工业机器人工作站的集成设计--工作站集成方案的设计--毕业论文.doc

编号 XXXXXXX 毕毕业业论论文文 题 目 工业机器人工作站的集成设计 -工作站集成方案的设计 学生姓名XXX 学 号XXXXX 系 部XXXXXXXXXX 专 业XXXX 班 级XXX 指导教师XXXX 顾问教师XXX 摘 要 摘摘 要要 工业机器人技术在国内应用越来越广泛，而单一的工业机器人本体不能 充分发挥其协同作业的功用，为了解决这一问题，将 ABB 工业机器人本体与 搬运单元、码垛单元、打磨抛光单元、绘画单元以及安全单元等外围设备进行 集成，实现了工业机器人与周围环境的信息交互。本论文设计内容共六章，主 要论述了工业机器人技术现状和发展趋势、工业机器人的技术基础、工业机器 人工作站集成方案、工业机器人工作站集成安装与维护以及工业机器人工作站 的调试过程。实践表明：工业机器人工作站性能稳定，工作良好。 关键词关键词： ABB 工业机器人； 集成； 工作站； 安装与维护； Abstract I AbstractAbstract Industrial robot technology in domestic are getting more and more, and not a single body of industrial robots and give full play to the coordination function, in order to solve this problem, ABB industrial robot and handling unit, palletizing unit, polishing unit, painting unit and peripheral equipment such as integrated security unit, to achieve the information exchange industry the robot and the environment. This thesis includes six chapters, mainly discusses the current situation and development trend of industrial robot technology, robot technology, industrial robot workstation based integration scheme, integrated industrial robot workstation installation and maintenance and debugging process of industrial robot workstation. The practice shows that the industrial robot workstation is stable and works well. Keyword:Keyword: ABB; Integrate; Workstation； Installation and maintenance 目 录 II 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACT II 第一章第一章 概述概述.1 1.1 课题研究背景.1 1.2 课题研究趋势2 1.3 课题设计目的和意义3 1.4 工业机器人的行业应用3 第二章第二章 工业机器人的技术基础工业机器人的技术基础.9 2.1 工业机器人的结构.9 2.2 工业机器人的控制器及控制系统.11 2.3 工业机器人的示教器.11 2.4 工业机器人的技术参数.12 2.4.1 自由度.12 2.4.2 分辨率.12 2.4.3 分辨率.12 2.4.4 作业范围.13 2.4.5 运动速度.13 2.4.6 承载能力.13 2.5 工业机器人的类型.13 2.5.1 直角坐标机器人.14 2.5.2 柱面坐标机器人.14 2.5.3 极坐标机器人.15 2.5.4 多关节型机器人.15 2.6 工业机器人的控制方式.16 2.7 工业机器人的驱动方式.17 第三章第三章 工业机器人工作站集成方案设计工业机器人工作站集成方案设计.19 3.1 工业机器人工作站总体方案.19 3.1.1 工业机器人工作站19 3.1.2 工业机器人工作站的技术参数19 3.1.3 工业机器人工作站集成材料20 3.2 工业机器人的本体.21 3.3 工业机器人的控制柜.21 3.4 工业机器人的示教器.22 3.5 工业机器人的手爪.23 3.6 工业机器人的作业机构.24 3.7 工业机器人的安全单元.27 3.8 工业机器人的电气系统.27 3.9 工业机器人的气动系统.27 3.10 工业机器人的工作台.28 目 录 III 第四章第四章 工业机器人工作站集成安装与维护工业机器人工作站集成安装与维护.29 4.1 工业机器人的搬运29 4.2 工业机器人的安装30 4.3 工业机器人工作站电气系统安装30 4.4 工业机器人的工作站维保34 第五章第五章 工业机器人工作站的调试工业机器人工作站的调试.37 5.1 工业机器人调试说明37 5.1.1 工作站开机说明.37 5.1.2 工作站自动操作.37 5.2 工业机器人调试说明37 第六章第六章 总结与展望总结与展望.43 6.1 系统的先进性43 6.2 系统的社会效益43 6.3 本人收益43 致致 谢谢.45 参考文献参考文献.47 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 0 第一章第一章 概述概述 1.1 课题课题研究背景研究背景 其实在很早很早以前，就有类似机器人的机器出现，只不过不是以人的模样 出现，所以就没有所谓的机器人。比如：我国赫赫有名的木牛流马：西周时 期我国的能上巧匠偃师研制出了能歌善舞的水制伶人二这是史书己载的我国 最早的机器人。