工业机器人工作站的集成设计

编号xxxxxxx毕业论文工业机器人工作站的集成设计题目-工作站集成方案的设计学生姓名XXX学 号 系 部 专 业 班 级 指导教师XXXXXXXXXXXXXXXXXXX4XXXXXXXXXX顾问教师二O七年十月摘要摘要工业机器人技术在国内应用越來越广泛，而单一的工业机器人本体不能充 分发挥其协同作业的功用，为了解决这一问题，将ABB工业机器人本体与搬运 单元、码垛单元、打磨抛光单元、绘画单元以及安全单元等外围设备进行集成, 实现了工业机器人与周围环境的信息交互。本论文设计内容共六章，主要论述 了工业机器人技术现状和发展趋势、工业机器人的技术基础、工业机器人工作 站集成方案、工业机器人工作站集成安装与维护以及工业机器人工作站的调试 过程。实践表明：工业机器人工作站性能稳定，工作良好。关键词：ABB工业机器人；集成；工作站；安装与维护；IAbstiactAbstractIiidustiial robot technology in domestic are getting more and more, and not a single body of iiidustiial robots and give fiill play to the coordination function, in order to solve this problem, ABB industrial robot and handling unit, palletizing unit, polishing unit, painting unit and peripheral equipment such as integrated security unit, to acliieve the infonnation exchange industiy the robot and the enviromnent. This thesis includes six chapters, mainly discusses the cunent situation and development trend of industrial robot teclmology, robot technology, industrial robot workstation based integration scheme, integiated industrial robot workstation installation and maintenance and debugging process of industrial robot workstation. The practice shows that the industiial robot workstation is stable and works well.Keyword: ABB; Integrate; Workstation； Installation and maintenance目录目录摘要IABSTRACTII第一章概述11.1课题研究背景11.2课题研究趋势21.3课题设计目的和意义31.4工业机器人的行业应用4第二章工业机器人的技术基础92.1工业机器人的结构92.2工业机器人的控制器及控制系统112.3工业机器人的示教器112.4工业机器人的技术参数122.4.1自由度122.4.2分辨率132.4.3分辨率132.4.4作业范围132.4.5运动速度132.4.6承载能力132.5工业机器人的类型142.5.1直角坐标机器人142.5.2柱面坐标机器人152.5.3极坐标机器人162.5.4多关节型机器人172.6工业机器人的控制方式182.7工业机器人的驱动方式19第三章工业机器人工作站集成方案设计203.1工业机器人工作站总体方案203.1.1工业机器人工作站203.1.2工业机器人工作站的技术参数203.1.3工业机器人工作站集成材料213.2工业机器人的本体223.3工业机器人的控制柜223.4工业机器人的示教器233.5工业机器人的手爪243.6工业机器人的作业机构253.7工业机器人的安全单元283.8工业机器人的电气系统283.9工业机器人的气动系统283.10工业机器人的工作台29ni目录第四章 工业机器人工作站集成安装与维护304.1工业机器人的搬运304.2工业机器人的安装314.3工业机器人工作站电气系统安装314.4工业机器人的工作站维保35第五章工业机器人工作站的调试375.1工业机器人调试说明375.1.1 X作站开机说明375.1.2工作站自动操作375.2工业机器人调试说明37第六章总结与展望426.1系统的先进性426.2系统的社会效益426.3本人收益43致谢45参考文献46#第一章概述第一章概述1.1课题研究背景其实在很早很早以前，就有类似机器人的机器出现，只不过不是以人的模样 出现，所以就没有所谓的机器人。比如：我国赫赫有名的木牛流马：西周时期.我 国的能上巧匠偃师研制出了能歌善舞的水制伶人二这是史书己载的我国最早的 机器人。春秋后期.我H著名的水履鲁班，曾制造过只木莺，岂能在空中， 三 日不下” 1800年前的议代.人科学家张衡不仪发明了地动仪，而且发明了计坐鼓 车：车行一里。乍卜水人击鼓下，每行十里则击钟一下。三国时期，蜀国丞相渚 葛亮发明了 木牛流马，并用它束运送乍粮.支援前方战争.还有就是自动 机：公元前2世纪亚圳山大时代的占希腊人发明丁最原始的机器人一一自动机。大千世界，万事万物都遵循着从无到有、从低到高的发展规律，机器人也不 例外。早在三千多年前的西周时代，中国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”， 这可能是世界上最早的“机器人”。然而真正的工业机器人的出现并不久远，二 十世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人开始进入了实用 化和工业化阶段。20世纪70年代开始，世界各国开始把机器人作为工业领域的 研究重点。