工業(yè)機器人的生產(chǎn)線及工作站

1、第八章 工業(yè)機器人的生產(chǎn)線及工作站 工業(yè)機器人作為先進制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表，不僅對于先進制造業(yè)的發(fā)展具有重要的作用，而且對于高科技產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有顯著的促進作用。 作為新興的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和智能化產(chǎn)業(yè)，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)具有一般的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)所表現(xiàn)的特征：高投入、高風險、高回報、高技術(shù)、高難度、高潛能等。機器人作為實現(xiàn)FMS(Flexible Manufacturing System)、FA(Factory Automation)、CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)的支柱，以及在海洋、宇航空間、核能、軍事、救災、采掘、農(nóng)業(yè)、

2、林業(yè)與公共福利事業(yè)等領(lǐng)域中，表現(xiàn)出越來越強的生命力， 目前，工業(yè)機器人在發(fā)達工業(yè)國家已成為企業(yè)必不可少的設備之一。 本章將著重介紹組成本章將著重介紹組成FMS、FA、CIMs的重要基礎自的重要基礎自動化加工單元動化加工單元-機器人工作站和機器人生產(chǎn)線的構(gòu)成及設計機器人工作站和機器人生產(chǎn)線的構(gòu)成及設計原則，機器人末端執(zhí)行器原則，機器人末端執(zhí)行器(工具）和變位機等擴大機器人應工具）和變位機等擴大機器人應用領(lǐng)域和范圍的關(guān)鍵輔助設備與技木用領(lǐng)域和范圍的關(guān)鍵輔助設備與技木在生產(chǎn)線中引入機器人系統(tǒng)的方法 l）可行性分析 技術(shù)的可行性和先進性用戶現(xiàn)場調(diào)查、相似作業(yè)實例調(diào)查 投資上的可能性和合理性 工程實施中

3、的可能性和可變更性 2）工作站和生產(chǎn)線的詳細設計 規(guī)劃及系統(tǒng)設計 布局設計 擴大機器人應用范圍的輔助設備的選用和設計 控制系統(tǒng)設計 支持系統(tǒng)故障、停機對策 工程施工設計 編制采購資料 3）制造與試運行 制造與試運行是根據(jù)詳細設計階段確定的施工圖紙、說明書，進行布置、工藝分析、制作、采購，然后進行安裝、測試、調(diào)整，使之達到預期的技本要求，同時對管理人員、操作人員進行培訓。 4）交付使用-運作率檢查、改進、評估 機器人工作站是指使用一臺或多臺機器人，配以相應的周邊設備，用于完成某一特定工序作業(yè)的獨立生產(chǎn)系統(tǒng)，也可稱為機器人工作單元。它主要由機器人及其控制系統(tǒng)、輔助設備以及其它周邊設備所構(gòu)成。在這種

4、構(gòu)成中，機器人及其控制系統(tǒng)應盡量選用標準裝置，對于個別特殊的場合(如冶金行業(yè)的熱鋼坯的搬運機器人)需設計專用機器人。而末端執(zhí)行器等輔助設備以及其他周邊設備則隨應用場合和工件特點的不同存在著較大差異，因此，這里只能闡述一般的工作站的構(gòu)成和設計原則，并結(jié)合實例加以簡要說明。工業(yè)機器人工作站的構(gòu)成及設計原則工業(yè)機器人工作站的構(gòu)成及設計原則這個工作站的特點在于人工裝卸工件的時間小于機器人焊接工作時間，可以這個工作站的特點在于人工裝卸工件的時間小于機器人焊接工作時間，可以充分地利用機器人，生產(chǎn)效率高；操作者遠離機器人工作空間，安全性好。充分地利用機器人，生產(chǎn)效率高；操作者遠離機器人工作空間，安全性好。采

