4.第四章 工业机器人周边设备及装置

04工业机器人及其应用工业机器人周边设备及装置主编：郗安民

何春燕机械工业出版社第四章工业机器人周边设备及装置

工业机器人的性能和优越性尽人皆知，但是没有相关作业所需的周边设备和装置的支撑，它也将一事无成。因此这些周边设备和装置的选型、设计及布局在工业机器人的集成系统中是极其重要的，出类拔萃的设计和策划将会使机器人如虎添翼。这些设备和装置随着机器人作业对象、类型、规模的不同而有着较大的差异，所以本章仅介绍几种主要的和常用的，如工件位置变换机、机器人架台、焊枪送丝及清枪装置和随行夹具。目录第一节工件位置变换机第二节机器人架台第三节焊丝送丝机及清枪装置第四节随行夹具第一节工件位置变换机

在工业机器人作业的许多场合，特别是在焊接作业中，机器人所持焊枪与工件焊缝的相对位姿，是保证焊接质量的重要因素。如何把工件各处的焊缝位置均能变换到最有利于机器人焊枪找位和焊接的地方，就成为机器人焊接等作业中必须解决的一个问题。（1）把工件变换到最佳位置（2）尽可能地满足所有作业位置的变换要求。（3）具有较高的重复定位精度。（4）尽可能地缩短机器人的等待时间。一、工件位置变换机的基本要求（5）足够的强度和刚度。（6）必须解决运转时电气导线和气路软管的破坏性缠绕。（7）焊接作业时，焊接电源的负极要尽量靠近被焊工件。（8）振动性较大的作业应与机器人本体连成一体。

变位机常用的驱动方式有气压驱动、交流电机驱动和交流伺服电机驱动，相对应的定位方式有气动销定位、挡铁定位和位置伺服定位。二、工件位置变换机及其结构形式二、工件位置变换机及其结构形式

图4-1单轴悬臂型如图4-1所示，此变位机是最简单的一种单轴悬臂形变位机，其驱动常采用伺服电机，回转轴平行于地面，工件的翻转速度可调。这类变位机适合于小型焊接工作站，节约空间，亦可实现一台机器人对应多台此类型变位机的高效率生产。二、工件位置变换机及其结构形式

图4-2单轴水平型

如图4-2所示，单轴水平型变位机与单轴悬臂型类似，回转轴垂直于地面，亦适合于小型工作站和小型工件的焊接。

根据工件的形状和焊缝位置，视安装的方便和机器人的位姿选择单轴悬臂型或单轴水平型，这种类型可以实现工件±180°的水平回转。二、工件位置变换机及其结构形式

图4-3单轴双支点型

如图4-3所示，这类变位机的驱动多采用伺服电机或者普通电机，也是简单工作站常用的一种。

其翻转速度可调,能够配合机器人将夹具上的工件翻转一定的角度,如果是机器人的外部轴,就能形成机器人与变位机的协调动作,而完成较复杂的空间曲线的焊接或涂胶作业,是焊接机器人工作站中应用最广泛的设备。二、工件位置变换机及其结构形式

图4-3双轴标准型

如图4-4所示，此变位机的两轴一般均采用伺服电机驱动，当夹具实现倾斜的同时，也能使夹具在安装台面上±180°的回转，使得机器人的工作空间和与夹具的协调能力大大增强，机器人焊接姿态和焊缝质量得到更完美的展现。

这类变位机适合小型焊接工作站，常用于小工件的焊接，如消声器的尾管、油箱等。二、工件位置变换机及其结构形式

如图4-5所示L型双轴变位机，此变位机两轴均采用伺服电机驱动，焊接夹具可实现翻转的同时，亦可实现±180°水平回转。这类变位机的承载能力比上述双轴标准变位机大，第一轴的翻转角度更大，适合较大工件的焊接，例如挖掘机的挖斗类产品的焊接。L型双轴变位机是双轴变位机的升级设备。图4-5L双轴型图4-6L双轴型实物图二、工件位置变换机及其结构形式图4-7C型双轴型

