自动化生产线

1、工业机器人的综述摘要机械制造自动化生产线上常用的机器人主要是工业机器人，如焊接机器人、装配机器人、 搬运机器人、喷涂机器人等。美国从20世纪50年代后期就大力开发工业机器人。世界上第 一台工业机器人诞生于20世纪60年代。20世纪80年代机器人产业取得了巨大发展，成为 一个里程碑，其间开发出的点焊机器人、弧焊机器人（见图5-35）、喷涂机器人（见图5-36） 以及搬运机器人四大类型的工业机器人系列产品，已经成熟并形成产业规模，不仅满足了汽 车行业的需求，也有力地推动了制造业的发展。20世纪90年代，装配机器人及柔性装配线 得到广泛应用。目前，工业机器人已进入智能化发展阶段，并与数控（NC）、可

2、编程控制器 （PLC） 一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，用于铸造、锻造、焊接、装配、切 削加工、喷漆、热处理及水下作业等领域。人们将工业机器人和随后发展起来的医疗、教学、 电子、国防、矿山、海洋、航天、林业及农业等领域使用的机器人，统称为机器人。机器人 得到广泛使用的主要原因是，将操作人员从肮脏、危险和单调的工作解放出来，使用安全； 提高劳动生产率，节省材料和能源，从而降低成本，提高产品的一致性和稳定性，促进产业 的自动化，使之获得良好的经济效益和环保效果。关键词：工业机器人机械终端手柔性生产线装配与检测前言在生产系统中，工业机器人是又一类可编程的自动化装备，工业机器人可以定义为：

3、一 种计算机控制可编程的多功能通用操作机。它可以根据程序指令完成多种作业，主要用于搬 运物料、工具和工件，以及装配与加工等。与NC机床不同，机器人由指令程序进行控制和 协调其各坐标轴运动，要求指令程序协调与控制其机械臂和手的运动。从1921年剧作家卡尔雷尔.卡佩克开始，至今机器人仍然是科学幻想中的主角。现实工 业机器人是1959年由Unimation公司推出的第一台工业机器人，它经示教后，计算机与机 械手自动配合完成多种作业。1962年研制出有触觉传感器的机器人。1968年，把电视摄像 机和拾音器加入机器人中，使它具有视觉和听觉，从而揭开了智能机器人研究的序幕。1974 年，MIT人工智能实验

4、室开始了对力反馈人工智能机器人的研究。机器人技术中的基本问题 是通过动作规划（在动作之前的决策）完成预定的任务。为了求解而引出了许多有关人工智 能的问题。智能机器人至今仍在研究开发之中。但工业机器人已经广泛用于喷漆，焊接，搬 运和加工自动化中。工业机器人的定义全世界对“机器人”这个术语有各种各样的定义。由美国工业机器人学会（RIA）提供 的定义是：工业机器人是一种可以重复编程的多功能机械手，“重复编程”和“多功能”是 工业机器人区别于各种单一功能机器人的两大特征。“重复编程”是指，机器人能按照所编 的程序进行操作并能改变原有程序，从而获得新功能以满足不同的制造任务。“多功能”是 指，可以重复编

5、程和使用不同的执行机构去完成不同的制造任务。围绕这两个关键特征来给 机器人下定义，已逐渐被制造专业人员所接受。ISO曾于1987年对工业机器人给出定义： 工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机，日本 工业标准（JIS）采用此定义。ISO给出的定义与美国工业机器人学会的定义相近。其实，工业机器人也是一类机器人的总称。依据具体应用的不同又常常以其主要用途命 名。如到现在为止应用最多的是焊接机器人（包括点焊和电弧焊机器人），装配机器人，喷 漆机器人，搬运，上下料，码垛机器人等。并不是说只有机器人才能完成这些工作，有些专 用设备也行，但是工业机器人的要点在于，它通过

