1、第八章 工业机器人的生产线及工作站 工业机器人作为先进制造技术和自动化装备的典型代表，不仅对于先进制造业的发展具有重要的作用，而且对于高科技产业和传统产业的发展具有显著的促进作用。 作为新兴的高新技术产业和智能化产业，工业机器人产业具有一般的高新技术产业所表现的特征：高投入、高风险、高回报、高技术、高难度、高潜能等。机器人作为实现FMS(Flexible Manufacturing System)、FA(Factory Automation)、CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)的支柱，以及在海洋、宇航空间、核能、军事、救灾、采掘、农业、
2、林业与公共福利事业等领域中，表现出越来越强的生命力， 目前，工业机器人在发达工业国家已成为企业必不可少的设备之一。 本章将着重介绍组成本章将着重介绍组成FMS、FA、CIMs的重要基础自的重要基础自动化加工单元动化加工单元-机器人工作站和机器人生产线的构成及设计机器人工作站和机器人生产线的构成及设计原则，机器人末端执行器原则，机器人末端执行器(工具）和变位机等扩大机器人应工具）和变位机等扩大机器人应用领域和范围的关键辅助设备与技木用领域和范围的关键辅助设备与技木1在生产线中引入机器人系统的方法 l）可行性分析 技术的可行性和先进性用户现场调查、相似作业实例调查 投资上的可能性和合理性 工程实施
3、中的可能性和可变更性 2）工作站和生产线的详细设计 规划及系统设计 布局设计 扩大机器人应用范围的辅助设备的选用和设计 控制系统设计 支持系统故障、停机对策 工程施工设计 编制采购资料 3）制造与试运行 制造与试运行是根据详细设计阶段确定的施工图纸、说明书，进行布置、工艺分析、制作、采购，然后进行安装、测试、调整，使之达到预期的技本要求，同时对管理人员、操作人员进行培训。 4）交付使用-运作率检查、改进、评估2 机器人工作站是指使用一台或多台机器人，配以相应的周边设备，用于完成某一特定工序作业的独立生产系统，也可称为机器人工作单元。它主要由机器人及其控制系统、辅助设备以及其它周边设备所构成。在
4、这种构成中，机器人及其控制系统应尽量选用标准装置，对于个别特殊的场合(如冶金行业的热钢坯的搬运机器人)需设计专用机器人。而末端执行器等辅助设备以及其他周边设备则随应用场合和工件特点的不同存在着较大差异，因此，这里只能阐述一般的工作站的构成和设计原则，并结合实例加以简要说明。工业机器人工作站的构成及设计原则工业机器人工作站的构成及设计原则3这个工作站的特点在于人工装卸工件的时间小于机器人焊接工作时间，可以这个工作站的特点在于人工装卸工件的时间小于机器人焊接工作时间，可以充分地利用机器人，生产效率高；操作者远离机器人工作空间，安全性好。充分地利用机器人，生产效率高；操作者远离机器人工作空间，安全性
5、好。采用转台交换工件，整个工作站占用面积相对较小，整体布局也利于工件的采用转台交换工件，整个工作站占用面积相对较小，整体布局也利于工件的物流。物流。1）机器人）机器人2）机器人末端执行器）机器人末端执行器3）夹具和变位器）夹具和变位器4）机器人座架）机器人座架5）配套及安全装置）配套及安全装置6）动力源）动力源7）工作对象的储运设备）工作对象的储运设备8）检查、监视和控制系统）检查、监视和控制系统4 机器人末端执行器(称工具)是机器人的主要辅助设备，也是工作站中重要的组成部分。同一台机器人，由于于安装了不同的末端执行器，会完成不同的作业，用于不同的牛产场合，多数情况下需专门设计，它与机器人的机
