻转的，可以通过第三气缸24(也就是旋转气缸)实现对产品的180°翻转，第二气缸23带动第三气缸24上下运动。另外由于第三传动组件通过连接件与所述第一传动组件连接，所以位于第一传动组件上的第一气缸22可以带动抓取的产品在水平方向移动，并将其送至生产传输线，送入下一安装工序。由于罩设在所述机架01上的护罩02设置有可视化窗口024，学生可以透过该窗口直观的看到各个组件的运动过程，便于学生观察和理解。

自适应气动单元2能够满足《气压传动与控制》、《PLC原理及应用》、《台达PLC编程技术及应用案例》、《电子设计自动化EDA》等相关课程的实训教学要求，能够代表典型的工业生产气动技术的应用，能清楚地反映工厂生产线中的气动控制现象，具有直观显著的教学效果。

优选地，所述伺服控制单元3包括用于演示简易伺服电机丢步现象的第一演示组件31，用于演示伺服电机丢步现象的第二演示组件32，所述第一演示组件31和所述第二演示组件32分别包括固定在所述机架01的台面上的立柱，所述立柱的上端设置有第一伺服电机，所述第一伺服电机通过同步带驱动升降板上下运动；所述立柱上设置有竖向布置的第一导轨，所述升降板上固定连接有与所述第一导轨配合的第一滑块。所述第一演示组件31和所述第二演示组件32的结构及组成一致，其演示的功能略有区别，第一演示组件31主要用于演示简易伺服电机丢步现象，第二演示组件32则主要用于演示常规伺服电机超载丢步现象。更为优选地，机架01上还设有第一物料输送机构，其包括第一滑台组件33、第一纵向输送组件34、第一转接组件、第一横向输送组件35，所述第一滑台组件33将物料从料盘输送给第一纵向输送组件34，所述第一纵向输送组件34将物料输送至第一转接组件上，所述第一横向输送组件35将所述第一转接组件上的物料输送至组装区进行组装。所述第一横向输送组件35的一侧设置有用于吸附物料的第四吸盘36。

优选地，所述步进控制单元4包括设置在机架01上用于演示步进电机丢步现象的第三演示组件41，所述第三演示组件41的一侧设置有用于放置砝码的砝码支架42，所述砝码支架42包括一个水平设置的底板和一个竖向设置的竖板，所述底板和所述竖板呈L型固定连接，所述底板的两侧分别设置有一个呈直角三角型或直角梯形状的侧板，所述侧板的下端与所述底板连接，所述侧板竖边与所述竖板连接。优选地，机架01上还设有第二物料输送机构，其包括第二滑台组件43、第二纵向输送组件44、转接组件、第二横向输送组件45，所述第二滑台组件43将物料从料盘输送给第二纵向输送组件44，所述第二纵向输送组件44将物料输送至转接组件上，所述第二横向输送组件45将所述转接组件上的物料输送至组装区进行组装。

优选地，所述高速SCARA机器人单元6的机架01上设有四轴机械手61和运料组件，所述四轴机械手61上设有复合手爪；所述运料组件包括皮带传送机构62和一用于承载待加工物料的载物台63，所述载物台63设置在所述皮带传送机构62上，并通过所述皮带传送机构62传输至所述复合手爪的下方。优选地，本实施例中的四轴机械手61选用博众四轴机械手61，该四轴机械手61型号：TM4-400-1。其参数如下：

主机重量：13Kg

臂长：第一轴臂长255mm

第二轴臂长175mm

负载：额定1kg/最大3kg

各轴功率：第1关节：400w

第2关节：100w

第3关节：100w

第4关节：100w

重复定位精度：第1-2关节±0.015mm

第3关节±0.015mm

第4关节±0.015度

最大运动范围：1关节±130度

2关节±145度

3关节±150mm

4关节±360度

在本实施例中，“四轴机械手61”是指“选择性装配关节机器臂”，即四轴机械手61的手臂部分可以在一个几何平面内自由移动。该机械手的前两个关节可以在水平面上左右自由旋转。第三个关节由一个称为羽毛(quill)的金属杆和夹持器组成。该金属杆可以在垂直平面内向上和向下移动或围绕其垂直轴旋转。该四轴机械手61具有很强的刚性，从而使它们能够胜任高速和高重复性的工作。

优选地，所述柔性多关节机器人单元8的机架01上设有一六轴机械手81和物料存放机构82；所述物料存放机构82的数量为多个，并分别固定设置在机架01上，每一所述物料存放机构82上均设有待加工物料。优选地，具体参数如下：