6、编程灵活的改变工作内容和方式，从而满 足生产要求的变化，如焊缝轨迹，喷漆位置，装卸零件的变化。工业机器人使生产线具有了定的柔性。工业机器人的组成工业机器人一般由两大部分组成，一部分是机器人的执行机构，也称为机器人操作机， 它完成机器人的操作和作业；另一部分是机器人控制器，它主要完成信息的获取、处理、作 业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。当然，机器人要是想完成指定的生 产任务，还必须有相应的作业机构及配套的周边设备，它们与机器人一起组成了完整的工业 机器人作业系统。图5-31（a）是工业机器人系统的基本组成框图。图5-31（b）为工业机 器人系统外形。图5-32为工业机器人结构示

7、意图，它的组成和作用如下：图5-31工业机器人作业系统执彳丁系统它由手部、腕部、臂部、立柱和行走机构组成，作用是将物件或工具传送到预定的工 作位置。1手部(手爪或抓取机构)用于直接抓取和放置物件(如零件、工具)2腕部(手部)是连接手部和臂部的部件，并用于调整或改变手部的方位。3臂部(手臂)是支撑腕部的部件，用于承受工作对象的重量，并将物件或工具传送 到预定工作位置。4立柱用来支撑并带动臂部做回转、升降和俯仰运动，扩大臂部的活动范围，是机器 人的基本支撑件。5行走机构其作用是可以扩大机器人的活动空间，实现整机运动。行走机构的形态有 两种，模仿步行的脚和模仿汽车车轮的滚轮。大多数工业机器人和图5-

8、31 (b)中的一 样没有行走机构，一般由机座支撑整机。驱动系统它是用来驱动执行机构的传动装置，常用的有液压传动、气压传动和伺服电机传动等。控制系统它是用来控制驱动系统，使执行系统按照预定的要求进行工作。对于示教再现型工业 机器人来说，就是指示教、存储、再现、操作等环节的控制系统。检测机构它是利用各种检测器、传感器对执行机构的位置、速度、方向、作用力及温度等进行 监视和检测，并反馈给控制系统以判断运动是否符合要求。周边设备这里泛指工业机器人执行任务所能到达的工作环境、协助机器人完成工作任务，或者 对机器人正常工作产生影响的各种设备。工业机器人的控制原理控制系统是机器人的关键和核心部分，它类似于

9、人的大脑，控制着机器人的全部功能。机 机器人功能的强弱、性能的优劣和水平的高低，主要取决于控制系统。要使机器人按照人们 的要求去完成特定的作业，机器人的控制系统需要完成以下四件事情。告诉机器人要做什么。这个过程称为“示数”，也就是通过计算机可以接受的方法 告诉机器人应该做什么，给机器人发送作业命令。机器人接受命令，形成作业过程的控制策略。这个过程实际上是由机器人控制系 统中的计算机部分完成的，包括机器人系统的管理、欣喜的获取及处理、控制策略的制定、 作业轨迹的规划等任务。完成作业任务。这个过程是由机器人控制系统中的伺服驱动部分完成的。控制系 统可以根据不同的控制方法，将机器人控制策略转化为控制

10、伺服驱动系统的信号，实现机器 人的高速、高精度运动，去完成规定的作业任务。保证正确完成作业，并通报作业已经完成。这个过程是由机器人控制系统中的传 感器部分完成的。传感器检测并向控制系统反馈机器人的各种姿态信息，以便实时监控整个 系统的运动情况。图5-33为机器人控制的基本原理框图。示教控制计算机伺服驱动图5-33机器人控制的基本原理框图1传感器4、工业机械人的分类以下六种方法中任意一种均可作为工作机器人的标准：1、手臂的几何形状；2、驱动方 式；3、控制系统；4、运动轨迹；5、用途；6、智能化程度。表5-3是根据控制系统方式对 工业机器人进行分类。图5-34是机器人手臂动作形态进行分类的。三、

