CN217618879U - 一种基于plc控制的模块化工业机器人工作站 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种基于PLC控制的模块化工业机器人工作站，包括功能模块、电路模块和箱体，所述功能模块包括井式推料模块、输送模块、视觉识别模块、定位装配模块、多末端工具模块、仓储模块和机械臂模块，其中，所述功能模块通过设置航空插可拆卸设置于所述箱体上，所述电路模块和所述功能模块电性连接。本实用新型将每个模块结构独立以及集成电路设计，再通过集中航空插头的插拔，能轻易实现模块布局变更以及模块间的替换。

Description

一种基于PLC控制的模块化工业机器人工作站

技术领域

本实用新型涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种基于PLC控制的模块化工业机器人工作站。

背景技术

为了满足人们对产品个性化的需求，以及随着“中国制造2025”战略的提出和推进，我们国家工业装备一致向着网络化、智能化和模块化的方向发展。本着与国家及粤港澳大湾区产业现代生产对接，学校也不断的引进新型的教学模式和教学装备，但目前市场上一些工业机器人教学装备无法满足灵活的教学模式和教学内容的需求，如大型产线不适合大规模班级的基础教学实验，教学实验损耗成本高以及实验后产线设备难以复原等；小型工业机器人工作站只能满足学生基础教学实验，更深入和高难度的实验则无法满足，并且功能相对固化，缺乏灵活性，还存在流水线工件单一等问题，基于以上的原因，现有的工业机器人工作站需要进行改进。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种基于PLC控制的模块化工业机器人工作站。

本实用新型实施例是这样实现的，一种基于PLC控制的模块化工业机器人工作站，包括功能模块、电路模块和箱体，所述功能模块包括井式推料模块、输送模块、视觉识别模块、定位装配模块、多末端工具模块、仓储模块和机械臂模块，其中，所述功能模块通过航空插与所述箱体可拆卸连接，所述电路模块和所述功能模块电性连接。

进一步地，所述井式推料模块包括储料装置和送料装置，所述输送模块包括传送带，所述视觉识别模块包括识别装置，所述定位装配模块包括限位结构、称重装置和RFID读写装置，所述仓储模块设置有仓位，所述机械臂模块包括机械臂和用于运输机械臂的运输设备。

进一步地，所述识别装置对准所述传送带设置。

进一步地，所述模块化工业机器人工作站还包括教学工件。

进一步地，所述教学工件包括模拟机器人关节筒体的1号工件、模拟机器人电机的2号工件、模拟减速器的3号工件和模拟法兰盘的4号工件，所述1号工件底面设置有识别芯片。

进一步地，所述送料装置包括气缸和物料推板，所述识别装置为摄像头或相机，所述限位结构包括限位固定块和限位气缸，所述限位气缸和所述限位固定块连接。

进一步地，所述功能模块还包括握持部件。

进一步地，所述多末端工具模块包括机械臂工具和支撑架，所述机械臂工具包括绘图笔、激光笔、吸盘和夹爪，所述机械臂工具和所述机械臂连接。

进一步地，所述井式推料模块、所述输送模块和所述仓储模块上都设置有传感器。

进一步地，所述箱体内部设置有隔间，所述箱体底部设置有万向轮，所述箱体侧面设置有合页门。

本实用新型具有以下有益效果：该工业机器人工作站是基于PLC控制的可安装和拆卸的模块化工作站，将每个模块结构独立以及集成电路设计，再通过集中航空插头的插拔，能轻易实现模块布局变更以及模块间的替换。另外，本工作站不仅可以实现全自动智能产品视觉检测、分拣、称重测量、RFID读写和装配，还涉及数字孪生、自动化控制、视觉识别、机械设计、工业互联网、模块设设计和RFID读写等技术，解决了传统机器人工作站功能简单、无法连接互联网、结构固定、无法拓展、缺失人机交互等缺点。

本工作站参考工厂运作模式，对产品零部件的输送、识别、搬运与装配进行全自动智能化处理，以PLC和工业机器人为核心，模块化箱体上外加触摸屏、变频器、直流电机、传感器、视觉***、物料仓储及输送带传送等机构构成。平台主要应用于机械及自动化装备制造或者产品生产等相关机械制造应用领域，另外，与市面上类似的模块化产品对比还具有价格优势。

在教学应用上，平台各模块分开可以作为独立小型工作站能满足学生基础课程实验，各模块合为一体则作为一条小型产线，满足高年级学生做产线联调课程实验的需求。平台适用于机械设计制造及其自动化专业、自动化专业中的低年级的机器人技术基础、PLC基本原理及应用课程实验；高年级的工业机器人技术、机器视觉等课程实验，同时适用于学生项目工作和相关工业机器人比赛。