到目前为止，经过50多年的发展，日本、美国、法国、徳国的工业 机器人产品己日趋成热和完善，也相继地形成了一批具有影响力的著名工业机器 人公司。比如瑞典的ABB Robotics,日本的发那科(FANUC)和安川电机 (Yaskawa),徳国的库卡 KUKA,美国的 Emerson Industrial Automation,意大 利的 C0MAU,英国的 AutoTech Robotics,加拿大的 Jed International Robotics, 以色列的Robogroup Tek公司等，这些公司己经成为各自国家和当地的支柱性产 业。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先 进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。在国外，工业机器人技术日趋成 熟，己经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上 较有影响力的、知名工业机器人公司。目前，国际上的工业机器人公司主要分为 日系和欧系。日系中主要有安川、0TC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产 品。欧系中主要有徳国的KUKA、CL00S、瑞典的ABB、意大利的C0MAU及奥地利 的IGM公司。工业机器人已成为柔性制造系统(FMS)、工厂自动化(FA)、计算机 集成制造系统(CIMS)的自动工具。据专家预测，机器人产业是继车、计算机之后 出现的一种新的大型高技术产业。2002年至2004年，根据联合国欧洲经济委员 会(UNECE)和国机器人联合会(IFR)的统计，世界工业机器人市场前景看好，年增 长率平均在10%左右。2005年增长率达到创记录的30%,其中亚洲工业机器人 增长幅度最为突出，高达45%。2007年，全球新安装工业机器人的数量将超过 十万套。中国的工业机器人起步于20世纪70年代，清华、哈工大、华中科大、沈阳 自动化研究所等一批科研院所最早开始了工业机器人的理论研究。80-90年代， 沈阳自动化研究所和中国第一汽车制造集团进行了机器人的试制和初步应用工 作。进入21世纪以来，在国家政策的大力支持下，广州数控、沈阳新松、安徽 奇瑞装备、南京埃斯顿等一批优秀的本土机器人公司开始涌现，工业机器人也开 始在中国形成了初步产业化规模。目前，我国的科研人员己基本掌握了工业机器 人的结构设计和制造技术、控制系统硬件和软件技术、运动学和轨迹规划技术， 也形成了机器人部分关键元器件的规模化生产能力。一些公司开发出的喷漆、弧 焊、点焊、装配、搬运等机器人己经在多家企业的自动化生产线上获得规模应用， 弧焊机器人也己广泛应用在汽车制造厂的焊装线上。总的来看，我国的工业机器人技术开发和工程应用水平与国外相比还有一定 的差距。如在可靠性方面低于国外产品；机器人的工程应用起步较晚，应用领域 窄；生产线系统技术与国外有差距；在应用规模上，在市场占有量上也低于国外 优秀机器人公司。主要原因在于国内没有形成大规模机器人产业，现有的机器人 生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零 部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切 需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、 模块化设计，积极推进工业机器人产业化进程。1.2课题研究趋势工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平， 提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令 世人瞩目的作用。在新的世纪，随着科学技术的进步，机器人产业必将得到更 加快速的发展，工业机器人将得到更加广泛的应用。1技术发展趋势在技术发展方面，工业机器人正向结构轻量化、智能化、模块化和系统化 的方向发展。未来主要的发展趋势有：（1）机器人结构的模块化和可重构化；（2）控制技术的高性能化、网络化；（3）控制软件架构的开放化、高级语言化；（4）伺服驱动技术的高集成度和一体化；（5）多传感器融合技术的集成化和智能化；（6）人机交互界简单化、协同化。2. 应用发展趋势自工业机器人诞生以来，汽车行业一直是其应用的主要场合。2014年北美 机器人工业协会在年度报告中指出，截止2013年底，汽车行业仍然是北美机器 人最大的应用市场，但其在电子/电气行业、金属加工行业、化工行业、食品等 行业的出货量却增速迅猛。由此可见，未来工业机器人的应用依托汽车产业， 并迅速向各行业延伸。对于机器人行业来讲，这是一个非常积极的信号。3. 产业发展趋势据国际机器人联合会公布的数据显示,2013年全球机器人装机量达到17.9 万台，亚洲/澳洲占10万台，中国36560台，整个行业产值300亿美元。2014 年，全球机器人销量22.5万台，亚洲的销量占到2/3,中国市场的机器人销量 近45500台，增长35%。到目前为止，全球的主要机器人市场集中在亚洲、澳 洲、欧洲、北美，其累计安装量己超过200万台。相信在不久的将来，工业机 器人的时代将很快來临，并将在智能制造领域掀起一场变革。1.3课题设计目的和意义工业机器人是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械装置等高 新技术产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。使 用工业机器人的优越性是显而易见的，不仅精度高，产品质量稳定。而且自动 化程度极高，可大大减轻工人的劳动强度，提高生产效率。特别值得一提的是, 工业机器人可完成一般人工操作难以完成的精密工作，如激光切割、精密装配 等，因而工业机器人在自动化生产中的地位越来越重要。