春秋后期我 H 著名的水履鲁班，曾制造过只木鸢，岂能在 空中， 三日不下”1800 年前的议代人科学家张衡不仪发明了地动仪，而且发 明了计坐鼓车：车行一里。乍卜水人击鼓下，每行十里则击钟一下。三国时期， 蜀国丞相渚葛亮发明了木牛流马，并用它束运送乍粮支援前方战争还 有就是自动机： 公元前 2 世纪亚圳山大时代的占希腊人发明丁最原始的机器人 自动机。 大千世界，万事万物都遵循着从无到有、从低到高的发展规律，机器人也 不例外。早在三千多年前的西周时代，中国就出现了能歌善舞的木偶，称为 “倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。然而真正的工业机器人的出现 并不久远，二十世纪 50、60 年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人开 始进入了实用化和工业化阶段。20 世纪 70 年代开始，世界各国开始把机器人作 为工业领域的研究重点。到目前为止，经过 50 多年的发展，日本、美国、法国、 德国的工业机器人产品已日趋成热和完善，也相继地形成了一批具有影响力的 著名工业机器人公司。比如瑞典的 ABB Robotics，日本的发那科 (FANUC)和安 川电机 (Yaskawa)，德国的库卡 KUKA，美国的 Emerson Industrial Automation，意大利的 COMAU，英国的 AutoTech Robotics，加拿大的 Jcd International Robotics，以色列的 Robogroup Tek 公司等，这些公司已经成 为各自国家和当地的支柱性产业。 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科 先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。在国外，工业机器人技术日 趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在 国际上较有影响力的、知名工业机器人公司。目前，国际上的工业机器人公司 主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎 等公司的产品。欧系中主要有德国的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奥地利的 IGM 公司。工业机器人已成为柔性制造系统(FMS)、工厂自动 化(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动工具。据专家预测，机器人产业是 第一章 概述 1 继车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。2002 年至 2004 年，根据联 合国欧洲经济委员会(UNECE)和国机器人联合会(IFR)的统计，世界工业机器人 市场前景看好，年增长率平均在 10左右。2005 年增长率达到创记录的 30， 其中亚洲工业机器人增长幅度最为突出，高达 45。2007 年，全球新安装工业 机器人的数量将超过十万套。 中国的工业机器人起步于 20 世纪 70 年代，清华、哈工大、华中科大、沈 阳自动化研究所等一批科研院所最早开始了工业机器人的理论研究。80-90 年代， 沈阳自动化研究所和中国第一汽车制造集团进行了机器人的试制和初步应用工 作。进入 21 世纪以来，在国家政策的大力支持下，广州数控、沈阳新松、安徽 奇瑞装备、南京埃斯顿等一批优秀的本土机器人公司开始涌现，工业机器人也 开始在中国形成了初步产业化规模。目前，我国的科研人员已基本掌握了工业 机器人的结构设计和制造技术、控制系统硬件和软件技术、运动学和轨迹规划 技术，也形成了机器人部分关键元器件的规模化生产能力。一些公司开发出的 喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人已经在多家企业的自动化生产线上获 得规模应用，弧焊机器人也已广泛应用在汽车制造厂的焊装线上。 总的来看，我国的工业机器人技术开发和工程应用水平与国外相比还有一 定的差距。如在可靠性方面低于国外产品；机器人的工程应用起步较晚，应用 领域窄；生产线系统技术与国外有差距；在应用规模上，在市场占有量上也低 于国外优秀机器人公司。主要原因在于国内没有形成大规模机器人产业，现有 的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、 批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性不稳 定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系 列化、通用化、模块化设计，积极推进工业机器人产业化进程。 1.2 课题课题研究研究趋势趋势 工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平， 提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令 世人瞩目的作用。在新的世纪，随着科学技术的进步，机器人产业必将得到更 加快速的发展，工业机器人将得到更加广泛的应用。 1.技术发展趋势 在技术发展方面，工业机器人正向结构轻量化、智能化、模块化和系统 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 2 化的方向发展。未来主要的发展趋势有： （1）机器人结构的模块化和可重构化； （2）控制技术的高性能化、网络化； （3）控制软件架构的开放化、高级语言化； （4）伺服驱动技术的高集成度和一体化； （5）多传感器融合技术的集成化和智能化； （6）人机交互界简单化、协同化。 