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1、 第第第第12121212次次次次7 工业机器人工作站及生产线工业机器人工作站及生产线 工业机器人是最成熟、应用最广泛的一类机器人。工业机器人是最成熟、应用最广泛的一类机器人。工业机器人是最成熟、应用最广泛的一类机器人。工业机器人是最成熟、应用最广泛的一类机器人。制造业应用机器人的主要目的在于制造业应用机器人的主要目的在于制造业应用机器人的主要目的在于制造业应用机器人的主要目的在于提高产品质量提高产品质量提高产品质量提高产品质量和和和和削减人员编制削减人员编制削减人员编制削减人员编制。工。工。工。工业机器人的应用可分为四个方面，即业机器人的应用可分为四个方面，即业机器人的应用可分为四个方面，即
2、业机器人的应用可分为四个方面，即材料加工材料加工材料加工材料加工、零件制造零件制造零件制造零件制造、产品检验产品检验产品检验产品检验和和和和装配装配装配装配。就工业机器人在工作中担当任务就工业机器人在工作中担当任务就工业机器人在工作中担当任务就工业机器人在工作中担当任务,有有有有主功能主功能主功能主功能和和和和辅助功能辅助功能辅助功能辅助功能的区别。的区别。的区别。的区别。工业机器人在制造业典型应用有：工业机器人在制造业典型应用有：工业机器人在制造业典型应用有：工业机器人在制造业典型应用有：焊接机器人焊接机器人焊接机器人焊接机器人、搬运码垛机器人搬运码垛机器人搬运码垛机器人搬运码垛机器人、喷喷
3、喷喷涂机器人涂机器人涂机器人涂机器人和和和和装配机器人装配机器人装配机器人装配机器人。n n7.1 7.1 7.1 7.1 焊接机器人焊接机器人焊接机器人焊接机器人n n7.2 7.2 7.2 7.2 搬运、码垛机器人工作站（自学）搬运、码垛机器人工作站（自学）搬运、码垛机器人工作站（自学）搬运、码垛机器人工作站（自学）n n7.3 7.3 7.3 7.3 喷涂机器人（自学）喷涂机器人（自学）喷涂机器人（自学）喷涂机器人（自学）n n7.4 7.4 7.4 7.4 装配机器人（自学）装配机器人（自学）装配机器人（自学）装配机器人（自学）7.1 7.1 7.1 7.1 焊接机器人焊接机器人焊接机
4、器人焊接机器人7.1.1 7.1.1 7.1.1 7.1.1 焊接机器人系统的组成和分类焊接机器人系统的组成和分类焊接机器人系统的组成和分类焊接机器人系统的组成和分类 机器人要完成焊接作业必须依赖控制系统与辅助设备的支持和配合。机器人要完成焊接作业必须依赖控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系统一般由以下几个部分组成：完整的焊接机器人系统一般由以下几个部分组成：机器人操作机机器人操作机、变位变位机机、控制器控制器、焊接系统焊接系统(专用焊接电源、焊枪或焊钳等专用焊接电源、焊枪或焊钳等)、焊接传感器焊接传感器、中央控制计算机中央控制计算机和相应的和相应的安全设备安全设备等。等。n n
5、 机器人操作机是焊接机器人系统的执行机构，其任务是精确地保证末机器人操作机是焊接机器人系统的执行机构，其任务是精确地保证末端执行器端执行器(焊枪焊枪)所要求的位置、姿态并实现其运动。一般情况下，工业所要求的位置、姿态并实现其运动。一般情况下，工业机器人操作机至少应具有机器人操作机至少应具有3 3个以上自由度。具有个以上自由度。具有6 6个旋转关节的铰接开链个旋转关节的铰接开链式机器人操作机能以最小的结构尺寸获取最大的工作空间，并且能以较式机器人操作机能以最小的结构尺寸获取最大的工作空间，并且能以较高的位置精度和最优的路径到达指定位置，因而在焊接领域得到广泛的高的位置精度和最优的路径到达指定位置
