汽车车身制造工艺学课件：机器人和机械手的应用

汽车车身制造工艺学机器人和机械手的应用1.1机器人和机械手随着生产自动化的发展,机器人和机械手的应用范围正在迅速扩大。它们被用来代替人从事繁重的劳动;代替人进行频繁的重复性操作;代替人在高温高压、低温低压、易燃易爆、高粉尘、有毒、有放射性等危险、恶劣环境中进行作业。在冲压注塑加工、喷砂、焊接、喷涂、热处理、装配等生产过程,机器人和机械手得到了广泛的应用,并有迅速普及的趋势。

图6-1为机器人试验样机的动力结构简图。目前机器人还没有统一的明确定义。通常所说的机器人是指一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照预定程序、轨迹及其他要求实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。而机械手一般是具有固定的手部、固定的动作程序(或简单可变程序),一般用于固定工位的自动化装置。因为机器人、机械手、操作机这三种自动化和半自动化装置,在技术上有某些相似之处,所以有时候不易明确区分。机器人多数是指程序可变(编)的独立自动抓取、搬运工件、操作工具的装置(称为工业机器人或通用机器手)。

机械手多数是指附属主机、程序固定的自动抓取、操作装置(一般称作机器手或专用机器手)。如自动线、自动机的上下料和加工中心的自动切刀的自动化装置。

操作机一般是指由工人操作的半自动搬运、抓取、操作装置。如处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。1.2机器人的组成、运动及分类1.机器人的组成机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。

目前,具有人工智能系统的工业机器人即智能机器人还处于研究试验阶段,而应用于生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机器人。1)执行系统执行系统是机器人完成握取工件或工具实现所需的各种运动的机械部件,包括以下几部分:手部、腕部、臂部、机身、行走机构。2)驱动系统驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。根据动力源不同,其传动方式可分为四种:液压式、气压式、电气式和机械式。3)控制系统控制系统是机器人或机器手的指挥系统,它控制驱动系统,让执行机构按规定的要求进行工作、并检测其正确与否,因此,它包括运动控制装置、位置检测装置、示教再现装置。而常见的控制方法为电气与电子回路控制,计算机控制系统也在不断的增多。就其控制方式,可分为分散控制与集中控制两种类型。若以控制的运动轨迹来分,原则上分为点位控制和连续轨迹控制两种。2.工业机器人的基本功能机器人能自动的完成预定的操作,是因为它具有某些机能,这些机能归纳起来有三个方面,即运动机能、控制机能和检测识别机能,如图6-2所示。3.机器人与机械手的分类(1)按使用范围可分为专用和通用两类:

①专用机械手。

②通用机械手(工业机器人)。

(2)按搬运质量大小可分为五类:

①微型机器人(或机械手)。

②小型机器人(或机械手)。

③中型机器人(或机械手)。

④大型机器人(或机械手)。

⑤重型机器人(或机械手)。(3)按作业类别可分为以下几类:

①锻压机械手(或机器人)。

②冲压机器人(或机械手)。

③焊接机器人(点焊机器人、电弧焊机器人)。

④热处理机器人(或机械手)。

⑤搬运机械手。

⑥装卸机器人(或机械手)。

⑦装配机器人等。(4)按坐标形式可分为五类:

①直角坐标型机器人。

②圆柱坐标型机器人。

③极坐标型机器人。

④多关节型机器人。

⑤SCARA型机器人。(5)按控制方式及智能程度可分为五类:

①固定程序机械手。

②可编程序机器人(或机械手)。

③示教再现型机器人。

④计算机数控机器人。

⑤智能机器人。4.工业机器人的运动机器人的运动,可从自由度、运动范围和运动形式三方面来进行分析。1)机器人的自由度机器人与机械手的手部所握持的工件或工具在空间的位置,是由臂部、腕部以及整机等各自独立运动的合成来确定的。2)机器人的运动范围机器人的运动范围,是指机器人在平面或空间的运动轨迹图形的形状及大小,是机器人的主要参数之一。机器人所具有的自由度的数目及其组合的不同,其运动轨迹图形也不同,而每一个自由度的运动变化量,即直线运动的距离和回转运动转角的大小,决定了运动轨迹图形的大小。臂部运动也称为机器人的主运动。3)机器人的运动形式由于臂部自由度的不同组合,其运动范围的图形也是不同的,可以将其归纳为以下五种形式:

(1)圆柱坐标型(图6-4)。

(2)极坐标型(图6-5)。

(3)直角坐标型(图6-6)。

(4)多关节型(图6-7)。

(5)SCARA型装配机器人(图6-8)。1.3工业机器人的主要技术参数1.握取质量(即臂力)握取质量是用来表明机器人负荷能力的技术参数,这项参数与机器人的运动速度有关,一般指其正常运行速度所能握取的工作质量。当机器人运行速度可调时,低速运行时所能握取工件的最大质量较高速时大,为安全起见,也有将高速时握取的工件质量作为指标,此时则常指明运行速度。2.运动速度运动速度是反映机器人的一项重要技术参数,它与机器人握取质量、定位精度等技术参数都有密切关系,同时也直接影响着机器人运动周期。

