1、工业机器人工作站安装与调试（ABB）机器人技术是综合了计算器、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。它一般由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种综合了人和机器特长、能在三维空间完成各种作业的机电一体化装置。它既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,可以用来完成人类无法完成的任务,其应用领域日益广泛。1939年,美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。1942年,美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。1954年,美国电子学家德沃尔研制出一种类似人手臂的可编
2、程机械手。1958年,美国物理学家英格伯格与德沃尔联手,于1958年研制出世界上第一台真正实用的工业机器人,成立了世界上第一家机器人制造工厂“尤尼梅逊”公司,英格尔伯格因此被称为工业机器人之父。1962年,美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),成为真正商业化的机器人。1965年,约翰霍普金斯大学研制出“有感觉”的机器人Beast。1968年,美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey,这是世界上第一台智能机器人。1969年,日本早稻田大学研发出第一台以双脚走路的机器人。1997年,IBM公司开发出来的Deep Blue(深蓝)战胜棋王卡斯帕罗夫,这是机器人发展的
3、里程碑。1980年,日本迅速普及工业机器人,这一年被称为“机器人元年”。20世纪末,掀起了特种机器人的研究热潮。1997年,机器人足球世界杯赛横空出世。1997年7月,自主式机器人车辆Sojourner(索杰纳)登上火星的自主式机器人车辆。为了避免危险恶劣的工作环境导致的工伤事故和职业病,保护工人的身心安全,对一些特殊工种、工作量大、环境恶劣、危险性高、人类无法涉足的工作领域都可由工业机器人代替。在制造业中,工业机器人得到了广泛的应用,如图0-1和图0-2所示。图0-1工业机器人图0-2装配机器人例如,在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库
4、堆垛等作业中,机器人都已逐步取代了人工作业。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高,机器人的应用范围还在不断扩大,已从汽车制造业推广到其他制造业,进而推广到诸如矿山、建筑业以及电力系统等各种非制造行业。此外,在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域,机器人的应用也越来越多,如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。机器人作为现代制造业主要的自动化装备,已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业,进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业,如图0-3和图0-4所示。据2
5、016年统计,中国机器人保有量33.23万台,占全球1/4。国际上生产机器人的主要厂家有:日本的安川电机、OTC、川崎重工、松下、不二越、日立、法那科;欧洲的CLOOS(德国)、ABB(瑞典)、COMAU(意大利)、IGM(奥地利)、KUKA(德国)等。图0-3码垛机器人图0-4物流机器人全世界投入使用的机器人数量近年来快速增加,目前,日本实际装配的机器人总量占世界总量的50%。装配是日本机器人的最大应用领域,它拥有的机器人占总数的42%;焊接是应用的第二大领域,占机器人总数的19%;注塑是第三大应用领域,占机器人总数约12%,机械加工次之为8%。在汽车工业的应用中,机器人用于上料/卸料占很大
6、数量。对于点焊应用来说,目前已广泛采用电驱动的伺服焊枪,丰田公司已决定将这种技术作为标准来装备国内和海外的所有点焊机器人,可以提高焊接质量,在短距离内的运动时间也大为缩短。就控制网络而言,日本汽车工业中最普遍的总线是Device-Net,而丰田则采用其自行制订的ME-Net,日产采用JEMA-Net(日本电机工业会网)。在日本汽车工业中是否会实现通信系统的标准化,目前还不能确定。另一方面,日本机器人制造商提出了一种“现实机器人仿真”(RRS)兼容软件接口。因此,目前日本汽车制造商(尤其是对于点焊应用)通过诸如RoBCAD、I-Grip等商用仿真软件,可以做出各种机器人的动态仿真。美国科学家近日