2.应用发展趋势 自工业机器人诞生以来，汽车行业一直是其应用的主要场合。2014 年北 美机器人工业协会在年度报告中指出，截止 2013 年底，汽车行业仍然是北美 机器人最大的应用市场，但其在电子/电气行业、金属加工行业、化工行业、 食品等行业的出货量却增速迅猛。由此可见，未来工业机器人的应用依托汽车 产业，并迅速向各行业延伸。对于机器人行业来讲，这是一个非常积极的信号。 3.产业发展趋势 据国际机器人联合会公布的数据显示，2013 年全球机器人装机量达到 17.9 万台，亚洲/澳洲占 10 万台，中国 36560 台，整个行业产值 300 亿美元。 2014 年，全球机器人销量 22.5 万台，亚洲的销量占到 2/3，中国市场的机器人 销量近 45500 台，增长 35%。到目前为止，全球的主要机器人市场集中在亚 洲、澳洲、欧洲、北美，其累计安装量已超过 200 万台。相信在不久的将来， 工业机器人的时代将很快来临，并将在智能制造领域掀起一场变革。 1.3 课题设计课题设计目的和意目的和意义义 工业机器人是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械装置等 高新技术产物，是技术密集 度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。 使用工业机器人的优越性是显而易见的，不仅精度高， 产品质量稳定。而且 自动化程度极高，可大大减轻工人的劳动强度，提高生产效率。特别值得一提 的是， 工业机器人可完成一般人工操作难以完成的精密工作，如激光切割、 精密装配等，因而工业机器人在自动化生产中的地位越来越重要。 工业机器 人按照 ISO 定义，是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工 业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功 第一章 概述 3 能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代 的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 1.4 工工业业机器人的行机器人的行业应业应用用 工业机器人按作业任务的不同可以分为焊接、搬运、装配、码垛、涂装 等类型机器人 。 1焊接机器人 焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，见图 1-1 焊接机器人常用于 汽车制造领域，是应用最为广泛的工业机器人之一。目前，焊接机器人机的使 用量约占全部工业机器人总量的 30%。 图 1-1 焊接机器人 焊接机器人又可以分为点焊和弧焊。从上世纪 60 年代开始以来，焊接机 器人焊接技术已日益成熟，在长期使用过程中，主要体现了以下优点： 可以稳定提高焊件的焊接质量； 提高了企业的劳动生产率； 改善了工人的劳动强度，替代人类在恶略环境下工作； 降低了工人操作技术的要求； 缩短了产品改型换代的准备周期，减少了设备投资。 2搬用机器人 搬运机器人是可以进行自动搬运作业的工业机器人，见图 1-2。最早的搬 运机器人是 1960 年美国设计的 Versatran 和 Unimate，搬运时机器人末端夹具 设备握持工件，指将工件从一个加工位置移动到另一个加工位置。目前世界上 使用的搬运机器人超过 10 万台，其广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运场合。 图 1-2 搬运机器人 搬用机器人又分为可以移动的搬用小车（AGV），用于码垛的码垛机器 人、用于分解的分解机器人、用于机床上下料的上下料机器人等。其主要作用 就是实现产品、物料或工具的搬用，主要优点在于： 提高生产效率，一天可以 24 小时无间断工作； 改善工人劳动条件，可在有害环境下工作； 降低工人劳动强度，减少人工； 缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资； 可实现工厂自动化、无人化生产。 3装配机器人 装配机器人是专门为装配而设计的机器人。常用的装配机器人主要可以 完成生产线上一些零件的装配或拆卸工作。从结构上来分，主要有 PUMA 机 器人（可编程通用装配操作手）和 SCARA 机器人（平面双关节型机器人)两 种类型。 PUMA 机器人是美国 Unimation 公司 1977 年研制的由一种计算机控制 的多关节装配机器人。一般有 5-6 个自由度, 可以实现腰、肩、肘的回转以及 手腕的弯曲、旋转和扭转等功能，见图 1-3。 第一章 概述 5 图 1-3 PUMA562 机器人 SCARA 机器人是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人，有 3 个旋转 关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节， 用于完成末端件在垂直于平面的运动，如图 1-4 所示，这类机器人的结构轻便、 响应快，例如 Adept1 型 SCARA 机器人运动速度可达 10m/s，比一般关节式机 器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。 图 1-4 SCARA 机器人 与一般工业机器人比较，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围 小、能与其他系统配套使用等特点。在工业生产中使用装配机器人可以保证产 品质量，降低成本，提高生产自动化水平。目前，装配机器人主要用于各种电 器制造（包括家用电器, 如电视机、录音机、洗衣机、电冰箱、吸尘器）、小 型电机、汽车及其部件、计算机、玩具、机电产品及其组件的装配等方面。图 1-5 为装配机器人装配作业。