附图说明

图1为本实用新型提供的工业机器人工作台的结构示意图；

图2为本实用新型提供的工业机器人工作台的功能模块示意图；

图3为本实用新型提供的工业机器人工作台的1号工件结构示意图；

图4为本实用新型提供的工业机器人工作台的2号工件结构示意图；

图5为本实用新型提供的工业机器人工作台的3号工件结构示意图；

图6为本实用新型提供的工业机器人工作台的4号工件结构示意图；

图7为本实用新型提供的工业机器人工作台的井式推料模块结构示意图；

图8为本实用新型提供的工业机器人工作台的传送带输送模块结构示意图；

图9为本实用新型提供的工业机器人工作台的定位装配模块结构示意图；

图10为本实用新型提供的工业机器人工作台的多末端工具模块结构示意图；

图11为本实用新型提供的工业机器人工作台的仓储模块结构示意图；

图12为本实用新型提供的工业机器人工作台的机械臂模块结构示意图；

图13为本实用新型提供的工业机器人工作台的HMI人机交互模块结构示意图；

图14为本实用新型提供的工业机器人工作台的箱体结构示意图；

图15为本实用新型提供的工业机器人工作台的平面装配模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型以机器人基础教学和物料自动输送及识别装配为研究对象，以PLC控制器及工业机器人为核心，提供了一种基于PLC控制的模块化工业机器人工作站，如图1和图2所示，该工业机器人工作站将每个模块都设计为独立机械结构和集成电路，可实现机械构件拆卸和集中航空插头的插拔，进一步实现方便的模块布局的变更和模块间的替换。该机器人工作站主要功能为模拟机械臂关节零部件的组装，如图3-6所示，组装的零部件如下：1号工件为模拟机器人关节筒体(底部配有读写芯片)，2号工件为模拟机器人电机，3号工件为模拟减速器，4号工件为模拟法兰盘，其中，1号工件存储在仓储模块的仓位内，2号工件存储在空白托盘上，3号和4号工件存储在物料桶内，各工件通过机械臂进行夹取和运输。此外，该工业机器人工作站也能实现基础功能，如激光循迹、斜面搬运、绘图等。

具体地，如图1和图2所示，本工作站包括功能模块和底部箱体9，所述功能模块包括井式推料模块1、传送带输送模块2、视觉识别模块3、定位装配模块4、多末端工具模块5、仓储模块6、机械臂模块7、HMI人机交互模块8和电路模块。所述井式推料模块1、所述传送带输送模块2、所述视觉识别模块3、所述定位装配模块4、所述多末端工具模块5、所述仓储模块6、所述机械臂模块7和所述HMI人机交互模块8设置于所述底部箱体9上，所述电路模块设置于所述底部箱体9内部，并与所述功能模块电性连接。

进一步地，如图7所示，所述井式推料模块1的物料桶16内储存有3号工件和4号工件，并进行上下料，包括走线盒11、支撑架12、气缸13、物料推板14、漫反射开关15和物料桶16。航空插17、圆形把手18和走线盒11安装在底板上，具体地，圆形把手18安装在走线盒11两侧，走线盒11竖直安装在底板上，走线盒11侧面还安装有支撑架12，走线盒11顶面与气缸底板和物料桶16连接，气缸底板顶面与气缸13和物料推板14连接，物料推板14一端连接气缸13，另一端连接物料桶16，物料桶16底座上设置有漫反射开关15。进一步地，物料桶16中部空心，与物料底座连通，物料底座开有物料推板可进入的槽位和出料口，使得物料推板14可将物料桶16掉入物料底座的工件通过出料口推入传送带机构中。进一步地，井式推料模块1设置于底板上，并配有集成线路插拔的航空插和圆形把手，设置航空插和圆形把手有利于模块的更换。使用时，出料口附近的传感器(即漫反射开关15)判断物料桶16内是否有待处理物料(即3号物料和4号物料)，并将判断结果通过信号传输给PLC***，如果有，PLC***发出信号，启动气缸13将物料推入传送带中，之后气缸13进行收缩，完成一次工作周期。

