CN114012714A - 一种基于mcd技术的机器人教学平台 - Google Patents

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徐智
姜子轩
邱礼梅
鲁晨
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Abstract

本发明涉及机器人教学领域，尤其涉及一种基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：其包括上下料机器人平台、外部控制装置和上位机；上下料机器人平台用于实现上下物料；外部控制装置信号连接于上下料机器人平台用于控制上下料机器人平台运动；上位机中设有MCD模块，MCD模块用于创建虚拟样机和虚拟PLC，虚拟样机用于搭建模拟上下料机器人平台，虚拟PLC用于控制和调试虚拟样机中的上下料机器人平台；虚拟PLC用于与外部控制装置实现通讯和信号交互，用于在调试完成后将控制信号传输给外部控制装置。本发明实现虚拟调试，满足教学需求。

Description

一种基于MCD技术的机器人教学平台
技术领域
本发明涉及机器人教学领域，尤其涉及一种基于MCD技术的机器人教学平台。
背景技术
以数字孪生理念为支撑的机电一体化系统工程广泛应用于工程领域。在机电产品概念设计（Mechatronic Concept Design、MCD）中，虚拟调试技术发挥着重要的作用，有效的提供了产品概念设计的控制方案，虚拟调试系统是基于MCD技术的调试技术。通过UG仿真环境与PLC自动化设备的软硬件结合，完成对PLC程序和机器人工作站的联合调试系统。
目前，将虚拟调试技术应用到机电产品设计和调试是一种全新的设计思路，用于调试机器人上下料工作站。现有的机器人教学平台没有虚拟调试的过程，结构功能单一，机电一体化设备开发教学中先进实践平台短缺，无法满足教学中的多种需求。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于MCD技术的机器人教学平台，实现虚拟调试，满足教学需求。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于MCD技术的机器人教学平台，包括上下料机器人平台、外部控制装置和上位机；
上下料机器人平台用于实现上下物料；
外部控制装置信号连接于上下料机器人平台用于控制上下料机器人平台运动；
上位机中设有MCD模块，MCD模块用于创建虚拟样机和虚拟PLC，虚拟样机用于搭建模拟上下料机器人平台，虚拟PLC用于控制和调试虚拟样机中的上下料机器人平台；虚拟PLC用于与外部控制装置实现通讯和信号交互，用于在调试完成后将控制信号传输给外部控制装置。
按以上方案，外部控制装置包括：外部控制器和触摸屏；外部控制器包括外部PLC和多轴运动控制器；多轴运动控制器信号连接于外部PLC和上下料机器人平台用于根据外部PLC控制信号控制上下料机器人平台的多轴运动；触摸屏信号连接于外部PLC用于人机交互从而驱动上下料机器人平台。
按以上方案，MCD模块基于UG NX12.0设计上下料机器人平台的虚拟样机。
按以上方案，MCD模块基于TIA创建与外部控制装置相同的虚拟PLC，并基于EPLAN进行电气原理图设计；便于操作人员根据设计好的电气原理图进行外部控制装置的电路安装。
按以上方案，上下料机器人平台，包括：立柱、横向滑动模组、俯仰电缸、纵向滑动模组、抓取臂和转动气爪；
立柱底端连接于横向滑动模组的横向滑台上，立柱顶端向上延伸；横向滑动模组用于使立柱沿横向X轴滑动；
俯仰电缸的缸体底端安装于横向滑台上；纵向滑动模组底部一端铰接于立柱顶端，纵向滑动模组底部另一端连接于俯仰电缸的伸缩杆端部；俯仰电缸伸缩时改变纵向滑动模组和立柱之间的夹角从而改变纵向滑动模组的俯仰角度；