6、型、整体布局、工作顺序都有着直接关系。选用带有安全防碰撞装瓷的标准机器人用焊枪。5夹具和变位机是固定作业对象并改变其相对于机器人的位置和姿态的设备，它可在机器人规定的工作空间和相灵活度条件获得高质量的作业67 配套及安全装置是机器人及其辅助设备的外围设备及配件。它们各自相对独立，又比较分散，但每一部分都是不可缺少的。它包括配套配套设备、电气控制柜、设备、电气控制柜、操作箱、安全保护装操作箱、安全保护装置和走线槽管保护装置和走线槽管保护装置等内容置等内容。本例中的焊接电源、焊枪和送丝机构是一套独立的配套设备，安全栅以及操作区的对射型光电管等起安全保护作用， 另外还有一套焊枪嘴清理装置； 配套及安
7、全装置配套及安全装置8动力源：动力源：在机器人的周边设备中多采用气、液作为动力，因此常需配置气、液压站以及相应的管线、阀门等装置。对于电源有一些持殊需要的设备或仪表，也应配置专用的电源系统（可编程电源-delta、安捷伦、朝阳等）。工作对象的储运设备工作对象的储运设备 作业对象常需在工作站中暂存、供料、移动或翻转，所以工作站也常配置暂置台、供料器、移动小车或翻转台架等设备。检查、监视和控制系统检查、监视和控制系统 检查和监视系统对于某些工作站来说是非常必要的，持别是用于生产线的工作站。比如工作对象是否到位，有无质量事故，各种设备足否正常运转，都需要配置检查和监视系统。 一般说来机器人工作站多是
8、一个自动化程度相当高的工作单元，它多备有自己的控制系统。目前使用最多的是PLC系统，该系统既能管理本站有序的正常工作，又能和上级管理计算机相联，向它提供各种信息，比如产品计数等等。91）设计前必须充分分析作业对象，拟定最合理的作业工艺；2）必须满足作业的功能要求和环境条件；3）必须满足生产节拍要求；4）整体及各组成部分必须全部满足安全规范及标准；5）各设备及控制系统应具有故障显示及报警装置；6）便于维护修理；7）操作系统应简单明了，便于操作和人工干预；8）操作系统便于联网控制；9）工作站便于组线10）经济实惠，快速投产这10项设计原则共同体现着工作站用户的多方面的需要，简单地说就是干方百计地满
9、足用户的要求。机器人工作站的一般设计原则机器人工作站的一般设计原则10对作业对象(工件)及其技术要求进行认真细致的分析，是整个设计的关键环行，它直接影响工作站的总体布局、机器人型号的选定、末端执行器和变位机等的结构以及其他周边机器的型号等方面。在设计工作这一内容所投入的精力和时间约占总设计时间的15一50。工件越复杂，作业难度越大，投入精力的比例就越大；分析的越透彻，工作站的设计依据就越充分，将来工作站的性能就可能越好、调试时间和修改变动量就可能越少。一般来说，工件的分析包含以下几个方面：1）工件的形状2)工件的尺寸及精度3）工件的质量、材料、强度4）作业要求年产量、工作制度、占用空间、操作方
10、式、自动化程度作业顺序和工艺要求作业顺序和工艺要求11机器人的选择机器人的选择 在选择机器人时，为了满足功能要求，必须从持重、工作空持重、工作空间、自由度间、自由度等方面来分析，只有它们同时被满足或者增加辅助装置后即能满足功能要求的条件，所选用的机器人才是可用的。 机器人的选用也常受机器人市场供应因素的影响，所以，还需考虑市场价格，只有那些可用而且价格低廉、性能可靠，且有较好的售后服务，才是最应该优先选用的。 目前，机器人在许多生产领域里得到了广泛应用，如装配、焊接、喷涂和搬运码垛等。各种应用领域必然会有各自不同的环境条件，为此，机器入制造厂家根据不同的应用环境和作业特点，不断地研究、开发相生
11、产出了各种类型的机器人供用户选用。各生产厂家都对自己的产品给出了最台适的应用领域，他们不光考虑了功能要求，还考虑了其他应用中的问题，如强度刚度、轨迹精度、粉尘及温湿度等持珠要求。 在设计工作站选用机器人时，应有先参考生产厂家提供的产品说明*121314工作站对生产节拍的要求工作站对生产节拍的要求 生产节拍是指完成一个工件规定的处理作业内容所要求的时间，也就是用户规定的丰产量对机器人工作站工作效率的要求。生产周期是机器人工作站完成一个工件规定的处理作业内容所需要的时间，也就是工作站完成一个工件规定的处理作业内容所需要花费的时间。在总体设计阶段，首先要根据计划年产量计算出生产节拍，然后对具体工件进