工业机器人按照ISO 定义，是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自 动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。 它可以接受人类指挥，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原则纲领行动。14工业机器人的行业应用工业机器人按作业任务的不同可以分为焊接、搬运、装配、码垛、涂装等 类型机器人。1. 焊接机器人焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，见图1-1焊接机器人常用于汽 车制造领域，是应用最为广泛的工业机器人之一。目前，焊接机器人机的使用 量约占全部工业机器人总量的30%。图1-1焊接机器人焊接机器人又可以分为点焊和弧焊。从上世纪60年代开始以来，焊接机 器人焊接技术己日益成熟，在长期使用过程中，主要体现了以下优点：（1）可以稳定提高焊件的焊接质量；（2）提高了企业的劳动生产率；（3）改善了工人的劳动强度，替代人类在恶略环境下工作；（4）降低了工人操作技术的要求；（5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少了设备投资。2. 搬用机器人搬运机器人是可以进行自动搬运作业的工业机器人，见图l-2o最早的搬 运机器人是1960年美国设计的Versatian和Uiiimate,搬运时机器人末端夹具设 备握持工件，指将工件从一个加工位置移动到另一个加工位置。目前世界上使 用的搬运机器人超过10万台，其广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、 自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运场合。搬用机器人又分为可以移动的搬用小车（AGV）,用于码垛的码垛机器人、 用于分解的分解机器人、用于机床上下料的上下料机器人等。其主要作用就是 实现产品、物料或工具的搬用，主要优点在于：（1）提高生产效率，一天可以24小时无间断工作；（2）改善工人劳动条件，可在有害环境下工作；（3）降低工人劳动强度，减少人工；（4）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；（5）可实现工厂自动化、无人化生产。3. 装配机器人装配机器人是专门为装配而设计的机器人。常用的装配机器人主要可以完 成生产线上一些零件的装配或拆卸工作。从结构上来分，主要有PUMA机器 人（可编程通用装配操作手）和SCARA 机器人（平面双关节型机器人）两种 类型。PUMA机器人是美国Ummation公司1977年研制的由一种计算机控制 的多关节装配机器人。一般有5-6个自由度，可以实现腰、肩、肘的回转以及 手腕的弯曲、旋转和扭转等功能，见图1-3。主柱拽样图3 PUMA562机器人SCARA机器人是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人，有3个旋转 关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节， 用于完成末端件在垂直于平面的运动，如图1-4所示，这类机器人的结构轻便、 响应快，例如Adeptl型SCARA机器人运动速度可达10m/s,比一般关节式机 器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。图1-4 SCARA机器人与一般工业机器人比较，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、 能与其他系统配套使用等特点。在工业生产中使用装配机器人可以保证产品质 量，降低成本，提高生产自动化水平。目前，装配机器人主要用于各种电器制 造（包括家用电器，如电视机、录音机、洗衣机、电冰箱、吸尘器）、小型电 机、汽车及其部件、计算机、玩具、机电产品及其组件的装配等方面。图1-5 为装配机器人装配作业。图1-5装配机器人作业4. 喷涂机器人喷涂机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪 威Tiallfa公司发明。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统 组成。液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。喷涂 机器人多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂 的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人 腕部釆用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕， 能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般釆用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可 通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电 器、搪瓷等工艺生产部门，图1-6为喷漆机器人在汽车表面喷涂作业。图1-6喷涂机器人作业 喷涂机器人的主要优点：柔性大。工作范围大大。 提高喷涂质量和材料使用率。（3）易于操作和维护。可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率高。喷涂机器人的利用率可达90%-95%o1）:点焊机器人：点焊机器人广泛应用于焊接薄板材料。装配每台汽车 车体一般大约需要完成3000M000个焊点。其中60%的是点焊机器人完成的。