工业机器人应用系统-项目三 教案

备注教学内容工业机器人应用系统集成教案备注教学内容项目三机械模块系统集成技术应用工业机器人实际应用场景中，有的是需要机器人直接搬运工件，实现产品工件空间位置的改变，而在有的应用场景中则需要机器人搬运各种不同的工具，进行工具的空间位置改变，进而达到对工件进行操作、检验等目的，本质上讲工业机器人的应用都是在考虑如何使用工业机器人的搬运能力，所以工业机器人应用系统集成，就是利用工业机器人的搬运能力，以机器人工业为操作中心，配备其他相应的设备或装置，建立工作站，而机械系统是工业机器人工作站系统的最基本组成部分，无论是相对简单的工业机器人工作站系统，还是复杂的工业机器人工作站生产线系统，都是以某些机械装置的形式体现出来的。从理论上讲，任何一个工业机器人工作站系统都应该可以简化成由机器人和几个常用机械设备或装置的组合，可以称之为“工业机器人工作站最小系统”，这个最小系统将可以达到工作站所能达到的最低功能水平。本项目从工业机器人工作站最小系统出发，按照配置顺序将最小系统的各组成部分逐一进行讲解，主要包括工业机器人本体选择、末端执行器设计和输送供料装置设计等任务的实施，从而达到掌握核心机械模块系统的选型、设计、系统搭建及功能分析等常见系统集成技能的目的。任务1工业机器人本体选型工业机器人本体是工业机器人工作站的核心部分，工业机器人应用系统集成就是围绕工业机器人本体进行周边设备的集成，最终实现以工业机器人为核心的，可以实现一定工艺流程的自动化生产设备。工业机器人本体是一个非常复杂的机电一体化系统，跟其他机器人一样，工业机器人的设计和制造过程涉及多个学科的综合应用，专业化程度非常高，因此在系统集成时基本不会设计新型的工业机器人本体，工业机器人本体由专业厂商进行制造，目前我国工业机器人在关键技术上接连取得实质性突破，使得本土制造商后来居上，如今国内市场上已经呈现出国外国内品牌共同竞争的局面。在工业机器人应用系统集成时，工业机器人的本体选型是关系到工作站能否实现设计目的的关键。一、工业机器人认知工业机器人指能在人的控制下工作，并能替代人力在生产线上工作的多关节机械手或多自由度的机器装置。它可以搬运材料、零件或夹持工具，用以完成各种作业；它可以受人类指挥，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策略行动。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统按照输的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人程序输入方式有离线编程输入型和示教编程输入型两类。离线编程输入型将计算机上已编好的程序文件，通过S232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控柜。示教编程输入型是由操作者用手动控制器（示教操纵盒），将指令信号传给驱动系统使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演。在示教过程的同时，工作程序的信息自动存入程序存储器中，在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。二、工业机器人主要性能指标表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性和动态特性等。1、工作空间（WorkSpace）2、运动自由度（Free）3、有效负载（Payload）4、运动精度（Accuracy）5、运动速度（Speed）6、动态特性三、工业机器人的选型随着工业机器人应用场景越来越丰富，如何选择一台满足需要的工业机器人是系统集成时关键的第一步，直接关系到系统集成后的工作站系统是否具有优异的工作能力。工业机器人的选型通常从以下几个方面考虑：1、根据工作所属的专业领域进行选择2、根据工作范围的要求进行选择3、根据工作负载和负载惯量进行选择4、根据工作精度需求进行选择5、根据工作速度需求进行选择6、根据工作所需自由度进行选7、根据其他要求进行选择任务2末端执行器设计末端执行器是工业机器人的必备外设装置，是工业机器人可以适应不同种类工作的第一保证，除工业机器人的选型外，也是工业机器人应用系统集成时必须要首先考虑的部分，是工业机器人应用系统集成工作的重点部分，因此末端执行器的设计和制造也是工业机器人系统集成商进行系统集成业务时的重要组成部分。本次任务从讲解了末端执行器的定义、类型等基础知识，同时由于末端执行器可以根据实际使用需求特点，可以由工作站使用者自行设计制造，因此本次任务还详细阐述末端执行器的设计原理，并通过任务的实施，将上述知识应用于一个具体的末端执行器本体结构设计过程中。一、末端执行器定义工业机器人是不能单独产生实际作用的，必须要跟其他设备集成后，组成工业机器人工作站或工业机器人工作站生产线才能真正替代人类去完成某种工作，而工业机器人本体生产厂商在生产制造工业机器人时，通常只会将标准化程度高的部位生产出来，因此工业机器人产品出厂时在结构上一般只制造到腕部，并没有给配置执行具体操作任务的“手部”，这一部分则是需要工业机器人集成厂商或者工业机器人的使用者，根据实际工艺需求，在工业机器人应用时进行系统集成配置，形成“工业机器人末端执行器”，才能真正让工业机器人发挥作用。末端执行器是直接安装在工业机器人机器人手腕上，用于夹持工件、或直接夹持工具按照规定的程序完成指定工作的机构。