工业机器人集成应用（ABB） 高级 拓展阅读汇 项目1-5 工业机器人系统集成设计-工业机器人生产线系统集成

表SEQ表\*ARABIC5抛光压力的影响参数参数滑动接触状态半接触状态直接接触状态抛光压力较小大小适中过大，且不稳定抛光液层厚度间隙较大间隙适中，模型最佳无间隙表面摩擦力相对较小适中很大抛光效率较差较好易划伤表面一般地，初始抛光时，使用中等偏上压力，使抛光剂有较好的切削力，后续收光可逐渐放松压力。②抛光速度抛光速度主要与抛光基材、抛光剂的浓度、供给量相关较大。如REF_Ref14458\h图12所示，在抛光剂小于某一浓度值之前，抛光速度随抛光剂浓度的增加而增加；浓度达到某一数值之后，浓度再增加，抛光速度会随之下降。抛光剂供给量与抛光速度的关系同上。需要注意的是，由于抛光速度一般是由回转型抛光工具的转速决定，若线速度过大，抛光剂将会被甩出，因此抛光转速都不宜过大。具体参数见REF_Ref14507\h表6。图SEQ图\*ARABIC12抛光速度与抛光剂浓度、供给量的关系表SEQ表\*ARABIC6抛光轮圆周速度参数抛光基材抛光圆周速度/m钢铁零件（形状复杂）20-25钢铁零件（形状简单）30-35铸铁、镍、铬30-35铜及其合金、银20~30锌、铝、锡及其合金18-25塑料10-15粗抛光时，可选用较大的圆周速度；精抛光时则选用较小的圆周速度。3.打磨工作站分类随着打磨行业的逐步扩大，企业经常会面临打磨生产效率低，人工打磨危险系数高且成本高，打磨的质量也不稳定。为保证生产的顺利进行，可以将工业机器人应用到打磨行业中，具有以下优势。①便于将高噪音和粉尘的打磨环境与外界环境隔离，减少环境污染；②操作人员不直接接触危险的打磨设备，有效避免工伤事故的发生；③能保持产品加工精度的一致性，不仅保证了质量的可靠，而且降低了废品率；④工业机器人替代人工，降低人力成本，而且也不会因为操作工的流失而影响交货期；⑤可24小时连续工作，生产效率大幅提升；⑥可再开发性高，对于多样化的打磨工件类型，适应型较强。鉴于以上优势，工业机器人已经广泛应用于自动化程度高且对加工柔性有要求的生产线中。（1）工具型打磨工作站工具型打磨工作站，是工业机器人通过操纵末端执行器固连的打磨工具，完成对工件打磨加工的自动化系统。工具型打磨工业机器人一般会配备工具系统，可以存储3~5把打磨工具，包括铣削、磨削、抛光工艺加工的铣刀、打磨头、抛光轮等，从而满足粗、细、精等工艺加工。REF_Ref9474\h图13所示即为末端装载打磨工具和抛光工具的工业机器人。装载打磨工具（2）装载抛光工具图SEQ图\*ARABIC13工具型打磨工业机器人针对这些末端执行器，一般会采用电动或气动的方式，无论哪种驱动方式，均需要保证主轴的功率以及转速满足打磨所需要的工作效率和粗糙度要求。同时，如REF_Ref24104\h图14所示，为避免工业机器人和刀具过载而损坏，装载力控制器可以使打磨工具对工件的作用力能相对恒定，从而保持打磨工件的一致性，保证打磨精度。图SEQ图\*ARABIC14工具型打磨工业机器人受力方式对于打磨工业机器人本体，可以通过导轨行走，扩大其作业范围，满足了利用不同打磨场所布局的作业需求。对于大多数待打磨的零件，通常需要打磨作业的部位有多个面，为便于工业机器人夹持的各种打磨工具，避免工作干涉以达到打磨部位，可以为工件配置变位机，如REF_Ref24051\h图15所示，为轮毂打磨工作站配置的翻转复式变位机，以翻转和旋转两种动作姿态满足轮毂零件的全方位打磨要求。打磨工位打磨工位旋转工位图SEQ图\*ARABIC15打磨变位机（2）工件型打磨工作站如REF_Ref24218\h图16所示，工件型打磨工作站是一种通过工业机器人末端来夹持工件，把工件分别送达到各种位置固定的打磨机床设备，分别完成磨削、抛光等不同工艺和各种工序打磨加工的打磨工业机器人自动化加工系统。