CN114639298B - 一种可进行模块化组合的制造业小型教育设备 - Google Patents

Abstract

一种可进行模块化组合的制造业小型教育设备，它属于机械装置，用于在非工厂的安全环境下模拟出真实的制造业加工生产全流程。通过将现有的工业元器件组合后整合成功能性模块后，功能性模块之间通过便捷连接组合方法进行组装，形成完整设备形态，再使用快速设置系统进行参数配置，以达到设备快速达到可用状态，实现教育、展示的目的。解决了目前该类型制造业教育设备装卸复杂、柔性差、扩展性差、调试难度高、维护性差的问题。

Description

一种可进行模块化组合的制造业小型教育设备

技术领域

本发明涉及对现有的制造生产设备的模块化改造、以及各模块之间的便捷连接组合方法和适用于该模块化组合教育设备的便捷设置系统。通过该发明，可以在非工厂的安全环境下模拟出真实的制造业加工生产全流程，为制造业人才实训提供可靠的智能制造实训；发明中的模块可拆分后重新组合，通过便捷连接组合方法进行装配、连线后经由便捷设置系统，无需大型复杂施工便可重新构筑加工生产流程展现柔性，无需重新购入新设备或改造现有设备，为行业人才教育的实训设备、多元化降低成本。

背景技术

现有的制造业小型教育设备：

目前的制造业小型教育设备根据教育环境不同，集中于以下几种表现形式：

1. 整线型由加工、装配、物流、仓储、机器人等部件构成，按制造生产流程对部件进行排布、装配，从生产开始到结束为一条流水线体。通过同工厂建立生产线相同的线体各部件联合调试，实现该设备的正常运转。由于设备体积大，需要将其拆解后运输到现场再重新安装、调整。线体定制性强，不属于通用设备，很难或不能扩展。且由于部件关联性强，用于人才教育时多以参观、展示生产流程为主。

2. 单元式与上述整线型的部件大致相同，但会按照流程工艺分解成三个或四个分体，每个单元将相关部件整合、排布、装配，单独调试，最后将各个单元全部串联后进行联合调试，实现该设备的正常运转，相比整线型设备，设备体积大幅缩小，采用单元式结构仅需拆解成各个分体进行运输，到达现场后重新串联调试，缩短了整体联调的过程。但定制性高、难以扩展的特性仍然存在，且单元间无法互相剥离单独运行，导致投入使用后仍然以参观、展示智能制造实现要素的目的为主，阻碍课堂教育时对专业学生动手能力的培养。

现有技术存在的问题：

现有设备和技术主要存在以下三点问题：

1.设备高度定制化，难以拓展

高度定制的设备仅能适用于单一生产流程固定的教学，单一流程、固定设备难以满足日益发展的教学需要。即使想对现有设备进行拓展，高度定制化的设计也对扩展改造提高了难度，需要厂家派出专业人士才可以进行，改造过程复杂，费用高昂，改造工期长，这段时间设备也无法用于原有教学任务。

2.安装、拆卸、搬运操作复杂，难以实现设备的自由操作

当前该类制造业教育设备都属于非标设备，安装、拆卸、搬运都需要厂商派专业人士执行，学校等教育机构人员、学生无法介入，对于安装、拆卸、搬运等操作无法产生实际的教学意义。而这一部分也是制造业人才培育的重要知识点。而设备也仅能够按照厂商预设的固定内容进行操作，很难对应或仅能少量对应柔性生产。

3.调试复杂度高，维护性差，用户难以自行维护

目前市面上该类制造业教育设备设计构造都非常复杂，一旦发生问题，客户很难自行排除、恢复，需要厂商派遣专业技术人员进行维护后重新调试至可用状态。该类设备的客户主要为行业教育者、以及未来的行业人才，调试及维护却仍需依赖于厂商，难以自行维护，对行业教育的局限性大，不利于面向高精尖制造业人才的培育与输送。

发明内容

为了克服上述现有技术、设备的不足，本发明提供了一种使用现有工业元器件（机械手、立体仓库、激光雕刻机、加工机床、PLC等）可进行模块化组合的制造业小型教育设备。

通过将现有的工业元器件组合后并整合成功能性模块，将模块与模块之间通过该发明中的便捷连接组合方法进行组装形成完整设备形态，再使用该发明中的便捷设置系统进行参数配置，解决该类型制造业教育设备装卸复杂、柔性差、扩展性差的问题，为行业教育提供新的装备和思路。

本发明采用如下的技术方案：

1．设备整体形态为9个俯视为正方形的模块（1）组成，9个模块（1）采用九宫格的排布方式（图1）。位于正中心的模块（1）于台面处安装可360度旋转的机械手。周围的8个模块（1）可以任意互换顺序或增减，但最多不得超过8个。