7、研制一种球体机器人,其最大的特点是可以帮助宇航员做各种辅助工作。它身上安装的传感器可以探知航天飞行器内部的气体成分、温度变化和空气压力状况。即使在失重状态下,这种机器人在计算器的指挥下也能自如地行走和工作,而且能帮助宇航员与地面控制中心联络,把有关信息输入计算机系统。目前,我国已开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人,其中有130多台/套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线。沈阳新松机器人自动化股份有限公司为上海汇众汽车制造有限公司设计制造12台弧焊机器人组成的焊接生产线,用于为上海汽车工业公司配套生产桑塔纳轿车转向器和
8、减振器以及别克轿车减振器等部件。哈尔滨工业大学历经20余年的基础理论与应用研究,已开发管内补口喷涂作业机器人、激光内表面淬火机器人、管内X射线检测机器人。这几种机器人已分别应用于“陕-京”天然气管线工程X射线检测、上海浦东国际机场内防腐补口、大庆油田内防腐及抽油泵内表面处理等重要的管道工程。中国智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了显著的成果。其中6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,该机器人在1995年深海试验获得成功,使中国能够对大洋海底进行精确、高效、全覆盖的观察、测量、储存和进行实时传输,并能精确绘制深海矿区的二维、三维海底地形地貌图,推动了中国海洋科技的发展
9、。工业机器人是汽车生产中非常重要的设备,各个部件的生产都需要有工业机器人的参与。工业机器人在汽车生产线上的工作主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等。图0-5所示为工业机器人在汽车生产线上常见的四类工作。图0-5工业机器人在汽车制造业中的应用a)搬运机器人b)焊接机器人c)装配机器人d)喷涂机器人下面举几个例子,在车身生产中,有大量压铸、焊接、检测等应用,这些目前均由工业机器人参与完成,特别是焊接生产线,一条焊接生产线就有大量的工业机器人;在汽车内饰生产中,汽车内饰相当多,最主要的则是仪表盘,而仪表盘的制作,则需要表皮弱化机器人,发泡机器人,最后的产品切割机器人;
10、汽车车身的喷涂,这一块由于工作量大,危险性高,逐渐也都由工业机器人代替。1.焊接机器人在汽车底盘焊接中的应用图0-6焊接机器人在汽车生产线上焊接机器人最适于多品种、高质量生产方式,目前已广泛应用于汽车制造业,汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接件均使用了机器人焊接,尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用,如图0-6所示。国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等车型的后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件大都是以MIG焊接工艺为主的受力安全零件,主要构件采用冲压焊接,板厚平均为1.54mm,焊接主要以搭接、角接接头形式为主,焊接质量要求相当高,其质量的好坏直接影响轿
11、车的安全性能。应用机器人焊接后,大大提高了焊接件的外观和内在质量,并保证了质量的稳定性,降低了劳动强度、改善了劳动环境。按照焊接机器人系统在汽车底盘零部件焊接的夹具布局的不同特点,以及外部轴等外围设施的不同配置,焊接机器人系统可分为以下几种形式:滑轨+焊接机器人的工作站;单(双)夹具固定式+焊接机器人工作站;带变位机回转工作台+焊接机器人工作站;搬运机器人+焊接机器人工作站;协调运动式外轴+焊接机器人工作站;机器人焊接自动线;焊接机器人柔性系统。德国库卡公司(KUKA)自进入中国市场以来,不断以其革新的机器人技术推动着中国汽车制造业的自动化发展,已成为该行业领先的工业机器人提供商。目前,库卡工
12、业机器人在国内各行业的使用数量已经有数千台,其中2000台左右应用于汽车以及汽车零部件制造行业,如图0-7所示。2.KUKA机器人在宝马汽车制造中的应用图0-7KUKA机器人在汽车生产线上现代汽车制造业不断向“准时化”和“精益生产”的方向发展,这对设备的快速响应、柔性化、集成化和多任务处理的能力提出了更高要求。为迎合这种需求,库卡公司另辟蹊径,突破传统的机器人协同工作组概念,以单个机器人作为独立的控制对象,如图0-8所示,把计算机网络控制的概念引入到机器人协同工作组控制中,对机器人协同工作组的功能和工作模式进行了历史性的革新,使得15台机器人同步工作成为可能,完全颠覆了传统汽车制造中以工位为目