11、工业机器人的基本结构通常，工业机器人由机械手（Manipulotor）、中端效应器（手爪或作业工具）、 移动器、传感器和控制硬软件组成。机械手由关节（铰链）、杆件及其他物理结 构组成。关节与杆件及其运动特征与人的关节相似，工业机器人的关节可使其上的两个零（部）件相对运动一 一传动或移动。在大多数情况下，工业机器人中一个关节提供一个自由度。未来 的机器人可能有多个运动自由度的关节，每个关节连接两个杆件输入杆件与 输出杆件。在机器人运动学研究中，杆件可视为刚性杆。关节设置的目的是，使 相连接的输入与输出杆件可在控制下实现相对运动。几乎所有工业机器人所配置的关节都可分别归入以下五类，如图所示c I（

12、1）线性关节。这种关节允许输入杆件与输出杆件间进行相对线性滑动， 杆件的轴线相互平行。它又称为L型关节。（2）正交关节。它也是相对线性滑动，但输入杆件与输出杆件在运动时彼此相互垂直，称之为o型关节。 一一一.（3）回转关节。这类关节可使连接的杆件间进行相对转动，其输入杆件与 输出杆件的轴线垂直于转动轴，称之为R型关节。（4）扭转关节。这类关节也可提供相对转动，但两杆件的轴线平行于相对 转动轴，称之为T型关节。（5）旋转关节。这类关节中输入杆件的轴线平行于关节的转动轴，输出杆 件的轴线则垂直于关节的转动轴，称之为V型关节。、阐笔况羊这种关节的运动范围有限，如典型的线性关节运动范围为几十至几百毫米

13、; 三种转动运动关节的运动范围为几度到几周。一般工业机器人有稳固的基座。如图所示，基础与机座1相连，它的输出时（方向厂厂一E型结构与关节的运动心、杆件2的输入。按这种关系串联一系列的关节与杆件，构成机器人的机械装置系 统。机器人的操作手可分为两大部分。其一是基座/臂部分，其二是手腕部分。 通常基座/臂部分有三个运动自由度。而手腕部分有两个或三个自由度。手腕终 端手随机器人所完成的作业而变，以便抓拿物件。经常是手臂确定物件位置，手 腕与爪确定物件的姿工业机器人的如上所述，一台三自由度的基座/臂利用五种关节可组出125种不同的组合 方案，故不便于设计应用。商业出售的工业机器人多采用以下五种结构：（

14、1）极坐标型立柱/臂结构。它有一个滑动臂（L型关节）、两个转动 水平轴转动（R型关节）和垂直轴转动（T型关节），可用TRL表示。（2）圆柱坐标结构。这种结构的机器人有一立柱，机器人的臂可在其上作 上下运动，臂的终端手可以在立柱轴线或轴线外作相对运动、它可以采用TLO 和LVL关节。（3）笛卡尔坐标结构。这种结构的机器人又称X-Y-Z机器人或直线机器人。 它有三个滑动坐标，其中任何两个坐标相互垂直正交。关节组合结构可为LOO 和 OLO。（4）关节型结构。这类机器人与人的手臂关节相似，手臂采用TRT、VVR 的关节组合结构。其常用的工业机器为PUMA与机器人。（5）SCARA结构。SCARA的含

15、义是选择顺应装配机器人臂。除了肩和肘 的转轴是垂直的特点外，这种结构与关节臂相似。因此，这类结构的机器人垂直 方向刚度很好，而水平方向是顺应（柔性）的。SCARA机器人它可表示为VRO。 这类机器人在垂直方向可完成安装插入作业，故可供插入型装配作业选用。另外 四种体/臂结构几乎都采用R和T型回转关节，典型的手腕结构方案采用TR和 TRR结构。间或3.工作（操作）和空间（容积）图54三代由度手辄的哩型蛰御示例【TRRI操作的空间，有时称之为工作(操作)包络空间。机器人的工作空间由其立柱- 臂-腕的关节类型、关节数目、关节与杆件的尺寸和各关节的工作范围等因素确 定。工作空间的形状在很大程度上取决于