6、，因而在焊接领域得到广泛的应用。应用。n n 变位机变位机是机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组是机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分，其作用是将被焊工件旋转成部分，其作用是将被焊工件旋转(平移平移)到最佳的焊接位置。到最佳的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具装卡和定位被在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具装卡和定位被焊工件。通常，焊接机器人系统采用两台变位机，一台进行焊工件。通常，焊接机器人系统采用两台变位机，一台进行焊接作业，另一台则完成工件装卸。焊接作业，另一台则完成工件装卸。n n 机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢。控制器负责机器人控制器是整
7、个机器人系统的神经中枢。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。n n n n 焊接系统是焊接机器人得以完成作业的必需装备，主要由焊钳或焊枪、焊接系统是焊接机器人得以完成作业的必需装备，主要由焊钳或焊枪、焊接控制器以及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器是焊接系统的焊接控制器以及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器是焊接系统的控制装置，它根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输入、程序控制控制装置，它根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输入、程序控制及系统故障自诊断，并实现与上位机的通信联系。焊接电源及送丝设备及系统故障自
8、诊断，并实现与上位机的通信联系。焊接电源及送丝设备必须由机器人控制系统直接控制，电源的功率和接通时间必须与自动过必须由机器人控制系统直接控制，电源的功率和接通时间必须与自动过程相符。程相符。n n在焊接过程中，由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差以及焊接过程在焊接过程中，由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差以及焊接过程中的热变形，传感器仍是焊接过程中不可缺少的设备。传感器的任务是中的热变形，传感器仍是焊接过程中不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。n n 中央控制计算机（上位机）在工业机器人向系统化、中央控制计
9、算机（上位机）在工业机器人向系统化、PCPC化和网络化的化和网络化的发展过程中发挥着重要的作用。通过相应接口与机器人控制器相连接，发展过程中发挥着重要的作用。通过相应接口与机器人控制器相连接，中央控制计算机主要用于形成通信网络，同时与传感系统相配合，实现中央控制计算机主要用于形成通信网络，同时与传感系统相配合，实现焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系统的应用及生产数据的管理。焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系统的应用及生产数据的管理。n n 安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，主要包括驱动系统安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电
10、保护、超速自断电保护、机器人系过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工急停断电保护等，它们起到防止机器统工作空间干涉自断电保护及人工急停断电保护等，它们起到防止机器人伤人或周边设备的作用。人伤人或周边设备的作用。按用途焊接机器人可分为按用途焊接机器人可分为弧焊机器人弧焊机器人和和点焊机器人点焊机器人。n n 弧焊机器人在许多行业中得到广泛应用，是工业机器人最弧焊机器人在许多行业中得到广泛应用，是工业机器人最大的应用领域。必须是轨迹控制机器人。焊枪应跟踪工件焊大的应用领域。必须是轨迹控制机器人。焊枪应跟踪工件焊道运动，运动过程中道运动，运动过程