机器人运动部件的每个自由度其运动过程一般包括起动加速、等速运行和减速制动等阶段,其速度-时间特性曲线可以简化为图6-9所示。3.自由度机器人自由度越多,其动作越灵活,适应性越强,其结构相应也越复杂。一般机器人具有3~5个自由度,即能满足使用要求,其中臂部2~3自由度,腕部1~2个自由度。专用机器手往往只要有2~3自由度即可满足使用要求。4.定位精度定位精度是衡量机器人工作质量的又一项重要指标,一般所说的定位精度是指重复定位精度,定位精度的高低取决于位置控制方式以及工业机器人的运动部件本身的精度和刚度,而与握取质量、运动速度也有密切关系。5.程序编制与存储容量这个技术参数是用来说明机器人的控制能力。即程序编制与存储容量(包括程序步数和位置信息量)的大小,表明机器人作业能力的复杂程度及改变程序时的适应能力和通用程度。存储容量大,则适应性强,通用性好,从事复杂作业能力强。机器人和机械手的本体主要是指其执行机构。机器人和机械手是靠它的手臂、手腕及手指各种动作的配合,来获得夹取和运送工件或运用工具以完成一定的生产功能的。2.1手指手指是直接抓取工件或工具的部件。由于被抓取工件的形状、尺寸、质量、表面状态以及某些物理性能不同,手指有各种不同的形式。根据抓取工件方式的不同,手指可分为夹钳式和吸盘式两类。1.夹钳式手指(1)图6-10所示为滑槽杠杆式手指,图6-10a)为双支点型滑槽杠杆式;图6-10b)为单支点型滑槽杠杆式。

(2)图6-11所示为连杆杠杆式手指。

(3)图6-12所示为斜锲型杠杆式手指。

(4)图6-13所示为齿条齿轮杠杆式手指。

(5)图6-14所示为弹簧杠杆式手指。2.吸盘式手指1)真空吸盘真空吸盘是利用橡胶碗中形成真空来把工件吸起的装置。由于形成真空的方法不同,真空吸盘可分为真空泵式(图6-15)、气流负压式(图6-16)和无气源式(图6-17)三种。2)电磁吸盘图6-18所示是一种电磁吸盘的结构。磁盘体为电磁铁芯,当向线包通入直流电时两个压盘就成了磁铁的两个极,压盘即可抓取工件。当切断电源时,工件由于自重而落下。2.2手腕手腕是连接手指和手臂的构件,它可以有独立的自由度,以适应复杂的运动要求。

为了使手部处于空间任意方向,要求腕部能实现空间三个坐标轴X、Y、Z的转动,即具有回转、俯仰和摆动三个自由度。

图6-19所示是具有回转和横移运动的腕部结构。2.3手臂手臂是机器人的一个主要部件,它可以作前后伸缩、上下升降、左右摆动和上下俯仰等动作。合理的手臂结构,应是运动部分质量轻,同时又具有足够的强度和刚度手臂的直线运动主要是指它的伸缩和升降动作。另外,直角坐标型机器人的水平移动也属于直线运动。为了获得手臂的直线运动,常见的是用往复式液压缸或气缸来驱动,也有用直流电动机驱动的。(1)往复缸驱动。图6-21所示为手臂伸缩缸结构图。图6-22所示为手臂升降液压缸。(2)手臂左右摆动机构。

(3)手臂俯仰动作机构。手臂俯仰动作最常用的机构是铰接往复缸,如图6-23所示。2.4定位及缓冲1.液压传动的缓冲和定位一般采用的方法是在液压缸端部设置缓冲装置,或者在液压系统中增设减速缓冲回路等,以控制活塞运动速度,有的还采用电-液伺服系统。1)液压缸端部缓冲装置2)减速缓冲回路常用的两种缓冲回路有:

(1)用电磁阀切换节流阀。图6-25所示为手臂升降液压缸的缓冲回路。

(2)在油路中设置单向行程节流阀。图6-26所示为利用单向行程节流阀缓冲的原理。3)采用伺服系统在液压传动中,采用液压伺服系统,可以使执行机构按指令信号所规定的轨迹、速度,准确地运动和准确地停止。图6-27所示为控制手臂伸缩动作的电液伺服系统结构示意图。图6-28所示为该伺服系统的框图。2.气压传动的缓冲和定位气压驱动优点很多,但气体的可压缩性大,阻尼效果差,速度不易控制。速度低、负荷不大的气动机械手、机器人可采用气缸端部节流装置和缓冲气路。但负荷大、速度高的气动机械手和机器人多数采用液压节流缓冲。1)气缸端部节流缓冲装置它的原理与液压缸端部缓冲装置基本相同。图6-29所示气缸端部缓冲装置结构中,多了两个止回阀。这种气缸除具有缓冲效果外,还可实现快速运动。2)缓冲气路(1)节流缓冲气路。节流缓冲气路常用切换节流的方法实现减速缓冲。图6-30a)是用二位二通阀排气口的节流螺钉调整快速行程的速度,用二位五通阀排气口的节流螺钉控制减速。减速时,二位二通阀关闭。图6-30b)是用二位二通阀排气口的节流螺钉调整快速行程的速度;关闭二位二通阀,通过单向节流阀实现节流减速。

(2)气动液阻缓冲气路。图6-31所示为气动液阻缓冲气路。液压二位二通电磁换向阀断电时,回油通过单向节流阀实现减速缓冲。3)液压缓冲器液压缓冲器结构简单,制动性能可调,是气动机械手或机器人最常用的一种外缓冲方法。

图6-32所示为利用二次阻尼节流原理的液压缓冲器。随着汽车工业的发展,车身制造的效率越来越高,改型变型越来越快,车身质量也越来越好。其特点是:用机器人和其他机械取代人力;用柔线性和线外机器人示教系统取代刚性生产线和传统的设备控制系统,实现多种车型的混流生产。3.1在冲压线上的应用在车身冲压件的生产线上,机器人和机械手广泛应用于自动装卸、翻转及输送工件,使其成为整条冲压自动线,实现安全生产。

图6-33所示为利用气动式机械手实现自动上下料的实例。3.2在装焊线上的应用在车身装焊线上,应用机器人和机械手,实现装焊过程自动化,并由点焊、电弧焊机器人组成多种车型混合装焊的柔线生产线。

机器人在点焊方面的应用比较早,也比