工业机器人技术基础：工业机器人典型行业应用-广东技术师范大学

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工业机器人自动化生产线已经成为自动化装备的主流和未来的 发展方向。本节围绕工业机器人的应用及工作站的一般设计原则进 行阐述，以帮助建立机器人工作站设计的基本思路。 本 节 导 入 机器人可以在有毒、噪声、高温等危险或有害的环境中长期稳定地工作 用机器人高效地完成一些简单、重复性的工作，可提高生产效率和生产质量 如果经常对机械设备进行保养和维修，有可能使机械设备的寿命超过人类 若使用机器人能够带来更大的效益，则可优先选用机器人 要考虑机器人的实际工作能力，机器人只能在人的控制下完成一些特定的工作 在设计和应用工业机器人时，应全面和均衡考虑机器人的通用性、 环境的适应性、耐久性、可靠性和经济性等因素，具体遵循的准则如下。 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 末端执行器等辅助设备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，因此这里只阐述一般工作站的构成和设计原则。 机器人及其控制系统、辅助设备及其他周边设备 机器人 控制系统 示教器 传感器 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 工作站的设计是一项较为灵活多变、关联因素甚多的技术工作，若 将共同因素抽象出来，可得出一般的设计原则。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 1、作业顺序和工艺要求 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 的关键环节，它直接影响工作站的总体布局、机器人型号的选择、末端执 行器和变位机等的结构，以及其周边机器型号的选择等。 这十项设计原则体现了工作站用户多方面的需要，下面只对具有特 殊性的前四项原则展开讨论。 时间和精力占比 工件越复杂，作业难度越大， 投入精力的比例就越大； 分析得越透 彻，工作站的设计依据就越充分， 将来调试时间和修改变动量就可能越少。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 在成批生产中，对工件形状的一致 性应有严格的要求。在那些定位困难的 情况下，还需与用户商讨，适当改变工 件形状的可能性，使更改后的工件既能 满足产品要求，又为定位提供方便。 如果在前期工序中对工件尺寸控制 不准、精度偏低，就会造成工件在机器 人工作站中的定位困难，甚至造成引入 机器人工作站决策的彻底失败。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 设计时要以工件的受力和变形，产 品质量符合最终要求为原则确定其他因 素，必要时还应进行关键内容的试验， 通过试验数据确定关键参数。 如果工件质量过大，已经无法从现 行产品中选择标准机器人，那就要设计 并制造专用机器人。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 具体内容有年产量、工作制度、生 产方式、工作站占用空间、操作方式和 自动化程度等。要充分分析工厂的实际 情况，多次商讨对于作业的要求，最终 形成行之有效的系统方案。 对于焊接工作站，要注意焊渣飞溅 的防护。对于喷涂或粉尘较大的工作站， 要注意有毒物的防护。对于高温作业的 工作站，要注意温度对计算机控制系统、 导线、机械零部件和元器件的影响。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 2、工作站的功能要求和环境条件 机器人工作站的生产作业是由机器人连同它的末端执行器、夹具和变 位机以及其他周边设备等具体完成的，其中起主导作用的是机器人。因 此，这一设计原则在选择机器人时必须首先满足。