11、中速度稳定性和轨迹精度是重要指标。焊枪姿态对焊缝质量也速度稳定性和轨迹精度是重要指标。焊枪姿态对焊缝质量也有一定影响，希望焊枪姿态的可调范围尽量大。有一定影响，希望焊枪姿态的可调范围尽量大。n n 点焊机器人系统典型应用领域是汽车工业。可以是点位控点焊机器人系统典型应用领域是汽车工业。可以是点位控制机器人。汽车车体制造约制机器人。汽车车体制造约60%60%的焊点是由机器人来完成的的焊点是由机器人来完成的7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 弧焊机器人工作站弧焊机器人工作站弧焊机器人工作站弧焊机器人工作站 弧焊机器人工作站按功能和复杂程度不同可分为：弧焊机器人工作站按功能和复杂程度不同
12、可分为：无变位机的普通弧无变位机的普通弧焊机器人工作站焊机器人工作站、不同变位机与弧焊机器人组合的工作站不同变位机与弧焊机器人组合的工作站和和弧焊机器人弧焊机器人与周边设备协调运动的工作站与周边设备协调运动的工作站。一、普通弧焊机器人工作站一、普通弧焊机器人工作站一、普通弧焊机器人工作站一、普通弧焊机器人工作站 凡是焊接时工件可以不用变位，而机器人的活动范围又能达到所有焊凡是焊接时工件可以不用变位，而机器人的活动范围又能达到所有焊缝或焊点位置的情况，都可以采用普通弧焊机器人工作站。它是一种能缝或焊点位置的情况，都可以采用普通弧焊机器人工作站。它是一种能用于焊接生产且具有最小组成的一套弧焊机器人
13、系统。用于焊接生产且具有最小组成的一套弧焊机器人系统。普通弧焊机器人工作站一般由弧焊机普通弧焊机器人工作站一般由弧焊机器人器人(包括机器人本体、机器人控制柜、包括机器人本体、机器人控制柜、示教盒、弧焊电源和接口、送丝机、焊示教盒、弧焊电源和接口、送丝机、焊丝盘支架、送丝软管、焊枪、防撞传感丝盘支架、送丝软管、焊枪、防撞传感器、操作控制盘及各设备间相连接的电器、操作控制盘及各设备间相连接的电缆、气管和冷却水管等缆、气管和冷却水管等)、机器人底座、机器人底座、工作台、工件夹具、围栏、安全保护设工作台、工件夹具、围栏、安全保护设施和排烟罩等部分组成，必要时可再加施和排烟罩等部分组成，必要时可再加一套
14、焊枪喷嘴清理及剪丝装置。一套焊枪喷嘴清理及剪丝装置。图7.2 普通弧焊机器人工作站（P220）二、不同变位机与弧焊机器人组合的工作站二、不同变位机与弧焊机器人组合的工作站二、不同变位机与弧焊机器人组合的工作站二、不同变位机与弧焊机器人组合的工作站 这里所说工作站是不需要变位机与机器人协这里所说工作站是不需要变位机与机器人协调运动的机器人工作站。这种工作站比普通弧焊机调运动的机器人工作站。这种工作站比普通弧焊机器人工作站要复杂一些。根据工件结构和工艺要求器人工作站要复杂一些。根据工件结构和工艺要求的不同，所配套的变位机与弧焊机器人也有不同的的不同，所配套的变位机与弧焊机器人也有不同的组合形式。它
15、应用范围最广，应用数量也最多。组合形式。它应用范围最广，应用数量也最多。1.1.1.1.单轴变位单轴变位单轴变位单轴变位机与弧焊机器机与弧焊机器机与弧焊机器机与弧焊机器人组合的工作人组合的工作人组合的工作人组合的工作站站站站 一种塞拉一种塞拉门框架机器人门框架机器人焊接工作站，焊接工作站，用于焊接塞拉用于焊接塞拉门框架。该工门框架。该工作站由两套伺作站由两套伺服控制头、尾服控制头、尾架单轴变位机、架单轴变位机、两套焊接可翻两套焊接可翻转夹具、一套转夹具、一套机器人本体、机器人本体、焊接控制系统焊接控制系统及移动滑台等及移动滑台等组成。组成。图7.3 塞拉门框架机器人工作塞拉门框架机器人工作站简