13、标单位的工艺格局,汽车的柔性化生产提高到了一个空前的高度。图0-8KUKA装配机器人在汽车生产线上宝马公司为其在德国雷根斯堡的工厂寻找一种自动化解决方案,用以传送宝马1系列和3系列车型的整个前后轴以及车门。宝马公司选择了三台库卡机器人,包括一台KR500和两台KR360来传送前后轴。KR500从装配系统中取出已装配好的前轴并将其置于装配总成支架上,在那里前轴将被装配到传动杆上。KR500的多用夹持器适用于1、3系列所有车型专有的轴。此外,整个夹持器还满足了宝马公司的要求,即能够在传送过程中使轴的活动部分保持在规定的位置。由此,机器人可将所有需要装配的部件在装配总成支架上准确定位。两台重载型机器
14、人KR360传送后轴。第一台KR360从装配系统中取出轴并将其置于多用工件托架的存储器内,第二台KR360从存储器中取出轴并将其置于装配总成支架上。如同前轴的情况,放置后轴时所需达到的精确位置可通过一个感知器测量系统得到。为使KR360能够在最佳的位置上完成所需的工作,它被安装在一个1.5m高的底座之上,如图0-9所示。由于机器人控制系统将夹持器作为第七条轴来移动,因此KR360就有能力将客车车轴举到轮毂处而不受轮距的限制。图0-9KUKA装配机器人装配车门在传送车门方面,四台装配有400mm延长臂的KR150,每两台作为一组,可以替代数目相同的提升站以及所属用以交接的机械装置。在两个机器人小
15、组内部,一台机器人负责前门,另一台负责后门。当一辆带着空运输吊架的电动钢索吊车停在工位内时,机器人的工作就可以开始了。有关的KR150将其夹持器摆动着伸入货物承装工具内部,将其从电动钢索吊车上取下并置于下一层,以做好装料准备。此时,两个在此工作的工作人员为吊架的两侧都装上相应车身的车门。之后,机器人将货物承装工具移回上一层并将其重新放回电动钢索吊车。机器人重复精度高,因此可以避免对车门及电动钢索吊产生损伤。由于对机器人可进行自由编程,因此整个设备也具有很高的灵活性。除此之外,库卡公司还可以满足宝马公司对夹持器的要求设计简单且安全可靠。1.码垛机器人国内的物流行业已经进入了准高速增长阶段。传统的
16、自动化生产设备已经不能满足企业日益增长的生产需求。以码垛设备为例,机械式码垛机具有占地面积大、程序更改复杂、耗电量大等缺点;采用人工搬运,劳动量大,工时多,无法保证码垛质量,影响产品顺利进入货仓,可能有50%的产品由于码垛尺寸误差过大而无法进行正常存储,还需要重新整理。目前,欧、美、日的码垛机器人在码垛市场的占有率超过了90%,绝大数码垛作业由码垛机器人完成。码垛机器人能适应于纸箱、袋装、罐装、箱体、瓶装等各种形状的包装成品码垛作业,如图0-10所示。码垛机器人通过检测吸盘和平衡气缸内气体压力,能自动识别机械手臂上有无载荷,并经气动逻辑控制回路自动调整平衡气缸内的气压,达到自动平衡的目的。工作
17、时,重物犹如悬浮在空中,可避免产品对接时的碰撞。在机械手臂的工作范围内,操作人员可将其前、后、左、右、上、下轻松移动到任何位置,人员本身可轻松操作。同时,气动回路还有防止误操作掉物和失压保护等连锁保护功能。码垛机器人能将不同外形尺寸的包装货物,整齐、自动地码(或拆)在托盘上(或生产线上等)。为充分利用托盘的面积和码堆物料的稳定性,机器人具有物料码垛顺序、排列设定器,可满足从低速到高速,从包装袋到纸箱,从码垛一种产品到码垛多种不同产品,应用于产品搬运、码垛等。图0-11所示为大型码垛机器人在作业。图0-10码垛机器人在包装生产线上图0-11大型码垛机器人2.自动导引车AGV(Automated
18、Guided Vehicle)是自动导引车的英文缩写,是指具有磁条、轨道或者激光等自动导引设备,沿规划好的路径行驶,以电池为动力,并且装备安全保护以及各种辅助机构(如移载、装配机构)的无人驾驶的自动化车辆,如图0-12所示。通常多台AGV与控制计算机(控制台)、导航设备、充电设备以及周边附属设备组成AGV系统,其主要工作原理表现为在控制计算机的监控及任务调度下,AGV可以准确地按照规定的路径行走,到达任务指定位置后,完成一系列的作业任务,控制计算机可根据AGV自身电量决定是否到充电区进行自动充电。根据导航方式的不同,目前AGV产品可分为磁导航AGV和激光导航AGV(又称为LGV)。在物流领域里
19、,根据工作方式的不同,AGV有叉车式运输型AGV、搬运型AGV、重载AGV、智能巡检AGV、特种AGV以及简易AGV(又称为AGC)等。当前的智能物流机器人(见图0-13)CPU性能越来越高,控制器内部根据控制功能的不同采取模块化设计;运动平衡控制的增强提高了机器人加速和加速的时间,加快了机器人的动作周期;碰撞检测功能的提高极大地保护了机器人本体和手爪;新开发的虚拟现实功能,作为软件集成在机器人系统控制柜中;通过机器人示教盘监控视觉功能的作业情况;舍去了传统视觉系统中的个人计算机等硬件,大大节省了成本支出。机器人已经在中国物流行业中被广泛地应用,节约了成本,提高了物流效率。图0-12自动导引车