如图4-7所示，C型双轴型变位机与L型双轴变位机原理相近，在第二轴的上端增加了与夹具固定的回转支撑，并与电机驱动端同步旋转。

它的第一轴减速比较大，其承载能力要比L型双轴变位机的承载能力大很多，一般用在重型工件的焊接。二、工件位置变换机及其结构形式图4-8三轴垂直翻转型

如图4-8所示三轴垂直翻转变位机，其驱动均采用伺服电机，第一轴的翻转实现夹具A/B侧的换位，第二轴/第三轴的自身翻转实现夹具板的转动。这种布局易于变位机与机器人的同步协调，当A侧机器人焊接时，人工在B侧装卸工件，大大提高了生产效率。这种变位机的机器人焊接工作站占地面积大，一般用于车桥等较大型工件的焊接。跨距较小的夹具可用一个机器人作业，而跨距较大的夹具，一个机器人无法完全满足工作空间要求，可选用双机同时焊接或者增加机器人移动架台，以满足工件的作业要求。二、工件位置变换机及其结构形式图4-9三轴水平回转型变位机如图4-9所示三轴水平回转型变位机，是垂直翻转型变位机的变形设备，工作原理与三轴垂直翻转变位机基本相同。只是第一轴用来实现回转夹具A/B侧的换位，第二轴/第三轴依然是通过自身翻转实现夹具板的转动。同样当A侧机器人焊接时，B侧由人工装卸工件。这类变位机水平回转半径较大，对厂房的高度要求较低，一般采用单机焊接。二、工件位置变换机及其结构形式图4-10五轴两工位型如图示五轴两工位型变位机，它的的五轴驱动均采用伺服电机，分A/B两工位，两侧的工作原理是相同的，每一侧相当于是一台L型变位机，分别实现夹具的回转和翻转。

第一轴实现夹具自身回转（有2个），第二轴实现夹具翻转（有2个）；第三轴是水平回转，实现变位机A/B工位的切换。二、工件位置变换机及其结构形式图4-11两种专用变位机三、变位机的标准化趋势

变位机的标准化是指在变位机的设计中引入模块化的概念，每个模块有统一的安装尺寸，但是每个模块又有不同的结构尺寸，这样经过组合，就能快速设计和组装出多种类型的变位机。变位机的标准化不但提高了工作效率，缩短了焊接变位机的供货周期，更重要的是能够推动变位机的规范化和标准化，解决生产企业各行一套的生产现状。三、变位机的标准化趋势

按照各组成部分的功能和结构把变位机拆分成若干个独立的单元，如:驱动单元、从动单元、旋转机架、基座、加高台架、首箱、尾箱等单元模块。单元名称组成规格驱动单元电机、减速机、夹具连接盘、焊接座等2种高度2种负载从动单元夹具连接盘、焊接座等与驱动单元相对应基座“I”型“U”型加高台架几种三、变位机的标准化趋势图4-12单轴变位机组合示例三、变位机的标准化趋势其它变位机与上述单轴变位机的组合类似，在设计变位机的时候，首先考虑使用标准单元模块组合新的变位机。

例如：三轴垂直翻转变位机可以使用驱动单元、从动单元、旋转机架、首箱、尾箱、基座等单元组合而成；三轴水平回转变位机可以使用驱动单元、从动单元、梁、基座等单元组合而成。