2．每个模块（1）分为三部分，元器件安装层（2），承重层（3），电气安装层（4）。（图2）安装层（2）使用蜂窝网状结构（六边形孔）钢板（图3），元器件安装于带有六边形底脚柱的底座（5）上后，将底角柱插入（1）的蜂窝网状结构（六边形孔）钢板中。插入后使用专用的固定夹具（6）在四周进行固定。

3．元器件安装用的底座（5），上表面四周有锯齿状凹槽，用于同专用夹具（6）互相咬合。（图4）上表面中央平整处为元器安装平面，可根据元器件固定要求自行开孔，下底面四周有高于中央处的方形台阶，台阶上有跟安装层（2）蜂窝网状结构（六边形孔）互相匹配的六边形底脚柱，插入后由于台阶与钢板接触，下底面和钢板之间仍有同台阶高度一致的缝隙，留出固定元器件时安装螺母时所需的空间。（图5）

4．专用夹具（6）为六边形柱，上端带有延伸，下端带有攻丝圆柱，侧面看呈现倒L形（图6），可插入（2）蜂窝网状结构钢板的六边形孔中，上端延伸处的底端有锯齿状凸起，在元器件安装底座（5）边插入附近的六边形孔中后，可与底座（5）上表面的锯齿状凹槽互相咬合。插入后用垫片、六角形螺母锁紧攻丝圆柱，完成底座（5）的固定。（图7）

5．模块承重层（3）通过在电器安装层的箱体（4）上方安装田字型承重钢框架，托起上方的元器件安装层（2），框架会挡住一部分安装层（2）的蜂窝网状结构的部分六边形孔，固定夹具（6）插入时可避开相应孔位。

6．电气安装层（4）为一个箱体，通过2块竖立的铝板（7）分隔成三层结构，铝板（7）采用抽拉结构，可以从箱体（4）中拉出来（图8）。铝板（7）采用标准的圆孔网格结构，其中一块铝板（7）为电路固定板，可以安装DIN轨道等用于固定PLC、电源等元器件。另一块（7）为气路固定板，可以安装气阀等电气元件。为适应铝板（7）的抽拉结构，线缆可用坦克链固定。每个模块（1）有独立电源模块，底板四角各设置一组航空插头，一公头一母头，通过任何一组都可与其他模块的航空插头通过线缆连接或接入电源。气路在底板四角分别设置进口、出口各一个，分别配有阀门。进气可打开其中任意一个进口阀门后接入，排气可打开其中任意一个出口阀门后接入其他模块的进口或外界供气装置，通过气管互相连接。铝板（7）之间的空余空间可用于放置主机、控制器等设备。底板四角各有4个RJ45网线插口，全部通过底板中央多口路由器互相联通。为确保电气安全，底部四角各有一个急停开关，处于联动状态，按下即停机。

7．每个模块（1）底部有万向轮方便移动，每个万向轮旁边有可调式垫脚，用于调整高度及水平。

8．模块（1）与模块（1）之间的对接在调整至同一高度、同一水平后使用两端为六边形柱的C型卡扣（8），在两个模块（1）各垂直插入一端至安装层（2）的蜂窝网状结构钢板的六边形孔中。根据实际需要插入2个及以上数量的C型卡扣（8）确保模块（1）之间保持稳定。（图9）

9．模块（1）与模块（1）之间的电路、气路、网路全部通过模块（1）底部的四角的航空插头、进口阀门、出口阀门、网线接口就近通过线缆连接。电路全部采用220V接入，根据模块（1）内设备需要自行配备变压器。气路需要接入外部空压机接入进口阀门，打开后才可运作。所有模块（1）电路、气路、网路完全一致，保证设备间所有的模块（1）都可通过底部四角进行电路、气路、网路的串联。模块（1）与模块（1）之间互相连接后，所有模块（1）的急停开关都处于联动状态，按下其中任意一个即可停止所有设备。

10．正中心的机械手模块（1）的周围8个模块（1）标准配置为：含有工控机及GOT的控制模块（1）、含有加工机的加工模块（1）、含有激光雕刻机的雕刻模块（1）、含有立体仓库的仓储模块（1）、含有相机的检测模块（1）、含有分拣装置的分拣模块（1）、含有装配机器人的装配模块（1）、含有除尘装置的清洁模块（1）。正中心机械手模块（1）和含有工控机及GOT的控制模块（1）为整套设备的基础部件，不可或缺。其他模块（1）可根据实际情况增减。每个模块（1）都安装有一个模块识别用PLC，用于存储模块识别、参数设置等程序。