满足作业的功能要求， 具体到选择机器人时，可从三方面加以保证： 有足够的持重能力 足够大的工作空间 有足够多的自由度 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 机器人手腕所能抓取的质量是机器人的一个重要性能指标，习惯上 称为机器人的可搬质量。 环境条件可由机器人产品样本的推荐使用领域加以确定。下面分别讨论。 一般说来，同一系列的机器人，其可搬质量越大，它的外形尺寸、手腕工 作空间、自身质量以及所消耗的功率也就越大。 在设计中，需要初步设计出机器人的末端执行器，比较精确地计算它的质 量，然后确定机器人的可搬质量。 在某些场合，末端执行器比较复杂，结构庞大，如一些装配工作站和搬运 工作站中的末端执行器。 质量参数是选择机器人最基本的参数，决不允许机器人超负荷运行。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 工作空间是机器人运动时手臂末端或手腕中心所能到达的所有 点的集合，也称为工作区域，它是机器人的另一个重要性能指标。 由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的 特征参数，故作业范围是指不安装末端执行器时的工作区域。 作业范围的大小不仅与机器人各连杆的尺寸有关，而且与机器人的总 体结构形式有关。 在设计中，首先根据质量大小和作业要求，初步设计或选用末端执行 器，然后通过作图找出作业范围，只有作业范围完全落在机器人的工 作空间之内，该机器人才能满足作业的范围要求。 工作空间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 因为手部不能到达的盲区而不能完成任务。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 机器人在持重和工作空间上满足对机器人工作站或生产线的功能 要求之后，还要分析它是否可以在作业范围内满足作业的姿态要求。 例如，为了焊接复杂工 件，一般需要 𝟔 个自由度。 如果焊体简单，又使用 变位机，在很多情况下 𝟓 个 自由关节的机器人即可满足 要求 。 自由度越多，机器人的机械结构与控制就越复杂。因此，在通常情况下， 如果少自由度能完成的作业就不要盲目选用更多自由度的机器人去完成。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 3、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 就是用户规定的年产量对机器人工作站工作效率的要求。 计划 年产量 计 算 分 析 具体 工件 各个处理 动作的时间 计 算 生产 节拍 生产 周期 确 定 根 据 机器人工作站完成一个工件规定的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。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 将生产周期与生产节拍进行比较， 这时，就需要重新研究这个工作站的总体构思。 如果这些措施仍不能满足生产周期小于生产节拍的要求，就要增 设相同的机器人工作站，以满足生产节拍。 增加辅助装置，最大限度地发挥机器人的效率，缩短总的生产周期； 增加机器人数量，使多台机器人同时工作，缩短零件的处理周期； 改革处理作业的工艺过程，修改工艺参数。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 4、安全规范及标准 在工作站的设计过程中，必须充分分析可能的危险情况，预测可能 的事故风险。根据国家标准《工业机器人安全规范》，在做安全防护设 计时，应遵循以下两条原则: 自动操作 期间安全 防护空间 内无人 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 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 为了保证上述原则的实施，在工作站设计时，通常应该做到： 设计足够大的安全防护空间，在该空间的周围设置可靠的安全围栏，在 机器人工作时，所有人员不能进入围栏；应设有安全连锁门，当该门开 启时，工作站中的所有设备不能启动工作。 