5、用轉(zhuǎn)臺交換工件，整個工作站占用面積相對較小，整體布局也利于工件的采用轉(zhuǎn)臺交換工件，整個工作站占用面積相對較小，整體布局也利于工件的物流。物流。1）機器人）機器人2）機器人末端執(zhí)行器）機器人末端執(zhí)行器3）夾具和變位器）夾具和變位器4）機器人座架）機器人座架5）配套及安全裝置）配套及安全裝置6）動力源）動力源7）工作對象的儲運設備）工作對象的儲運設備8）檢查、監(jiān)視和控制系統(tǒng)）檢查、監(jiān)視和控制系統(tǒng) 機器人末端執(zhí)行器(稱工具)是機器人的主要輔助設備，也是工作站中重要的組成部分。同一臺機器人，由于于安裝了不同的末端執(zhí)行器，會完成不同的作業(yè)，用于不同的牛產(chǎn)場合，多數(shù)情況下需專門設計，它與機器人的機型、整體

6、布局、工作順序都有著直接關(guān)系。選用帶有安全防碰撞裝瓷的標準機器人用焊槍。夾具和變位機是固定作業(yè)對象并改變其相對于機器人的位置和姿態(tài)的設備，它可在機器人規(guī)定的工作空間和相靈活度條件獲得高質(zhì)量的作業(yè) 配套及安全裝置是機器人及其輔助設備的外圍設備及配件。它們各自相對獨立，又比較分散，但每一部分都是不可缺少的。它包括配套配套設備、電氣控制柜、設備、電氣控制柜、操作箱、安全保護裝操作箱、安全保護裝置和走線槽管保護裝置和走線槽管保護裝置等內(nèi)容置等內(nèi)容。本例中的焊接電源、焊槍和送絲機構(gòu)是一套獨立的配套設備，安全柵以及操作區(qū)的對射型光電管等起安全保護作用， 另外還有一套焊槍嘴清理裝置； 配套及安全裝置配套及安

7、全裝置動力源：動力源：在機器人的周邊設備中多采用氣、液作為動力，因此常需配置氣、液壓站以及相應的管線、閥門等裝置。對于電源有一些持殊需要的設備或儀表，也應配置專用的電源系統(tǒng)（可編程電源-delta、安捷倫、朝陽等）。工作對象的儲運設備工作對象的儲運設備 作業(yè)對象常需在工作站中暫存、供料、移動或翻轉(zhuǎn)，所以工作站也常配置暫置臺、供料器、移動小車或翻轉(zhuǎn)臺架等設備。檢查、監(jiān)視和控制系統(tǒng)檢查、監(jiān)視和控制系統(tǒng) 檢查和監(jiān)視系統(tǒng)對于某些工作站來說是非常必要的，持別是用于生產(chǎn)線的工作站。比如工作對象是否到位，有無質(zhì)量事故，各種設備足否正常運轉(zhuǎn)，都需要配置檢查和監(jiān)視系統(tǒng)。 一般說來機器人工作站多是一個自動化程度相

8、當高的工作單元，它多備有自己的控制系統(tǒng)。目前使用最多的是PLC系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能管理本站有序的正常工作，又能和上級管理計算機相聯(lián)，向它提供各種信息，比如產(chǎn)品計數(shù)等等。1）設計前必須充分分析作業(yè)對象，擬定最合理的作業(yè)工藝；2）必須滿足作業(yè)的功能要求和環(huán)境條件；3）必須滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求；4）整體及各組成部分必須全部滿足安全規(guī)范及標準；5）各設備及控制系統(tǒng)應具有故障顯示及報警裝置；6）便于維護修理；7）操作系統(tǒng)應簡單明了，便于操作和人工干預；8）操作系統(tǒng)便于聯(lián)網(wǎng)控制；9）工作站便于組線10）經(jīng)濟實惠，快速投產(chǎn)這10項設計原則共同體現(xiàn)著工作站用戶的多方面的需要，簡單地說就是干方百計地滿足用戶的要求。機器