随着变位机的生产和应用的不断扩展，逐渐纳入新的标准单元而扩充单元模块库，从而加速变位机标准化的推进。四、三轴水平回转型变位机结构图4-13三轴水平回转型变位机一种变位机结构实例H型结构支架装在转台上，它可以旋转180°，变换两套夹具体的位置。在H型支架上装有两套双支点转动系统，分别驱动两个夹具体，以使机器人相对于工件可以找到最佳的作业位置。在H型支架四角的下方的架台上装了4个气缸，它们驱动的定位销及托销使H型支架准确定位，并可以防止在操作力等外力的作用下H型支架的变形，影响机器人的作业质量。四、三轴水平回转型变位机结构图4-14转台结构示意图交流伺服电机通过RV减速器和齿轮副使主轴带动H型支架旋转，在0°和180°两个位置，用接近传感器、超限开关和挡块完成停止位置和出现故障时的检测和定位。主轴的中部有一个通孔，下端装有引线和引管的支架，导线及软管通过主轴心部从下至上引到H型支架内，分别送到各接线和接管处，引线引管支架与固定在箱体上的支架之间采用可弯曲的链式管路保护套。四、三轴水平回转型变位机结构图4-15双支点旋转系统结构示意图双支点旋转系统的夹具体装在主动侧和被动侧的接手上，主动侧的交流伺服电机通过RV减速装置驱动夹具体旋转。从动侧的转轴是中空的，旋转进气活接头安装在转轴的尾部，压缩空气从尾部引入，从转轴的前端面引出，焊接电源的负极固连在轴承箱右侧的压块上，弹簧使其始终与转轴接触，保证良好的导电性，并且电流不通过轴承。转轴前端的轮盘是电线的收放装置。夹具体旋转的极限位置是通过两个接近开关检测的，如果接近开关出现故障，主动侧接手后部的撞块会由死挡块限位而停转。第二节机器人架台

机器人架台是机器人的安装基础，它有固定式和移动式两类，固定式架台需要根据机器人型号、作业对象、工作站布局和机器人作业要求等选用或者专门设计。这里只介绍移动式机器人架台。1-安装孔；2-导套；3-机器人；4-行走驱动气缸；5-气源三联件图4-16气缸驱动式单轴机器人移动架台

如果机器人在作业中只有两个停留位置，行程居中，那么选择气动方式即简便又可靠。

图示是一种气动式单轴机器人移动架台。安装机器人的滑台在高精度直线导轨上移动，气缸行程不大于1500mm，末端执行器上的导线及气管通过链式保护套引入。图4-17交流伺服电机驱动式单轴机器人移动架台

如果机器人在作业中停留位置较多，或在滑台的移动过程中，机器人仍进行协同作业，那么交流伺服电机驱动方式最为适用，如图。

安装机器人的滑台在直线导轨上移动，交流伺服电机也固定在滑台上，通过减速器和齿轮齿条副(齿条固定在底座上)，驱动滑台运动。其成本高、定位精度好。

图4-18是一种三轴机器人移动架台。各轴的控制可根据停留点数、机器人在运动中是否工作等内容要求，选用气缸、交流电机或交流伺服电机。各轴的移动行程则根据工件形状和大小确定。这种架台在三个方向上扩大了机器人的工作空间，理论上较好地解决了机器人在应用中受其工作空间限制的问题。图4-18三轴机器人移动架台第三节焊丝送丝机及清枪装置一、焊丝送丝系统