11. 含有工控机及GOT的控制模块（1）中装有可控制所有模块（1）的控制软件，在模块（1）互相均已按要求联通电路、气路、网路的前提下，控制软件可以通过读取各模块（1）中安装的模块识别用PLC的信息可以快速识别模块及相应的设置参数，并生成默认的生产流程事件轴。通过拖拽该事件轴上的事件标签，可以调整运行时的每一道工序的顺序，也可以插入新的事件或删除原有的事件以保证生产流程的连贯性。通过微调每一个模块（1）中的设置参数，可以快速完成模块间的调试。（图10）

附图说明

图1是本发明设备的构造示意图

图2是本发明设备中的模块构成示意图

图3是本发明设备中的元器件安装层构造示意图

图4是本发明设备中的元器件固定底座示意图

图5是本发明设备上的元器件安装方法示意图

图6是本发明设备中的专用固定夹具示意图

图7是本发明设备上的底座固定方法示意图

图8是本发明设备中模块的电气层抽拉板示意图

图9是本发明设备的模块间固定方法示意图

图10是本发明设备中的控制软件简单设置方法示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

1.如图2所示，将构成单个模块（1）的各部分钣金件通过焊接、螺丝锁止等固定方式成为一个模块整体（1），在底梁四角安装万向轮、垫脚，使模块（1）可以通过施加推力进行整体移动。

2.如图7所示，元器件采用元器件本体+底座（5）+专用夹具（6）固定的方法安装在模块（1）上。具体操作为：首先根据元器件自身固定方法在图4底座（5）上自行开孔进行固定，然后将底座（5）上带有的六角形柱竖直插入图3安装层（2）上的与之大小匹配的六角形孔位内，插入后在四周各插入一枚图6专用固定夹具（6），固定夹具（6）的锯齿与图4底座（5）上表面的锯齿互相咬合后，在图6专用固定夹具（6）的底部用垫片、六角螺母锁紧。单个元器件即固定完成。同一模块（1）上如果有其他元器件，确保安装层（2）表面仍有空位，且不会互相干涉的前提下，采用同样的方法进行安装。如果需要拆卸不需要的元器件，则将上述步骤反过来操作即可简单卸下元器件。

3.单个模块（1）中的元器件线缆等从图2（2）六边形孔中穿下后，通过坦克链接入图8电气层抽拉板中其中一块电路专用板上的PLC、电源等电气元件。气路软管也同样通过图2（2）六边形孔中穿下后，通过坦克链接入图8电气层抽拉板中另外一块气路专用板上的气阀等气路元件。

4.按图1所示，将机械手模块（1）放于中央，将含有工控机及GOT的控制模块（1）、含有加工机的加工模块（1）、含有激光雕刻机的雕刻模块（1）、含有立体仓库的仓储模块（1）、含有相机的检测模块（1）、含有分拣装置的分拣模块（1）、含有装配机器人的装配模块（1）、含有除尘装置的清洁模块（1）分别按照九宫格的排布方式移动到机械手模块（1）的周围，之后按照图9所示将相邻的两个模块（1）调整至同一高度、同一水平后，使用两端为六边形柱的C型卡扣（8），在两个模块（1）各垂直插入一端至安装层（2）的蜂窝网状结构钢板的六边形孔中。模块（1）间互相贴合的一条边缘的两端各插入一个C型卡扣（8）以保持稳定。完成后即为本发明设备整体。

5.在将所有模块（1）合并前，将外部电源、气源、网络源通过底部航空插头、进气阀门、RJ45插口接入四角中的其中一个模块（1）后，按S型顺序用线缆、软管、网线将模块（1）两两相连，最后直至接入对角线的模块（1）。至此本发明的设备安装完成。

6.接通电源后，按图10所示，通过GOT打开工控机中的控制软件进行简单设置，自动读取到所有模块识别用PLC的信息和参数，自动生成一套默认生产流程事件轴，事件轴上的事件标签按动作先后顺序排列，根据实际生产的需要用手拖拽调整次序，并输入该事件的参数进行调整。通过该方法，可以快速调整生成流程中的工序和进行模块间的调试，而不再需要对机械、软件进行大规模的拆卸、安装、二次调试。调整完成后，该设备即可正式投入教学等使用场景中。

Claims (10)

1.一种制造业小型设备，其属于教育设备，其特征在于可进行模块化组合，由多个模块组合构成，包括元器件安装层、承重层、电气安装层、元器件安装底座、固定夹具、铝板C型卡扣及控制软件；