2）:弧焊机器人：弧焊机器人应用于焊接金属连续结合的焊缝工艺，绝 大多数可以完成自动送丝、熔化电极和气体保护下进行焊接工作。弧焊机器人 的应用范围很广，除汽车行业外，在通用机械、金属结构等需哦多行业中都有 应用。3）：喷漆机器人：喷漆机器人广泛应用于汽车车体、家电产品和各种塑料 制品的喷漆工作。4）：装配机器人：釆用工业机器人进行自动装配，是近十几年来才发展起 来的一项新技术。从目前的情况来看，整个机械制造过程中自动化程度最低的 就是装配工艺。5）：搬运机器人：随着计算机集成制造技术、物流技术、自动仓储技术的 发展，搬运机器人在现代制造业中的应用越来越广泛。机器人可用于零件的加 工过程中，物料、工辅量具的装卸和储运，可用于将零件从一个输送装置送到 另一个输送装置,或从一台机床上加工完得零件取下再安装到另一台机床上去。7第二章工业机器人的技术基础第二章工业机器人的技术基础2.1工业机器人的结构工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手动功能的机电一体化装置。一台 通用的工业机器人从体系结构來看，可以分为三大部分：机器人本体、控制器 及系统、示教器，具体结构如图2-1所示。1. 机器人本体机器人本体是工业机器人的机械主体，是完成各种作业的执行机构。一般 包含互相连接的机械臂、驱动及传动装置以及各种内外部传感器。工作时通过 末端夹具也称末端执行器用于实现机器人对工作目标的夹取、搬用等动作。机械臂：大部分工业机器人为关节型机器人，关节型机器人的机械臂是由 若干个机械关节连接在一起的集合体。图2-2为典型6关节工业机器人，由机 座、腰部关节1、大臂关节2、肘部关节3、操作臂关节4、腕部关节5和手部 关节6构成。图2-26关节工业机器人9淮安信息职业技术学院毕业设计论文机座：是构成机器人的支撑部分，内部安装有机器人的执行机构和驱动装 置。腰部：是连接机器人机座和大臂的中间支撑部分。工作时，腰部可以通过 关节1在机座上转动。臂部：6关节机器人的臂部一般由大臂和小臂构成，大臂通过关节2与腰 部相连，小臂通过肘关节3与大臂相连。工作时，大、小臂各自通过关节电机 转动，实现移动或转动。手腕：连接小臂和末端执行器的部分，主要用于改变末端执行器的空间位 姿，联合机器人的所有关节实现机器人预期的动作和状态。2. 驱动及传动装置工业机器人的机座、腰部关节、大臂关节、肘部关节、操作臂关节、腕部 关节和手部关节构成了机器人的外部结构或机械结构。机器人运动时，每个关 节必须有驱动装置和传动机构完成。图2-2为机器人运动关节的组成，要构成 多关节机器人，其每个关节的驱动及传动装置缺一不可。图2-2机器人运动关节构成驱动装置是向机器人各机械臂提供动力和运动的装置。不同类型的机器 人，驱动釆用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方 式主要有四种：液压式、气压式、电气式和机械式。电力驱动是目前使用最多 的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传 递、处理方便，并可以釆用多种灵活的控制方式，驱动电机一般釆用步进电机 或伺服电机，目前也有釆用力矩电机，但是造价较高，控制也较为复杂，和电 机相配的减速器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。4.传感器为检测作业对象及工作环境，在工业机器人上安装了诸如触觉传感器、视 第二章工业机器人的技术基础觉传感器、力觉传感器、接近传感器、超声波传感器和听觉传感器。这些传感 器可以大大改善机器人工作状况和工作质量，使它能够更充分地完成复杂的工 作。2.2工业机器人的控制器及控制系统控制器是构成工业机器人的神经中枢，由计算机硬件、软件和一些专用电 路、控制器、驱动器等构成。工作时，根据编写的指令以及传感信息控制机器 人本体完成一定的动作或路径，主要用于处理机器人工作的全部信息，其正面 内部结构如图2-3所示。图2-3控制器内部结构为实现对机器人的控制，除计算机硬件系统外，还必须有相应的软件控制 系统。通过软件系统的支持，可以方便的建立、编辑机器人控制程序。目前， 世界各大机器人公司都有自己的完善的软件控制系统来实现机器人的作业控 制。2.3工业机器人的示教器示教器是人机交互的一个接口，也称示教盒或示教编程器，主要由液晶屏 和可供触摸的操作按键组成。操作时由控制者手持设备，通过按键将需要控制 的全部信息通过与控制器连接的电缆送入控制柜中的存储器中，实现对机器人 的控制。示教器是机器人控制系统的重要组成部分，操作者可以通过示教器进 行手动示教，控制机器人到达不同位姿，并记录各个位姿点坐标，也可以利用 机器人语言进行在线编程，实现程序回放，让机器人按编写好的程序完成轨迹 运动。11淮安信息职业技术学院毕业设计论文示教编程器上设有用于对机器人进行示教和编程所需的操作键和按钮，一 般情况下不同机器人厂商示教编程器外观各不相同，但一般包含中央的液晶显 示区、功能按键区、急停按钮和出入线口。图2-4为工业机器人的示教器外观。图2-4工业机器人示教器在盘右上角，如右图所示红色键不管示教操作盘有效开关的状态如何，都 会使执行中的程序停止，机器人伺服电源被切断，使得机器人进入急停状态。2.4工业机器人的技术参数虽然工业机器人的种类、用途不尽相同，但任一工业机器人都有其使用的 工作范围和要求。目前，工业机器人的主要技术参数有以下几种：自由度、分 辨率、精度和重复定位精度、工作范围、最大工作速度和承载能力。2.4.1自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端执行器的 开合自由度。一般情况下机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度与关 节的概念是相等的。自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多就 越灵活，但结构也越复杂，控制难度越大，所以机器人的自由度要根据其用途 设计，一般在36个之间。