送丝系统由送丝机、焊枪、送丝软管等构成。

送丝机驱动焊丝前行并对焊丝进行矫直，使焊丝能够顺利进入送丝软管和焊枪的导电嘴。

送丝软管担负着从送丝机向焊枪输送焊丝的任务。软管的材质和状态对送丝稳定性有着重要影响。一、焊丝送丝系统图4-19三种送丝方式（a）推丝式；（b）拉丝式（c）推—拉丝式式一、焊丝送丝系统优点：焊枪结构简单、轻便和便于操作维修。缺点：焊丝在软管中受到的阻力较大，一定程度上影响送丝的稳定性。应用：最广泛的送丝方式之一。推丝式优点：焊丝所受轴向力是张力，送丝阻力小，送丝稳定；不会出现焊丝弯曲。缺点：焊枪较重。应用：在小直径(小于0.8mm)的焊接广泛应用。拉丝式优点：送丝的稳定性。缺点：结构复杂和焊枪较重。应用：需要长距离送丝的情况。推—拉式一、焊丝送丝系统1—焊丝盘转轴；2—焊丝；3—焊丝矫直机构；4—送丝滚轮(压紧动轮)；5—电动机；6—送丝滚轮(主动轮)；7—焊丝盘图4-19三种送丝方式送丝机工作原理：焊丝从焊盘7中被抽出，通过矫直机构3矫直，进入送丝滚轮6与4，在焊丝与滚轮之间摩擦力的作用下带动焊丝前进，主动轮6由电机5带动旋转，焊丝进入导向套管。一、焊丝送丝系统图4-22送丝滚轮与焊丝关系送丝滚轮：焊丝的运动是由送丝滚轮驱动的,从焊丝盘引出的焊丝,经矫直轮矫直后进入两个送丝滚轮之间。其中一个为主动轮，另一个为从动轮(也有两个均为主动轮的)，送丝电机驱动滚轮旋转，依靠滚轮与焊丝间的摩擦力驱动焊丝沿切线方向运动，焊丝的送丝力(摩擦力)越大,送丝的可靠性和稳定性越高。一、焊丝送丝系统

送丝轮形状：（a）滚花轮；（b）V型轮；（c）U型轮；（d）圆弧轮图4-23送丝轮形状一、焊丝送丝系统图4-24软管结构示意软管：软管内径需要与焊丝直径相匹配，内径过小会增大焊丝与软管内壁的接触面，增加送丝阻力，容易造成焊丝在软管内“卡死”；内径过大则焊丝在软管内呈“波浪式”前进，也会增大送丝阻力。软管的材料有两类：一类是用弹簧钢丝绕制而成；另一类采用聚四氟乙烯制成。软管弯曲度小则送丝阻力小，反之亦然。对于铝焊丝等软质焊材，软管弯曲导致送丝阻力增加带来的危害性比钢质焊丝要大得多。一、焊丝送丝系统

导电嘴：导电嘴的孔径和长度随不同直径的焊丝设计，既要保证导电可靠，又要尽可能减小焊丝在导电嘴中的行进长度，目的在于减少送丝阻力，保证送丝通畅。

导电嘴孔径太小，送丝阻力增大，原始焊丝如有局部折弯，就极易“卡壳”,造成焊丝无法送进；

导电嘴孔径过大，焊丝在孔中“晃动”，致使导电不良和焊丝导向失稳，严重时还会造成焊丝与导电嘴内壁“打火”而粘连。一、焊丝送丝系统（a）焊丝盘装在机器人本体上；（b）焊丝盘装在地面的架子上图4-25焊丝盘的安装焊丝盘：焊丝盘可装在机器人的本体上，也可装在立于地面的焊丝盘架上。焊丝从送丝套管中穿入，通过送丝机构送入焊枪。安装新的焊丝盘时，需将焊丝头部扳直，打磨尖锐的棱角，使焊丝头能够顺利地穿入导丝管内，并调整好送丝轮的压力。一、焊丝送丝系统1-主支架2-线圈弹簧3-加压轮臂销4-加压轮臂（L)5-加压轮臂（R)6-驱动轮轴7-中间齿轮8-送丝电机9-驱动齿轮10-加压弹簧座11-压缩弹簧12-加压手柄13-加压螺栓；14-紧固螺钉；15-绝缘套；16-绝缘帽；17-电机固定架图4-26一种形式的送丝机结构图二、焊枪清理装置1-清渣头2-清渣电机开关3-喷雾头4-剪丝气缸开关5-剪丝气缸6-剪丝刀7-断丝收集盒8-润滑油瓶9-电磁阀图4-27焊枪清理装置