抓取臂为长条形结构且平行于纵向滑动模组，抓取臂一端连接于纵向滑动模组的纵向滑台上，抓取臂另一端连接转动气爪；纵向滑动模组用于使抓取臂沿纵向Y轴滑动；
转动气爪用于物料抓取，转动气爪相对于抓取臂周向转动。
按以上方案，横向滑动模组和纵向滑动模组均为丝杆直线滑台模组；
横向滑动模组包括横向底座、横向滚珠丝杠、横向伺服电机和横向滑台，横向底座为长条形，横向滚珠丝杠沿横向底座轴向延伸，横向滚珠丝杠穿设于横向滑台，横向伺服电机驱动横向滚珠丝杠转动从而带动横向滑台在横向底座上滑动；
纵向滑动模组包括纵向底座、纵向滚珠丝杠、纵向伺服电机和纵向滑台，纵向底座为长条形，纵向滚珠丝杠沿纵向底座轴向延伸，纵向滚珠丝杠穿设于纵向滑台，纵向伺服电机驱动纵向滚珠丝杠转动从而带动纵向滑台在纵向底座上滑动；
其中，横向滑动模组的横向滑台有两个，两个横向滑台顶端安装有横向滑座。
按以上方案，横向滑动模组和纵向滑动模组的顶部均设有盖板。
按以上方案，抓取臂为多孔铝型材且横截面为“U”形。
按以上方案，机器人教学平台还包括工作台，工作台包括台面和设于台面底部的若干支撑腿，支撑腿底端均设有圆盘形机床垫铁；上下料机器人平台、外部控制装置和上位机均设于台面上。
本发明具有如下有益效果：
一、本发明基于MCD技术的虚拟调试，通过虚拟平台上位机上的建模和参数设置来控制、调试现实中的上下料机器人平台硬件，综合演示和实践并行式的机电一体化产品设计和调试过程，满足教学需求；其次，基于MCD技术的虚拟调试，减少设计误差所产生的风险；
二、本发明的横向滑动模组实现立柱沿横向X轴滑动；俯仰电缸伸缩杆伸缩时，铰接于立柱顶端的纵向滑动模组和立柱之间的夹角发生改变，纵向滑动模组的俯仰角度改变，从而实现纵向滑动模组相对于立柱的俯仰运动；纵向滑动模组实现抓取臂沿纵向Y轴滑动；转动气爪周向转动进行物料抓取。本发明的上下料机器人平台可实现物料抓取的全方位运动，满足教学需求。
三、本发明的横向滑动模组设置两个横向滑台并在横向滑台上设置横向滑座来提高整体装置的稳固性；进一步的，抓取臂为多孔铝型材且横截面为“U”形，重量轻、刚度高，进一步提高运动中的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例整体结构框图图；
图2为本实施例外部整体结构示意图一；
图3为本实施例外部整体结构示意图二；
图4为本实施例中上下料机器人平台的运动轴定义示意图；
图5为本实施例中横向滑动模组的内部结构示意图；
图6为本实施例中纵向滑动模组的内部结构示意图。
附图标记：
1、上下料机器人平台；101、立柱；102、横向滑动模组；1021、横向底座；1022、横向滚珠丝杠；1023、横向伺服电机；1024、横向滑台；1025、横向滑座；1026、盖板；103、俯仰电缸；104、纵向滑动模组；1041、纵向底座；1043、纵向滚珠丝杠；1043、纵向伺服电机；1044、纵向滑台；105、抓取臂；106、转动气爪；
2、外部控制装置；201、外部控制器；202、触摸屏；
3、上位机；
4、工作台；401、台面；402、支撑腿；403、机床垫铁。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参考图1至图6，本发明为一种基于MCD技术的机器人教学平台，其包括上下料机器人平台1、外部控制装置2和上位机3；
上下料机器人平台1采用多种运动方式实现上下物料；
外部控制装置2信号连接于上下料机器人平台1用于控制上下料机器人平台1运动；外部控制装置2，外部控制装置2可根据预设程序或事先在触摸屏中设置好的外部信号按钮驱动上下料机器人平台1，外部控制装置2包括：外部控制器201和触摸屏202；外部控制器201包括外部PLC和多轴运动控制器；多轴运动控制器信号连接于外部PLC和上下料机器人平台1用于根据外部PLC控制信号控制上下料机器人平台1的多轴运动；触摸屏202信号连接于外部PLC用于人机交互从而驱动上下料机器人平台1。本实施例中，PLC采用的S7-1500，多轴运动控制器采用的是深圳科瑞特自动化有限公司生产的型号为DMC660M的运动控制器。