工作站必须设置各种传感器，包括光屏、电磁场、压敏装置、超声和红 外装置及摄像装置等。当人员无故进入防护区时，利用这些传感器能立 即使工作站中的各种运动设备停止工作。 当人员必须在设备运动条件下进入防护区工作时，机器人及其周边设备 必须在降速条件下启动运转。工作者附近的地方应设急停开关，围栏外 应有监护人员，并随时可操纵急停开关。 用于有害介质或有害光环境下的工作站，应设置遮光板、罩或其他专用 安全防护装置。机器人的所有周边设备，必须分别符合各自的安全规范。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 工业机器人代替人工焊接，不仅可以减轻焊接工人的劳动强度， 同时，也能保证焊接质量、提高生产效率。在焊接生产过程中，采 用机器人焊接是自动化技术现代化的主要标志。 本 节 导 入 目前，焊接机器人作为一种广泛使用的自动化设备，具有通用性强、 工作稳点等优点，且操作简单、功能丰富，日益受到人们重视。归纳 起来，焊接机器人主要具有以下优点： 根据焊接工艺的不同，焊接机器人可以分为 、 、 等。 1、点焊及点焊机器人 指焊接时利用柱状电极，在两块搭接工件接触面之间形成焊点的焊 接方法。点焊可分为单点焊及多点焊。多点焊是用两对或两对以上电极， 同时或按自控程序焊接两个或两个以上焊点的点焊。 点焊时，先加压使工件紧密接触，随后接通电流，在电阻热的作用下 工件接触处熔化，冷却后形成焊点。点焊主要用于厚度 4mm 以下的 薄板构件冲压件焊接，特别适合汽车车身和车厢、飞机机身的焊接。 薄板冲压件搭接，如汽车驾驶室、车厢、收割机鱼鳞筛片等 薄板与型钢构槊和蒙皮结构，如拖车厢板、联合收割机漏斗等 筛网和空间构架及交叉钢筋等 点焊机器人（spot welding robot）用于点焊自动作业的工业机器人， 末端持握的作业工具是焊钳。一般来说，装配一台汽车车体大约需要几千 个焊点，其中半数以上的焊点由机器人操作完成。最初，点焊机器人只被 用于增强焊接作业，后来逐渐被用于定位焊接作业，如图 𝟖 − 𝟏 所示。 图8-1 点焊机器人 2、电弧焊及弧焊机器人 是以电弧作为热源，利用空气放电的物理现象，将电能转换为焊接 所需的热能和机械能，从而达到连接金属的目的。 它是应用最广泛、最重要的熔焊方法，适用于各种金属材料、各种 厚度、各种结构形状的焊接，占焊接生产总量的 以上。 埋弧焊 气体 保护焊 焊条 电弧焊 弧焊机器人是指用于 进行自动电弧焊的工业机 器人，其末端持握的工具 是焊枪。由于弧焊过程比 点焊过程要复杂一些，工 具中心点（TCP），也就 是焊丝端头的运动路径、 焊枪的姿态、焊接的参数 都要求精确掌控。所以弧 焊用机器人还必须具备一 些适应弧焊要求的功能。 图8-2 弧焊机器人 理论上讲，具有 5 轴的机器人可用于弧焊，但对于复杂焊缝，采用 5 轴机器人会存在一定困难，应尽量选择 6 自由度机器人。弧焊机器人 在通用机械、金属结构等行业得到广泛应用，图 𝟖 − 𝟐 所示为焊接机器 人用于汽车零部件的焊接作业。 3、激光焊接与激光焊接机器人 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接 方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年 代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，激光焊接过程属热传导型。 激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过 控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工 件熔化，形成特定的熔池。 