图SEQ图\*ARABIC16工件型打磨工业机器人受力方式按照打磨工艺要求，可以为打磨工业机器人分别配置砂带机、毛刷机、砂轮机以及抛光机。工件型打磨工业机器人的末端工具即为夹爪，可根据打磨需要配置力控制器，通过力传感器，及时反馈工业机器人在打磨过程中工件与打磨设备的附着力，防止工业机器人过载或工件打磨过度，从而确保工件打磨的一致性，防止产生废品。工业机器人+砂轮打磨机（2）工业机器人+砂带打磨机图SEQ图\*ARABIC17工件型打磨工业机器人

（3）搬运型打磨工作站如REF_Ref24665\h图18所示，在工业机器人配置磨床类型的打磨工作站中，工业机器人主要给磨床提供上下料，以及磨床之外的工件搬运，打磨工艺由磨床来保证。这种打磨工作站一般用于对零件打磨工艺要求较为复杂的工况，例如汽车发动机曲轴的打磨抛光。图SEQ图\*ARABIC18工业机器人+磨床拓展阅读4.2激光技术在汽车制造中的应用汽车制造是国家经济发展的支柱产业，也是工业生产中自动化程度较高的产业，在工业自动化、智能化上总是占据“领头羊”的地位。1.激光切割技术的应用激光平面切割技术的应用在激光切割应用技术中，平面切割占90%以上。从原来传统的机械冲压加工，到激光切割设备的单张板材加工，发展到汽车行业需要的整卷板材的激光加工，替代传统加工方式，无需使用模具，缩短了汽车制造的研发和生产周期，现已实现激光切割的多头联动技术，使汽车行业柔性生产效率提升一倍。激光三维切割技术的应用目前随着激光切割技术的进一步普及，其应用领域也逐步扩大，在汽车、航空航天等领域的制造中，立体板材模型的需求量日益增加，这也迫使市场的格局逐步从平面切割需要向三维立体切割转型。汽车钣金件加工件如机盖、后盖箱、水箱架、保险杠，汽车非金属件加工如工汽车安全气囊面板处，均包含了三维立体切割加工需求。激光焊接技术的应用汽车白车身顶盖激光自动焊接系统是一项对车顶与车身进行组焊的焊接技术。汽车安全气囊爆发由一个气体发生器控制，爆发时发生氧化反应，生成大量气体，产生爆发。因此，汽车安全气囊内胆的密封性要求非常高，需要避免过热现象。激光焊接强度高，热影响区小，焊接变形小；精度高，重复性好；非接触性加工，无需夹具和填充材料，加工成本低；且无夹杂风险。激光焊接是非常适宜的加工手段。汽车保险杠是异形件，传统的冲压方式很复杂，容易产生变形和应力，采用激光方式，不需要复杂的夹具系统，焊接接头强度高，可达到与母材等强度；激光焊接的平整，被焊工件在生产过程中不会损伤其它部件；无加工应力，无变形，适合后续组装精度要求。激光标记技术的应用激光标记技术具有永久性，标记不会因时间、环境等元素的改变而消退，不容易仿制和更改，防伪性高的特点。属于非接触式加工，安全环保，适用性广，可提供多种标记方式，可以对多种金属、非金属材料（铝、铜、铁、木制品等）加工。效果极其精细，雕刻精度高，最小线宽可达0.04mm。标记清晰、持久、美观；运行成本低，加工效率高、开发速度快等优势。主要应用于发动机、气缸、车架、仪表盘等，永久性标识和需要产品追溯的部件。汽车工业的快速发展，离不开先进的制造技术。激光技术凭借高能量、高精度、高适应性等特点在汽车工业中被广泛采用，欧美工业发达国家50%-70%的汽车零部件都是用激光加工完成的。汽车激光切割、激光焊接技术既是汽车新产品开发的技术保证，又是高质量、低成本生产不可或缺的技术手段。拓展阅读4.3工业机器人系统设计时需考虑的危险事项设计工业机器人系统时，需遵循一些安全相关的基本准则，具体如下。机器人产生的伤害应控制在可接受的范围内。应通过本质安全设计措施减小或消除伤害。如通过本质安全设计措施消除或充分减小与其相关的伤害不可行,则应使用安全防护和补充保护措施来减小伤害。