多数弧焊作业均会出现焊渣飞溅的现象。特别是在一个焊接循环较长的作业中，热量聚集大，飞溅的焊渣极易堆积到焊嘴周围和焊嘴内壁，甚至粘连在导电嘴周围，长时间不做处理的堆积就会完全堵塞焊嘴内腔，阻碍正常出丝。

一般在完成一个工件的焊接之后，有时设定为几个焊接循环之后，机器人将焊枪移动到清理装置之处，分别使用剪丝单元、清渣、喷液实施相应的作业。二、焊枪清理装置（1）剪丝单元，在每个焊接循环结束之后，无论是否清渣，机器人都要将焊枪移动到剪丝单元处，送丝机送出一小段焊丝，由气动剪自动剪去一截焊丝，保证焊丝露出焊嘴的长度为一定值，以保证再次起弧的质量。（2）清渣单元，一般由电机驱动带有钢丝刷的旋转头旋转，清理焊嘴内腔和嘴部的焊渣。保持焊嘴内腔清洁和通畅，保证送丝和保护气体的畅通。（3）喷液单元，通过启动和关闭开关气阀，定量的将防粘油均匀地喷撒在焊嘴的内腔，使焊渣不易粘接，也易于再次清理。图4-28清枪前后的效果第四节随行夹具

在工业机器人生产线和自动化程度较高的大批量生产中，流水作业形式是必不可少的，被加工工件在各个作业工位之间，依照其工艺路线要求顺序流动，完成所规定的一系列作业内容，而这种流动的实现和作业质量的保证，常常依赖于被称之为“随行夹具”的辅助装置。一、随行夹具的定义及其作用（1）单线运输：此运输装置可以放在设备线的一侧或者在两条设备线的中间。（2）圆形运输：设备生产线一般在圆形运输送线的外侧。（3）闭环运输：生产线由很多托盘与随行夹具共同组合而成，整个传送带由许多随行夹具和托板组成，利用系统自身的编码器来识别地址，这样就可以任意的对工件进行排序。除了上面介绍的这三种运输方式外，还有比较成熟的工业机器人，承载着中小尺寸工件的运输与传送。二、一面两孔组合定位原理

一面两孔定位是工件以一个平面和两个与平面垂直的孔作为定位基准的组合定位方式，定位元件是一个平面和两个定位销，俗称一面两销定位，是生产中典型而常用的定位方式。如在批量机械加工箱体、杠杆、盖板类零件时，也常用在随行夹具的定位中。图4-29一面两孔定位原理图二、一面两孔组合定位原理用自定心弹性开口套取代圆柱销和菱形销，实现定位和夹紧同时进行，这种方式能够避免上述一面两孔定位的缺陷。与传统的一面二孔定位方式相比较，采用弹性开口套的方式具有定位精度高、结构紧凑、操作方便、工作效率高、劳动强度低等优点。（a）圆柱弹性开口套；（b）削边弹性开口套图4-30自定心弹性开口套结构1-工件2、5-定位孔3、6-弹性开口套4-拉杆三、几种不同用途的随行夹具1.机械加工中的随行夹具铁路机车柴油机的机体与一般的箱体类零件相比，具有质量重、内腔复杂和孔系多的特点。随行夹具应具有以下特点:1)工序集中，在一个工位上尽可能对箱体的5个表面实施加工。2)一次装夹中要完成所有气缸孔的加工，以此保证气缸孔之间夹角及对主轴孔中心线的垂直度。3)采用仰、卧两种随行夹具完成箱体所有的加工内容。图4-31铁路机车柴油机箱体图4-32国外某企业箱体柔性加工线