微、小型零件的精密焊接中 激光焊接生产效率高和易实现自动化控制的特点使得激光焊接 非常适于大规模生产线和柔性制造。 激光焊接机器人是用于激光焊自动作业的工业机器人，通过高精 度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业，其末端持握的工具是激 光加工头。图 𝟖 − 𝟑 为激光焊接机器人。 图8-3 激光焊接机器人 机器人 激光光源 和冷水机 吸尘器 工作台 激光焊接机器人以半导体激光器作为焊接热源，广泛应用于手机、 笔记本电脑等电子设备摄像头零件焊接。激光焊接机器人具有以下特征： 具有非接触性，激光形成的点径最小可以到 0.1mm，送锡装置最小可达 0.2mm，可实现微间距封装（贴装）元件焊接； 由于是短时间局部加热，对基板与周边零件热影响小，焊点质量良好； 无烙铁头消耗，无需更换加热器，连续作业时，工作效率高； 无铅焊接时，不易发生焊点裂纹； 对焊料的表面温度采用非接触测定方式，不采用实际接触焊头温度测定方法； 具有良好的振动抑制和控制修正功能。 1、点焊机器人工作站系统 由本体控制部分及焊接控制部分组成。本体控制部分主要是实现示 教在线、焊点位置及精度控制，组成结构如图 𝟖 − 𝟒 所示。 焊钳是指将 电焊用的电 极、焊枪架 和加压装置 等紧凑汇总 的焊接装置 图8-4 点焊机器人工作站系统构成 焊接电流、通电时间和电极加压力是电焊的三大条件，而电焊控 制器是合理控制这三大条件的装置，是电焊作业系统中最重要的设备。 图 𝟖 − 𝟓 为电焊控制器。 图8-5 电焊控制器 （1）电源 （2）变压器 图8-6 供电系统 主要包括电源和机器人变压器，其作业是为点焊机器人系统提供 动力，如图 𝟖 − 𝟔 所示。 图8-7 供气系统 包括气源、水气单元焊钳进气管等其中，水气单元包括压力开关、 电缆、阀门管子、回路连接器和接触点等，提供水气回路。供气系统 如图 𝟖 − 𝟕 所示。 图8-8 供水系统 包括冷却水循环装置、焊钳冷水管、焊钳回水管等。由于电焊是 低压大电流焊接，在焊接过程中，导体会产生大量热量，所以焊钳、 焊钳变压器需要水冷。供水系统如图 𝟖 − 𝟖 所示。 2、点焊焊钳分类 （1）从阻焊变压器与焊钳的结构关系上可将焊钳分为分离式、内藏 式和一体式。 该焊钳的特点是阻焊变压器与钳体相分离，钳体安装在机器人手臂 上，而焊接变压器悬挂在机器人的上方，可在轨道上沿着机器人手腕移 动的方向移动，二者之间用二次电缆相连，其优点是运动速度高，价格 便宜。主要缺点是需要大容量的焊接变压器，能源利用率低。 分离式 内藏式 一体式 图8-9 分离式焊钳 （a）分离式焊钳示意图 （b）分离式焊钳实际应用 如图 𝟖 − 𝟗 所示分离式焊钳示意图及其实际应用，分离式焊钳可采 用普通的悬挂式焊钳及阻焊变压器。但二次电缆需要特殊制造，一般将 两条导线做在一起，中间用绝缘层分开，每条导线还要做成空心的，以 便通水冷却。此外，电缆还要有一定的柔性。 如图 𝟖 − 𝟏𝟎 所示，这种结构是将阻焊变压器安放到机器人手臂内， 使其尽可能地接近钳体，变压器的二次电缆可以在内部移动。 当采用这种形式的焊钳时，必须同机器人本体统一设计。优点是二次 电缆较短，变压器的容量可以减小，但是使机器人本体的设计变得复杂。 图8-10 内藏式焊钳 如图 𝟖 − 𝟏𝟏 所示，机器人常用的一体式焊钳就是将阻焊变压器和钳 体安装在一起，然后共同固定在机器人手臂末端的法兰盘上。 优点是省掉了粗大的二次电缆及悬挂变压器的工作架，直接将焊接 变压器的输出端连到焊钳的上下机臂上，另一个优点是节省能量。此外， 焊钳要求在设计时，尽量减小焊钳重心与机器人手臂轴心线间的距离。 图8-11 一体式焊钳 （2）点焊机器人焊钳从用途上可分为 𝐗 形和 𝐂 形两种，如图 𝟖 − 𝟏𝟐 所示。𝐗 形焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的 焊缝； 𝐂 形焊钳用于点焊垂直及近于垂直倾斜位置的焊缝。 （3）按焊钳的行程，焊钳可以分为 和 。 