16、机器人的结构，如极坐标结构的机器人 多是球星工作空间，圆柱坐标机器人则为圆柱型包络面，笛卡尔坐标机器人为矩 形的工作空间。四、精度和重复定位精度在机器人的工业应用中，一个重要的属性是机器人终端手精确而可靠重复地 定位和定向的能力。例如，一些装配用的工业机器人，其定位精度已要求达到 0.050.125mm；在点焊应用中，通常要求精度是0.51.0mm。为此要了解一下几 个术语：1.按精度分辨率(CR.Control Resolution)控制分辨率指的是机器人的操作控制器和定位系统细分关节工作范围(空 间)为控制器可以辨识的最近的空间点的距离。这些点称为可寻址点，因为它们 表达了机器人根据程序指

17、令可以运动的位置的确定程度。控制分辨率是控制器对 关节的位存储能力。若n代表实际关节可用的位数，则在该关节的运动范围内， 可寻址点的点数N为N=2An因此，控制分辨率可定义为邻近可寻址点间的距离。故有CR=J/(2An)式中，CR为控制分辨率；J为关节的运动范围。式中只考虑了机器人的单个关节。在机器人学中，相关的术语还有空间分辨 率(Spatial Resolution)，它是控制分辨率与关节和杆件机构误差的组合。机构误 差由如齿轮间隙、杆件绕度、液压油泄漏等误差因素引起。若机构误差可用正态 分布的随机变量表征，则空间误差SR可表示为SR=CR+6o m式中，。m为机构误差的标准方差。机器人的

18、机构空间误差(The Complete Spatial Resolution)是全部关节及其机 构误差作用的结果。例如，多自由度的工业机器人，其空间误差强烈地依赖于其 工作容积。因此，给定的关节组合可能放大控制分辨率和机构误差的影响，即机 器人各关节伸展开比收缩时关节的误差大。定位精度定位精度(Accuracy)是机器人终端手在给定的工作空间上定位精确度的度 量。与NC机床定位精度相同，机器人的定位精度PC可表达为PC=CR/2+3o m根据空间分辨率，机器人的定位精度可定义为PC=SR/2重复定位精度机器人的重复定位精度(Repeatability)是其终端手在给定的工作空间上，对 目标点重

19、复定位性能的度量。重复定位精度RE可表达为RE=3 a m控制分辨率、定位精度和重复定位精度三者间的关系。通常，机器人在三维 空间运动，故重复误差呈三维分布。可以把它看成以编辑点位球心，半径为3 倍。m的球形区域。一般用这一球面半径表达重复定位精度，它通常为土 0.75mm，现代装配机器人重复定位精度值要求为 0.50mm事实上，三维误差的分布形状不是完全的球形。因此要考虑各个方向上的不 同点(各向异性)。在机器人刚性好的运动方向上，误差变动小，刚性低的方向 变动大，故球面半径不是常数。所以在工作空间内，某些区域的重复性误差大雨 其他区域。可见重复定位精度的计算不完善。精确的定位精度与重复定位

20、精度受 机器人动态作业的影响。影响定位精度和重复定位精度的动态因素有机器人的速 度、有效载荷和运动方向等。5、工业机器人语言及编程人们心目中理想的机器人应该像人一样能自主的进行运动，但机器人是机器，而不是人。 工业机器人和计算机一样，只能做预先告之的工作，即人是通过程序来告诉机器人该做什么 和怎么做，这和计算机编制程序的概念是一致的。早期的机器人编程是人通过手把手地示教方式进行的，示教时用多通道记录仪记录下机 器人各个关节的运动(角度、速度、力矩)信号，然后将信号输给机器人让他重复(即再现) 与各个关节运动相同的运动。这个过程很像用摄像机摄像后再重放的过程。这种方式在机器 人术语中叫做示教再现

21、(teaching play-back)。后来，一种用来描述机器人运动的形式语 言出现了，这就是机器人语言(robot language) 06工业机器人的应用目前，工业机器人主要应用于以下三类领域:物料传输与装卸。处理或加工作业。装配和检测。大多数企业在采用工业机器人工作单元前，要进行投资效益分析和技术可行性论证， 可靠性分析，对库存减少、产品质量改进、生产能力的影响和投资效益的分析等。由于工业 机器人属高投资设备，故应用机器人时，必须仔细地分析论证。在我国采用机器人工作，还 应考虑机器人的使用可靠稳定性、利用率和企业使用的人员条件。工业机器人在物料传输中的应用在物料传输中应用的机器人，配置