机器人型号：SR6-700-3

品牌：博众六轴机械手81

关节数：6

最大速度(°/s)：

第一关节330

第二关节275

第三关节225

第四关节450

第五关节720

第六关节720

负载：额定3kg，最大5kg

重复定位精度：±0.02mm

周围温度0～45℃

安装方式：地面安装,壁挂安装,倾斜安装,悬吊安装

本体重量(不含电缆重量)：33kg

最大运动范围(P点：J4J5J6中心)：700mm

手腕法兰面：772.5mm

最大运动范围：

第一关节±170°

第二关节90°～-135°

第三关节190°～-80°

第四关节190°

第五关节135°

第六关节360°

耐环境性：相当于IP40。

六轴机械手81比四轴机械手61多两个关节，因此有更多的“行动自由度”。六轴机械手81的第一个关节能像四轴机械手61一样在水平面自由旋转，后两个关节能在垂直平面移动。此外，六轴机械手81有一个“手臂”，两个“腕”关节，这让它具有人类的手臂和手腕类似的能力。六轴机械手81更多的关节意味着他们可以拿起水平面上任意朝向的部件，以特殊的角度放入包装产品里。他们还可以执行许多由熟练工人才能完成的操作。

优选地，所述高速并联机器人单元7包括固定座71、并联机器人控制机构、并联机器人运动机构72、真空吸盘73、载料组件74，其中所述并联机器人控制机构通过所述固定座71固定在其护罩02的顶部，所述并联机器人运动机构72与所述并联机器人控制机构连接，所述真空吸盘73设置在所述并联机器人运动机构72的下方；所述载料组件74设置在其机架01上，其上设有待加工物料。

高速并联机器人参数

品牌：宗欧

并联机器人型号：ZO-D700-4

最大负载：3kg

轴数：4

重复定位精度：XYZ轴(mm)±0.1，R轴(度)±0.2度

工作范围：

A(mm)：450

B(mm)：245

C(mm)：45

D(mm)：700

E(mm)：610

F(mm)：36

旋转角度：±720度

标准节拍周期1kg(25*305*25)：0.33

本体重量：42kg

用户配线(sqX根)：Ф8X1

I/O接口：16路输入+16路输出(可扩展)

通讯接口：RS232/RS485/1个以太网

并联机器人相较与四、六轴机器人而言，其特点是完全对称的并联机构，具有较好的各向同性，无累积误差，精度较高。由于结构紧凑刚度高，承载能力大，因此根据这些特点，并联机器人在需要高刚度，高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域。

机器人单元能够符合《工业机器人现场编程》、《工业机器人典型应用案例精析》、《工业机器人技术及应用》、《工业机器人实操与应用技巧》等课程的实训教学要求，能够代表典型的工业生产中机器人的实际应用，能清楚地反映工厂生产线中的搬运环节、运动控制环节等现象。

优选地，所述柔性传送单元1的护罩02为一框体，其罩设在机架01上，并且该护罩02具体包括四个侧面、一上端面和一开口的下端面，其中两个相对的侧面上分别设有用于供所述第一流水线13通过的开口，所述下端面的大小和尺寸与机架01相匹配；机架01的上端面为第一工作台11，在该第一工作台11上设有第一流水线13，所述第一流水线13两端分别设有接驳机构15；通过该接驳机构15与所述加工单元连接。优选地，还包括第二流水线14，所述第二流水线14设置在所述设备机架01内部的第二工作台12上，所述第二工作台12位于所述第一工作台11的正下方。所述第二流水线14的两端分别设有接驳机构15。优选地，所述接驳机构15为一卡接口，其可以实现与其他卡接口的固定连接，具体形状参见附图。通过该接驳机构15的设置，不仅可以实现与不同加工单元的连接，同时也可以实现多个柔性传送单元1的连接。

优选地，所述可视化窗口024为透明玻璃门，便于学生观察和打开维修、操作等。

优选地，所述机台下端设有四个外向轮011，便于移动，可以适用实验室的不同规格。

优选地，所述护罩02上设有一人机交互单元。所述人机交互单元包括触摸屏022、按钮组件023、工作状态指示灯021中的一种或者多种。优选地，所述按钮组件023包括急停按钮、复位按钮、启动按钮、手动/自动选择按钮。

上述功能模块，由于与工业用加工设备设计思路一致，故其连线和控制等方式(属于常规技术手段)均可以参照工业用加工设备进行设计，本领域技术人员完全应当知晓，故本实施例对此不作赘述。