9、人工作站的一般設計原則機器人工作站的一般設計原則對作業(yè)對象(工件)及其技術(shù)要求進行認真細致的分析，是整個設計的關(guān)鍵環(huán)行，它直接影響工作站的總體布局、機器人型號的選定、末端執(zhí)行器和變位機等的結(jié)構(gòu)以及其他周邊機器的型號等方面。在設計工作這一內(nèi)容所投入的精力和時間約占總設計時間的15一50。工件越復雜，作業(yè)難度越大，投入精力的比例就越大；分析的越透徹，工作站的設計依據(jù)就越充分，將來工作站的性能就可能越好、調(diào)試時間和修改變動量就可能越少。一般來說，工件的分析包含以下幾個方面：1）工件的形狀2)工件的尺寸及精度3）工件的質(zhì)量、材料、強度4）作業(yè)要求年產(chǎn)量、工作制度、占用空間、操作方式、自動化程度作業(yè)順序

10、和工藝要求作業(yè)順序和工藝要求機器人的選擇機器人的選擇 在選擇機器人時，為了滿足功能要求，必須從持重、工作空持重、工作空間、自由度間、自由度等方面來分析，只有它們同時被滿足或者增加輔助裝置后即能滿足功能要求的條件，所選用的機器人才是可用的。 機器人的選用也常受機器人市場供應因素的影響，所以，還需考慮市場價格，只有那些可用而且價格低廉、性能可靠，且有較好的售后服務，才是最應該優(yōu)先選用的。 目前，機器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域里得到了廣泛應用，如裝配、焊接、噴涂和搬運碼垛等。各種應用領(lǐng)域必然會有各自不同的環(huán)境條件，為此，機器入制造廠家根據(jù)不同的應用環(huán)境和作業(yè)特點，不斷地研究、開發(fā)相生產(chǎn)出了各種類型的機器人供用

11、戶選用。各生產(chǎn)廠家都對自己的產(chǎn)品給出了最臺適的應用領(lǐng)域，他們不光考慮了功能要求，還考慮了其他應用中的問題，如強度剛度、軌跡精度、粉塵及溫濕度等持珠要求。 在設計工作站選用機器人時，應有先參考生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品說明*工作站對生產(chǎn)節(jié)拍的要求工作站對生產(chǎn)節(jié)拍的要求 生產(chǎn)節(jié)拍是指完成一個工件規(guī)定的處理作業(yè)內(nèi)容所要求的時間，也就是用戶規(guī)定的豐產(chǎn)量對機器人工作站工作效率的要求。生產(chǎn)周期是機器人工作站完成一個工件規(guī)定的處理作業(yè)內(nèi)容所需要的時間，也就是工作站完成一個工件規(guī)定的處理作業(yè)內(nèi)容所需要花費的時間。在總體設計階段，首先要根據(jù)計劃年產(chǎn)量計算出生產(chǎn)節(jié)拍，然后對具體工件進行分析，計算各個處理動作的時間，確定出

12、完成一個工件處理作業(yè)的生產(chǎn)周期。 生產(chǎn)周期生產(chǎn)節(jié)拍的處理方法： 1) 重新評估設計工作站 2）增加輔助裝置 3）增加機器人數(shù)量 4）增加機器人工作站數(shù)量機器人持槍點焊作業(yè)時間 根據(jù)“工業(yè)機器人安全規(guī)范”國家標準，在作安全防護設計時，應遵循以下兩條原則： 1）自動操作期間安全防護空間內(nèi)無人； 2）當安全防護空間內(nèi)有人進行示教、程序驗證等工作時，應消除危險或至少降低危險。安全規(guī)范和標準。安全規(guī)范和標準。 工作站必須設置各種傳感器，包括光幕、電磁場、壓敏裝置、超聲和紅外裝置以及攝像裝置等，當人員無故進入防護區(qū)時，立即使工作站中的各種運動設備停止工作。 機器人生產(chǎn)線機器人生產(chǎn)線 機器人工作站機器人工作