二、末端执行器分类工业机器人所能完成的工作非常广泛，末端执行器在一些应用成熟的领域已经实现了一定程度的标准化系列化，但是随着工业机器人应用场景越来越丰富，在一些新兴的应用领域，尤其在一些通用性较差的非标自动化生产设备中，末端执行器经常需要根据实际要完成的工作进行定制，常用的有以下几种分类：1、夹钳式末端执行器2、吸附式末端执行器3、专用末端执行器4、仿人末端执行器5、工具快换装置三、末端执行器的设计与选用末端执行器的设计是一个十分专业的过程，需要综合考虑物体特征、操作参数和末端执行器要素三个大方面。物体特征指的是目标加持物体的特征，包括其质量、外形、重心位置、尺寸大小、尺寸公差、表面状态、材质、强度等；操作参数指的末端执行器的操作空间环境、操作准确度、操作速度和加速度和夹持时间；末端执行器要素包括结构形式、抓取方式、抓取力和驱动方式，这些要素也是最终成型的末端执行所直接呈现出来的各种特征，也是末端执行器最后要实现的目标。末端执行器要素中，除了抓取力要素是一个最终综合表现要素外，其余的要素均于物体特征和操作参数有直接关系。结构形式的影响因素：质量、外形、重心位置、尺寸大小、表面状态、材质、强度以及环境、准确度、速度和加速度；抓取方式的影响因素：质量、外形、尺寸公差、表面状态、材质、强度和准确度；驱动方式一般是通过气动、液压、电动三种驱动方式产生驱动力，通过传动机构进行作业，其中多用气动、液压驱动。电动驱动一般采用直流伺服电机、步进电机或直驱电机，现在非标设备设计时经常使用电缸等将伺服电机与传动机构模组化的驱动产品，大大减少了产品设计工作量。任务3输送供料装置设计输送供料装置是工业机器人工作站系统必备部分，它包扩输送和供料两个不同的含义，其功能是为工业机器人实施具体工艺操作提供工件。输送装置功能是将工件输送到固定位置，用于质量检测、不合格品剔除和产品码垛等工艺操作，而供料装置的功能是给输送机械供料的装置，在实际应用中，输送和供料两个概念很多时候区分并不明显，经常可以看到在一套机械装置里同时实现输送和供料的情况。本次任务分别阐述了工件的输送装置和供给装置，并通过任务的实施，在工业机器人应用系统集成的具体需求下，对两种装置进行了融合集成，形象的反映出了两种装置在工业机器人工作站中的应用特点。一、输送装置类型从输送装置的名字就可以知道这类装置所要实现的功能，即将目标工件送往它应该到达的地方，可见输送装置是以改变工件的空间位置为主要作业的装置，能实现这样功能设备或装置有很多，工业机器人本身也具有此类功能，本书中的输送装置仅针对工业机器人以外的其他具有工件输送功能的外部装置。工件或物料的特性是选择输送方式时的重点考虑因素，比如粉状物料和已经完成装箱的粉状物料在考虑输送方式时的侧重点就有很大的区别。直线带式输送是最为常见的输送方式，带传动优势决定了其实现结构简单，输送距离也可以达到很远，通常配置驱动电机和位置传感器就可以实现比较精确的工件输送。旋转分度式输送也是十分常见的输送方式，这种输送方式在一些有精准节拍控制或者精准位置控制的应用场景，实现起来相对直线带式输送复杂一些，一般都要使用控制电机来实现对输送节奏和位置的精准控制。输送从功能目标上来说，只要达到最终的目的即可，因此具体实现方式可以灵活的选择，目前自动化生产设备中最为常见的输送装置就是用同步带传动实现的直线输送，同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成，它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点，具体有以下几点：1、传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；2、传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；3、传动效率高，可达0.98，节能效果明显；4、维护保养方便，不需润滑，维护费用低；5、速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，功率传递范围较大，可达几瓦到几百千瓦；6、可实现长距离传动，两带轮中心距可达10m以上；7、相对于V型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小。可使用同步带传输的产品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。同步带通过配置控制电机和相应的传感器可以很容易地实现对所传输工件位置和速度的伺服控制，因此同步带输送装置被大量的使用在工业机器人应用系统集成中。二、常见供料装置类型供料装置是一种很早就出现的机械装置，其功能最初就是为了减少人工在供料方面的参与，因此其本身就具有很强的自动化属性。供料装置大致可以分为料斗和料仓两大类，所谓料斗是将工件杂乱地（未定向状态）贮存于贮料器后，能使零件定向并进行供料的装置；所谓料仓是将整理好的零件（已定向状态）贮存于贮料器后进行供料的装置。显然，前者自带工件整理功能的料斗的自动化程度更高，可以视其为一台可以实现完整功能的设备，而后者则需要其他整理方式的介入才行，比如井式供料装置等，这类装置更多的是以某种机械结构的形式出现的。对于料仓来说，由于零件的方向、姿势已经过整列（定向过程）因此，只单纯地将零件送出，通常还完成零件的分离（隔料）动作。然而，对料斗来说，为了使杂乱零件定向需要以某种方法搅动零件，因此就必须有实现搅动的原动力。所以如果将料仓定义为“被动元件”，则料斗就是“主动元件”。料斗的动力，可以采用振动，机械传动，气动和液压等。按动力源及运动方向等进行分类，可以分为振动式供料、摆动式供料、上下往复式供料、回转式供料、循环式供料和流体式供料等。料斗式供料装置在自动化程度高的工业机器人工作站系统中是十分常见的，而料仓则经常被设计成橱柜式、平台式或者阶梯式的工件摆放平台。在实践应用中，为了实现高度自动化，输送装置和供料装置通常是同时出现的，需要两者“紧密合作”，因此两者的功