课程目的：

（1）认识汽车模型生产线零件出库单元。

（2）掌握出库单元总体结构设计的方法。

（3）掌握标准件的选型与计算方法。

（4）掌握出库单元运动仿真的方法。

（5）掌握电气设计的方法和组态软件的使用。

课程简介：

《工业机器人系统集成》课程是本科院校机器人工程专业的一门专业任选课。工业机器人应用的关键问题在于其系统集成和自动化单元设计，本课程对工业机器人自动化单元的设计方法和基础知识进行梳理，聚焦了感知、控制、决策、执行等核心关键环节，以实际项目为分析对象，尽量贴合工业实际生产环节，让学生可以理解工业机器人技术在自动化单元集成设计中的具体应用场景及应用方法。

教学基本要求 ：

（1）掌握工业机器人自动化单元设计的概念、发展、技术方案

（2）掌握视觉模块的设计方法及实践，

（3）掌握输送模块的选型方法及实践

（4）掌握控制系统模块设计

（5）掌握电气电路的设计

（6）掌握PLC与外部设备的数据交互，PLC编程技巧及工作站的程序设计。

重点、难点：

重点：机械总体结构设计，PLC外部供电电路的搭建方法；

难点：PLC与外部设备的数据交互方法。

教学方式：

理论教学、PPT演示、课堂提问及课外作业。采用多媒体辅助CAI课件教学。课堂上灵活运用雨课堂等课堂管理软件，即时提问与测试，提高教学的互动性，方便及时掌握学生问题和解决。实验任务提前下发学生准备，理论成绩、实验成绩并重。

考核方式与成绩评定：

本课程采用平时成绩+期末课程论文形式进行考核，期末考查60%+平时成绩40%（其中平时成绩由考勤20%、作业20%、实践60%组成）

1.认识汽车模型生产线出库单元

（1）设计背景

（2）设计意义

理论意义：本项目的设计符合机器人工程专业人才培养目标要求，考察了综合运用专业课程的理论知识对汽车模型柔性生产线零件出库单元结构设计，解决汽车模型自动正确出库上料问题，培养学生的工业机器人工作站设计开发能力。

实践意义：本项目的设计能够为企业生产面向教学使用的智能制造设备提供一定理论参考，能提高学生对柔性生产线自动上下料系统的认识。

图1 出库单元组成图

图2 出库单元功能图

图3 出库单元通信图

2.认识汽车模型生产线总体结构设计

图4三维设计图

（1）料仓设计

图5料仓三维设计图

料仓的总高为915mm，总长为595mm，该料仓分为3层，每层之间间隔为144mm，每层从左至右依次是车轮、车尾、车头、车底盘、车身。料仓支架采用欧标铝型材4040，承载板采用AI6061材料，各个零件采用3D打印材料ABS。

（2）三轴直角坐标机械手设计

图6直角坐标三维设计图

直角坐标机械手由三轴模组组成，每轴模组行程不同，并配有旋转气缸，装有夹持气动夹具。

（3）夹持装置设计

图7夹持装置三维图

夹持器由气动手指气缸以及夹爪组成，由气动手指气缸控制气动手指的开合来实现汽车模型零件的夹取与卸下。夹爪如图7所示，为ABS材料。

3. 标准件的选型

（1）电机的选型

选定台达B2系列伺服电机ECMA-C20604RS，具体参数见下表。

表1电机参数表

（2）旋转气缸的选型

选用型号为HRQ10的旋转气缸，规格为10，接管口径为M5牙，最大允许径向负载为80N，最大允许轴向负载为80N，最大允许弯矩负载为2.5Nm。

（3）夹持器的选型

选用的夹持器是平行开闭式气动手指气缸，型号为MHZ2-16D。

图8手指气缸

表2气缸参数表

（4）PLC选型

控制系统使用西门子S7-1200 PLC作为控制器，它满足项目要求，并且可以控制3台电动机的运行（可以连接6个信号模块）。 

3. 运动仿真

运动仿真流程如图9所示。

图9仿真设计流程图

图10创建仿真算例

图11设置时间

3. 电气设计

当系统中元件选择并设计完毕后，需要进行电气设计，既将电气元件链接起来，为系统供电，并分配PLC触点。

图12工作站组成图

输出端:Q0.0接三轴直角机械手X方向伺服电机驱动器脉冲输入口；Q0.1接三轴直角机械手X方向伺服电机驱动器方向输入口；Q0.2接三轴直角机械手Y方向伺服电机驱动器脉冲输入口；Q0.3接三轴直角机械手Y方向伺服电机驱动器方向输入口；Q0.4接三轴直角机械手Z方向伺服电机驱动器脉冲输入口；Q0.5接三轴直角机械手Z方向伺服电机驱动器方向输入口；Q8.0接前档气缸；Q8.1接推料气缸；Q8.2接插销气缸；Q8.3接夹爪气缸；Q8.4接旋转气缸。

表3零件出库单元IO分配表

图13 PLC引脚图

PLC触点均分配了对应功能，需要对相应引脚进行选择。

MCGS组态软件主要是用于人机交互界面开发，与下位机S7-1200 PLC进行数据交互，实现对现场设备的监视与控制。

1.工作站设计处处体现知识点

本章对汽车模型生产线的出库单元部分进行了详细的设计，从机械总体设计，元件的选型，运动仿真到电气系统的设计。本章内容包括电气控制原理的介绍、I/O端口介绍以、参数设置及注意事项，再到各个单元的人机交互界面的设计，包括触摸屏的选型及其与S7-1200 PLC的通讯方法、各个单元具体的人机交互界面的设计。通过本章的学习应该有效掌握机器人工作站的设计方法。

2.课程的必要性及创新性

工业机器人系统集成的实体设计存在投资较大、设备台套数有限、实验室面积紧张、实验时间与教学实践冲突、细微实验现象难以细致观察等问题。工作站设计是利用理论模型、数值方法、信息网络和计算机技术，将真实的物理现象或过程模型化，在计算机上以图片、视频、动画或曲线等直观形式展现，并通过网络共享使用。

3.传统教学的延伸与拓展

设计方法与实际项目现象相结合，极大拓展传统理论与实验课程范围。坚持“虚实结合”的原则，内容选取当今社会发展对创新性和创业型机器人工程人才培养需求的高昂设备、不易操作的设计，且严格履行工业机器人操作规程和机械，电气设计的相关规范。