9个模块采用九宫格，即3×3的排布方式组合，其位于中央的模块上装有360度旋转的机械手，由于中央的机械手可够到周围8个模块的表面任意位置，所以周围的8个模块可以任意调换位置、顺序；

所述的模块采用分层结构，从上到下由元器件安装层、承重层、电气安装层构成主体，通过在元器件安装层安装不同的元器件，构成模块的功能性差异；

最上层的元器件安装层采用蜂窝网状结构，布满六边形垂直贯穿孔，将实现模块功能性差异的每一个元器件安装于元器件安装底座后，将底座垂直插入元器件安装层，由于元器件安装底座占地面积小于元器件安装层，则空余位置仍然可以继续按照相同方法安装元器件，通过此方法实现元器件的模块化安装；

元器件安装底座上表面四周采用三角形锯齿结构，用于与固定夹具互相咬合后形成固定，锯齿围绕起来的部分为平整表面，是元器件的安装区域，下表面采用阶梯式结构，沿边缘一圈台阶，高于中央区域，造成中央区域产生台阶高度的凹槽，为固定元器件时留下螺丝、螺母所需要的间隙，台阶上方四角各有一个六角形柱，可垂直插入元器件安装层上的六边形垂直贯穿孔，底面台阶与元器件安装层上表面贴合，完成元器件安装底座的定位；

元器件安装底座定位在元器件安装层上之后，为防止产生微小位移，使用多枚固定夹具安装于元器件安装底座周围，每一枚固定夹具都为六边形柱，侧面看成倒“L”型，一端与柱体垂直延伸出的部分为一个倒三角形柱，另外一端延伸为圆柱体，带有螺纹，可使用六角螺母，通过插入元器件安装层上的六边形垂直贯穿孔，将上端的倒三角形柱卡入元器件安装底座上表面边缘的锯齿凹槽，通过对下端的圆柱体使用六角螺母锁止，保证元器件安装底座与元器件安装层的相对稳定。

2.根据权利要求1所述的制造业小型设备，其特征是：安装好的元器件线缆通过六边形垂直贯穿孔连接到电气安装层中，其中铝板使用抽拉式结构，可以抽出箱体，方便安装电气元件，铝板为圆孔网格，用于固定电气元件和散热，有2块，一块用于电路、一块用于气路。

3.根据权利要求1所述的制造业小型设备，其特征是：每2个模块之间使用多个“C”型结构的C型卡扣进行固定以保持相对稳定，单个C型卡扣两端各有一个六边形柱，分别插入到两个相邻模块各自的元器件安装层上的六边形垂直贯穿孔中。

4.根据权利要求1所述的制造业小型设备，其特征是：每个模块都安装有一个模块识别用PLC，用于存储模块识别、参数设置程序。

5.根据权利要求1所述的制造业小型设备，其特征是：9个模块具有各自的功能分工，分别是含有工控机及GOT的控制模块、含有加工机的加工模块、含有激光雕刻机的雕刻模块、含有立体仓库的仓储模块、含有相机的检测模块、含有分拣装置的分拣模块、含有装配机器人的装配模块、含有除尘装置的清洁模块以及正中央用于搬运的机械手模块。

6.根据权利要求2所述的制造业小型设备，其特征是：电气安装层中的底板四角各设置一组航空插头，一公头一母头，通过任何一组都可与其他模块的航空插头通过线缆连接或接入电源，气路在底板四角分别设置进口、出口各一个，分别配有阀门，进气可打开其中任意一个进口阀门后接入，排气可打开其中任意一个出口阀门后接入其他模块的进口或外界供气装置，通过气管互相连接，铝板之间的空余空间用于放置主机、控制器，底板四角各有4个RJ45网线插口，全部通过底板中央多口路由器互相联通，为确保电气安全，底部四角各有一个急停开关，处于联动状态，按下即停机。

7.根据权利要求6所述的制造业小型设备，其特征是：所有模块的电路、气路、网路完全一致，模块之间的电路、气路、网路全部可以串联，急停开关可以联动，按下任意一个即可停止所有设备。

8.根据权利要求4所述的制造业小型设备，其特征是：联通所有模块后，打开控制软件即可读取所有识别用PLC信息，快速识别模块，生成默认参数。

9.根据权利要求8所述的制造业小型设备，其特征是：联通所有模块后，打开控制软件可以根据连接的模块生产在程序中已设定的生产流程工序，根据时间顺序从上到下排列构成事件轴，拖动任意一个事件标签可以随意更改其与其它事件之间的相对顺序，事件标签可以新增或删除。

10.根据权利要求9所述的制造业小型设备，其特征是：在控制软件中点击任意的事件标签可以设置该事件涉及的元器件参数。