上位机3中设有MCD模块，MCD模块用于创建实现上下料机器人平台1的虚拟样机和虚拟PLC，虚拟样机用于搭建模拟上下料机器人平台1，虚拟样机与上下料机器人平台1上的各种动作实现通讯和信号交换；虚拟PLC用于控制和调试虚拟样机中的上下料机器人平台1；虚拟PLC用于与外部控制装置2实现通讯和信号交互，用于在调试完成后将控制信号传输给外部控制装置2。MCD模块基于UG NX12.0设计上下料机器人平台1的虚拟样机并完成物理属性、运动学属性、动力学属性、信号、传感器、驱动装置等属性的设置；MCD模块基于TIA创建与外部控制装置2相同的虚拟PLC，并基于EPLAN进行电气原理图设计，便于操作人员根据设计好的电气原理图进行外部控制装置2的电路安装。
结合图2至图6，本发明还包括工作台4面，工作台4包括台面401和设于台面401底部的若干支撑腿402，支撑腿402底端均设有圆盘形机床垫铁403实现工作台4的多点可调，保证根据实地需要调节高度，并保证最合理支撑、提高刚度，使之运动更为平稳；上下料机器人平台1和触摸屏202均设于台面401上，外部控制器201安装于工作台4侧部。
上下料机器人平台1包括：立柱101、横向滑动模组102、俯仰电缸103、纵向滑动模组104、抓取臂105和转动气爪106；
结合图2、图5和图6，横向滑动模组102包括横向底座1021、横向滚珠丝杠1022、横向伺服电机1023、横向滑台1024和横向滑座1025，横向底座1021为长条形，安装于工作台4的台面401上，横向滚珠丝杠1022沿横向底座1021轴向延伸，横向滚珠丝杠1022穿设于横向滑台1024下部，横向伺服电机1023驱动横向滚珠丝杠1022转动从而带动横向滑台1024在横向底座1021上滑动；横向滑动模组102的顶部设有盖板1026，盖板1026穿设于横向滑台1024的上部，盖板1026确保滑台的整体防尘效果，阻止异物进入滑台以减少环境对滑台的损伤，提高滑台寿命。横向滑动模组102的滑台有两个，横向滑座1025安装于两个横向滑台1024顶端，由于横向滑台1024需要承载立柱101等大量的设备，因此横向滑动模组102设置两个横向滑台1024并在横向滑台1024上设置横向滑座1025来提高整体装置的稳固性。
纵向滑动模组104包括纵向底座1041、纵向滚珠丝杠1043、纵向伺服电机1043和纵向滑台1044，纵向底座1041为长条形，纵向滚珠丝杠1043沿纵向底座1041轴向延伸，纵向滚珠丝杠1043穿设于纵向滑台1044下部，纵向伺服电机1043驱动纵向滚珠丝杠1043转动从而带动纵向滑台1044在纵向底座1041上滑动；纵向滑动模组104上也设置有盖板，纵向滑动模组104的盖板穿设于纵向滑台1044上部。
横向滑动模组102和纵向滑动模组104均为丝杆直线滑台模组；本实施例中，纵向滑动模组104采用的是雷子科技生产的丝杆直线模组DK120。横向滑动模组102和纵向滑动模组104的区别在于：在纵向滑动模组104的基础上，横向滑动模组102增加了另一个横向滑台1024及横向滑座1025，提高设备稳定性。
参阅图2，立柱101底端连接于横向滑动模组102的横向滑座1025上，立柱101顶端向上延伸；俯仰电缸103的缸体底端安装于横向滑座1025上；纵向滑动模组104的纵向底座1041底部一端铰接于立柱101顶端，纵向底座1041底部另一端连接于俯仰电缸103的伸缩杆端部；本实施例中，俯仰电缸103采用的是力姆泰克小型电动推杆LAM1。
抓取臂105为长条形结构且平行于纵向滑动模组104，抓取臂105一端连接于纵向滑动模组104的纵向滑台1044上，抓取臂105另一端连接转动气爪106；抓取臂105为多孔铝型材且横截面为“U”形，重量轻、刚度高，运动中更稳定。