20、图0-13智能物流机器人 工业机器人按照不同的分类标准可以分为不同的类别。1.按照机器人的运动形态分类按照机器人的运动形态的不同,可以分为直角坐标型工业机器人、圆柱坐标型工业机器人、球坐标型工业机器人、多关节型工业机器人、平面关节型工业机器人和并联型工业机器人,各类型实物图如图0-14所示。图0-14工业机器人类型a)直角坐标型b)圆柱坐标型c)球坐标型d)多关节型e)平面关节型f)并联型(1)直角坐标型工业机器人直角坐标型工业机器人结构示意图如图0-15所示,手部空间的位置变化是通过沿着三个相互垂直的轴线移动来实现的,常用于生产设备的上下料和高精度的装配和检测作业。一般直角坐标型工业机器人的
21、手臂可以垂直上下移动(Z轴方向),并可以沿着滑架和横梁上的导轨进行水平二维平面的移动(X、Y轴方向)。显然,直角坐标型工业机器人有三个移动关节,即三个自由度。直角坐标型工业机器人有如下优点:1)结构简单。2)编程容易,在X、Y、Z三个方向的运动都没有耦合,便于控制系统的设计。3)直线运动速度快,定位精度高,蔽障性能较好。同时,由于该类型机器人必须采用导轨,故有如下缺点和问题:1)动作范围小,灵活性较差。2)导轨结构较复杂,维护比较困难,导轨暴露面大,不如转动关节密封性好。3)结构尺寸较大,占地面积较大。4)移动部分惯量较大,增加了对驱动性能的要求。(2)圆柱坐标型工业机器人圆柱坐标型工业机器人
22、结构示意图如图0-16所示,有两个移动关节和一个转动关节,末端操作器的安装轴线的位姿由(Z,r,)坐标予以表示,其主体具有三个自由度:腰部转动、升降运动、手臂伸缩运动。图0-15直角坐标型结构示意图图0-16圆柱坐标型结构示意图圆柱坐标型工业机器人主要有如下优点:1)控制精度较高,控制较简单,结构紧凑。2)对比直角坐标形式,在垂直和经向的两个往复运动可以采用伸缩套简式结构,在腰部转动时可以把手臂缩回,从而减少转动惯量,改善了力学负载。3)空间尺寸较小,工作范围较大,末端操作器可获得较高的运动速度。它的缺点是:由于机身结构的原因,手臂不能到达底部,末端操作器离Z轴越远,减小了机器人的工作范围,其
23、切向线位移的分辨精度就越低。(3)球坐标型工业机器人球坐标型工业机器人结构示意图如图0-17所示,有两个转动关节和一个移动关节,末端操作器的安装轴线的位姿由(,?,r)坐标予以表示。机械手能够里外伸缩移动,在垂直平面内摆动已经绕底座在水平面内移动,因为这种机器人的工作空间形成球面的一部分。很多知名企业的球坐标型工业机器人,其手臂采用液压驱动的移动关节,绕垂直和水平轴线的转动也采用了液压伺服系统。球坐标型工业机器人的特点如下:1)占地面积小,结构紧凑,位置精度尚可。2)蔽障性能较差,存在平衡问题。(4)关节坐标型工业机器人关节坐标型工业机器人结构示意图如图0-18所示,其主要由底座、大臂和小臂组
24、成。大臂和小臂间的转动关节称为肘关节,大臂和底座间的转动关节称为肩关节。底座可以绕垂直轴线转动,称为腰关节。它是一种广泛应用的拟人化机器人。图0-17球坐标型结构示意图图0-18关节坐标型结构示意图关节坐标型工业机器人主要有以下优点:1)结构紧凑,占地面积小。2)灵活性好,手部到达位置好,具有较好的蔽障性能。3)没有移动关节,关节密封性能好,摩擦小,惯量小。4)关节驱动力小,能耗较低。关节坐标型工业机器人的缺点如下:1)运动过程中存在平衡问题,控制存在耦合。2)当大臂和小臂舒展开时,机器人结构刚度较好。(5)并联型工业机器人并联型机构是动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个
25、或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构。2.按照输入信息的方式分类按照输入信息的方式不同,可以分为操作机械手、固定程序工业机器人、可编程型工业机器人、程序控制型工业机器人、示教型工业机器人、智能型工业机器人。各类机器人的输入信息方式见表0-1。表0-1按照输入信息的方式分类表0-2按照驱动方式分类3.按照驱动方式分类按照驱动方式的不同,可以分为液压型工业机器人、电动型工业机器人、气压型工业机器人,其特点见表0-2。4.按照运动轨迹分类按照运动轨迹的不同,可以分为点位型工业机器人和连续轨迹型工业机器人。点位控制是控制机器人从一个位姿到另一个位姿,其路径不限;连续轨迹控制是控制机器人的机