具有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。从运动学的观点看, 在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，叫做冗余自由度机器人，又 叫冗余度机器人。例如，PUMA562机器人去执行印制电路板上接插元器件的 作业时就是一个冗余度自由机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活 性，躲避障碍物和改善动力性能。第二章工业机器人的技术基础2.4.2分辨率分辨率是指机器人每个关节所能实现的最小移动距离或最小转动角度。工 业机器人的分辨率分编程分辨率和控制分辨率两种。编程分辨率是指控制程序 中可以设定的最小距离，又称基准分辨率。当机器人某关节电机转动0.1。，机 器人关节端点移动直线距离为O.Olnun,其基准分辨率即为O.Olinnio控制分辨 率是系统位置反馈回路所能检测到的最小位移，即与机器人关节电机同轴安装 的编码盘发出单个脉冲电机转过的角度。2.4. 3分辨率工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部 实际到达位置与目标位置之间的差异，用反复多次测试的定位结果的代表点与 指定位置之间的距离来表示。重复定位精度是指机器人重复定位手部于同一目 标位置的能力，以实际位置值的分散程度来表示。实际应用中常以重复测试结 果的标准偏差值的3倍来表示，它是衡量一列误差值的密集度。2.4.4作业范围工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫 做工作区域。因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实地反映机 器人的特征参数，一般工作范围是指不安装末端操作器的工作区域。工作范围 的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因为存在手部不能 到达的作业死区而不能完成任务。2.4. 5运动速度运动速度影响机器人的工作效率和运动周期，它与机器人所提取的重力和 位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将承 受着加减速时较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的 技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000 mm/s以下，最大 回转速度一般不超过120 /So最大工作速度，有的厂家指工业机器人自由度上最大的稳定速度，有的 厂家指手臂大合成速度，通常欧洲技术参数中就有说明。工作速度越高，工作 效率就越高。但是，工作速度越高就要花费更多的时间去升速或降速。2.4. 6承载能力承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承 载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方 向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。 承载能力不仅指负载，而且包括了机器人末端操作器的质量根据承载能力不同 工业机器人大致分为：1微型机器人一承载能力为1N以下；2. 小型机器人一承载能力不超过105N；3. 中型机器人一承载能力为105106N；4. 大型机器人承载能力为106107N；5. 重型机器人一承载能力为107N以上。2.5工业机器人的类型机器人的结构形式多种多样，典型机器人的运动特征是用其坐标特性来描 述。按结构特征來分，工业机器人通常可以分为直角坐标机器人、柱面坐标机 器人、极坐标机器人、多关节型机器人、并连关节型等机器人。图2-5工业机器人结构形式类型2.5.1直角坐标机器人直角坐标机器人是指在工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、在空间上具有相互垂直关系的三个独立自由度的多用途机器人，结构见图2-6。图2-6直角坐标机器人从图中可以看出，机器人在空间坐标系中有三个相互垂直的移动关节 X/Y亿，每个关节都可以在独立的方向移动。直角坐标机器人的特点是直线运 动、其控制简单。缺点是灵活性较差，自身占据空间较大。目前，直角坐标机 器人可以非常方便的用于各种自动化生产线中，可以完成诸如焊接、搬运、上 下料、包装、码垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、喷涂、目 标跟随、排爆等一系列工作。直角坐标机器人是以XYZ直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机、 步进电机为驱动的单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠丝杆、同步皮带、齿轮 齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系统，可以完成在XYZ三维坐标系 中任意一点的到达和遵循可控的运动轨迹。直角坐标机器人釆用运动控制系统实现对其的驱动及编程控制，直线、曲 线等运动轨迹的生成为多点插补方式，操作及编程方式为引导示教编程方式或 坐标定位方式。特点：1、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角；2、自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行；3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。