本发明涉及教学设备领域，尤其涉及一种工业机器人教学系统。
背景技术：
目前，机器人在工业系统中的应用逐渐普及，特别是随着《中国制造2025》规划全面铺开，机器人操作编程人员在制造行业的需求逐渐提升。各中高职院校承担着输送和培养机器人使用人才的重要责任，对工业机器人使用的教育也越来越重视。但目前相关的教学设备十分匮乏，这些以工业机器人为平台的教学设备结构整体性和紧凑性差，自动化装配精度差，无法通过实际操作模拟激光切割、去毛刺、打磨、抛光、视觉检测、装配等多工艺，使教学内容与就业内容接轨，充分满足学校对学生开展工业机器人教育的需求。
综上所述，急需提出一种结构整体性和紧凑性高，自动化装配精度高，能够模拟多工艺操作，充分满足学校对学生开展工业机器人教育的需求的工业机器人教学系统。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种结构整体性和紧凑性高，自动化装配精度高，能够模拟多工艺操作，充分满足学校对学生开展工业机器人教育的需求的工业机器人教学系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种工业机器人教学系统，包括工作台和工业机器人示教器，所述工作台上安装有工业机器人本体、工业机器人控制器、供料及粗加工单元、精加工单元和机构装配单元；
所述工业机器人示教器与工业机器人控制器通讯连接，所述工业机器人示教器内存储有工业机器人本体的动作指令；
所述工业机器人控制器与工艺机器人本体连接，用于控制工业机器人本体完成动作指令；
所述工业机器人本体在活塞供料及粗加工单元处动作，以模拟被加工物的供料取料及激光切割工艺；
所述工业机器人本体在活塞精加工单元处动作，以模拟被加工物的的加工面去毛刺、打磨及抛光工艺；
所述工业机器人本体在活塞机构装配单元处动作，以模拟被加工物与半成品机构的高精度装配工艺。
作为本发明的一种优选方案，所述工业机器人教学系统还包括plc控制器，所述plc控制器与机器人本体行走单元、供料及粗加工单元、精加工单元、机构装配单元、视觉检测单元及工业机器人控制器连接，用于控制各单元工作。
作为本发明的一种优选方案，所述活塞视觉检测单元包括视觉检测控制器，所述视觉检测控制器用于检测被加工物的轮廓、尺寸结果并将视觉检测结果传输给工业机器人控制器。
作为本发明的一种优选方案，所述工业机器人教学系统还包括工具快换单元，所述工具快换单元包括快换操作工具，所述工业机器人控制器根据模拟的工艺控制工业机器人本体来切换快换操作工具。
作为本发明的一种优选方案，所述快换操作工具包括：
外夹爪工具，用于在被加工物上料时实现夹持；
激光头及吸盘工具，其包括激光头和吸盘工具，激光头用于模拟激光切割头实现切割工艺；吸盘工具用于将切割后的活塞废料取出；
内夹爪工具，用于抓取被加工物实现去毛刺、打磨、抛光加工；
夹爪及吸盘工具，其包括夹爪端和吸盘工具，夹爪端的内外侧分别用于夹持待组装零件；吸盘工具用于在装配时吸住被加工物并固定位置；
搬运吸盘工具，用于吸取待组装零件。
作为本发明的一种优选方案，所述活塞视觉检测单元还包括：
分度盘转台，与plc控制器连接，所述plc控制器控制分度盘转台旋转至四个工作位置，分别完成固定、视觉检测、标签粘贴和标签条码扫描；
废料平台，用于放置不合格的被加工物；
标签供料机，用于提供标签；
条码扫描机，用于读取标签信息并传输至plc控制器。
作为本发明的一种优选方案，所述被加工物可以选择活塞。
作为本发明的一种优选方案，所述机构装配单元为活塞机构装配单元，包括：
缸体及连杆物料台，用于临时放置活塞、活塞连杆、缸体曲轴总成和装配完成的活塞机构；
活塞销供料机，用于提供活塞销；
所述工业机器人控制器控制工业机器人本体连接快换操作工具将活塞销顶入同心对准的活塞销孔和连杆的活塞销孔内，以完成活塞及连杆总成的装配；
所述工业机器人控制器控制工业机器人本体连接快换操作工具将活塞及连杆总成的活塞插入缸体曲轴总成的缸套中；
曲轴销装配机，用于将曲轴销装配至活塞及连杆总成和缸体曲轴总成之间，以完成活塞机构的装配。