26、械接口,按编程规定的位姿和速度,在指定的轨迹上运动。通常我们见到的工业机械手属于智能型、连续轨迹、多关节工业机器人,末端手爪多为气动或者电动。“人”的身体结构包括四肢骨骼和运动系统,以完成人体动作;大脑和神经系统来处理、发布信息;五官和皮肤来和环境交互。工业机器人也要接受这些考验,只有拥有了健全的身体,才能应付各种各样的工作。从工业机器人的总体结构上看,如图0-19所示,可以分为“三大部分六个系统”。三大部分、六大系统是一个统一的整体,如图0-20所示。图0-19工业机器人的总体结构图0-20“三大部分六大系统”的组成示意图三大部分是指用于实现各种动作的机械部分、用于感知内部和外部信息的传感部
27、分和用于控制机器人完成各种动作的控制部分。六大系统分别是驱动系统、机械结构系统(又称为执行系统)、机器人-环境交互系统、感受系统、人机交互系统和控制系统。(1)驱动系统驱动系统包括动力装置和传动机构,用以使执行机构产生相应的动作,有电机驱动、液压驱动、气动驱动以及其他驱动形式。根据需要,可采用这三种基本驱动类型的一种,或合成式驱动系统,目前较常用的是电机驱动。这三种基本驱动系统的主要特点见表0-3。表0-3工业机器人三种基本驱动系统的主要特点工业机器人驱动系统的选用,应根据工业机器人的性能要求、控制功能、运行的功耗、应用环境及作业要求、性能价格比以及其他因素综合加以考虑。在充分考虑各种驱动系统
28、特点的基础上,保证工业机器人性能规范、可行性和可靠性的前提下做出决定。一般情况下,各种机器人驱动系统的设计选用原则大致如下:1)控制方式。对物料搬运(包括上、下料)、冲压使用有限点位控制的程序控制机器人,低速、重负载时可选用液压驱动系统;中等负载时可选用电机驱动系统;轻负载时可选用电机驱动系统;轻负载、高速时可选用气动驱动系统,冲压机器人手爪多选用气动驱动系统。2)作业环境要求。从事喷涂作业的工业机器人,由于工作环境需要防爆,因此考虑到其防爆性能,多采用电液伺服驱动系统和具有本征防爆的交流电动伺服驱动系统。水下机器人、核工业专用机器人、空间机器人,以及在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质环境中工
29、作的移动机器人,一般采用交流伺服驱动。若要求在洁净环境中使用,则多采用直接驱动电动机驱动系统。3)操作运行速度。对于装配机器人,由于要求其有较高的点位重复精度和较高的运行速度,通常在运行速度相对较低(4.5m/s)的情况下,可采用AC、DC或步进电动机伺服驱动系统;在速度、精度要求均很高的条件下,多采用直接驱动电动机驱动系统。(2)机械结构系统机械结构系统(也称为机器人“本体”)由机身、手臂、手腕、末端执行器四大部分组成,如图0-21所示,有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有36个运动自由度。图0-21机器人机械结构组成1末端执行器(手部)2手腕3手臂4机身1)机身:起支撑作用,固定式机
30、器人的基座直接连接在地面基础上,移动式机器人的基座安装在移动机构上。图0-22臂部内部图2)手臂:连接机身和手腕,主要改变末端执行器的空间位置,如图0-22所示。在工作中直接承受腕、手和工件的静、动载荷,自身运动又较多,故受力复杂。手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求,由于手臂的刚度、强度直接影响机器人的整体运动刚度,同时又要灵活运动,故应尽可能选用高强度的轻质材料,减轻其重量。在臂体设计中,也应尽量设计成封闭形和局部带加强肋的结构,以增加刚度和强度。手臂结构可分为横梁式、立柱式、机座式和屈伸式四种,具体见表0-4。表0-4手臂的四种结构3)手腕:连接手臂和末端执行器,手腕确定末端执行器的作业姿
31、态,一般需要三个自由度,由三个回转关节组合而成,组合方式多样,手腕关节组合示意图如图0-23所示。图0-23手腕关节组合示意图为了使手部能处于空间任意方向,要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动。回转方向分为:“臂转”是绕小臂轴线方向的旋转;“手转”是使末端执行器绕自身的轴线旋转;“腕摆”是使手部相对臂部的摆动。腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上,运动传入腕部后再分别实现各个动作。4)末端执行器(手部):即机器人的作业工具,如抓取工件的各种抓手、取料器、专用工具的夹
32、持器等,还包括部分专用工具,如拧螺钉螺母机、喷枪、焊枪、切割头、测量头等。手部常采用法兰连接,如图0-24所示。工业机器人的手部就像人的手部一样,能够灵活地运动关节,能够取各种各样的物品,但是机械手的手部由于抓取的工业用品体型、材料、重量等不同,因此机械手手部应根据所抓物品单独量身定做。图0-24手部法兰工业机器人的手部(也称为抓手)是最重要的执行机构,从功能和形态上看,它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。常用的抓手按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类,图0-25所示为两种握持的应用。图0-25抓手应用a)码垛抓持料袋转手b)吸取玻璃抓手机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环