通过本质安全设计措施、安全防护和补充保护措施不能减小的遗留伤害应采取使用信息和培训来减小。即使机器人不受控制也不应产生伤害,否则应对其进行隔离或强迫其停止运动。图SEQ图\*ARABIC1安全设计原则示意图设计工业机器人时，需考虑的可能引起事故的危险事项见。表SEQ表\*ARABIC1主要危险事项类型危险源潜在后果机械危险锐边；粗糙或光滑表面；旋转或运动部件；机械的移动；机械的不稳定；重力；储存的能量；姿势；重复活动；可见性；部件设计，位置或识别错误剌穿或刺破；滑倒、绊倒和跌落；剪切；摩擦或磨损；碰撞；砸伤；喷射；疲劳；其他人为错误引起的后果；财产损失电气危险电弧；静电现象；带电部件；与高压带电部件间无足够的距离；过载；断路；故障条件下变位带电部件；热辐射；爆炸；火焰烧伤；电伤；跌倒或甩出；着火；电击；融化颗粒的射出；热辐射引起的伤害；中毒；烫伤；财产损失控制危险动力故障；意外停机；意外启动；传感器失灵；软件功能失灵；控制器失灵失控；砸伤；夹伤；碰伤；财产损失信息危险泄露；拦截；入侵；恶意代码失控；财产损失；人身伤害；事故其他危险辐射引起额定危险；化学危险；动物、职务、微生物等进入机器人内部可能引起的危险；爆炸气体引起的危险失控；财产损失；人身伤害；事故拓展阅读5.1工艺流程图工艺流程图是指用于示意反应过程或化学加工的示意图，在分析产品、人员的运动中，工艺流程图对一步步的顺序提供了有价值的图解。工艺流程图主要利用图形符号的表达方式，能够十分清晰明了的表达工艺流程中各部分原件的结构以及工艺的运行过程。工艺流程图一般有如下几种：全厂总工艺流程图或物料平衡图，在化工厂设计中，为总说明部分提供的全厂流程图样。对综合性化工厂则称全厂物料平衡图。图上各车间(工段)用细实线画成长方框来示意。流程线只画出主要物料，用粗实线表示。流程方向用箭头画在流程线上。图上还注明了车间名称，各车间原料、半成品和成品的名称、平衡数据和来源、去向等。物料流程图MBD（materialbalancediagram），是在全厂总工艺流程图基础上，分别表达各车间内部工艺物料流程的图样。在流程上标注出各物料的组分、流量以及设备特性数据等。工艺管道及仪表流程图PID(Piping&InstrumentDiagram)，是以物料流程图为依据，内容较为详细的一种工艺流程图。在管线和设备上画出配置的某些阀门、管件、自控仪表等的有关符号。拓展阅读5.2数字化双胞胎技术解读随着信息科学技术和大数据的发展，智能制造逐渐成为制造业发展的新方向。一个国家的制造业水平和规模直接决定其科技水平和经济实力，为了在数字化浪潮到来之时抓住智能制造的机遇，许多国家针对国内以及国际制造业形势，提出了各种促进制造业发展的战略部署。数字化双胞胎技术的出现，为制造业数字化改革提供了新的方法和方向。什么是数字化双胞胎数字化双胞胎技术是依靠数字化技术，模拟物理实体在现实环境中的行为，虚拟出与现实世界完全一致的数字化镜像。数字化双胞胎技术能够帮助客户完成从产品设计、生产规划、工程组态、生产制造直到服务的全数字化方案，形成基于数字化技术的虚拟工厂。数字化双胞胎技术主要包含三大部分：“产品数字化双胞胎”、“生产工艺流程双胞胎”、“设备数字化双胞胎”。在生产设计阶段，主要运用如NXUG、Simcenter等计算机辅助设计软件进行完成，构建出产品的数字化虚拟模型，并对其进行仿真模拟和优化。在生产管理阶段，将数字化模型在生产管理平台上运营调试，该阶段的重点在于生产车间的配备和设计，具体涉及车间的整体布局和优化、产线的配置和优化以及人员的分配和优化等等。在设备管理阶段，通过设备模型仿真设备的运行工作状态，模拟机械部件与电气部件间的联动，将产品的全生命周期实现管理运营，创建全数字化的生产管理模式。