13、站 在機器人生產(chǎn)線中，機器人工作站是相對獨立，又與外界有著密切聯(lián)系的部分。在作業(yè)內(nèi)容、周邊裝置、動力系統(tǒng)方面往往是獨立的，但在控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理和物流等方面又與其他工作站以及上位管理計算機系統(tǒng)成為一體。 非機器人工作站非機器人工作站 1）專用裝置工作站2）人工處理工作站3）空站物流系統(tǒng)物流系統(tǒng) 物流系統(tǒng)是機器人生產(chǎn)線的一個重要的組成部分，它擔負著各工作站之間工件的轉(zhuǎn)運、定位、甚至夾緊，工件的出庫入線或出線入庫、各站的散件人線等工作。正是物流系統(tǒng)將各個獨立的工作站單元連接起來，成為一條流動的生產(chǎn)線系統(tǒng)。生產(chǎn)線越大，自動化程度越高，物流系統(tǒng)也越復雜。它常用的傳送形式有：鏈式運輸、帶式運輸、專用鏈式

14、運輸、帶式運輸、專用搬運機、無入小車搬運和同步移動機構(gòu)搬運機、無入小車搬運和同步移動機構(gòu)等，設計時應根據(jù)生產(chǎn)線的類型、工件的特點和總體設計思想等因素確定傳送方式。夾具板(每站各塊)放在由鏈驅(qū)動的支撐滾輪上、周而復始地按圖示箭頭方向循環(huán)，形成封閉的物流系統(tǒng)。各站均有隨行夾具板的阻擋、定位機構(gòu)、使各板能準確地停留在各站的固定位置。這種物流形式要求各塊隨行夾具板問的精度一致性較高。動力系統(tǒng)動力系統(tǒng) 動力系統(tǒng)是機器人生產(chǎn)線必不可少的一個組成部分，它驅(qū)動各種裝置相機構(gòu)運動，實現(xiàn)預定的動作。動力系統(tǒng)可以分成3種類型，即電動、液動相氣動電動、液動相氣動。在一條生產(chǎn)線中既可以單獨使用、也可以混合使用。一般地說

15、，各個工作站的動力系統(tǒng)是相對獨立的，物流系統(tǒng)的動力也應該是相對獨立的，這種配置方式便于各站的單獨調(diào)試和維護。如果使用被動或氣動，每個工作站應當單獨設立液壓站或氣源系統(tǒng)，構(gòu)成自身的動力體系。液動多用于工件較重或需大驅(qū)動力的場合；氣動常用于中小型工件或需驅(qū)動力較小的場合；電動則用于要求連續(xù)運動、速度變化頻繁、停留位置多且要求準確或行程較大，用液壓缸或氣缸較為困難的場合?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機器人生產(chǎn)線的神經(jīng)中樞，它接收外部信息，經(jīng)過處理后發(fā)出指令，指導各職能部門按照規(guī)定的要求協(xié)調(diào)作業(yè)，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品?？刂葡到y(tǒng)的規(guī)模應符合生產(chǎn)線自動化程度的要求。一般生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)可以分為3層，即生產(chǎn)線一

16、子生產(chǎn)線一工作站，并構(gòu)成相互關(guān)聯(lián)的信息網(wǎng)絡。輔助設備及安全裝置輔助設備及安全裝置 機器人生產(chǎn)線還有其他一些輔助的構(gòu)成部分也是必不可少的，甚至是至關(guān)重要的。 有些作業(yè)內(nèi)容需要成套的外購設備作為工作站中獨立的一部分，一條線上會有若干個不同用途的這種設備。例如加工機床、焊機、噴徐裝置、測量裝置等，它們的合理選型及性能將直接影響機器人生產(chǎn)線的運行質(zhì)量。 安全裝置是機器人生產(chǎn)線中最為重要的組成部分，它直接關(guān)系到人身和設備的安全以及生產(chǎn)線的正常工作。雖然它在生產(chǎn)線中的排列比較分散，但應該作為一個整體加以對待。對每個與運動關(guān)聯(lián)的區(qū)域都應給予分析，確定是否加設安全裝置。常見的區(qū)域有：操作人員有可能出入或工件進