33、境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元,如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件储存装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。例如,柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成的,能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。它往往会有多台工业机器人和多台数控机床配合完成复杂的生产过程,柔性制造系统如图0-26所示。(3)机器人-环境交互系统图0-26工业机器人与机床的柔性制造系统(4)感受系统感受系统由内部传感器和外部传感器组成,其作用是获取机器人内部和外部环境信息,并把这些信息反馈给控制系统。内部
34、传感器用于检测各个关节的位置、速度等变量,为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量,如距离、接近程度和接触情况等,用于引导机器人,便于其识别物体并做出相应处理。外部传感器一方面使机器人更准确地获取周围环境情况,另一方面也能起到误差矫正的作用。图0-27所示为工业机器人的视觉定位系统,基本构成有机器人本体、交流伺服驱动装置、运动控制器、计算机和工业数字摄像头。图0-28所示为工业机器人的“五官”系统,包括触觉(力与力矩传感器)、视觉(视频)、听觉(语音)、工业用PDA(RFID读写器)等,向工业机器人发送信息,构成信息反馈控制系统。图0-27工业机器人
35、的视觉定位系统图0-28工业机器人的“五官”系统(5)人机交互系统人机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置,即指令给定装置和信息显示装置,就像人们打游戏需要游戏机操作手柄一样。一般为工业机器人的自带示教单元和上位机软件。(6)控制系统控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制。信号传输线路大多数都在机械手内部,内部结构如图0-29所示。图0-29工业机器人的内部结构控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号,支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征,则为开环控制系统;具备信息反馈特征,则为闭环控制系
36、统。根据控制原理可分为程序控制系统、自适应控制系统和人工智能控制系统,根据控制运动的形式可分为点位控制和连续轨迹控制。1)程序控制系统:给每个自由度施加一定规律的控制作用,机器人就可实现要求的空间轨迹。2)自适应控制系统:当外界条件变化时,为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质,其过程是基于对操作机的状态和伺服误差的观察,再调整非线性模型的参数,一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。3)人工智能控制系统:事先无法编制运动程序,而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息,实时确定控制作用。当外界条件变化时,为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行
37、改善控制品质,其过程是基于对操作机的状态和伺服误差的观察,再调整非线性模型的参数,一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。因此本系统也是一种自适应控制系统。应用这么广泛的设备,在选购时要特别关注哪些核心参数呢?1.自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪(末端执行器)的开合自由度。在工业机器人系统中,一个自由度就需要有一个电动机驱动。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态(简称位姿)需要6个自由度。但是,工业机器人的自由度是根据其用途而设计的,可能小于6个自由度,也可能大于6个自由度。图0-30所示为5自由度机器人,图0-31所示为6自由度机器人。