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 图 1-5 装配机器人作业 4.喷涂机器人 喷涂机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969 年由 挪威 Trallfa 公司发明。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制 系统组成。液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。 喷涂机器人多采用 5 或 6 自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做 复杂的轨迹运动，其腕部一般有 23 个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆 机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的 手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。 喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点， 可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、 电器、搪瓷等工艺生产部门，图 1-6 为喷漆机器人在汽车表面喷涂作业。 图 1-6 喷涂机器人作业 喷涂机器人的主要优点： 柔性大。工作范围大大。 提高喷涂质量和材料使用率。 第一章 概述 7 易于操作和维护。可离线编程，大大的缩短现场调试时间。 设备利用率高。喷涂机器人的利用率可达 90%-95%。 1）：点焊机器人：点焊机器人广泛应用于焊接薄板材料。装配每台汽车 车体一般大约需要完成 30004000 个焊点。其中 60%的是点焊机器人完成的。 2）：弧焊机器人：弧焊机器人应用于焊接金属连续结合的焊缝工艺，绝 大多数可以完成自动送丝、熔化电极和气体保护下进行焊接工作。弧焊机器人 的应用范围很广，除汽车行业外，在通用机械、金属结构等需哦多行业中都有 应用。 3)：喷漆机器人：喷漆机器人广泛应用于汽车车体、家电产品和各种塑 料制品的喷漆工作。 4)：装配机器人：采用工业机器人进行自动装配，是近十几年来才发展 起来的一项新技术。从目前的情况来看，整个机械制造过程中自动化程度最低 的就是装配工艺。 5)：搬运机器人：随着计算机集成制造技术、物流技术、自动仓储技术 的发展，搬运机器人在现代制造业中的应用越来越广泛。机器人可用于零件的 加工过程中，物料、工辅量具的装卸和储运，可用于将零件从一个输送装置送 到另一个输送装置，或从一台机床上加工完得零件取下再安装到另一台机床上 去。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 第二章第二章 工业机器人的技术基础工业机器人的技术基础 2.1 工工业业机器人的机器人的结结构构 工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手动功能的机电一体化装置。一 台通用的工业机器人从体系结构来看，可以分为三大部分：机器人本体、控制 器及系统、示教器，具体结构如图 2-1 所示。 示教器机器人本体控制器 图 2-1 工业机器人组成 1机器人本体 机器人本体是工业机器人的机械主体，是完成各种作业的执行机构。一 般包含互相连接的机械臂、驱动及传动装置以及各种内外部传感器。工作时通 过末端夹具也称末端执行器用于实现机器人对工作目标的夹取、搬用等动作。 机械臂：大部分工业机器人为关节型机器人，关节型机器人的机械臂是 由若干个机械关节连接在一起的集合体。图 2-2 为典型 6 关节工业机器人，由 机座、腰部关节 1、大臂关节 2、肘部关节 3、操作臂关节 4、腕部关节 5 和手 部关节 6 构成。 图 2-2 6 关节工业机器人 第二章 工业机器人的技术基础 9 机座：是构成机器人的支撑部分，内部安装有机器人的执行机构和驱动 装置。 腰部：是连接机器人机座和大臂的中间支撑部分。工作时，腰部可以通 过关节 1 在机座上转动。 臂部：6 关节机器人的臂部一般由大臂和小臂构成，大臂通过关节 2 与腰 部相连，小臂通过肘关节 3 与大臂相连。工作时，大、小臂各自通过关节电机 转动，实现移动或转动。 手腕：连接小臂和末端执行器的部分，主要用于改变末端执行器的空间 位姿，联合机器人的所有关节实现机器人预期的动作和状态。 2.驱动及传动装置 工业机器人的机座、腰部关节、大臂关节、肘部关节、操作臂关节、腕 部关节和手部关节构成了机器人的外部结构或机械结构。机器人运动时，每个 关节必须有驱动装置和传动机构完成。图 2-2 为机器人运动关节的组成，要构 成多关节机器人，其每个关节的驱动及传动装置缺一不可。 图 2-2 机器人运动关节构成 驱动装置是向机器人各机械臂提供动力和运动的装置。不同类型的机器 人，驱动采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方 式主要有四种：液压式、气压式、电气式和机械式。电力驱动是目前使用最多 的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传 递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机 或伺服电机，目前也有采用力矩电机，但是造价较高，控制也较为复杂，和电 机相配的减速器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。 4.