转动气爪106相对于抓取臂105周向转动用于物料抓取；本实施例中，转动气爪106采用日本SMC公司的旋转气缸MSQB20A和抓取气缸MHZL2-20D的组合。
参阅图4，横向滑动模组102用于使立柱101沿横向X轴滑动；本实施例中，将改变纵向滑动模组104的俯仰角度变化定义为A轴运动，俯仰电缸103伸缩杆伸缩时，铰接于立柱101顶端的纵向滑动模组104和立柱101之间的夹角发生改变，纵向滑动模组104的俯仰角度改变，从而实现纵向滑动模组104相对于立柱101的A轴运动；纵向滑动模组104用于使抓取臂105沿纵向Y轴滑动；将转动气爪106周向运动定义为B轴运动，转动气爪106周向转动进行物料抓取。本实施例的上下料机器人平台1可实现X轴、A轴、Y轴、B轴四个运动方向的运动，从而提供多种运动方式。
本发明的工作过程为：
在上位机3中，根据MCD模块中提供的标准组件搭建虚拟样机、设置各项仿真属性、创建虚拟PLC并建立信号连接。
根据上下料机器人平台1动作要求设计PLC控制流程和进行电气原理图设计，并进行虚拟调试，在上位机3平台上进行机械结构的运动仿真、检验。在MCD模块中验证无误后，可在进行平台本体搭建的同时根据使用EPLAN设计好的电气原理图进行外部电路安装，最后将MCD模块中虚拟PLC仿真后的程序下载到外部控制装置2中的核心控制器即外部PLCS7-1500中，准备进行最终调试。
使其实现虚拟样机和上下料机器人平台1同步进行俯仰电缸103伸出，纵向滑动模组104带动抓取臂105到达工件上方，旋转气爪将工件抓起后抓取臂105回到指定位置，机器人的横向滑动模组102和俯仰电缸103的伸缩配合运动，由纵向滑动模组104和抓取臂105将工件放置到加工位置，旋转气爪松开，抓取臂105退出加工区域；加工完成后，机器人将工件取出，放至下一位置的工作流程控制。同时，也可以根据需要在触摸屏202中增设手动按钮，单独控制运转。
综上所述，在完成了以MCD技术构建虚拟样机和S7-1500 PLC数据连接后，验证虚拟电气逻辑信号的同步，即可通过搭建好虚拟样机进行虚实联调，最后对平台进行工作过程的真实验证，确保设计方案的可行性、可靠性及稳定性。
本发明可以演示当今机电一体化产品开发中采用并行方式完成设计、制造和调试环节过程。且在该平台上集成主流控制对象，尽可能的满足教学中的多种需求。本发明主要用于高校或职业院校机电一体化产品设计和调试实践教学环节中，同时，通过改变MCD模块中对象，可以用于其他相近产品的开发。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：包括上下料机器人平台（1）、外部控制装置（2）和上位机（3）；
上下料机器人平台（1）用于实现上下物料；
外部控制装置（2）信号连接于上下料机器人平台（1）用于控制上下料机器人平台（1）运动；
上位机（3）中设有MCD模块，MCD模块用于创建虚拟样机和虚拟PLC，虚拟样机用于搭建模拟上下料机器人平台（1），虚拟PLC用于控制和调试虚拟样机中的上下料机器人平台（1）；虚拟PLC用于与外部控制装置（2）实现通讯和信号交互，用于在调试完成后将控制信号传输给外部控制装置（2）。
2.根据权利要求1所述的基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：外部控制装置（2）包括：外部控制器（201）和触摸屏（202）；外部控制器（201）包括外部PLC和多轴运动控制器；多轴运动控制器信号连接于外部PLC和上下料机器人平台（1）用于根据外部PLC控制信号控制上下料机器人平台（1）的多轴运动；触摸屏（202）信号连接于外部PLC用于人机交互从而驱动上下料机器人平台（1）。