数字化双胞胎技术的优势缩短设备调试周期对比在工厂现场使用实际的机器进行调试，虚拟调试可以在办公室的数字开发环境中实现，机器仿真过程中的模拟测试能够识别和消除设计中错误，通过虚拟调试相较于实际调试可将时间缩短50%以上。提升工程设计质量虚拟调试可以并行进行工程设计，仿真和测试的结果可直接用来提高工程设计的质量，虚拟控制器能够测试实际的PLC程序，修正虚拟环境中自动化程序和机器功能，增加系统的确定性和稳定性，使控制系统在实际调试时更能够满足客户的预期效果。降低研发生产成本通过虚拟调试，将大幅度减少现场调试的时间，降低调试错误的风险，缩短调试的时间周期；由于预先进行了深入的仿真测试，在实际调试过程中只需要对整套系统进行少量的修正，如此可将开发成本降低30%以上。降低设备测试风险在虚拟调试期间，一切都可以在无风险的环境下测试，避免可能会在实际调试过程中发生的严重安全事故，通过故障排除显著降低了实际机器中的错误风险。拓展阅读5.3安全操作手册示例1.前言说明（1）编写要点主要介绍阅读本说明书的方法以及交代未尽事宜，同时做好免责声明。（2）编写示例本手册主要介绍车轮总装生产线的运行与调试说明，并根据系统的要求和特点，为人员人身安全、系统的正常运行和生产而提出的生产操作上的主要事项，对于系统内各专用设备本身的操作要求，应仔细阅读各设备供货厂家的使用说明书。系统部分操作参数由于加工零件的特性、环境温度及设备性能等的不断变化，因而在实际操作运行中并不是一成不变的，应当根据实际生产情况及时调整。操作人员在全面掌握本手册中各项操作要领的同时，还需要了解生产线中每一台设备的性能、维护保养和操作安全的方法与要求，必须熟知控制系统的操作方法与步骤，各仪器测试点的正常参数指示范围和报警范围，以及在报警时应采取的措施和步骤，以便在实际生产操作中及时解决随时可能出现的各种问题，并根据实际情况做灵活处理。2.生产线的组成（1）编写要点作为安全操作的基础，首先就是要对生产线有全面的了解和认知，一方面要对生产线主体设备及附属设备、围栏、保护器件的详细说明，另一方面要考虑生产线功能的调整，阐明生产线的应用范围。（2）编写示例1如REF_Ref29270\h图1所示，车轮总装生产线主要包括10个模块，分为11个单元，分别为执行单元、仓储单元、打磨单元、检测单元、分拣单元、总控单元、压装单元、激光打标单元、工具单元、四轴工业机器人单元、数控加工单元以及配套软件和工具。其中，激光打标单元与工具单元处于同一个模块。图SEQ图\*ARABIC1车轮总装生产线（激光打标加工应用）执行单元仓储单元……配套辅件（3）编写示例2生产需求决定着生产工艺，随之决定着生产线的应用类型。允许不同生产工艺的应用根据车标零件加工工艺的不同，车轮总装生产线可以分为激光打标加工应用和数控加工应用两种类型，两种生产线从结构而言主要区别于启用的单元模块所有不同：激光打标加工应用的生产线利用激光打标单元的激光打标工艺来完成加工（REF_Ref43688349\h图5-1所示），而数控加工应用的生产线利用数控加工单元的铣削工艺来实现车标加工（REF_Ref27709\h图2所示）。图SEQ图\*ARABIC2车轮总装生产线（数控加工应用）允许不同生产工序的应用由于生产的方式、工艺侧重点、场地、节拍要求等因素的不同，在同一生产工艺下的生产工序也会有所不同。换而言之，模块化的设计可以允许在该生产线上运行不同的生产工序。与生产工序直接相关的就是生产线的布局。根据激光打标加工应用和数控加工应用的不同，设计者可以选用一下布局来实现车轮总装的生产加工。3.安全注意事项在以人为本，讲究安全操作的今天，生产中的安全事故已经受到密切关注。即使像车轮总装生产线这样已经充分具备安全保障措施的柔性智能生产线，操作危险依然不能全部避免。在生产过程中安全的关键还是人，操纵人员必须牢固梳理安全意识，严格遵守安全操作规程，强化自身安全思想，提升自我安全防护能力。