4、灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。5、高可靠性、高速度、高精度。6、可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。2.52柱面坐标机器人柱面坐标机器人是指轴能够形成圆柱坐标系的机器人，如图2-7所示。其 结构主要由一个旋转机座形成的转动关节和垂直、水平移动的两个移动关节构 成。柱面坐标机器人末端执行器的姿态由（z、I、0 ）决定。柱面坐标机器人 具有空间结构小，工作范围大，末端执行器速度高、控制简单、运动灵活等优 点。缺点在于工作时，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率低。 圆柱坐标手臂看起来有点像一个机器人升降机。它的工作行程类似一个后壁圆 筒，这也是它名称的由来。像旋转坐标和极坐标手臂一样，它的肩关节的转动也 是通过一个旋转底盘来实现的。前臂安装在一个类似升降机的装置上面，前臂沿着圆柱提升和下降，捉取不同高 度的物体。为了让手臂可以捉取三维空间里面的物体，前臂上面配备了一个和极 坐标手臂相似的伸展关节。图2-7柱面坐标机器人17第二章工业机器人的技术基础2.53极坐标机器人极坐标型机器人结构如图2-8所示，一般由两个回转关节和一个移动关节 构成，其轴线按极坐标配置，R为移动坐标，P是手臂在铅垂面内的摆动角， 0是绕手臂支撑底座垂直的转动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球 面，所以又称为球坐标型机器人。极坐标机器人同样占用空间小，操作灵活且范围大，但运动学模型较复杂, 难以控制。极坐标手臂的工作行程是一个半球的形状。和旋转坐标手臂差不多，极坐 标手臂同样也可以非常灵活地捉取散落在机器人身边的各种物体。像旋转坐标手臂一样，转盘带动着整个手臂的旋转。这个功能有点类似肩 关节的转动。极坐标手臂的肩关节无法伸展和弯曲，第二个自由度的肘关节可 以控制前臂的上下运动。第三个自由度实现的是前臂的各种伸展运动。前臂“内 部”关节的伸缩带动着夹持器在机器人上收放。如果没有前臂内部的关节，手 臂只能捉取放在前面的一个有限的二维圆周里面的物体。极坐标手臂通常用于工业机器人，这种类型的手臂非常适合作为一个固定 设备使用。为了增加灵活性也可以把它们安装在移动式机器人上面。2.5.4多关节型机器人关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中应 用最为广泛的一种机器人。多关节型机器人按照关节的构型又可分为垂直多关 节型和水平多关节型机器人。垂直多关节机器人主要由机座和多关节臂组成， 目前常见的关节臂是3-6个，6关节臂机器人其结构如图2-9所示。图2-9垂直多关节机器人由上图可知，这类机器人由多个旋转和摆动关节组成，其结构紧凑、工作 空间大、动作接近人类，工作时能绕过机座周围的一些障碍物，对装配、喷涂、 焊接等多种作业都有良好的适应性，且适合电机驱动，关节密封、防尘比较容 易。水平多关节机器人，也称 SCARA (Selective Copmliance Assembly Robot Aim) o SCARA是一种水平多关节机器人，结构如图2-10。这类机器人一般 具有四个轴和四个运动自由度，它的第一，二，四轴具有转动特性，第三轴具 有线性移动特性，并且第三轴和第四轴可以根据工作需要的不同，制造成相应 多种不同形态。图2-10水平多关节机器人SCARA机器人特点在于作业空间与占地面积比很大，使用起来方便；在 垂直升降方向刚性好，尤其适合平面装配作业。目前，SCARA机器人广泛应 用于电子产品工业、汽车工业、塑料工业、药品工业和食品工业等领域，用以 完成搬取、装配、喷涂和焊接等操作。优点：有很高的自由度，56轴，适合于几乎任何轨迹或角度的工作可以自由编程，完成全自动化的工作提高生产效率，可控制的错误率代替很多不适合人力完成、有害身体健康的复杂工作，比如，汽车外壳点 焊 缺点：价格高，导致初期投资的成本高生产前的大量准备工作，比如，编程和计算机模拟过程的时间耗费长2.6工业机器人的控制方式工业机器人根据控制方式的不同可以分为伺服控制机器人和非伺服控制 机器人两种。机器人运动控制系统最常见的方式就是伺服系统。伺服系统是指 精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，在很多情况下，机器人伺服系统 的作用是驱动机器人机械手准确地跟随系统输出位移指令，达到位置的精确控 制和轨迹的准确跟踪。伺服控制机器人又可细分为连续轨迹控制类和点位控制机器人。点位方式 控制机器人其运动为空间点到点之间的直线运动。连续轨迹控制机器人其运动 轨迹可以使空间的任意连续曲线。2.7工业机器人的驱动方式根据能量转换方式的不同，工业机器人驱动类型可以划分为液压驱动、气 压驱动、电力驱动和新型驱动四种类型。1. 气压驱动具有速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适于在中、小负 荷的机器人中釆用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如 在上、下料和冲压机器人中应用较多。2. 液压驱动由于液压技术是一种比较成熟的技术。它具有动力大、力（或力矩）与惯量 比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以 及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换（电能转 换成液压能），速度控制多数情况下釆用节流调速，效率比电动驱动系统低。液 压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。因这些弱点，近年来, 在负荷为lOOkz以下的机器人中往往被电动系统所取代。3. 