本实施例的工作原理在于：由于其主要以教学为目的，所以其加工的产品在本实施例中设计为一机器人模型5(如图9所示)，该机器人模型5上设置多个需要组装的物料(参见图中机器人模块中的各种形状的空心部位)，这些物料分别通过不同的加工单元来完成。具体到本实施例中，多个柔性传送单元1彼此拼接形成一条运输线，其上运输有等待加工的机器人模型5。机器人模型5首先通过自适应气动单元2，在经过其加工完成后，通过柔性传送单元1传送到控制单元，而后在经由控制单元进行加工，最后通过机器人单元加工完成，结束加工过程或者流入其他后道工序(如检测单元、3d打印单元等)。同时，由于柔性传送单元1的设置，可以将每一个加工单元分开使用，也可以连成一条产线使用。另外如果还有一些附加功能模块，也可以通过柔性传送单元1连入产线，灵活性和实用性更高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种机械教学用加工演示系统，其特征在于，包括：多个加工单元，每两个所述加工单元之间通过一柔性传送单元连接，每一所述加工单元和每一所述柔性传送单元均包括一机架和罩设在所述机架上的护罩，所述护罩上设有至少一个可视化窗口；所述加工单元包括自适应气动单元、控制单元、机器人单元。

2.如权利要求1所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述机器人单元为高速SCARA机器人单元、高速并联机器人单元、柔性多关节机器人单元中的一种或者多种。

3.如权利要求1或2所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述控制单元为伺服控制单元或者步进控制单元。

4.如权利要求1-3任一所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述自适应气动单元的机架为一框体，在其上端部设置有一工作平台，在所述工作平台上设有所述气缸组合单元，所述气缸组合单元包括第一传动机构和与之连接的第二传动机构和第三传动机构，所述第一传动机构上设有第一气缸，所述第二传动机构上设有第二气缸和第三气缸；所述第三传动机构上设有第四气缸和第五气缸，所述第三传动机构通过一连接件与所述第一传送机构连接，所述第四气缸和所述第五气缸固定在所述连接件下方，所述第五气缸下方设有用于夹持组装模块的夹持机构。

5.如权利要求1-4任一所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述伺服控制单元包括用于演示简易伺服电机丢步现象的第一演示组件，用于演示伺服电机丢步现象的第二演示组件，所述第一演示组件和所述第二演示组件分别包括固定在所述机架的台面上的立柱，所述立柱的上端设置有第一伺服电机，所述第一伺服电机通过同步带驱动升降板上下运动；所述立柱上设置有竖向布置的第一导轨，所述升降板上固定连接有与所述第一导轨配合的第一滑块。

6.如权利要求1-5任一所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述步进控制单元包括设置在机架上用于演示步进电机丢步现象的第三演示组件，所述第三演示组件的一侧设置有用于放置砝码的砝码支架，所述砝码支架包括一个水平设置的底板和一个竖向设置的竖板，所述底板和所述竖板呈L型固定连接，所述底板的两侧分别设置有一个呈直角三角型或直角梯形状的侧板，所述侧板的下端与所述底板连接，所述侧板竖边与所述竖板连接。

7.如权利要求1-6任一所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述高速SCARA机器人单元的机架上设有四轴机械手和运料组件，所述四轴机械手上设有复合手爪；所述运料组件包括皮带传送机构和一用于承载待加工物料的载物台，所述载物台设置在所述皮带传送机构上，并通过所述皮带传送机构传输至所述复合手爪的下方。

8.如权利要求1-7任一所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述柔性多关节机器人单元的机架上设有一六轴机械手和物料存放机构；所述物料存放机构的数量为多个，并分别固定设置在机架上，每一所述物料存放机构上均设有待加工物料。

9.如权利要求1-8任一所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述高速并联机器人单元包括固定座、并联机器人控制机构、并联机器人运动机构、真空吸盘、载料组件，其中所述并联机器人控制机构通过所述固定座固定在其护罩的顶部，所述并联机器人运动机构与所述并联机器人控制机构连接，所述真空吸盘设置在所述并联机器人运动机构的下方；所述载料组件设置在其机架上，其上设有待加工物料。

10.如权利要求1-9任一所述的机械教学用加工演示系统，其特征在于：所述柔性传送单元的护罩为一框体，其罩设在机架上，并且该护罩具体包括四个侧面、一上端面和一开口的下端面，其中两个相对的侧面上分别设有用于供所述第一流水线通过的开口，所述下端面的大小和尺寸与机架相匹配；机架的上端面为第一工作台，在该第一工作台上设有第一流水线，所述第一流水线两端分别设有接驳机构。