17、出口的區(qū)域，不允許機器人到達的區(qū)域，快速運動設備或機構(gòu)的外圍柵欄，操作者與作業(yè)區(qū)的分隔和有害物質(zhì)的防護等。報警系統(tǒng)應監(jiān)視上述區(qū)域和有關(guān)設備的正常運行。機器人生產(chǎn)線的設計原則機器人生產(chǎn)線的設計原則 對于機器人生產(chǎn)線設計來說，除了滿足機器人工作站的設計原則外，還應遵循以下10項原則：1）各工作站必須具有相同或相近的生產(chǎn)周期；2）工作站間應有緩沖存儲區(qū)，3）物流系統(tǒng)必須順暢，避免交叉或回流；4）生產(chǎn)線要具有混流生產(chǎn)的能力，5）生產(chǎn)線要留有再改造的余地；6）夾具體要有一致的精度要求；7）各工作站的控制系統(tǒng)必須兼容8）生產(chǎn)線布局合理占地面積力求最小，9）安全監(jiān)控系統(tǒng)合理可靠；10）對于最關(guān)鍵的工作站或生

18、產(chǎn)設備應有必要的替代儲備。不滿足時采取的措施：1）分散作業(yè)內(nèi)容；2）重疊設置工作站3）拼合工序；工作站間緩沖存儲區(qū)(庫)物流系統(tǒng)物流系統(tǒng) 物流系統(tǒng)是機器人生產(chǎn)線的大動脈，它的傳輸性、合理性和可靠性是維持生產(chǎn)線暢通無阻的基本條件。生產(chǎn)線混線生產(chǎn)能力生產(chǎn)線混線生產(chǎn)能力 機器人生產(chǎn)線是一項投資大、使用周期長、效益長久的實際工程。決策時要根據(jù)自身的發(fā)展計劃和產(chǎn)品的前景預測做認真的研究，要使投入的生產(chǎn)線最大限度地滿足品種和產(chǎn)品改型的要求。這就必然提出一個問題，即生產(chǎn)線具有混流生產(chǎn)的能力。所謂混流生戶：就足在同一條生產(chǎn)線上，能夠完成同類工件多型號多品種的生產(chǎn)作業(yè)，或只需做簡單的設備備件變換和調(diào)整，就能迅速

19、適應新型號工件的生產(chǎn)。這是機器人生產(chǎn)線設計的一項重要原則，也是難度較大和技術(shù)水平要求較高的一部分內(nèi)容。它是衡量機器人生產(chǎn)線水平的一項重要指標，混流能力越強，則生產(chǎn)線的價值、使用效率及壽命就越高。 混流生產(chǎn)的基個要求是工件夾具共用或可交換、末端執(zhí)行器通用或可更換、工件品種識別準確無誤、機器人控制程序分門別類和物流系統(tǒng)滿足最大工件傳送等內(nèi)容。生產(chǎn)線的再改造生產(chǎn)線的再改造 工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品應當隨著市場需求的變化而變化，高新技術(shù)的進步和市場競爭也會促使企業(yè)引入新技術(shù)、改造舊工藝。而生產(chǎn)線又是投資相對較大的工程，因此要用發(fā)展的眼光對待生產(chǎn)線的總體設計和具體部件設計，為生產(chǎn)線留出再改造的余地。主要從以下幾個

20、方面加以考慮：預留工作站，整體更換某個部件，預測增設新裝置和設備的空間；預留控制線點數(shù)和氣路通道數(shù)；控制軟件留出于程序接口等。 20%左右的富余量機器人的末端執(zhí)行器機器人的末端執(zhí)行器 設計機器人末端執(zhí)行器時，要注意以下幾項基本要求。 1)末端執(zhí)行器要根據(jù)機器人作業(yè)的要求來設計，盡量選用己定型的標準基礎件，如氣缸、油缸、傳感器等，配以恰當?shù)臋C構(gòu)相聯(lián)接件組合成適于生產(chǎn)作業(yè)要求的末端執(zhí)行器。一種新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。 2)末端執(zhí)行器的質(zhì)量要盡可能地輕、并力求結(jié)構(gòu)緊湊。 3)正確對待末端執(zhí)行器的萬能性與專用性。萬能的末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上相當復雜，幾乎根本不可能實現(xiàn)。目前