图4-32是国外某公司的柴油机箱体柔性加工线，4台龙门加工中心和1台三座标测量仪一字排列，前面是一条平行于设备的随行夹具输送线。

它将箱体的半精加工、精加工、三维数据的在线采集测量在线的连接起来。

并且在准备区配备三个随行夹具工位，当一个箱体在加工中心中完成全部加工后，数控输送平台将这个箱体的随行夹具移出加工中心，并进入准备区由人工拆卸，然后再将准备区已安装好箱体的一个随行夹具送入加工中心，开始加工循环流程。三、几种不同用途的随行夹具1.机械加工中的随行夹具1-菱形定位销2-压紧装置3-导向柱4-夹具体5-平面定位块6-圆柱定位销7-吊耳8-随行夹具平台9-箱体图4-33机体仰置加工随行夹具三、几种不同用途的随行夹具1.机械加工中的随行夹具

箱体仰置加工随行夹具主要用于加工箱体仰置时的主轴孔、主轴承座平面、主轴承螺栓孔、凸轮孔及机体底平面等。

夹具包括定位、导向和夹紧三个系统。1-后端可调支承2-菱形定位销3-平面定位块4-夹紧装置5-侧面导向柱6-随行夹具体7-圆柱定位销8-端面导向柱9-箱体图4-34机体卧置加工随行夹具

箱体卧置加工随行夹具主要用于加工箱体卧置时的16个气缸孔、气缸孔平面、气缸盖螺栓孔、箱体顶面、顶面出水孔等，结构如图。

其结构与箱体仰置加工夹具类似。三、几种不同用途的随行夹具1.机械加工中的随行夹具

铁路高压油泵驱动单元属于发动机关键功能件。壳体零件外形的不规则，此类零件在机械加工时造成机床的装夹困难，随自动线运行时造成在工作台上定位困难，也会大大加剧机器人对它的抓取难度。采用随行夹具的方式，可以较好的解决这些问题。按照零件不规则的外形选择定位基准，将其装在特定的随行夹具中。（a）高压油泵驱动单元外形；（b）随行夹具与工件组合图4-35工件和随行夹具立体图三、几种不同用途的随行夹具1.机械加工中的随行夹具为最大限度的利用生产线及设备，减少投资，增加产品品种，提高企业竞争力，那么生产线混流生产就是必须的，也就是说，要求一个随行夹具能够装夹外形相近、尺寸不同的多个同类型工件。例如某汽车生产线多车型混流生产对车身底盘焊装随行夹具系统的要求是：

1)高度柔性。为满足混线生产，随行夹具就需要兼容3个平台、8个车型，并具有可扩展性。2)快速切换。生产节拍要达到60-68JPH，就要求必须在40秒内完成车型切换工作，包括机械重组以及电气的对接和恢复通讯等。三、几种不同用途的随行夹具2.工业机器人生产线的随行夹具

随行夹具的可重构化能够满足这种应用需求，其系统主要由信息控制系统、重构单元立体库、夹具、夹具运输系统组成。

由上位机传入车型信息并判断出所需重构夹具的单元编号；夹具运输系统运输重构单元至重构站，由机器人装卸重构单元，重新装配随行夹具；重构后的夹具由传送机构运送至焊装生产线上使用。三、几种不同用途的随行夹具2.工业机器人生产线的随行夹具图4-36某车型的焊装随行夹具结构三、几种不同用途的随行夹具2.工业机器人生产线的随行夹具

根据不同车型的需要，左右两侧安置两个可重构单元，其余的定位单元部件和固定单元部件等均相同。共用的定位单元包括四个销钉式夹紧气缸，对称固定在中段位置的支撑柱上。固定单元包括3个固定组件，每个固定组件包括定位销、定位块及气缸等零件。定位销和定位块分别固定在底座的支撑柱上，起到支撑固定作用。根据兼容的车型数量，固定单元可匹配多套可重构单元。两者定位块处的快速接头能够实现气源和电源的对接。图4-37切换抓手（机器人末端执行器）切换抓手（也就是机器人末端执行器）法兰盘与机器人连接，抓手是三个并排的气缸驱动的夹爪。夹爪中部的定位块实现抓手与重构单元竖直方向的定位，夹爪斜侧面的凹槽，在合爪的同时实现水平方向的定位。机器人使用这个抓手进行随行