12、行分析，计算各个处理动作的时间，确定出完成一个工件处理作业的生产周期。 生产周期生产节拍的处理方法： 1) 重新评估设计工作站 2）增加辅助装置 3）增加机器人数量 4）增加机器人工作站数量151617机器人持枪点焊作业时间18192021 根据“工业机器人安全规范”国家标准，在作安全防护设计时，应遵循以下两条原则： 1）自动操作期间安全防护空间内无人； 2）当安全防护空间内有人进行示教、程序验证等工作时，应消除危险或至少降低危险。安全规范和标准。安全规范和标准。 工作站必须设置各种传感器，包括光幕、电磁场、压敏装置、超声和红外装置以及摄像装置等，当人员无故进入防护区时，立即使工作站中的各种运
13、动设备停止工作。2223 机器人生产线机器人生产线24 机器人工作站机器人工作站 在机器人生产线中，机器人工作站是相对独立，又与外界有着密切联系的部分。在作业内容、周边装置、动力系统方面往往是独立的，但在控制系统、生产管理和物流等方面又与其他工作站以及上位管理计算机系统成为一体。25 非机器人工作站非机器人工作站 1）专用装置工作站2）人工处理工作站3）空站物流系统物流系统 物流系统是机器人生产线的一个重要的组成部分，它担负着各工作站之间工件的转运、定位、甚至夹紧，工件的出库入线或出线入库、各站的散件人线等工作。正是物流系统将各个独立的工作站单元连接起来，成为一条流动的生产线系统。生产线越大，
14、自动化程度越高，物流系统也越复杂。它常用的传送形式有：链式运输、带式运输、专用链式运输、带式运输、专用搬运机、无入小车搬运和同步移动机构搬运机、无入小车搬运和同步移动机构等，设计时应根据生产线的类型、工件的特点和总体设计思想等因素确定传送方式。2627夹具板(每站各块)放在由链驱动的支撑滚轮上、周而复始地按图示箭头方向循环，形成封闭的物流系统。各站均有随行夹具板的阻挡、定位机构、使各板能准确地停留在各站的固定位置。这种物流形式要求各块随行夹具板问的精度一致性较高。28动力系统动力系统 动力系统是机器人生产线必不可少的一个组成部分，它驱动各种装置相机构运动，实现预定的动作。动力系统可以分成3种类
15、型，即电动、液动相气动电动、液动相气动。在一条生产线中既可以单独使用、也可以混合使用。一般地说，各个工作站的动力系统是相对独立的，物流系统的动力也应该是相对独立的，这种配置方式便于各站的单独调试和维护。如果使用被动或气动，每个工作站应当单独设立液压站或气源系统，构成自身的动力体系。液动多用于工件较重或需大驱动力的场合；气动常用于中小型工件或需驱动力较小的场合；电动则用于要求连续运动、速度变化频繁、停留位置多且要求准确或行程较大，用液压缸或气缸较为困难的场合。29控制系统控制系统 控制系统是机器人生产线的神经中枢，它接收外部信息，经过处理后发出指令，指导各职能部门按照规定的要求协调作业，生产出合
16、格的产品。控制系统的规模应符合生产线自动化程度的要求。一般生产线的控制系统可以分为3层，即生产线一子生产线一工作站，并构成相互关联的信息网络。30辅助设备及安全装置辅助设备及安全装置 机器人生产线还有其他一些辅助的构成部分也是必不可少的，甚至是至关重要的。 有些作业内容需要成套的外购设备作为工作站中独立的一部分，一条线上会有若干个不同用途的这种设备。例如加工机床、焊机、喷徐装置、测量装置等，它们的合理选型及性能将直接影响机器人生产线的运行质量。 安全装置是机器人生产线中最为重要的组成部分，它直接关系到人身和设备的安全以及生产线的正常工作。虽然它在生产线中的排列比较分散，但应该作为一个整体加以对