38、图0-305自由度机器人图0-316自由度机器人2.精度工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异,用反复多次测试的定位结果的代表点与指定位置之间的距离来表示。重复定位精度是指机器人重复定位手部于同一目标位置的能力,以实际位置值的分散程度来表示。实际应用中,常以重复测试结果的标准偏差值的3倍来表示,它用于衡量一系列误差值的密集度。图0-32所示为工业机器人定位精度和重复定位精度图例。图0-32工业机器人定位精度和重复定位精度图例a)重复定位精度的测定b)合理的定位精度,良好的重复定位精度c)良好的定位精度,较差的重复定位精度d)很差的定位精
39、度,良好的重复定位精度3.工作范围工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合,也叫作工作区域。因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的,为了真实地反映机器人的特征参数,一般工作范围是指不安装末端操作器的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的,机器人在执行某作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。图0-33所示是ABB IRB 120和IRB 1410工业机器人的工作范围示意图。图0-33ABB IRB 120和IRB 1410工作范围示意图最大工作速度,有的厂家指工业机器人自由度上最大的稳定速度,有的厂家指手臂末端的最大合成速度。工作速度越快,工作效率就越高
40、。但是,工作速度越快就要花费更多的时间去升速和降速。5.承载能力承载能力是指机器人在工作范围内的任何位置上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的重量,而且与机器人运行的速度、加速度的大小和方向有关。为了安全起见,承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。承载能力不仅指负载,而且包括了机器人末端操作器的质量。4.最大工作速度6.原点原点分为两种,即机械原点和工作原点。机械原点是指工业机器人各自由度共用的、机械坐标系中的基准点。工作原点是指工业机器人工作空间的基准点。任务一 认识YL-399工业机器人实训装备 亚龙YL-399工业机器人系统实训装备(见图1-1)是一套将工业机器人基本操作
41、融入工业应用情景的工业机器人实训设备,设备围绕工业机器人操作及应用的核心技能点,覆盖了基础训练、搬运应用、焊接应用、机床上下料应用、码垛应用、模拟涂胶、装配、变位机应用、自动生产线应用等项目。该装备采用落地式的安装形式,保证设备的稳定可靠,同时采用包含有机玻璃防护罩、安全门(安全锁)系统、安全光幕、语音报警器等多道硬件防护装置。图1-1YL-399工业机器人实训装备装备共有九个基础实训模块:基础学习和实训套件、搬运工作站、机床上下料工装套件、焊接工装套件、码垛工装套件、模拟涂胶工装套件、装配工装套件、伺服电机变位机、自动生产线工作站。各模块采用标准结构模块放置架,互换性强,可按照生产功能和学习
42、功能的原则确定选择不同的模块。系统的控制部分分为两种控制模式。演示模式时采用PLC、触摸屏对整个系统进行联机自动运行操作。实训模式时采用安全接插导线直接连接,不需要使用PLC对系统进行编程联机,可单独对机器人的工作进行自动运行控制。1.工业机器人承载台工业机器人承载台,如图1-2所示,分为三部分:操作对象承载台、工业机器人安装台及工作台接线盒与气动系统接线部分。操作对象承载台台面采用不锈钢面板,厚度为22mm,表面镀铬处理,网格间距30mm,M6螺纹安装孔,可快速牢靠安装多种工作对象。工业机器人安装台用于安装工业机器人本体。工作台接线盒与气动系统接线部分如图1-3所示,安装在工作台右侧。工作台
43、接线盒由上方两条15组对接型接线端子和下方两个16针航空插组成。不同工装套件中所含的传感器信号线直接接到工作台接线盒上方的对接型接线端子上,下方16针航空插与电气控制柜连接。气动系统部分由油水分离器(气源装置)和电磁阀门组件组成,用于不同工装套件气动执行元件的控制。图1-2工业机器人承载台图1-3工作台接线盒与气动系统接线部分2.有机玻璃防护门有机玻璃防护门(见图1-4)采用铝合金型材与有机玻璃搭建,玻璃门上采用多重安全保护系统,有安全门禁锁、AGV信号扬声器、安全光幕。3.工装夹具装配台及四门玻璃柜(见图1-5)工装夹具装配台尺寸为900mm500mm1300mm,共分为两层。下层采用角铁焊