传感器 为检测作业对象及工作环境，在工业机器人上安装了诸如触觉传感器、 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 视觉传感器、力觉传感器、接近传感器、超声波传感器和听觉传感器。这些传 感器可以大大改善机器人工作状况和工作质量，使它能够更充分地完成复杂的 工作。 2.2 工工业业机器人的机器人的控制器及控制系统控制器及控制系统 控制器是构成工业机器人的神经中枢，由计算机硬件、软件和一些专用 电路、控制器、驱动器等构成。工作时，根据编写的指令以及传感信息控制机 器人本体完成一定的动作或路径，主要用于处理机器人工作的全部信息，其正 面内部结构如图 2-3 所示。 图 2-3 控制器内部结构 为实现对机器人的控制，除计算机硬件系统外，还必须有相应的软件控 制系统。通过软件系统的支持，可以方便的建立、编辑机器人控制程序。目前， 世界各大机器人公司都有自己的完善的软件控制系统来实现机器人的作业控制。 2.3 工工业业机器人的机器人的示教器示教器 示教器是人机交互的一个接口，也称示教盒或示教编程器，主要由液晶 屏和可供触摸的操作按键组成。操作时由控制者手持设备，通过按键将需要控 制的全部信息通过与控制器连接的电缆送入控制柜中的存储器中，实现对机器 人的控制。示教器是机器人控制系统的重要组成部分，操作者可以通过示教器 进行手动示教，控制机器人到达不同位姿，并记录各个位姿点坐标，也可以利 用机器人语言进行在线编程，实现程序回放，让机器人按编写好的程序完成轨 迹运动。 第二章 工业机器人的技术基础 11 示教编程器上设有用于对机器人进行示教和编程所需的操作键和按钮， 一般情况下不同机器人厂商示教编程器外观各不相同，但一般包含中央的液晶 显示区、功能按键区、急停按钮和出入线口。图 2-4 为工业机器人的示教器外 观。 图 2-4 工业机器人示教器 在盘右上角，如右图所示红色键不管示教操作盘有效开关的状态如何， 都会使执行中的程序停止，机器人伺服电源被切断，使得机器人进入急停状态。 2.4 工工业业机器人的技机器人的技术术参数参数 虽然工业机器人的种类、用途不尽相同，但任一工业机器人都有其使用 的工作范围和要求。目前，工业机器人的主要技术参数有以下几种：自由度、 分辨率、精度和重复定位精度、工作范围、最大工作速度和承载能力。 2.4.1 自由度自由度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端执行器 的开合自由度。一般情况下机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度与 关节的概念是相等的。自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多 就越灵活，但结构也越复杂，控制难度越大，所以机器人的自由度要根据其用 途设计，一般在 36 个之间。 具有 6 个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。从运动学的观点 看，在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，叫做冗余自由度机器人， 又叫冗余度机器人。例如，PUMA562 机器人去执行印制电路板上接插元器件 的作业时就是一个冗余度自由机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 活性，躲避障碍物和改善动力性能。 2.4.2 分辨率分辨率 分辨率是指机器人每个关节所能实现的最小移动距离或最小转动角度。 工业机器人的分辨率分编程分辨率和控制分辨率两种。编程分辨率是指控制程 序中可以设定的最小距离，又称基准分辨率。当机器人某关节电机转动 0.1， 机器人关节端点移动直线距离为 0.01mm，其基准分辨率即为 0.01mm。控制 分辨率是系统位置反馈回路所能检测到的最小位移，即与机器人关节电机同轴 安装的编码盘发出单个脉冲电机转过的角度。 2.4.3 分辨率分辨率 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，它是衡量一列误差值的密集度。 2.4.4 作作业业范范围围 工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也 叫做工作区域。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。 2.4.5 运运动动速度速度 运动速度影响机器人的工作效率和运动周期，它与机器人所提取的重力和 位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将承 受着加减速时较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的 技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在 1000 mm/s 以下，最大 回转速度一般不超过 120/s。 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 厂家指手臂大合成速度，通常欧洲技术参数中就有说明。工作速度越高，工作 效率就越高。但是，工作速度越高就要花费更多的时间去升速或降速。 第二章 工业机器人的技术基础 13 2.4.6 承承载载能力能力 承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。 承载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和 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根据承载能力不同 工业机器人大致分为： 1.微型机器人承载能力为 1N 以下； 2.小型机器人承载能力不超过 105N； 3.中型机器人承载能力为 105106N； 4.