17、待。对每个与运动关联的区域都应给予分析，确定是否加设安全装置。常见的区域有：操作人员有可能出入或工件进出口的区域，不允许机器人到达的区域，快速运动设备或机构的外围栅栏，操作者与作业区的分隔和有害物质的防护等。报警系统应监视上述区域和有关设备的正常运行。31机器人生产线的设计原则机器人生产线的设计原则 对于机器人生产线设计来说，除了满足机器人工作站的设计原则外，还应遵循以下10项原则：1）各工作站必须具有相同或相近的生产周期；2）工作站间应有缓冲存储区，3）物流系统必须顺畅，避免交叉或回流；4）生产线要具有混流生产的能力，5）生产线要留有再改造的余地；6）夹具体要有一致的精度要求；7）各工作站的
18、控制系统必须兼容8）生产线布局合理占地面积力求最小，9）安全监控系统合理可靠；10）对于最关键的工作站或生产设备应有必要的替代储备。32不满足时采取的措施：1）分散作业内容；2）重叠设置工作站3）拼合工序；33工作站间缓冲存储区(库)34物流系统物流系统 物流系统是机器人生产线的大动脉，它的传输性、合理性和可靠性是维持生产线畅通无阻的基本条件。3536生产线混线生产能力生产线混线生产能力 机器人生产线是一项投资大、使用周期长、效益长久的实际工程。决策时要根据自身的发展计划和产品的前景预测做认真的研究，要使投入的生产线最大限度地满足品种和产品改型的要求。这就必然提出一个问题，即生产线具有混流生产
19、的能力。所谓混流生户：就足在同一条生产线上，能够完成同类工件多型号多品种的生产作业，或只需做简单的设备备件变换和调整，就能迅速适应新型号工件的生产。这是机器人生产线设计的一项重要原则，也是难度较大和技术水平要求较高的一部分内容。它是衡量机器人生产线水平的一项重要指标，混流能力越强，则生产线的价值、使用效率及寿命就越高。 混流生产的基个要求是工件夹具共用或可交换、末端执行器通用或可更换、工件品种识别准确无误、机器人控制程序分门别类和物流系统满足最大工件传送等内容。373839生产线的再改造生产线的再改造 工厂生产的产品应当随着市场需求的变化而变化，高新技术的进步和市场竞争也会促使企业引入新技术、
20、改造旧工艺。而生产线又是投资相对较大的工程，因此要用发展的眼光对待生产线的总体设计和具体部件设计，为生产线留出再改造的余地。主要从以下几个方面加以考虑：预留工作站，整体更换某个部件，预测增设新装置和设备的空间；预留控制线点数和气路通道数；控制软件留出于程序接口等。 20%左右的富余量40机器人的末端执行器机器人的末端执行器 设计机器人末端执行器时，要注意以下几项基本要求。 1)末端执行器要根据机器人作业的要求来设计，尽量选用己定型的标准基础件，如气缸、油缸、传感器等，配以恰当的机构相联接件组合成适于生产作业要求的末端执行器。一种新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。 2)末端
21、执行器的质量要尽可能地轻、并力求结构紧凑。 3)正确对待末端执行器的万能性与专用性。万能的末端执行器在结构上相当复杂，几乎根本不可能实现。目前在实际应用中，仍是那些结构简单、万能性不强的末端执行器最为适用，因此要着重开发各种各样专用的、高效率的末端执行器，加上末端执行器的快速更换装置，从而实现机器人的多种作业功能。414243444546专用型末端执行器专用型末端执行器使用机器人作业，必须解决好下面几个问题：要将胶坝准确、牢固地贴在玻璃表面。随着机器人贴坝的运动，要同步地将不干胶保护纸剥离开收集起来。 在胶坝的头尾接合处准确地切断坝条 坝条的导向和流动要顺杨。 更换坝条盘要简便迅速。 这项设计
22、的难点在于保护纸的剥离速度与坝条流动速度必须严格匹配，否则会出现保护纸抽拉坝条，造成坝条的堆积。474849工夹具及变位机工夹具及变位机 1)变位机要能把工件变换到最佳位置，以保证机器人工具变位机要能把工件变换到最佳位置，以保证机器人工具(如焊枪等如焊枪等)处于最处于最合理的工作状态。合理的工作状态。 2)变位机要尽可能地满足所有作业位置的变换要求。对于确实难于实现的变位机要尽可能地满足所有作业位置的变换要求。对于确实难于实现的位置或加工死区，可由人工处理或在下一工作站中通过转变装夹设法解决。位置或加工死区，可由人工处理或在下一工作站中通过转变装夹设法解决。 3)变位机要具有较高的重复定位精度