电力驱动由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频 器、直流脉冲宽度调制器）的广泛釆用，这类驱动系统在机器人中被大量选用。 这类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的 传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的环境中，成本也较上两种驱 动系统的高。但因这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的选用。4. 新型驱动伴随着机器人技术的发展，出现了利用新的工作原理制造的新型驱动器， 如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等。19淮安信息职业技术学院毕业设计论文第三章工业机器人工作站集成方案设计3.1工业机器人工作站总体方案3.1.1工业机器人工作站本设计的工作站综合了自动控制、位置控制、电机控制、气动控制、可编 程控制器、传感器等技术，该装置由ABB工业机器人、控制器及机器人示教盒、 工业机器人搬运单元、工业机器人轨迹绘制单元、工业机器人码垛单元、工业 机器人打磨抛光单元、工业机器人手爪、安全单元、电器控制系统、气动系统、 机器人工作台等组成。通过更换抓取工装可以实现机器人的搬运、码垛、轨迹 模拟画图、打磨抛光等功能。图3-1工业机器人工作站集成原理图3.1.2工业机器人工作站的技术参数1. 输入电源:AC220V土 10%(单相三线)；2. 整体功率：lkVA；3. 外形尺寸：1600X1400X1500nmi；4. 气源压力：0.40.6MPa。5. 工作环境：温度-5C+40C；湿度85% (25C)；海拔4000m；6. 安全保护：具有漏电保护，安全符合国家标准7. 重量：150Kg3.1.3工业机器人工作站集成材料图3.1工业机器人工作站集成材料清单序号名称规格数 量单位品牌1工业机器人含IRB120-3/0. 6六自由度3Kg工业 机器人本体、IRC5控制器、示教器5套ABB2机器人搬运单元包扌舌网格坐标机构、搬运工件、搬运 手爪工装5套康尼2. 1网格坐标机构由铝型材搭建5套康尼2.2搬运工件尺寸24 X 20mm铝制工件45个康尼3机器人轨迹绘制单元包拾轨迹画图机构、画笔工装5套康尼3. 1轨迹画图机构画图板尺寸：216X 301 X 15mm（配1 个擦板）5套康尼4机器人码垛单元包括4X4仓储库、皮带传送机构、 工件（e60X60mm）和母体工装等5套康尼4. 14X4仓储库主体由铝型材搭建，库位容量16个5套康尼4.2皮带传送机构直流电机驱动，电压DC24V。皮带传 动，传动速度20米/min5套康尼4.3工件外形4>60X60mm ,材质：尼龙80个康尼5机器人打磨抛光单元包括抛光机构、打磨抛光工装等5套康尼5. 1抛光机构被抛光工件材料：不锈钢。固定台主 体采用铝型材制作。5套康尼6机器人手爪5套康尼6. 1母体工装主要由气爪、手指、光线放大器感应 头、导电电极、真空气路等组成。5套康尼6.2搬运手爪工装气路自动对接，无需人工辅助5套康尼6. 3画笔工装画笔采用软笔5套康尼6.4打磨抛光工装直流电机驱动，毛毡抛光轮5套康尼7安全单元由型材、茶色有机玻璃、光幕组成。5套康尼8电控系统5套康尼8. 1PLCFX2N-64MR-D5个三菱8.2光电开关E3Z-LS615个欧姆龙8. 3光纤传感器BF3RX+FT-320-05 （反射型）5个AUT0NICS8.4直流电机Z2D10-24GN 2GN18K 功率：10W 减 速比18： 15个中大8. 5直流电机ZYTD-38SRZ-R空转转速：4000RPM功率：7W电源：24V额定转数：1700额定转矩7505个正科8.6开关电源DR-120-24 DC24V, 5A5个明纬8. 7光幕DQA30/10-290 检测距离 0. 3-3 米 光幕高度290mm,光束30个5套戴迪斯 科光电8.8接触器LC1-D18M7C5个施耐德8.9漏电保护器DZ47-60 3P C325个正泰8. 10电源开关、急停按钮、 开关等LA42HD-11/24V RG5套天逸9气动系统5套康尼9. 1单电控两位五通电磁 阀4V210-06-B DC24V10个亚德客9.2真空吸盘ZPR20BN-40-B65个SMC9. 3真空发生器VN-O5-H-T2-PQ1-VQ1-RO15个FESTO9.4数字式压力开关ZSE30A-01-P-LA15个SMC9. 5空气过滤减压阀AC2000-A5个亚德客9.6底座200M-2F可以安装6个电磁阀5个亚德客9. 7静音空气压缩机FB-95/7型（5台共用1个气泵）1个风暴10工作台铝型材和饭金焊接构成5套康尼11附件5套康尼12安装调试13运输3.2工业机器人的本体工业机器人的本体由IRB120机器人、机器人控制器、示教盒组成。机器 人本体通过配备气爪及手指、吸盘、画笔、抛光轮等执行件相应地完成物件的 抓取、放置、轨迹模拟画图、打磨抛光等操作。机器人本体由六自由度关节组 成，抓取物体重量W3kg。固定在型材实训桌上，活动范围半径大于580nini, 角度不小于330 ,机器人本体具体参数如下表3.2所示。图3. 2工业机器人本体性能参数形式单位规格值机种6轴标准规格动作自由度6安装姿势地板、垂吊活动范围半径mm580周围温度C040本体重量kg25位置往返精度mm0. 01可搬重量kg3 （额定）集成信号源手腕设10路信号集成气源bar5防护等级P30动作范围轴1旋转度330 (-165+165)轴2手臂220 (-110+110)轴3手臂160 (-90+70)轴4手腕320 (-160+160)轴5弯曲240 (-120+120)轴6翻转800 (-400+400)最人速度轴1旋转度/秒250轴2手臂250轴3手臂250轴4手腕320轴5弯曲320轴6翻转1203.3工业机器人的控制柜ABB工业机器人控制器包含两个模块，控制模块和驱动模块，两个模块通常合并在一个控制器机柜中，控制模块包含主机、I/O电路板和闪存等所有的 电子控制装置，运行操作机器人（即Robotware系统）所需的所有软件。