图8-12 X形与C形焊钳 （a）X 形焊钳 （b）C 形焊钳 （4）按加压的驱动方式，焊钳可以分为气动焊钳和电动焊钳，如图 𝟖 − 𝟏𝟑 所示。气动焊钳利用汽缸来加压，可具有 𝟐~𝟑 个行程，能够使电 极完成大开、小开和闭合 𝟑 个动作，电极压力一旦调顶不能随意变化目 前比较常用。 电动焊钳采用伺服电机驱动完成焊钳的张开和闭合，焊钳 张开度可任意选定并预置且电极间的压紧力可无级调节 。 图8-13 气动焊钳与电动伺服焊钳 （a）气动焊钳 （b）电动伺服焊钳 按焊钳变压器的种类 利用逆变技术将工频电 转化为1000Hz 的中频电 工频焊钳 中频焊钳 按焊钳的使用材质 铝合金焊臂 铸造焊臂 铬镐铜焊臂 按焊钳的加压力大小 电极加压力在450kg以上的焊钳 电极加压力在450kg以下的焊钳 轻型焊钳 重型焊钳 按电极臂的驱动形式 使用压缩空气驱动加压气缸活塞 利用伺服电机替代压缩空气作为动力源 气动 电机伺服驱动 3、周边设备 如图 𝟖 − 𝟏𝟒 所示，点焊机器人的周边设备包括电极修磨机、点 焊机压力测试仪和焊机专用电流表等。 （1）电极修磨机 （2）点焊机压力测试仪 （3） 焊机专用电流表 图8-14 周边设备 1、弧焊机器人工作站的组成 典型的弧焊机器人工作站主要包括：机器人系统、焊接电源系统、焊 枪防碰撞传感器、变位机、焊接工装系统、清枪器、控制系统、安全系统 和排烟除尘系统等。如图 𝟖 − 𝟏𝟓 所示所示为弧焊机器人工作站系统构成。 机器人 控制柜 机器人 示教盒 变位机 控制器 焊接电源 机器人本体 送丝机 变位机 焊 枪 图8-15 弧焊机器人工作站系统构成 2、焊接机器人的主要结构形式和性能 焊接机器人本体机械结构主要有两种形式： 近年来，点焊机器人大多选用平行四边形结构形式的机器人。 串联式关节结构的主要优点 是上、下臂活动范围大，机 器人工作空间几乎可达一个 球体。因此，这种机器人可 倒挂在机架上工作，节省占 地面积，方便地面物件流动 平行四边形机器人上臂通过 一根拉杆驱动。拉杆与下臂 组成一个平行四边形的两条 边。早期开发的平行四边形 难以倒挂工作。此结构轻型 和重型机器人都适用 3、焊枪的结构与分类 焊枪是指在弧焊过程中执行焊接操作的部件。焊枪结构如图 𝟖 − 𝟏𝟔 所示。 A-锥喷嘴 B-导电嘴 C-钢导丝簧 1-弯枪颈 2-O形圈8×1.5 3-微动开关 4-扳机 5-扳机簧 6-前枪壳 7-前胶套 8-电缆总成 9-后胶套 10-后枪壳 11-O形圈8×1.5 12-进气接头总成 13-二芯插头组件 图8-16 焊枪 （1）如图 𝟖 − 𝟏𝟔 所示，按冷却方式分为气冷式、水冷式两类。 图8-17 焊枪冷却方式 气冷式焊枪通常是重量轻，且 比水冷式焊枪较便宜，但是一般受 限使用于约 𝟏𝟐𝟓 安培以下的焊接 电流。所以一般情况下使用于焊接 薄板且使用率低之处，而它的操作 温度比在水冷式焊枪较高。 水冷式焊枪的冷却水系统由水 箱、水泵和冷却水管及水压开关组 成。水压开关的作用是保证当冷却 水未流经焊枪时，焊接系统不能起 动焊接，以保护焊枪，避免由于未 经冷却而烧坏。 （2）按与机器人连接的结构形式分为内置式、外置式焊枪。 图8-18 焊枪与机器人连接的结构形式 2、弧焊电源 弧焊电源是用来对焊接电弧提供电能的种专用设备。其负载是电弧， 它必须具有弧焊工艺所要求的电气性能，如合适的空载电压，一定形状 的外特征，良好的动态特性和灵活的调节特性等，如图 𝟖 − 𝟏𝟗 所示。 图8-19 弧焊电源 3、送丝机 弧焊送丝机是为焊枪自动输送焊丝的装置，一般安装在机器人第 𝟑 轴 上，由送丝电动机、加压控制柄、送丝滚轮、送丝导向管、加压滚轮等 组成图，如图 𝟖 − 𝟐𝟎 所示。 图8-20 送丝机 （a）送丝机实物 （b）送丝机内部结构 送丝电动机 加压控制柄 送丝导向管接头 送丝滚轮 加压滚轮 4、焊丝盘架 焊丝盘架可装在机器人第 𝟏 轴上也可放置在地面上。焊丝盘架用于固 定焊丝盘，如图 𝟖 − 𝟐𝟏 所示。 图8-21 焊丝盘架 焊丝盘架 对于有些焊接场合，由于工件空间几何形状过于复杂，使焊接机器 人末端工具无法到达指定的焊接位置或姿态。此时可以采