16、图（站简图（P221P221）2.2.2.2.旋转旋转旋转旋转-倾斜变位机与弧焊机器人组合的工作站倾斜变位机与弧焊机器人组合的工作站倾斜变位机与弧焊机器人组合的工作站倾斜变位机与弧焊机器人组合的工作站 图图7.4 7.4 两台两轴变位机和弧焊机器人组成的工作站两台两轴变位机和弧焊机器人组成的工作站。（。（P222P222）它可以形成两个工位。但对由两台两轴变位机组成的工作站来说，它可以形成两个工位。但对由两台两轴变位机组成的工作站来说，操作者装卸工件时，需在两个变位机之间来回走动，每天要走许多路；操作者装卸工件时，需在两个变位机之间来回走动，每天要走许多路；但工件焊接时都能作倾斜变位，又可作旋
17、转但工件焊接时都能作倾斜变位，又可作旋转(自转自转)运动，有利于保证焊运动，有利于保证焊接质量。接质量。2.2.2.2.旋转旋转旋转旋转-倾斜变位机与弧焊机器人组合的工作站倾斜变位机与弧焊机器人组合的工作站倾斜变位机与弧焊机器人组合的工作站倾斜变位机与弧焊机器人组合的工作站图图图图7.5 7.5 7.5 7.5 一台五轴双一台五轴双一台五轴双一台五轴双L L L L型变位机和弧焊机器人组成的工作站。（型变位机和弧焊机器人组成的工作站。（型变位机和弧焊机器人组成的工作站。（型变位机和弧焊机器人组成的工作站。（P222P222P222P222）这两种方案都可以形成两个工位。但对由两台两轴变位机组成
18、这两种方案都可以形成两个工位。但对由两台两轴变位机组成的工作站来说，操作者装卸工件时，需在两个变位机之间来回走动，每的工作站来说，操作者装卸工件时，需在两个变位机之间来回走动，每天要走许多路；而对于用一台五轴双天要走许多路；而对于用一台五轴双L L型变位机的方案，就没有这个缺点型变位机的方案，就没有这个缺点了，设备投资较多。无论哪一种组合方案，工件焊接时都能作倾斜变位，了，设备投资较多。无论哪一种组合方案，工件焊接时都能作倾斜变位，又可作旋转又可作旋转(自转自转)运动，有利于保证焊接质量。运动，有利于保证焊接质量。3.3.3.3.翻转变位机与弧焊机器人组合的工作站翻转变位机与弧焊机器人组合的工
19、作站翻转变位机与弧焊机器人组合的工作站翻转变位机与弧焊机器人组合的工作站 推土机台车架弧焊机器人工作站，采用两台翻转变位机形成两个工位。推土机台车架弧焊机器人工作站，采用两台翻转变位机形成两个工位。为了使机器人能达到两个翻转变位机上工件的各个焊接位置，机器人安为了使机器人能达到两个翻转变位机上工件的各个焊接位置，机器人安放在两个组成十字形的滑轨上，使之能沿工件长度方向和两个翻转变位放在两个组成十字形的滑轨上，使之能沿工件长度方向和两个翻转变位机之间的方向移动。因工件又重又长，重心又偏向一侧，而且组装时只机之间的方向移动。因工件又重又长，重心又偏向一侧，而且组装时只进行简单的定位焊，为了避免工件
20、翻转时受力过大使定位焊点开裂，选进行简单的定位焊，为了避免工件翻转时受力过大使定位焊点开裂，选用头座和尾座双主动的翻转变位机，使工件在转动时不传递力矩。翻转用头座和尾座双主动的翻转变位机，使工件在转动时不传递力矩。翻转变位机的转盘和机器人的十字滑轨都由交流伺服电动机驱动，编码器反变位机的转盘和机器人的十字滑轨都由交流伺服电动机驱动，编码器反馈位置信息，可以任意编程定位。采用了带自锁的液压夹具。这种夹具馈位置信息，可以任意编程定位。采用了带自锁的液压夹具。这种夹具不仅夹紧力大，而且在突然断电后，即使液压系统完全失压，工件无论不仅夹紧力大，而且在突然断电后，即使液压系统完全失压，工件无论处于何种位
21、置也不会脱落。处于何种位置也不会脱落。3.3.3.3.翻转变位机与弧焊机器人组合的工作站翻转变位机与弧焊机器人组合的工作站翻转变位机与弧焊机器人组合的工作站翻转变位机与弧焊机器人组合的工作站 图图图图7.7 7.7 7.7 7.7 推土机台车架弧焊机器人工作站推土机台车架弧焊机器人工作站推土机台车架弧焊机器人工作站推土机台车架弧焊机器人工作站，采用两台翻转变位机形成两，采用两台翻转变位机形成两个工位。（个工位。（P224P224）推土机台车架弧焊机器人工作站，采用两台翻转变位机形成两个工位。为了使推土机台车架弧焊机器人工作站，采用两台翻转变位机形成两个工位。为了使机器人能达到两个翻转变位机上工