大型机器人承载能力为 106107N； 5.重型机器人承载能力为 107N 以上。 2.5 工工业业机器人的机器人的类类型型 机器人的结构形式多种多样，典型机器人的运动特征是用其坐标特性来 描述。按结构特征来分，工业机器人通常可以分为直角坐标机器人、柱面坐标 机器人、极坐标机器人、多关节型机器人、并连关节型等机器人。 图 2-5 工业机器人结构形式类型 2.5.1 直角坐直角坐标标机器人机器人 直角坐标机器人是指在工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程 的、在空间上具有相互垂直关系的三个独立自由度的多用途机器人，结构见图 2-6。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 14 图 2-6 直角坐标机器人 从图中可以看出，机器人在空间坐标系中有三个相互垂直的移动关节 X/Y/Z，每个关节都可以在独立的方向移动。直角坐标机器人的特点是直线运 动、其控制简单。缺点是灵活性较差，自身占据空间较大。目前，直角坐标机 器人可以非常方便的用于各种自动化生产线中，可以完成诸如焊接、搬运、上 下料、包装、码垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、喷涂、目 标跟随、排爆等一系列工作。 直角坐标机器人是以 XYZ 直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机、 步进电机为驱动的单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠丝杆、同步皮带、齿轮 齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系统，可以完成在 XYZ 三维坐标 系中任意一点的到达和遵循可控的运动轨迹。 直角坐标机器人采用运动控制系统实现对其的驱动及编程控制，直线、 曲线等运动轨迹的生成为多点插补方式，操作及编程方式为引导示教编程方式 或坐标定位方式。 特点： 1、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角； 2、自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行； 3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。 4、灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。 5、高可靠性、高速度、高精度。 6、可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。 2.5.2 柱面坐柱面坐标标机器人机器人 柱面坐标机器人是指轴能够形成圆柱坐标系的机器人，如图 2-7 所示。 第二章 工业机器人的技术基础 15 其结构主要由一个旋转机座形成的转动关节和垂直、水平移动的两个移动关节 构成。柱面坐标机器人末端执行器的姿态由（z、r、）决定。柱面坐标机器 人具有空间结构小，工作范围大，末端执行器速度高、控制简单、运动灵活等 优点。缺点在于工作时，必须有沿 r 轴线前后方向的移动空间，空间利用率低。 圆柱坐标手臂看起来有点像一个机器人升降机。它的工作行程类似一个后壁圆 筒，这也是它名称的由来。像旋转坐标和极坐标手臂一样，它的肩关节的转动 也是通过一个旋转底盘来实现的。 前臂安装在一个类似升降机的装置上面，前臂沿着圆柱提升和下降，捉取不同 高度的物体。为了让手臂可以捉取三维空间里面的物体，前臂上面配备了一个 和极坐标手臂相似的伸展关节。 图 2-7 柱面坐标机器人 2.5.3 极坐极坐标标机器人机器人 极坐标型机器人结构如图 2-8 所示，一般由两个回转关节和一个移动关 节构成，其轴线按极坐标配置，R 为移动坐标， 是手臂在铅垂面内的摆动 角， 是绕手臂支撑底座垂直的转动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面 是半球面，所以又称为球坐标型机器人。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 16 图 2-8 极坐标机器人 极坐标机器人同样占用空间小，操作灵活且范围大，但运动学模型较复 杂，难以控制。 极坐标手臂的工作行程是一个半球的形状。和旋转坐标手臂差不多，极 坐标手臂同样也可以非常灵活地捉取散落在机器人身边的各种物体。 像旋转坐标手臂一样，转盘带动着整个手臂的旋转。这个功能有点类似 肩关节的转动。极坐标手臂的肩关节无法伸展和弯曲，第二个自由度的肘关节 可以控制前臂的上下运动。第三个自由度实现的是前臂的各种伸展运动。前臂 “内部”关节的伸缩带动着夹持器在机器人上收放。如果没有前臂内部的关节， 手臂只能捉取放在前面的一个有限的二维圆周里面的物体。 极坐标手臂通常用于工业机器人，这种类型的手臂非常适合作为一个固 定设备使用。为了增加灵活性也可以把它们安装在移动式机器人上面。 2.5.4 多关多关节节型机器人型机器人 关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中 应用最为广泛的一种机器人。多关节型机器人按照关节的构型又可分为垂直多 关节型和水平多关节型机器人。垂直多关节机器人主要由机座和多关节臂组成， 目前常见的关节臂是 3-6 个， 6 关节臂机器人其结构如图 2-9 所示。 第二章 工业机器人的技术基础 17 图 2-9 垂直多关节机器人 由上图可知，这类机器人由多个旋转和摆动关节组成，其结构紧凑、工 作空间大、动作接近人类，工作时能绕过机座周围的一些障碍物，对装配、喷 涂、焊接等多种作业都有良好的适应性，且适合电机驱动，关节密封、防尘比 较容易。