22、有手爪类的终端效应器，它主要用于物料传送或装 卸(上下料)。新的位置上。这运四另物料传送机器人的主要作业是搬运物件，即从一个位置抓起工件，放类用途是利用机器人重新安排工件的位置，也可以把工件搬运到另一个传送线上。这种搬 机器人技术要求不高，但应用得很成功，大多采用有限顺序型机器人。它们一般只有两到 个关节，常用气动方式启动。另一种较复杂的搬运机器人大多采用机动引导法进行示教。 有一种搬运机器人，是把物件从托盘I的某一位置搬运到另一个特定的位置上，或进行堆放， 抑或插入作业中。工件装卸用于生产设备工件装卸的工业机器人有三种情况：上料。机器人只把工件装到生产设备上，由其他装置完成卸工件的作业。.兀

23、中。与上料机器人相反，机器人只完成卸工件作业，上料作业由其他装置控成(3) 装卸。这时机器人既完成上料装活作业，也完成卸工件作业。以机器人为中心的工作单元很多用在工件装卸中。这时一台机器人可以为几台生产设 备服务，完成装卸作业。例如：压铸。工业机器人的任务是从压铸机上取下铸件，有时亦可兼做把压铸件放 入池内冷却的作业。注塑。与压铸过程相似，这时工业机器人的主要任务是从注塑机上取下零件。（3）金属件机加工。这时工业机器人把坯件装上机床，取下已完成加工的工件。在加工前后形状与尺寸有变化时，这类工业机器人要考虑终端效应器的设计 问题。（4）锻造。在锻造过程应用机器人的典型作业是：把锻坯放入锻模内，在

24、锻造过 程中夹持住锻件在锻锤运动中锻成要求的锻件。由于这种场合机器人必须在 严酷的条件下工作，在技术上要考虑锻锤的作用和锻模发生故障时机器人终 端手的危险性等问题。（5）冲压。板材冲压过程中对操作者危险性大，故常用工业机器人代替操作工人 完成冲压、压印等作业。（6）热处理。这时机器人只需从加热炉中装卸工件，完成简单作业。工业机器人应用中的一个实际问题是处理工业机器人与生产设备工作循环时间不同的 问题。通常生产循环时间大于机器人搬运的循环时间，如它可以在20s内完成装卸作业，而 工件处理或加工时间一般为几分钟或更长。提高机器人利用率的办法之一是实行多机服务。工业机器人在哦加工处理中的应用工业机器

25、人在点焊、弧焊和喷漆中已得到广泛应用。在切削加工和其他处理（如铆接） 中的应用也正在逐渐增多。在点焊中的应用点焊是在相接触的两件板材搭接处，将他们焊融在一起额一种金属连接法。它利用两 个铜基电极机机械地压接，再应用大电流通过电极和极材接触点使接触处融焊。它已广泛应 用在汽车车身制造的点焊加工中，成为目前工业机器人应用最重要的领域之一。点焊的本质 是电阻焊接，但焊枪和机器人终端效应器相当重。点焊机器人多采用56轴、持重大的工业 机器人完成作业，多用机动引导法进行示教，在点焊线上呈直线排列。典型的汽车电焊线上 有2030台点焊机器人。连续弧焊它是提供连续焊缝连接的加工法，比点焊有更高的连接强度，被用于制作压力容器、 管道或其他要求连续连接且强度高的作业中。这类焊接过程于人健康不利，主要是紫外线辐 射和高温等因素。由于操作者易疲劳，又不易看清，故不易保证连续焊接精度，且有效焊接 时间仅为工作时间的20%30%。为此要求弧焊自动化。实现自动化的方法之一是采用工业 机器人进行弧焊。弧焊机器人单元由工业机器人、焊接装置（焊接电源、控制箱、焊剂和自 动送焊丝机构等）和夹具组成。为了获得高生产率，该单元采用双夹具台，一个工作，另一 个为下一工作循环而准备，机器人始终处于连续作业状