22、件的各个焊接位置，机器人安放在两个组成机器人能达到两个翻转变位机上工件的各个焊接位置，机器人安放在两个组成十字形的滑轨上，使之能沿工件长度方向和两个翻转变位机之间的方向移动。十字形的滑轨上，使之能沿工件长度方向和两个翻转变位机之间的方向移动。因工件又重又长，重心又偏向一侧，而且组装时只进行简单的定位焊，为了避因工件又重又长，重心又偏向一侧，而且组装时只进行简单的定位焊，为了避免工件翻转时受力过大使定位焊点开裂，选用头座和尾座双主动的翻转变位机，免工件翻转时受力过大使定位焊点开裂，选用头座和尾座双主动的翻转变位机，使工件在转动时不传递力矩。翻转变位机的转盘和机器人的十字滑轨都由交流使工件在转动时
23、不传递力矩。翻转变位机的转盘和机器人的十字滑轨都由交流伺服电动机驱动，编码器反馈位置信息，可以任意编程定位。采用了带自锁的伺服电动机驱动，编码器反馈位置信息，可以任意编程定位。采用了带自锁的液压夹具。这种夹具不仅夹紧力大，而且在突然断电后，即使液压系统完全失液压夹具。这种夹具不仅夹紧力大，而且在突然断电后，即使液压系统完全失压，工件无论处于何种位置也不会脱落。压，工件无论处于何种位置也不会脱落。图图7.7 7.7 推土机台推土机台车架弧焊机器车架弧焊机器人工作站人工作站4.4.4.4.龙门机架与弧焊机器人组合的工作站龙门机架与弧焊机器人组合的工作站龙门机架与弧焊机器人组合的工作站龙门机架与弧焊
24、机器人组合的工作站 龙门机架与弧焊机器人组合的工作站。采用这种倒挂焊接机器人的形式主要是为了增加机器人的活动空间，可根据需要配备1个轴(X)或2个轴(X+Y)或3个轴(X+Y+Z)的龙门机架，图示为使用一台三轴龙门机架的工作站。龙门机架配备的变位机可以是多种多样的，必须根据所焊工件的情况来决定。可以在龙门机架下放两台翻转变位机，或放一台翻转变位机和一台两轴变位机。后一种组合形式的一个主要优点是适应性比较好，长重型或短轻型等不同类型的工件都能焊接。图图7.8 7.8 龙门机架龙门机架与弧焊机器人组与弧焊机器人组合的工作站合的工作站（P225P225）5.5.5.5.弧焊机器人与搬运机器人组合的工
25、作站弧焊机器人与搬运机器人组合的工作站弧焊机器人与搬运机器人组合的工作站弧焊机器人与搬运机器人组合的工作站 弧焊机器人与搬运机器人组合的工作站是采用搬运机器人充当变位机的一种形式，但机器人之间不作协调运动。搬运机器人使工件处于合适位置后，由弧焊机器人进行焊接。焊完一条焊缝后，搬运机器人再对工件进行变位，弧焊机器人再焊接另一条焊缝。这种工作站只有工件的夹具需要根据工件结构专门设计，组合起来很方便，而且改型时只需更换夹具，不仅耗时少，成本也较低。一种由两台6 kg弧焊机器人及一台120 kg搬运机器人组成的工作站。工件用气动夹具装夹在托盘上。共有两个托盘，一个由搬运机器人抓起递给两台弧焊机器人同时
26、焊接，而另一个托盘放在托盘支架上由操作者进行装卸工件。随着机器人售价的降低，这种组合的弧焊机器人工作站的应用日益增多。图图7.9 7.9 弧焊机器人弧焊机器人与搬运机器人组合与搬运机器人组合的工作站的工作站（P226P226）n 0 绪论非重点，非难点。熟悉、了解概念。n 1 机器人运动学重点，难点。课程基础。掌握内容较多。n 2 机器人静力分析与动力学重点，难点。分析和设计基础。课时限制没有充分展开，掌握内容不多，主要是了解方法和思路。n 3 机器人轨迹规划次重点，难点。课时限制没有充分展开，了解轨迹规划（控制）内涵、思路、基本方法。n 4 机器人本体基本结构重点，非难点。结构设计基础，掌握内容较多，主要是设计原则与要求、典型结构。n 5 机器人的控制系统非重点，难点。与其它课程内容重复，不在本课程要求，了解外部传感器种类、工作原理。n 6 机器人编程语言与离线编程非重点，非难点。课时限制没有拘役具体学习编程语言，了解编程语言种类、特点和应用，自学实验用机器人编程语言。n 7 工业机器人工作站及生产线非重点，非难点。了解工业机器人生产应用的情况。课程总结与复习课程总结与复习