作为本发明的一种优选方案，所述曲轴销装配机包括与plc控制器连接的曲轴位置传感器、曲轴旋转动力装置和曲轴销推送装置；
曲轴位置传感器，用于实时检测曲轴旋转位置；
所述plc控制器根据曲轴位置传感器的检测信号控制曲轴旋转动力装置驱动曲轴旋转至指定位置，以使曲轴和活塞连杆上的曲轴销孔同轴对齐；
所述plc控制器控制曲轴销推送装置将曲轴销推送插入至曲轴销孔中，以完成活塞机构的装配。
作为本发明的一种优选方案，所述机器人本体行走单元包括驱动装置和直线导轨，所述驱动装置驱动工业机器人本体沿直线导轨直线移动。
作为本发明的一种优选方案，所述工业机器人教学系统还包括显示单元，所述显示单元用于显示所述视觉检测结果。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种工业机器人教学系统，该工业机器人教学系统以工业工艺应用为背景，工业机器人为平台，融合了自动控制、加工工艺、视觉检测、标签识别、装配等综合技术，通过实际操作模拟涉及组装被加工物与半成品机构的激光切割、去毛刺、打磨、抛光、装配、检测等工艺，完善基础技术操作能力和调试技能，使教学内容与就业内容接轨，满足学校对学生开展工业机器人教育的多层次个性化教学需求。整个工业机器人教学系统结构整体性和紧凑性高，能够模拟组装被加工物与半成品机构的多工艺操作，实现工业机器人的自主作业，自动化装配精度高。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的工业机器人教学系统的结构示意图。
图中：
1、工作台；2、工业机器人本体；3、线槽；4、机器人连接端；5、工具连接端；6、外夹爪工具；7、激光头及吸盘工具；8、内夹爪工具；9、夹爪及吸盘工具；10、搬运吸盘工具；11、工具支架；12、直线导轨；13、工业机器人本体安装平台；14、活塞供料机；15、激光切割平台；16、切割废料平台；17、去毛刺机；18、打磨机；19、抛光机；20、活塞支架；21、工业级智能视觉系统；22、分度盘转台；23、活塞废料平台；24、标签供料机；25、条码扫描机；26、缸体及连杆物料台；27、活塞机构安装夹具；28、活塞销供料机；29、曲轴销装配机；30、活塞及连杆总成支架；31、视觉检测结果显示器。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
需要指出的是，本发明以活塞加工和活塞机构装配为例进行描述，并不意味着本发明仅适用于以活塞加工和活塞机构装配为教案。本领域技术人员能够根据本发明的教导，对机器人示教器中的指令进行适应性调整，使本教学系统能够演示其他零件的加工以及其他零件的组装过程，只要其加工工艺方法已经在本发明中进行了描述，并且可以想见，本领域技术人员可以针对不同的零件特点对加工工艺步骤做适应性调整，并在教学系统中进行设定。
实施例一
实施例一提出一种优选的工业机器人教学系统，如图1所示，该工业机器人教学系统包括工作台1、工业机器人示教器，工作台1上安装有工业机器人本体2、活塞供料及粗加工单元、活塞精加工单元、活塞机构装配单元、工业机器人控制器、机器人本体行走单元、工具快换单元、活塞视觉检测单元、plc控制器和显示单元等组件。工业机器人示教器与工业机器人控制器通讯连接，工业机器人示教器内存储有工业机器人本体2的动作指令，间接控制工业机器人本体2运动。工业机器人控制器与工艺机器人本体2连接，用于控制工业机器人本体2完成动作指令。工业机器人本体2在活塞供料及粗加工单元处动作，以模拟活塞的供料取料及激光切割工艺。工业机器人本体2在活塞精加工单元处动作，以模拟活塞的加工面去毛刺、打磨及抛光工艺。工业机器人本体2在活塞机构装配单元处动作，以模拟由活塞及连杆总成、缸体曲轴总成组成的活塞机构的高精度装配工艺。plc控制器与机器人本体行走单元、活塞供料及粗加工单元、活塞精加工单元、活塞机构装配单元、活塞视觉检测单元及工业机器人控制器连接，用于控制各单元工作。在这里，plc控制器的数量可以为一个，一个总plc控制器可整体控制上述各单元工作，还可以为多个，多个plc控制器可单独控制上述各单元工作。
