面向大型复杂作业场景的工业机器人离线编程系统虚拟仿真实验

面向大型复杂作业场景的工业机器人离线编程系统虚拟仿真实验

实验要求

      本实验课程与国家和社会对于新工科背景下机器人工程专业的人才培养建设相对应,通过本次实验课程,学生应身临其境地感受机器人技术在国家智能制造行业中所起到的核心作用,触发对大国工匠精神的理解,将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地理解。同时学生应培养参与实验教学的积极性和主动性,提升学生工程实践能力和增强创新创造精神。在专业知识方面,要求学生对于工业机器人离线编程中单元建模、喷涂轨迹规划、后置处理等操作及知识点能够熟练掌握,并把所学理论知识与实践相结合。

教学成果

戴先中:2007年授予“国家教学名师”、2009年授予“全国模范教师”、2012年“国家高层次人才特殊支持计划”教学名师等荣誉称号。现为东南大学“控制科学与工程”一级学科学科带头人、“复杂工程系统测量与控制”教育部重点实验室主任。

张亚:主持国家自然科学基金项目3项和省部级项目2项,参与完成国家军口863计划项目和国家自然科学基金重点项目。先后入选江苏省“六大人才高峰”高层次人才选拔培养资助项目和东南大学优秀青年教师科研资助计划。

周波:主持或参与国家自然科学基金4项,工信部重大科技专项1项,863项目2项,江苏省科技成果转化项目5项,其它省部级项目多项。工作成果在国内外期刊和会议上发表SCI或EI收录论文60多篇,授权国家发明专利15篇。

马旭东:东南大学机器人工程专业负责人。现为国家级精品资源共享课《微机系统与接口(理论与实践)》负责人,并承担《微机系统与接口(含实验)》、《实时系统与控制(研讨课)》、《机器智能与机器人》(新生研讨课)、《智能机器人系统综合设计I和II》等本科课程教学,主编及参编《自动化学科概论》、《微型计算机原理及应用》等教程6本。先后承担或参加完成各类科研项目60余项,获国家级技术发明二等奖、国家级教学成果二等奖、中国自动化学会高等教育教学成果特等奖等科技与教学成果奖10余项次。

甘亚辉:获得江苏省科学技术一等奖、CAA高等教育教学成果特等奖、南京市科技新锐力量等奖项和荣誉。目前主持国家自然科学基金项目1项、江苏省自然科学基金项目1项、企业委托项目多项,参与多项国家自然科学基金项目、国家重点研发计划和江苏省科技成果转化项目。

房芳:主持参加国家自然科学基金6项、国家高技术研究发展计划(863计划)2项、国家重大科技专项一项,江苏省成果转化项目5项,多项企业委托项目等。

谈英姿:研究方向为智能系统建模与控制和智能移动机器人, 重点关注机器人的机动性、感知能力、定位建图能力、操作界面、远程操控性以及自主导航等, 长期指导并带领东南大学RoboCup机器人研究团队参加国内外RoboCup机器人比赛,并在国际国内比赛中多次获奖。

钱堃:主持了国家自然科学基金项目2项、省自然科学基金1项,参与了一批国家级、省部级科研项目。自2008年以来在国内外学术刊物和会议上发表论文60余篇,其中SCI检索19篇、EI检索28篇,获得国家发明专利授权8项,申请国家发明专利8项,获得软件著作权6项。 近年来主持校级、院级教改项目3项,发表教学论文2篇。

实验背景

工业机器人的普及和应用程度是衡量一个国家制造业水平的重要标志。“十三五”以来,随着我国制造业产业升级步伐的加快,各行业对以工业机器人为核心的智能制造装备的需求逐年递增,机器人及智能制造业已成为国民经济的支柱性产业。中国制造2025计划中即将机器人技术列为需要优先突破的重点领域之一。与之对应,国家及社会也对新工科背景下机器人工程专业的人才培养工作提出了较高的要求。   东南大学是国内最早开展机器人研究的科研单位之一,在工业机器人及智能制造领域承担了多项国家及省部级重大项目,取得了大量的工程实践成果。以此为基础,东南大学自动化学院于2016年向教育部申请并获批成立了国内首个机器人工程本科专业,从而引领了国内机器人工程专业建设的潮流。然而,如何将前沿科研成果反哺实验实践教学,让学生身临其境地感受机器人技术在国家智能制造行业中所起到的核心作用,触发学生对大国工匠精神的理解,将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给学生,真正将立德树人融入教学全过程、各环节,仍是国内机器人工程专业教学面临的重要挑战。

设计原则

本项目拟建设开发的大型船舶外立面复杂喷涂作业机器人离线编程虚拟仿真实验平台紧密体现了“能实不虚”的建设原则,主要体现在:工业机器人复杂生产线占地面积大、物理实验或实训成本高昂、整机实验周期极长,且高空喷涂作业等复杂工艺本身具有重污染、高危险、易危害人身安全等不利因素存在,导致学生很难在实验室中完成相应的综合性实体实验,必须依托虚拟仿真技术开展。此外,基于仿真的离线编程技术本身也代表着当前工业机器人以高智能性、高自主性为特点的最新发展趋势。   因此,开展面向大型复杂作业场景的工业机器人离线编程虚拟仿真实验教学,可调动学生参与实验教学的积极性和主动性,提升学生工程实践能力和增强创新创造精神,是提高相关课程教学水平的必然举措,也是当前新工科背景下新兴机器人工程专业人才培养的重要过程教学手段。

实验目标

1)理解工业机器人的主要性能指标定义和物理意义,掌握根据项目需求实现工业机器人选型的分析方法;

2掌握机器人常用坐标系设置方法,掌握通过机器人构型确定机器人DH机构参数的方法,实现机器人的正逆解求解;

                                    

3)理解机器人工具手TCP的基本概念和基本设置原理,掌握利用六点法进行机器人末端执行器标定的数学原理和具体步骤;

4)理解机器人喷涂过程中涂层累积速率的基本概念和测量方法掌握涂层累积静态物理模型的构建以及动态、多行程模型的优化推导过程;

                    

5)掌握面向特定喷涂工艺需求的最优喷涂工艺参数优化求解方法,掌握基于工件CAD模型的大型复杂表面分割处理和喷涂轨迹自动生成方法;

                                    

6掌握机器人编程语言的基本概念语法规范,掌握利用后置处理生成可供机器人执行的作业程序的一般方法

7)掌握喷涂机器人作业质量的量化评价指标,掌握利用指标进行喷涂质量分析和优化调整的基本原理和方法。

        

成绩评定

本实验针对面向大型船舶的离线编程操作进行考核,系统可分为:1.单元建模(25分)其中:1)了解喷涂场景:学生应在实验开始前点击各个设备进行了解(5分)2)学习工业机器人六项性能指标(5分)3)通过对机器人构型的分析,结合各关节坐标轴,构建D-H参数表(15分)2.喷涂轨迹规划(25分)1)通过给出的实际喷涂数据,拟合图层累计速率的静态模型和单行程模型(10分)2)通过bounding-box方法生成喷涂路径,可以通过调整包围盒来调整路径(8分)3)完成喷涂参数优化(7分)3.后置处理(25分)1)根据路径生成实际机器人语言(5分)2)操作离线编程场景实施喷涂方案,进行实施演示(10分)3)根据喷涂效果参数调整喷涂路径,进行方案优化(10分)4.喷涂效果评价(25分)考察范围包括喷涂的均匀性、平均厚度、覆盖率