44、接;上层桌面材质为绝缘橡胶,且装有台虎钳一台,桌面有单排工具摆放架,可供各种工具放置,用于练习拆装制作工装夹具使用。四门玻璃柜采用钣金结构,内有多层空间,用于存放实训套件。图1-4有机玻璃防护门图1-5装配台及四门玻璃柜4.基础学习和实训套件装备共配有九个基础实训模块:基础学习和实训套件、搬运工作站套件、机床上下料工装套件、焊接工装套件、码垛工装套件、模拟涂胶工装套件、装配工装套件、伺服电机变位机、自动生产线工作站,如图1-6图1-14所示。图1-6基础学习和实训套件图1-7搬运工作站套件图1-8机床上下料工装套件图1-9焊接工装套件图1-10码垛工装套件图1-11模拟涂胶工装套件图1-12装
45、配工装套件图1-13伺服电机变位机图1-14自动生产线工作站 本装备的电气系统主要由四大部分组成:电气控制柜、机器人控制柜、工作台信号接线盒和安全防护系统。1.电气控制柜如图1-15所示,电气控制柜由接地端子、电源单元(漏开,空开)、开关电源、伺服驱动器、变频器、PLC、继电器转接板、继电器等组成。所有的电气元件信号均连接到继电器转接板上,通过模式选择开关选择不同模式与机器人控制柜连接。图1-15电气控制柜面板及内部3.工作台信号接线盒工作台信号接线盒由两组15路对接型接线端子、两只17针航空插母头组成。接线盒主要作为工作台上不同的载体,即不同工装套件的各类传感器信号以及机器人夹具信号进行转接
46、,各种信号线可直接接到接线盒上方的两组15路对接型接线端子上,信号线通过下方的两只航空插直接接入电气控制柜中,以供系统对工作台信号与机器人集成信号进行控制。2.机器人控制柜机器人控制柜电气部分主要包含:机器人供电电源开关、机器人输入/输出信号、机器人外部急停信号。4.安全防护系统安全防护系统电气部分包含:门禁开关、吸力280kg的KOB电磁锁、门磁控感应开关、AGV信号扬声器、警示灯、安全光幕等。设备初始状态下电磁锁吸合,安全门关闭的同时,门磁开关处于闭合状态。当门禁开关按下时电磁锁失电打开,安全门可直接拉开,门开后门磁开关处于断开状态。安全光幕处于常闭状态,若触发安全光幕则设备进行安全保护,
47、机器人停止动作。AGV信号扬声器可对设备的操作进行语言提示,同时触发报警时,扬声器也进行语音播报。警示灯则直接反馈当前设备处于的状态。5.系统的控制模式系统的控制部分有演示模式和实训模式两种控制方式。演示模式时,通过PLC对机器人及其他执行机构进行逻辑控制。实训模式时采用安全接插导线将按钮、指示灯、工装套件的各类传感器信号及执行元器件信号直接连接到机器人IO板,由机器人控制,在该种模式下,不需要使用PLC对系统进行编程联机,可单独对机器人进行自动运行控制,如图1-16所示。图1-16实训模式任务二 认识ABB工业机器人 IRB 120是ABB机器人部2009年9月推出的最小机器人和速度最快的六
48、轴机器人,是由ABB(中国)机器人研发团队首次自主研发的一款新型机器人,IRB 120是ABB新型第四代机器人家族的最新成员。IRB 120具有敏捷、紧凑、轻量的特点,控制精度与路径精度俱佳,是物料搬运与装配应用的理想选择。IRB 120重25kg,荷重3kg(垂直腕为4kg),工作范围达580mm,手腕中心点工作范围示意图如图2-1所示,具体参数见表2-1。表2-1IRB 120的主要参数IRB 120的最大工作行程为411mm,底座下方拾取距离为112mm,广泛适用于电子、食品饮料、机械、太阳能、制药、医疗、研究等领域,也是教学领域中较常见的机型。为缩减机器人占用空间,IRB 120可以任
49、何角度安装在工作站内部、机械设备上方或生产线上其他机器人的近旁。机器人第1轴回转半径极小,更有助于缩短与其他设备的间距。图2-1IRB 120工作范围示意图 IRB 1410外型及其工作范围示意图如图2-2所示,它以性能卓越、经济效益显著,资金回收周期短等特点,在弧焊、物料搬运和过程应用领域得到广泛的应用。图2-2IRB 1410外型及其工作范围示意图IRB 1410机器人的特点如下:1)IRB 1410工作周期短、运行可靠,能助用户大幅提高生产效率。该款机器人在弧焊应用中历经考验,性能出众,附加值高,投资回报快。2)IRB 1410手腕荷重5kg;上臂提供独有18kg附加荷重,可搭载各种工艺
50、设备。控制水平和循径精度优越。3)IRB 1410的过程速度和定位均可调整,能达到最佳的制造精度,次品率极低,甚至达到零。4)IRB 1410以其坚固可靠的结构而著称，而由此带来的其他优势是噪声水平低、例行维护间隔时间长、使用寿命长。5)IRB 1410的工作范围大、到达距离长、结构紧凑、手腕极为纤细,即使在条件苛刻、限制颇多的场所,仍能实现高性能操作。6)专为弧焊而优化,IRB 1410采用优化设计,设有送丝机走线安装孔,为机械臂搭载工艺设备提供便利。标准IRC 5机器人控制器中内置各项人性化弧焊功能,可通过专利的编程操作手持终端FlexPendant(示教器)进行操控。IRB 1410机器