在实施例一中，工作台的侧面开设有门，工作台1的内部可储物。工作台1的台面外周设置有线槽3，可方便布局各电缆线。工业机器人控制器安装在工作台1的内部。工业机器人示教器具有存储有工业机器人本体2动作指令的存储模块，可以存档某一运动指令到工业机器人控制器中，并且可反复调取存档的运动指令使工业机器人本体2执行相应运动。
具体的，工业机器人示教器的存储模块中编制有在计算机中可运行的离线编程软件，离线编程软件可编制工业机器人本体2的控制程序，并通过u盘等存储介质传输到工业机器人控制器中，控制工业机器人本体2完成指定动作。工业机器人本体2在活塞供料及粗加工单元处、活塞精加工单元处、活塞机构装配单元处动作，以分别模拟活塞的供料取料及激光切割工艺，活塞的加工面去毛刺、打磨及抛光工艺，活塞机构的装配工艺。
在实施例一中，工具快换单元包括机器人连接端4、快换操作工具和工具连接端5，机器人连接端4的一端可拆卸地连接在工业机器人本体2的末端，方便机器人连接端4的安装和拆卸。工具连接端5的一端与快换操作工具固定连接，工具连接端5的另一端可拆卸地连接在机器人连接端4的另一端，如此实现机器人本体末端不同快换操作工具的更换，方便实用。
快换操作工具具有五件，分别为外夹爪工具6、激光头及吸盘工具7、内夹爪工具8、夹爪及吸盘工具9和搬运吸盘工具10。其中，外夹爪工具6是单功能工具，在活塞零件上料时实现夹持功能。激光头及吸盘工具7是双功能复合工具，其包括激光头和吸盘工具，激光头可模拟激光切割头实现切割工艺，吸盘工具可用来将切割后的活塞废料取出。内夹爪工具8是单功能工具，用于稳定抓取活塞零件实现去毛刺、打磨、抛光加工。夹爪及吸盘工具9是四功能复合工具，其包括夹爪端和吸盘工具，夹爪端采用特殊设计，内侧可夹持活塞销，外侧可夹持活塞杆，同时在内外侧完全闭合时可利用前端将活塞销顶入到位，吸盘工具则用于在曲轴销装配时吸住活塞零件端面并固定位置。搬运吸盘工具10是单功能工具，用于稳定吸取活塞缸。上述五件快换操作工具均通过工具支架11安装在工作台面上，分别用于完成模拟活塞的供料及切割工艺，活塞的加工面去毛刺、打磨及抛光工艺工艺，以及由活塞及连杆总成、缸体曲轴总成组成的活塞机构的装配工艺的操作，工业机器人控制器可根据模拟的工艺控制工业机器人本体2来切换不同的快换操作工具。
在实施例一中，机器人本体行走单元包括伺服电机、行星齿轮减速器、直线导轨12、滚珠丝杠和工业机器人本体安装平台13。工业机器人本体安装平台13滑动设置在直线导轨12中，工业机器人本体2固定安装在工业机器人本体安装平台13上，可由伺服电机驱动沿直线导轨12直线移动。上述的滚珠丝杠可以替换为曲柄滑块机构、凸轮机构、直线滑轨机构、齿轮齿条机构、滑动气缸中的一种，只要能够实现工业机器人本体2沿直线导轨12线性运动即可。
在实施例一中，活塞供料及粗加工单元包括活塞供料机14、激光切割平台15和切割废料平台16。活塞供料机14可源源不断的自动将活塞加工原料输送至指定位置。激光切割平台15底部设置有吸盘，可稳定固定活塞加工原料以进行激光切割加工。切割废料平台16用于放置回收切割废料。
在实施例一中，活塞精加工单元包括活塞支架20、去毛刺机17、打磨机18和抛光机19，活塞支架20可临时放置活塞零件。去毛刺机17、打磨机18、抛光机19分别实现加工面边缘去毛刺工艺、加工面打磨工艺、零件整体抛光工艺。
活塞视觉检测单元包括工业级智能视觉系统21、分度盘转台22、活塞废料平台23、标签供料机24和条码扫描机25。工业级智能视觉系统21包括视觉检测控制器，视觉检测控制器可与工业机器人控制器交互信号，可检测活塞的轮廓、尺寸等数据结果并将视觉检测结果发送给工业机器人控制器，工业机器人控制器接收并发送视觉检测结果给显示单元的视觉检测结果显示器31进行显示，以供操作人员一目了然的查看，方便快捷。分度盘转台22与plc控制器连接，plc控制器控制分度盘转台22旋转至四个工作位置，分别完成活塞固定、活塞视觉检测、活塞标签粘贴和标签条码扫描。活塞废料平台23用于放置不合格的活塞。标签供料机24可源源不断的自动将标签输送至指定位置。条码扫描机25可读取标签信息并传输至plc控制器。