进一步地，如图8所示，所述传送带输送模块2用于运输待处理物料，主要包括支撑架21、防尘盒22、传送带23和漫反射开关24。支撑架21和圆形把手设置于底板上，走线盒(图中未显示)连接于支撑架21上，支撑架21表面设置有用于连接传送带23和支撑架的限位调整板25，航空插(图中未显示)设置于走线盒上，支撑架21一侧与防尘盒22连接，防尘盒22内设置有用于驱动传送带23的可调转轴和转轴(图中未显示)，传送带23一端通过漫反射开关支架设置有漫反射开关24。进一步地，传送带输送模块设置于底板上，并配有集成线路插拔的航空插和圆形把手，设置航空插和圆形把手有利于模块的更换。进一步地，传送带23为皮带，传送带23两侧设置有限位板，防止零部件在运输过程中掉出传送带23。进一步地，所述视觉识别模块3用于和所述传送带输送模块2配合使用，包括识别装置31和支撑装置32，识别装置31通过支撑装置32设置于底部箱体9上，识别装置31可以为摄像头或相机，摄像头方向对准传送带，用于识别工件的种类。井式推料模块1推出的物料经过传送带23传输到视觉识别模块的识别装置31下方位置时，电机停转，识别装置31开始拍照识别。识别完成后，电机重新启动，带动传送带23将物料运输至右端，传送带末端的传感器(即漫反射开关24)接受到信号，完成一个完整的工作周期。

进一步地，如图9所示，定位装配模块4用于产品夹紧装配、称重测量和RFID读写，包括支撑架41、RFID读写头42、电子秤43、气缸44、物料推头45和限位固定块46。定位装配模块4呈三层结构，每层通过支撑架41间隔开。具体地，支撑架41底部与底板连接，支撑板47设置于支撑架41顶部，电子称43和RFID读写头42设置于支撑板47上表面，支撑板47上还设置有支撑架，支撑架上方设置有第二支撑板48，第二支撑板48上方设置有气缸44、物料推头45、限位固定块46和把手49，设置把手49可使模块更易安装拆卸，其中，气缸44和物料推头45连接，物料推头45位置对准限位固定块46，使得限位固定块46一端可被推紧，夹紧1号工件。进一步地，定位装配模块4设置于底板上，并配有集成线路插拔的航空插和圆形把手，设置航空插和圆形把手有利于模块的更换。使用时，机械臂夹取1号工件放入限位固定块46对应位置，气缸44推动物料推头45夹紧固定块46，后续在限位固定块46中进行装配，装配完成后机械臂将装配体放置电子秤43上称重测量，通过重量判断装配体为完成装配的产品或者缺少零部件的半产品，然后RFID读写头42改变装配体底部芯片数据，标识产品状态，最后将产品放置回仓储模块6，完成一次完整的工作周期。

进一步地，如图10所示，所述多末端工具模块5上放置有功能不同的工具，用于与机械臂末端快换头和工具端配合夹紧，进行机械臂的工具更换，包括支撑架51、吸盘52、绘图笔53、激光笔54和夹爪55，吸盘52、绘图笔53、激光笔54和夹爪55设置于支撑架51上，夹爪55通过夹爪托盘与支撑架51连接，夹爪55开口为可夹起1号工件的形状。进一步地，多末端工具模块5设置于底板上，并配有集成线路插拔的航空插和圆形把手，设置航空插和圆形把手有利于模块的更换。

进一步地，如图11所示，所述仓储模块6用于存储装配体和1号工件，包括支撑架61和仓储架62，支撑架61设置于底板上，仓储架62连接于支撑架61上方，仓储架62为两层结构，每层仓储架62设置有三个仓位63，每个仓位63可放置一个1号工件，或存储一套组装完成的装配体。需要说明的是，仓储架62在其他实施例中可以为竖直式或转盘式，仓储架62的仓位63也可根据实际情况调整。进一步地，每个仓位63前设置有漫反射光电开关64，用于判断仓位63是否有料。进一步地，仓储模块6设置于底板上，并配有集成线路插拔的航空插和圆形把手，设置航空插和圆形把手有利于模块的更换。

进一步地，如图12所示，所述机械臂模块7为工作站的核心模块，包括机械臂71和丝杆组件72，机械臂71通过连接支撑板连接于丝杆组件72上，可沿丝杆组件72进行移动。进一步地，机械臂71头部为装配结构，可根据需要装配各种工具，例如激光笔、夹具、吸盘等。上述各模块可根据机械臂71的活动范围进行对应的模块位置布置，通过示教机械臂来规划运动路线，编写程序进行自动化生产。进一步地，机械臂71优选用KUKA机械臂，丝杆组件72优选用V90丝杆。

进一步地，如图13所示，所述HMI人机交互模块8可进行人机交互，包括壳体81、触摸屏82和控制按钮83，控制按钮包括电源开关831、急停按钮832、启动按钮833和停止按钮834等，并通过相应的信号电源线和底座箱体9中的PLC等电器元件通信，方便使用者进行交互，控制平台运转。

进一步地，如图14所示，所述底部箱体9用于承载上述各模块，所述材料为铝型材和钣金，箱体顶面铺设有防割垫，侧面设置有合页门91，底面设置有万向轮92，箱体内部空心，预留了电器元件、线路和气泵等部件的安装位置。设置万向轮92可确保工作站能够移动和固定，方便灵活调整位置，进一步地，合页门91表面为透明亚克力板，可更好观察箱体内电器元件等的运行状况，合页门91还设置有门锁93，提高安全性。