21、在實際應用中，仍是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的末端執(zhí)行器最為適用，因此要著重開發(fā)各種各樣專用的、高效率的末端執(zhí)行器，加上末端執(zhí)行器的快速更換裝置，從而實現(xiàn)機器人的多種作業(yè)功能。專用型末端執(zhí)行器專用型末端執(zhí)行器使用機器人作業(yè)，必須解決好下面幾個問題：要將膠壩準確、牢固地貼在玻璃表面。隨著機器人貼壩的運動，要同步地將不干膠保護紙剝離開收集起來。 在膠壩的頭尾接合處準確地切斷壩條 壩條的導向和流動要順楊。 更換壩條盤要簡便迅速。 這項設計的難點在于保護紙的剝離速度與壩條流動速度必須嚴格匹配，否則會出現(xiàn)保護紙抽拉壩條，造成壩條的堆積。工夾具及變位機工夾具及變位機 1)變位機要能把工件變換到最佳位置，以保

22、證機器人工具變位機要能把工件變換到最佳位置，以保證機器人工具(如焊槍等如焊槍等)處于最處于最合理的工作狀態(tài)。合理的工作狀態(tài)。 2)變位機要盡可能地滿足所有作業(yè)位置的變換要求。對于確實難于實現(xiàn)的變位機要盡可能地滿足所有作業(yè)位置的變換要求。對于確實難于實現(xiàn)的位置或加工死區(qū)，可由人工處理或在下一工作站中通過轉(zhuǎn)變裝夾設法解決。位置或加工死區(qū)，可由人工處理或在下一工作站中通過轉(zhuǎn)變裝夾設法解決。 3)變位機要具有較高的重復定位精度，保證工件加工的一致性和穩(wěn)定的加變位機要具有較高的重復定位精度，保證工件加工的一致性和穩(wěn)定的加工質(zhì)量。工質(zhì)量。 4)變位機要盡可能地縮短機器人的等待時間，通過兩工位或多工位的構(gòu)造

23、變位機要盡可能地縮短機器人的等待時間，通過兩工位或多工位的構(gòu)造形式將人工處理時間與機器人的工作時間重疊起來，縮短加工周期，提高形式將人工處理時間與機器人的工作時間重疊起來，縮短加工周期，提高生產(chǎn)率。生產(chǎn)率。 5)變位機要有足夠的強度和剛度，足以抵抗正常外力，使綜合變形量不影變位機要有足夠的強度和剛度，足以抵抗正常外力，使綜合變形量不影響機器人的正常作業(yè)和工件的焊接質(zhì)量。響機器人的正常作業(yè)和工件的焊接質(zhì)量。 6)變位機運轉(zhuǎn)時必須解決電氣導線和氣路軟管的破壞性纏繞問題，設置必變位機運轉(zhuǎn)時必須解決電氣導線和氣路軟管的破壞性纏繞問題，設置必要的引線和進氣裝置，保護導線和管路不受損壞。要的引線和進氣裝置

24、，保護導線和管路不受損壞。 7)變位機用于焊接作業(yè)時，焊接電源的負極要盡量靠近被焊工件，并要求變位機用于焊接作業(yè)時，焊接電源的負極要盡量靠近被焊工件，并要求電流不通過軸承等接觸點較少或接觸面積較小的機械零件，以保證起弧質(zhì)量電流不通過軸承等接觸點較少或接觸面積較小的機械零件，以保證起弧質(zhì)量好和不損壞機械運動器件。好和不損壞機械運動器件。 8)對于振動性較大的作業(yè)，變位機應與機器人本體通過底座等結(jié)構(gòu)件連成對于振動性較大的作業(yè)，變位機應與機器人本體通過底座等結(jié)構(gòu)件連成一體，保證機器人與變位機的相對位置精度。一體，保證機器人與變位機的相對位置精度。搬運碼垛工作站搬運碼垛工作站 搬運碼垛機器人工作站一般具有如下一些特點；應有物品的傳送裝置，其形式要根據(jù)物品的特點選用或設計；可使物品準確地定位，以便于機器人抓??；多數(shù)情況下設有碼垛的托板，或