在实施例一中，活塞机构装配单元包括缸体及连杆物料台26、活塞机构安装夹具27、活塞销供料机28、曲轴销装配机29、活塞及连杆总成支架30。缸体及连杆物料台26设置有多个零件槽，分别用来放置缸体曲轴总成零件、活塞连杆零件和装配完成的活塞机构。物料台上设置有活塞套筒，可临时放置活塞零件。每个零件槽内均装配有传感装置，可有效感知零件槽中是否有零件，避免零件槽中无零件而无法实现活塞机构的装配。活塞机构安装夹具27上设置有一个两爪夹和一个三爪夹，可在装配时分别固定活塞和活塞连杆。活塞及连杆总成支架30可临时放置活塞及连杆总成。活塞销供料机28可源源不断的自动将活塞销输送至指定位置。工业机器人控制器控制工业机器人本体2连接快换操作工具将活塞销顶入同心对准的活塞销孔和连杆的活塞销孔内，以完成活塞及连杆总成的装配，工业机器人控制器控制工业机器人本体2连接快换操作工具将活塞及连杆总成的活塞插入缸体曲轴总成的缸套中。
曲轴销装配机28可自动将曲轴销装配至曲轴和活塞连杆间。曲轴销装配机28包括与plc控制器连接的曲轴位置传感器、曲轴旋转电机和曲轴销推送器。曲轴位置传感器可实时检测曲轴的旋转位置。plc控制器根据曲轴位置传感器的检测信号控制曲轴旋转电机驱动曲轴旋转至指定位置，以使曲轴和活塞连杆上的曲轴销孔同轴对齐，之后，plc控制器控制曲轴销推送器将曲轴销推送插入至曲轴销孔中，以完成活塞机构的装配。
在实施例一中，工业机器人教学系统还包括监视系统，监视系统包括监视摄像头和与监视摄像头电连接的监视器。监视器通过监视器支架安装在工作台面上。监视摄像头通过摄像头支架安装在工作台面上，可拍摄工作台及周边一定范围内的人员及设备操作情况，并实时传输到监视器进行显示。
本发明的工业机器人教学系统以工业工艺应用为背景，工业机器人为平台，融合了自动控制、加工工艺、视觉检测、标签识别、装配等综合技术，通过实际操作模拟涉及活塞机构的激光切割、去毛刺、打磨、抛光、装配、检测等工艺，完善基础技术操作能力和调试技能，使教学内容与就业内容接轨，满足学校对学生开展工业机器人教育的多层次个性化教学需求。整个工业机器人教学系统结构整体性和紧凑性高，能够模拟活塞机构的多工艺操作，实现工业机器人的自主作业，自动化装配精度高。
通过上述组件间控制信号的交互共可形成五个功能模块：活塞粗加工功能模块、活塞精加工功能模块、活塞视觉检测功能模块、活塞机构装配功能模块和操作监控模块。各模块工作方法如下：
1、活塞粗加工功能模块
a、工业机器人的粗加工指令可由离线编程软件编程生成程序文本并通过可插拔存储介质(u盘)导入到工业机器人控制器中存档；
b、工业机器人控制器根据离线编程导入的动作指令控制工业机器人本体2将外夹爪工具安装至机器人本体末端；
c、工业机器人控制器根据离线编程导入的动作指令控制工业机器人本体2带动外夹爪工具6在活塞供料机14指定位置夹取活塞棒料一枚，放置于激光切割平台15；
d、plc控制器控制活塞供料机14将一枚棒料补充至指定位置；
e、plc控制器控制激光切割平台15吸盘将活塞棒料底部吸住固定；
f、工业机器人控制器根据离线编程导入的动作指令控制工业机器人本体2将外夹爪工具6放回工具支架11上，换上激光头及吸盘工具7，激光头模拟活塞切割加工轨迹，模拟完成后，吸盘将切割废料吸取至切割废料平台16回收；
g、plc控制器控制激光切割平台15吸盘解除固定；
h、工业机器人本体2将激光头及吸盘工具7放回工具支架11。
2、活塞精加工功能模块
a、工业机器人的精加工指令可由离线编程软件编程生成程序文本并通过可插拔存储介质(u盘)导入到工业机器人控制器中存档；
b、工业机器人控制器根据离线编程导入的动作指令控制工业机器人本体2将内夹爪工具8安装至机器人本体末端；
c、工业机器人控制器根据离线编程导入的动作指令控制工业机器人本体2带动内夹爪工具8将激光切割平台15上模拟切割完成的活塞零件夹取至去毛刺机17进行去毛刺工艺模拟；