（1）编写要点有关将要使用的人身防护设备的信息；由用户采取的防范措施的建议，如专用防护器件、防护距离、安全标志和指示等；可能会发生的危险以及相应的救护程序；操作人员需要经过的训练。（2）编写示例如针对人员操作规范的要求如下。所有操作人员必须经过培训才可对设备进行操作，并严格按照使用书和工艺指导书以及生产线的操作规程进行操作；对于专业设备的操作必须持证上岗，如数控加工设备的操作、六轴工业机器人的操作、以及四轴工业机器人的操作；进入工作岗位之前，操作人员统一穿着安全服（工装）、劳保鞋（工鞋）、安全帽（工帽），且穿着整齐；调试专业设备的人员需要穿戴特殊护具。在调试激光打标设备时需要穿戴防激光护目镜，在调试数控加工设备和打磨设备时需要穿戴口罩和普通护目镜；要做到耳到、手到、心到、眼到，集中精力，切实防范安全事故的发生。……4.设备安全指示（1）编写要点说明资料应提供用户可识别的指示和警告器件的信息。特别是，不允许的危险。告警指示故障鉴别和位置的指示表示正常状态的指示出现在生产线上的告警符号（2）编写示例1车轮总装生产线的有丰富的安全指示装置，诸如三色灯、蜂鸣器、HMI（总控单元与数控加工单元）中的报警装置等，这些报警装置的每一个状态均可代表当前生产线的生产状态。三色灯与蜂鸣器具体的报警指示与生产情形对应关系见REF_Ref27911\h表1，HMI的相关报警可直接人为读取。

表SEQ表\*ARABIC1报警标识序号三色灯蜂鸣器含义1黄色未响生产线处于调试状态2绿色未响生产线处于正常生产状态3红色未响生产线某设备发生故障4红色响动生产线发生碰撞或急停……（3）编写示例2在操作设备前，应熟练认知设备相应的安全标识，保持自身对安全标识足够的敏感度。相关安全标志REF_Ref27999\h表2。

表SEQ表\*ARABIC2安全标志序号标志标识位置含义1激光打标机该设备可以发射激光，调试及运行时需要格外注意，尤其对眼睛的防护。2打磨单元在调试打磨设备时，必须佩戴护目镜，防止碎屑进入眼睛。3分拣单元压装单元设备内部具有强力机械运动机构，传输装置很有可能将手卷入设备中，造成人体严重伤害4数控加工单元加工单元在正常运行时，不可强行开启防护门。5工业机器人总控单元带电工作的设备以及强电所在的电气端口都有可能发生漏电，需要严格注意此类设备6生产车间（公共区域）必须穿戴防护鞋7生产线标识区域专业设备，非工作人员请误操作……

5.系统启动前的准备工作（1）编写要点阐释系统在电气启动前的所有注意事项。主要包括以下几点：生产线的安装、固定方法及要求生产线开机前的清理事项，主要为清除废物的方法生产线开机前的检查事项生产线开机前的确认事项生产线设备安装结束后，必须对照每个单元模块的安装说明，对各个单元模块进行检查、核实是否满足安装要求，通过检查与确认相关状态，即可对系统进行开机。编写方式可以按照工艺顺序进行，也可以根据单元模块进行逐一检查与排除。（2）编写示例1生产线的安装固定及连接：单元模块的移动方法；单元模块的拼接及固定；模块之间的电气连接生产线的通信连接。本篇内容可参考系列教材（初级）的模块拼接相关操作。（3）编写示例2清理事项清楚设备内部及周围与操作无关的杂物，特别是安装过程中遗留在设备中的紧固件、扎线带、工具，之前生产过程中留下来的加工碎屑（数控加工单元、打磨单元）；清理各控制器、通信模块、电气接口等处的灰尘等。检查事项检查各单元模块的地脚以及连接板是否已经拧紧；工作站所配仪表等期间是否进行校核，各传感器的安装位置是否合理；各设备传送装置的张紧程度是否合适（传送带、链条等）。确认事项确认电、气接头完好无损、接地良好；通信线缆的连接方式正确；确认安全光栅已经接入生产线系统；确认紧急停止按钮没有被按下。6.系统的开机、停机顺序说明（1）编写要点生产线开机的注意事项；生产线的开机顺序