进一步地，如图15所示，本申请还包括平面装配模块10，用于在没有流水线模块时独立模拟简单的装配，即机器人单机运行的基础操作模块，平面装配模块上放置有四种工件。

进一步地，本实用新型还包括绘图模块、激光循迹模块和斜面搬运模块，以及运用了数字孪生技术，将设备运行数据和产品检测数据与数据孪生软件融合，通过数字孪生软件，管理者能远程实时监控产品的生产过程，如上下料时间、机器人的运转姿态、物料装填情况和整个自动化装配流程。

组装流程如下：

1.通过传感器判断仓储模块是否有料(1号工件)，机械臂更换为夹爪，夹取1号工件放置到定位装配模块的限位固定块上，气缸夹紧定位；

2.机械臂更换夹具，抓取2号工件放到1号工件内，进行第一步装配；

3.井式推料模块的传感器(即漫反射开关)判断物料桶内是否有物料(即3号和4号工件)，检测到物料后气缸工作将物料推出到流水线；

4.传送带电机运转，将物料传输到视觉识别模块下方，开始识别物料，判断为3号或4号工件，以及识别颜色和位置信息，然后将数据传输给PLC处理；

5.PLC将处理好的数据传输给机械臂，机械臂开始运作，更换夹具为吸盘，同时传送带电机启动，传输物料至传送带末端；

6.机器人吸取3号和4号工件，按顺序放到1号工件内，进行装配，装配顺序为先装3号工件，后装4号工件，如果视觉识别模块识别到4号工件被先推出，机械臂将4号工件丢弃；

7.机械臂夹取完成装配的装配体放到电子秤上进行称重测量，通过重量判断装配是否完整，并通过1号工件底部的读写芯片进行RFID读写，进行装配状态的标记，并将信息传输给PLC；

8.称重和读写完成后，机器人夹取装配体放回仓储模块，装配流程完成。

设计这款PLC控制的模块化工业机器人工作站，能合理安排设计各个模块的位置，实现配合工作完成既定的目标功能，也能按独立运转，其中大的模块区分可分为机器人模块和流水线模块，分别可以独立运转。机器人模块能独立完成机器人基础操作功能，如平面装配、斜面搬运、绘图等，流水线能控制物料流动和性能识别等。因此模块化理论则是通过将整个产品定位为一个***，通过模块具有关联性、独立性、组合及互换性的特点，将***中的功能部件进行模块化设计，平台可通过更换模块或使用统一模块进行个性化组合，组合成功能各异的产品，满足不同用户的多样化需求。同时应用平台在研制过程中采用模块化设计方法可以大大缩短产品研制周期、降低装备成本、同时便于系列化、标准化、从而降低平台和产品维修费用，具有实际的工程使用价值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PLC控制的模块化工业机器人工作站，其特征在于，包括功能模块、电路模块和箱体，所述功能模块包括井式推料模块、输送模块、视觉识别模块、定位装配模块、多末端工具模块、仓储模块和机械臂模块，其中，所述功能模块通过航空插与所述箱体可拆卸连接，所述电路模块和所述功能模块电性连接。

2.如权利要求1所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，所述井式推料模块包括储料装置和送料装置，所述输送模块包括传送带，所述视觉识别模块包括识别装置，所述定位装配模块包括限位结构、称重装置和RFID读写装置，所述仓储模块设置有仓位，所述机械臂模块包括机械臂和用于运输机械臂的运输设备。

3.如权利要求2所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，所述识别装置对准所述传送带设置。

4.如权利要求1所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，还包括教学工件。

5.如权利要求4所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，所述教学工件包括模拟机器人关节筒体的1号工件、模拟机器人电机的2号工件、模拟减速器的3号工件和模拟法兰盘的4号工件，所述1号工件底面设置有识别芯片。

6.如权利要求2所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，所述送料装置包括气缸和物料推板，所述识别装置为摄像头或相机，所述限位结构包括限位固定块和限位气缸，所述限位气缸和所述限位固定块连接。

7.如权利要求1所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，所述功能模块还包括握持部件。

8.如权利要求1所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，所述多末端工具模块包括机械臂工具和支撑架，所述机械臂工具包括绘图笔、激光笔、吸盘和夹爪，所述机械臂工具和所述机械臂连接。

9.如权利要求1所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，所述井式推料模块、所述输送模块和所述仓储模块上都设置有传感器。

10.如权利要求1所述的模块化工业机器人工作站，其特征在于，所述箱体内部设置有隔间，所述箱体底部设置有万向轮，所述箱体侧面设置有合页门。

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