23、，保证工件加工的一致性和稳定的加变位机要具有较高的重复定位精度，保证工件加工的一致性和稳定的加工质量。工质量。 4)变位机要尽可能地缩短机器人的等待时间，通过两工位或多工位的构造变位机要尽可能地缩短机器人的等待时间，通过两工位或多工位的构造形式将人工处理时间与机器人的工作时间重叠起来，缩短加工周期，提高形式将人工处理时间与机器人的工作时间重叠起来，缩短加工周期，提高生产率。生产率。 5)变位机要有足够的强度和刚度，足以抵抗正常外力，使综合变形量不影变位机要有足够的强度和刚度，足以抵抗正常外力，使综合变形量不影响机器人的正常作业和工件的焊接质量。响机器人的正常作业和工件的焊接质量。 6)变位机运
24、转时必须解决电气导线和气路软管的破坏性缠绕问题，设置必变位机运转时必须解决电气导线和气路软管的破坏性缠绕问题，设置必要的引线和进气装置，保护导线和管路不受损坏。要的引线和进气装置，保护导线和管路不受损坏。 7)变位机用于焊接作业时，焊接电源的负极要尽量靠近被焊工件，并要求变位机用于焊接作业时，焊接电源的负极要尽量靠近被焊工件，并要求电流不通过轴承等接触点较少或接触面积较小的机械零件，以保证起弧质量电流不通过轴承等接触点较少或接触面积较小的机械零件，以保证起弧质量好和不损坏机械运动器件。好和不损坏机械运动器件。 8)对于振动性较大的作业，变位机应与机器人本体通过底座等结构件连成对于振动性较大的作
25、业，变位机应与机器人本体通过底座等结构件连成一体，保证机器人与变位机的相对位置精度。一体，保证机器人与变位机的相对位置精度。5051525354搬运码垛工作站搬运码垛工作站 搬运码垛机器人工作站一般具有如下一些特点；应有物品的传送装置，其形式要根据物品的特点选用或设计；可使物品准确地定位，以便于机器人抓取；多数情况下设有码垛的托板，或机动或自动地交换托板；有些物品在传送过程中还要经整型装置整型，以此保证码垛质量；要根据被报物品设计专用末端执行器；应选用适合于码垛作业的机器人；有时还设置有空托板库。 在码垛作业中，最常见的作业对象是袋装物品和箱装物品，般来说箱装物品的外形整齐、变形小，其抓取的末
26、端执行器多用真空吸盘和爪手；而袋装物品外形柔软，极易发生变形，因此在定位和抓取之前，应经过23次的整形处理，末端执行器也要根据物品特点专门设计，多用叉板式和夹钳式结构。另外，磁吸式末端执行器也是常见的一种形式。55米袋搬运码垛米袋搬运码垛工件分析工件分析565758总体布局分析总体布局分析59机器人选型及机器人选型及作业空间分析作业空间分析60末端操作末端操作执行器设计执行器设计61辅助装置分析设计辅助装置分析设计62玻璃周边密封条装配工作站玻璃周边密封条装配工作站工作站的设计难点在于：1)密封条输送长度的准确控制相各剪口的准确位置；2)如何将柔软的密封条装在玻璃上，尤其是开始时，玻璃怎样入槽
27、；3)密封条与玻璃相对运动的形式。6364656667工作原理：工作原理： 4个真空吸盘用来抓取工件，密封条的夹紧爪则根据玻璃工件的大小，由步进电机调节其伸出位置。密封条由速度伺服电机驱动送进，这个电机作为机器人的外部轴，便于与机器人协调动作，避免由于速度不匹配而造成密封条的扯断与堆积。密封条从条盘中引出，通过测力轮、转向轮、导轮组、送进轮组、导槽、开口导槽送至滚轮处，伸出滚轮约35mm。在开口导槽内部楔形结构的作用下，当密封条通过开口导槽后，约有20mm的长度开口扩大，使得玻璃工件可从这个区域内插入密封条内，如图6-49a所示，然后玻璃逐渐滑入，直到上边的中央位置，此时，末端执行器上的夹紧爪在旋转气缸的作用下，将密封条压紧在玻璃上，防止装配时密封条的滑移错位，如图649b 装有测力传感器的测力轮与密封条接触，根据力的大小，调整密封条盘变速电机的速度，力图使密封条处于一个稳定的张力范围之内。6869