3.根据权利要求1所述的基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：MCD模块基于UGNX12.0设计上下料机器人平台（1）的虚拟样机。
4.根据权利要求1所述的基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：MCD模块基于TIA创建与外部控制装置（2）相同的虚拟PLC，并基于EPLAN进行电气原理图设计。
5.根据权利要求1所述的基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：上下料机器人平台（1），包括：立柱（101）、横向滑动模组（102）、俯仰电缸（103）、纵向滑动模组（104）、抓取臂（105）和转动气爪（106）；
立柱（101）底端连接于横向滑动模组（102）的横向滑台（1024）上，立柱（101）顶端向上延伸；横向滑动模组（102）用于使立柱（101）沿横向X轴滑动；
俯仰电缸（103）的缸体底端安装于横向滑台（1024）上；纵向滑动模组（104）底部一端铰接于立柱（101）顶端，纵向滑动模组（104）底部另一端连接于俯仰电缸（103）的伸缩杆端部；俯仰电缸（103）伸缩时改变纵向滑动模组（104）和立柱（101）之间的夹角从而改变纵向滑动模组（104）的俯仰角度；
抓取臂（105）为长条形结构且平行于纵向滑动模组（104），抓取臂（105）一端连接于纵向滑动模组（104）的纵向滑台（1044）上，抓取臂（105）另一端连接转动气爪（106）；纵向滑动模组（104）用于使抓取臂（105）沿纵向Y轴滑动；
转动气爪（106）用于物料抓取，转动气爪（106）相对于抓取臂（105）周向转动。
6.根据权利要求5所述的基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：横向滑动模组（102）和纵向滑动模组（104）均为丝杆直线滑台模组；
横向滑动模组（102）包括横向底座（1021）、横向滚珠丝杠（1022）、横向伺服电机（1023）和横向滑台（1024），横向底座（1021）为长条形，横向滚珠丝杠（1022）沿横向底座（1021）轴向延伸，横向滚珠丝杠（1022）穿设于横向滑台（1024），横向伺服电机（1023）驱动横向滚珠丝杠（1022）转动从而带动横向滑台（1024）在横向底座（1021）上滑动；
纵向滑动模组（104）包括纵向底座（1041）、纵向滚珠丝杠（1043）、纵向伺服电机（1043）和纵向滑台（1044），纵向底座（1041）为长条形，纵向滚珠丝杠（1043）沿纵向底座（1041）轴向延伸，纵向滚珠丝杠（1043）穿设于纵向滑台（1044），纵向伺服电机（1043）驱动纵向滚珠丝杠（1043）转动从而带动纵向滑台（1044）在纵向底座（1041）上滑动；
其中，横向滑动模组（102）的横向滑台（1024）有两个，两个横向滑台（1024）顶端安装有横向滑座（1025）。
7.根据权利要求5所述的基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：横向滑动模组（102）和纵向滑动模组（104）的顶部均设有盖板。
8.根据权利要求5所述的基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：抓取臂（105）为多孔铝型材且横截面为 “U”形。
9.根据权利要求5所述的基于MCD技术的机器人教学平台，其特征在于：机器人教学平台还包括工作台（4），工作台（4）包括台面（401）和设于台面（401）底部的若干支撑腿（402），支撑腿（402）底端均设有圆盘形机床垫铁（403）；上下料机器人平台（1）、外部控制装置（2）和上位机（3）均设于台面（401）上。
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