驱动 模块包含为机器人电机供电的所有电源电子设备。IRC5驱动模块最多可包含9 个驱动单元，它能处理6根内轴以及2根普通轴或附加轴。使用一个控制器运 行多个机器人时，必须为每个附加的机器人添加额外的驱动模块，但只需使用 一个控制模块。图3-2 ABBX业机器人控制柜25淮安信息职业技术学院毕业设计论文3.4工业机器人的示教器ABB工业机器人示教器是进行机器人的手动操纵、程序编写、参数配置以及 监控用的手持装置，示教器用于执行与操作机器人系统有关的许多任务，可在恶 劣的工业环境下持续运作，是我们最常打交道的控制装置，其触摸屏易于清洁， 且防水、防油、防溅锡。ABB工业机器人示教器由硬件和软件组成，其本身就是 一台完整的计算机，通过集成线缆和接头连接到控制器。但操作示教器时，通常 会手持该设备。惯用右手者用左手持设备，右手在触摸屏上执行操作。而惯用左 手者可以轻松通过将显示器旋转180度，使用右手持设备。AA连接器B触摸屏C紧急停止按钮D控制杆EUSB 端口F使动裝置G触摸笔H更養按钮#淮安信息职业技术学院毕业设计论文图3-3 ABB工业机器人示教器#淮安信息职业技术学院毕业设计论文3.5工业机器人的手爪1. 母体工装母体工装直接安装在机器人上，可以直接抓取其他3种工装进行作业，也 可以直接抓取方形工件进行搬运入库工作。母体工装主要由气爪、手指、光线 放大器感应头、导电电极、真空气路等组成。母体工装在抓取打磨抛光工装和 真空吸盘工装时，电路和气路能够自动对接，无需人工辅助。图3-4 ABB工业机器人母体工装2. 搬运手爪工装由母体工装和真空吸盘工装组成，气路自动对接，无需人工辅助。通过真 空吸盘吸附来搬运工件。图3-5 ABB工业机器人搬运工装3. 画笔工装由母体工装和画笔工装组成。画笔釆用软笔。通过机器人驱动，在画图板上画各样的形状，模拟轨迹焊接。图3-6 ABBX业机器人画笔工装4. 打磨抛光工装由母体工装和打磨抛光工装组成。通过直流电机驱动毛毡抛光轮对工件面面进行模拟抛光。图3-7 ABB工业机器人打磨抛光工装3.6工业机器人的作业机构1.工业机器人搬运单元该单元由网格坐标机构、搬运工件、搬运手爪工装等组成。实现机器人通 过与之配套的手爪实现在该单元的物料搬运。网格坐标机构如图3-8所示，通 过丝网印刷将网格印制在铝板上，网格间距30X 30nmio工件标配9个圆形工 件，尺寸4)24X20iiiiiio工件上印19数字号码。2.工业机器人轨迹绘制单元该单元由轨迹画图机构、画笔工装等组成。实现机器人通过与之配套的手 爪实现在该单元的模拟轨迹绘图。画图板通过快速锁紧螺钉压紧，有利于画图 板损坏时快速更换。图3-9 ABB工业机器人轨迹绘制单元3. 工业机器人码垛单元该单元主要由4X4库位、皮带传送机构、工件（60X60mm）和母体工 装等组成。人工将工件机器人通过与之配套的手爪实现将皮带输送机构传动过 来的物料送到4x4仓储库中码垛，该仓储库主体由铝型材搭建，库位容量16 个，库位尺寸70X120111111,仓储库总体尺寸534X520X120miiio4皮带传送机构该送料机构人工放料，放料处的光电传感器感应到物体时，电机开始转动, 驱动皮带转动，进而使工件向前运动。当工件运动到待抓取位时，待抓取位的 光电传感器感应到物体，通知机器人来抓取工件。图3T1 ABBX业机器人皮带机构5. 工业机器人打磨抛光单元该单元由抛光机构、打磨抛光工装等组成。实现机器人通过与之配套的手 爪实现在该单元的模拟打磨抛光。被抛光工件采用不锈钢。固定台主体采用铝 型材制作。图3-12 ABB工业机器人打磨机构3.7工业机器人的安全单元安全单元主要包括了安全器件安装支架，安全光幕传感器，安装在设备前 后侧方便设备调试和学员学习，工作台的两边侧面采用安全玻璃对设备进行防 护。安全玻璃（左右）图3-13 ABBX业机器人安全单元3.8工业机器人的电气系统电气控制系统主要由可编程控制器、线槽、电线、接线端子、主令电气、 检测传感器等组成。具有接地保护、断电保护、漏电保护功能，安全性符合相 关的国标标准。安装电器的网孔板可以抽出，方便接线。3.9工业机器人的气动系统主要由气泵、电磁阀、电磁阀底座、气爪、真空发生器、真空吸盘、油水 分离器、气管、接头、节流阀等组成，负责设备的供气。3.10工业机器人的工作台工作台下部采用钢焊接而成，带有脚轮和脚杯，涂白漆；单个工作台外形 大体尺寸为：长1600*宽1400*高800mm；机器人安装底板采用钢板固定；工 作台分上下两层，上层用于安放机器人和操作对象，下层通过隔板分为前后两 个区域，下层一侧带有网孔板抽屉，用于安装电气系统，具有收拉功能。工作 台前后都双开门和配备散热风机，方便机器人等控制柜的安装和散热。工作 台四各角落装有立柱，方便安装安装安全光幕和防护玻璃。33淮安信息职业技术学院毕业设计论文第四章 工业机器人工作站集成安装与维护4.1工业机器人的搬运ABB工业机器人的运输一般是木箱包装，包括底板和外壳。底板是包装箱承 重部分，与内包装物之间有固定，内包装物不会在底板上窜动，是起重机或叉车 搬运的受力部分。箱体外壳及上盖只起防护作用，承重有限，包装箱上不能放重 物，不能倾倒，不能雨淋等。拆包装前先检查是否有破损，如有破损联系运输单 位或供应商。使用电动扳手、撬杠、羊角锤等工具，先拆盖，再拆壳，注意不要 损坏箱内物品。最后拆除机器人与底板间的固定物，可能是钢丝缠绕、长自攻钉、 钢钉等。核查零部件，根据装箱清单核查机器人系统零部件，一般包括机器人本 体、控制柜、示教器、连接线缆、电源等。注意检查外观是否有损坏。机器人出 厂时己调整到易于搬运的姿态，可以用叉车或起重机搬运，首先根据机器人重量 选择适当承重的叉车或起重机，注意研究叉车或起吊绳位置，确保平衡稳定。图4-1 IRB120工业机器人的装运姿态如果机器人未固定在基座上并保持静止，则机器人在整个工作区域中不