水平多关节机器人，也称 SCARA（Selective Copmliance Assembly Robot Arm）。 SCARA 是一种水平多关节机器人，结构如图 2-10。这类机器 人一般具有四个轴和四个运动自由度，它的第一，二，四轴具有转动特性，第 三轴具有线性移动特性，并且第三轴和第四轴可以根据工作需要的不同，制造 成相应多种不同形态。 图 2-10 水平多关节机器人 SCARA 机器人特点在于作业空间与占地面积比很大，使用起来方便；在 垂直升降方向刚性好，尤其适合平面装配作业。目前，SCARA 机器人广泛应 用于电子产品工业、汽车工业、塑料工业、药品工业和食品工业等领域，用以 完成搬取、装配、喷涂和焊接等操作。 优点： 有很高的自由度，56 轴，适合于几乎任何轨迹或角度的工作 可以自由编程，完成全自动化的工作 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 18 提高生产效率，可控制的错误率 代替很多不适合人力完成、有害身体健康的复杂工作，比如，汽车外壳 点焊 缺点： 价格高，导致初期投资的成本高 生产前的大量准备工作，比如，编程和计算机模拟过程的时间耗费长 2.6 工工业业机器人的控制方式机器人的控制方式 工业机器人根据控制方式的不同可以分为伺服控制机器人和非伺服控制 机器人两种。机器人运动控制系统最常见的方式就是伺服系统。伺服系统是指 精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，在很多情况下，机器人伺服系统 的作用是驱动机器人机械手准确地跟随系统输出位移指令，达到位置的精确控 制和轨迹的准确跟踪。 伺服控制机器人又可细分为连续轨迹控制类和点位控制机器人。点位方 式控制机器人其运动为空间点到点之间的直线运动。连续轨迹控制机器人其运 动轨迹可以使空间的任意连续曲线。 2.7 工工业业机器人的机器人的驱动驱动方式方式 根据能量转换方式的不同，工业机器人驱动类型可以划分为液压驱动、 气压驱动、电力驱动和新型驱动四种类型。 1.气压驱动 具有速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适于在中、小 负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中， 如在上、下料和冲压机器人中应用较多。 2.液压驱动 由于液压技术是一种比较成熟的技术。它具有动力大、力(或力矩)与惯量 比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以 及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能 转 换成液压能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。 液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。因这些弱点，近年 第二章 工业机器人的技术基础 19 来，在负荷为 100kz 以下的机器人中往往被电动系统所取代。 3.电力驱动 由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交流变频 器、直流脉冲宽度调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量选用。 这类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的 传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的环境中，成本也较上两种驱 动系统的高。但因这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的选用。 4.新型驱动 伴随着机器人技术的发展，出现了利用新的工作原理制造的新型驱动器， 如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等。 第三章 工业机器人工作站集成方案设计 20 第三章第三章 工业机器人工作站集成方案设计工业机器人工作站集成方案设计 3.1 工工业业机器人工作站机器人工作站总总体方案体方案 3.1.1 工工业业机器人工作站机器人工作站 本设计的工作站综合了自动控制、位置控制、电机控制、气动控制、可 编程控制器、传感器等技术，该装置由 ABB 工业机器人、控制器及机器人示 教盒、工业机器人搬运单元、工业机器人轨迹绘制单元、工业机器人码垛单元、 工业机器人打磨抛光单元、工业机器人手爪、安全单元、电器控制系统、气动 系统、机器人工作台等组成。通过更换抓取工装可以实现机器人的搬运、码垛、 轨迹模拟画图、打磨抛光等功能。 图 3-1 工业机器人工作站集成原理图 3.1.2 工工业业机器人工作站的技机器人工作站的技术术参数参数 1.输入电源:AC220V10%(单相三线)； 2.整体功率：1kVA； 3.外形尺寸：160014001500mm； 4.气源压力：0.40.6MPa。 5.工作环境：温度-5C+40C；湿度 85%（25C）；海拔4000m； 6.安全保护：具有漏电保护，安全符合国家标准 7.重量：150Kg 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 21 3.1.3 工工业业机器人工作站集成材料机器人工作站集成材料 图 3.1 工业机器人工作站集成材料清单 序号名称规格 数 量 单位品牌 1 工业机器人 含 IRB120-3/0.6 六自由度 3Kg 工业 机器人本体、IRC5 控制器、示教器 5 套 ABB 2 机器人搬运单元 包括网格坐标机构、搬运工件、搬 运手爪工装 5 套康尼 2.1 网格坐标机构由铝型材搭建 5 套康尼 2.2 搬运工件尺寸 2420mm 铝制工件 45 个康尼 3 机器人轨迹绘制单元包括轨迹画图机构、画笔工装 5 套康尼 3.1 轨迹画图机构 画图板尺寸：21630115mm(配 1 个擦板) 5 套康尼 4 机器人码垛单元 包括 44 仓储库、皮带传送机构、 工件（6060mm）和母体工装等 5 套康尼 4.1 44 仓储库主体由铝型材搭建，库位容量 16 个 5 套康尼 4.2 皮带传送机构 直流电机驱动，电压 DC24V。