d、完成去毛刺工艺模拟后将活塞零件夹取至打磨机18进行打磨工艺模拟；
e、完成打磨工艺模拟后将活塞零件夹取至抛光机19进行抛光工艺模拟；
f、将精加工模拟后的活塞夹取至活塞支架20临时放置；
g、工业机器人本体2将内夹爪工具8放回工具支架11。
3、活塞视觉检测功能模块
a、工业机器人配合活塞视觉检测单元的动作指令可由工业机器人示教器输入到工业机器人控制器中存档；
b、工业机器人控制器控制工业机器人本体2将吸盘工具安装至机器人本体末端；
c、工业机器人控制器控制工业机器人本体2使用吸盘工具将活塞支架20上临时放置的活塞零件吸取至分度盘转台22的活塞固定位置进行固定；
d、plc控制器控制分度盘转台22旋转，将活塞旋转至活塞视觉检测位置；
e、视觉检测控制器将对活塞轮廓、尺寸等数据信息进行检测并传输至视觉检测结果显示器31；
f、视觉检测控制器将活塞特征信息(如轮廓、尺寸等)传输至工业机器人控制器，工业机器人控制器根据检测信号判断下一步动作；
g、若检测信号显示活塞零件不合格，则工业机器人控制器控制工业机器人本体2丢弃此零件至活塞废料平台23，重新执行功能模块1、2和3中的c-f步骤，直至零件合格；
h、若检测信号显示活塞零件合格，则工业机器人控制器传输信号至plc控制器，plc控制器控制分度盘转台22旋转至活塞标签粘贴位置；
i、工业机器人本体2将吸盘工具放回工具支架11，换激光头及吸盘工具7，吸盘工具在标签供料机24指定位置吸取标签并将标签粘贴在活塞零件上；
j、plc控制器控制分度盘转台22旋转至条码扫描机位置，旋转到位后plc控制条码扫描机25扫描标签信息传输至plc控制器的数据库保存；
k、工业机器人本体2将激光头及吸盘工具7放回工具支架11。
4、活塞机构装配功能模块
a、工业机器人装配活塞机构的动作指令可由工业机器人示教器输入到工业机器人控制器中存档；
b、工业机器人控制器控制工业机器人本体2将夹爪及吸盘工具9安装至机器人本体末端；
c、工业机器人控制器控制工业机器人本体2使用吸盘将分度盘转台22上的活塞移动至物料台上的活塞套筒固定；
d、工业机器人控制器控制工业机器人本体2使用夹爪将物料台上的活塞连杆移动至活塞机构安装夹具的三夹爪位置，到位后plc控制器控制三夹爪将活塞连杆夹紧；
e、工业机器人控制器控制工业机器人本体2使用吸盘将活塞套筒上的活塞移动至活塞机构安装夹具的两夹爪位置，活塞销孔与连杆的活塞销孔同心对准，到位后plc控制器控制两夹爪将活塞夹紧；
f、工业机器人控制器控制工业机器人本体2使用夹爪在活塞销供料机28指定位置取一枚活塞销，将活塞销顶入活塞销孔，装配完成活塞及连杆总成；
g、工业机器人控制器控制工业机器人本体2使用吸盘将活塞及连杆总成临时放置于活塞及连杆总成支架30；
h、工业机器人本体将夹爪及吸盘工具9放回工具支架11，将搬运吸盘工具10安装至机器人本体末端；
i、工业机器人控制器控制工业机器人本体2使用搬运吸盘将缸体曲轴总成零件吸取至曲轴销装配机29指定位置；
j、工业机器人本体2将搬运吸盘工具10放回工具支架11，将吸盘工具安装至机器人本体末端；
k、工业机器人本体2将活塞及连杆总成支架上的活塞及连杆总成吸取至缸体曲轴总成零件处，将活塞插入缸套中；
l、曲轴位置传感器实时将曲轴旋转位置传输至plc控制器，plc控制器控制曲轴旋转电机带动曲轴旋转至指定位置，使曲轴和活塞连杆上的曲轴销孔同轴对齐，进而plc控制器控制曲轴销推送器将一枚曲轴销推送插入至曲轴销孔中，完成活塞机构的装配；
m、工业机器人本体2将吸盘工具放回工具支架11，将搬运吸盘工具10安装至机器人本体末端；
n、工业机器人本体2将装配完成的活塞机构吸取至物料台存储；
o、工业机器人本体2将搬运吸盘工具10放回工具支架11，工业机器人复位。
5、操作监控模块
监视摄像头拍摄工作台1及周边一定范围内的人员及设备操作情况，实时传递到监视器进行显示，供教学人员查看。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明保护范围之内。