皮带传 动，传动速度 20 米/min 5 套康尼 4.3 工件外形 6060mm ，材质：尼龙 80 个康尼 5 机器人打磨抛光单元包括抛光机构、打磨抛光工装等 5 套康尼 5.1 抛光机构 被抛光工件材料：不锈钢。固定台 主体采用铝型材制作。 5 套康尼 6 机器人手爪 5 套康尼 6.1 母体工装 主要由气爪、手指、光线放大器感 应头、导电电极、真空气路等组成。 5 套康尼 6.2 搬运手爪工装气路自动对接，无需人工辅助 5 套康尼 6.3 画笔工装画笔采用软笔 5 套康尼 6.4 打磨抛光工装直流电机驱动，毛毡抛光轮 5 套康尼 7 安全单元 由型材、茶色有机玻璃、光幕组成。 5 套康尼 8 电控系统 5 套康尼 8.1PLCFX2N-64MR-D5 个三菱 8.2 光电开关 E3Z-LS615 个欧姆龙 8.3 光纤传感器BF3RX+FT-320-05（反射型） 5 个 AUTONI CS 8.4 直流电机 Z2D10-24GN 2GN18K 功率：10W 减 速比 18：1 5 个中大 8.5 直流电机 ZYTD-38SRZ-R 空转转速：4000RPM 功率：7W 电源： 24V 额定转数：1700 额定转矩 750 5 个正科 8.6 开关电源 DR-120-24 DC24V,5A5 个明纬 8.7 光幕 DQA30/10-290 检测距离 0.3-3 米 光幕高度 290mm,光束 30 个 5 套 戴迪斯 科光电 8.8 接触器 LC1-D18M7C5 个施耐德 8.9 漏电保护器 DZ47-60 3P C325 个正泰 8.10 电源开关、急停按钮、 开关等 LA42HD-11/24V RG5 套天逸 9 气动系统 5 套康尼 第三章 工业机器人工作站集成方案设计 22 9.1 单电控两位五通电磁 阀 4V210-06-B DC24V10 个亚德客 9.2 真空吸盘 ZPR20BN-40-B65 个 SMC 9.3 真空发生器 VN-05-H-T2-PQ1-VQ1-R015 个 FESTO 9.4 数字式压力开关 ZSE30A-01-P-LA15 个 SMC 9.5 空气过滤减压阀 AC2000-A5 个亚德客 9.6 底座200M-2F 可以安装 6 个电磁阀 5 个亚德客 9.7 静音空气压缩机FB-95/7 型（5 台共用 1 个气泵） 1 个风暴 10 工作台铝型材和钣金焊接构成 5 套康尼 11 附件 5 套康尼 12 安装调试 13 运输 3.2 工工业业机器人的本体机器人的本体 工业机器人的本体由 IRB120 机器人、机器人控制器、示教盒组成。机器 人本体通过配备气爪及手指、吸盘、画笔、抛光轮等执行件相应地完成物件的 抓取、放置、轨迹模拟画图、打磨抛光等操作。机器人本体由六自由度关节组 成，抓取物体重量3kg。固定在型材实训桌上，活动范围半径大于 580mm， 角度不小于 330，机器人本体具体参数如下表 3.2 所示。 图 3.2 工业机器人本体性能参数 形式形式单位单位规格值规格值 机种6 轴标准规格 动作自由度 6 安装姿势地板、垂吊 活动范围半径 mm580 周围温度 040 本体重量 kg25 位置往返精度 mm0.01 可搬重量 kg 3（额定） 集成信号源手腕设 10 路信号 集成气源 bar5 防护等级 P30 轴 1 旋转330（-165+165） 轴 2 手臂220（-110+110） 轴 3 手臂160（-90+70） 轴 4 手腕320（-160+160） 轴 5 弯曲240（-120+120） 动作范围 轴 6 翻转 度 800（-400+400） 轴 1 旋转 250 轴 2 手臂 250 轴 3 手臂 250 轴 4 手腕 320 轴 5 弯曲 320 最大速度 轴 6 翻转 度/秒 420 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 23 3.3 工工业业机器人的控制柜机器人的控制柜 ABB 工业机器人控制器包含两个模块，控制模块和驱动模块，两个模块 通常合并在一个控制器机柜中，控制模块包含主机、I/O 电路板和闪存等所有 的电子控制装置，运行操作机器人（即 RobotWare 系统）所需的所有软件。 驱动模块包含为机器人电机供电的所有电源电子设备。IRC5 驱动模块最多可 包含 9 个驱动单元，它能处理 6 根内轴以及 2 根普通轴或附加轴。使用一个控 制器运行多个机器人时，必须为每个附加的机器人添加额外的驱动模块，但只 需使用一个控制模块。 图 3-2 ABB 工业机器人控制柜 3.4 工工业业机器人的示教器机器人的示教器 ABB 工业机器人示教器是进行机器人的手动操纵、程序编写、参数配置以及 监控用的手持装置，示教器用于执行与操作机器人系统有关的许多任务，可在 恶劣的工业环境下持续运作，是我们最常打交道的控制装置，其触摸屏易于清 洁，且防水、防油、防溅锡。ABB 工业机器人示教器由硬件和软件组成，其本 身就是一台完整的计算机，通过集成线缆和接头连接到控制器。但操作示教器 时，通常会手持该设备。惯用右手者用左手持设备，右手在触摸屏上执行操作。 而惯用左手者可以轻松通过将显示器旋转 180 度，使用右手持设备。 第三章 工业机器人工作站集成方案设计 24 图 3-3 ABB 工业机器人示教器 3.5 工工业业机器人的手爪机器人的手爪 1.母体工装 母体工装直接安装在机器人上，可以直接抓取其他 3 种工装进行作业， 也可以直接抓取方形工件进行搬运入库工作。母体工装主要由气爪、