码垛与搬运机器人工作站系统及应用Stack Robot第五章 搬运机器人系统工作站5.1 工业机器人系统工作站概述5.1.1 工业机器人工
作站的组成5.1.2 工业机器人工作站的特点5.1.3 工业机器人搬运工作站系统集成概述第五章 搬运机器人系统工作站5.2 搬运
机器人工作站系统认识5.2.1 搬运工作站的组成5.2.2 机器人末端执行器5.2.3 搬运工作站的工作过程第五章 搬运机器人系
统工作站学习目标机器人系统工作站5.1 工业机器人工作站系统概述 概述 工业机器人是一台具有若干个自由度
的机电装置,孤立的一台机器人在生产中没有任何应用价值。只有根据作业内容、工件形式、质量和大小等工艺因素,给机器人配以相适应的辅助机
械装置等周边设备,机器人才能成为实用的加工设备。5.1.1 工业机器人工作站的组成 组成 工业机器人工作站
是指使用一台或多台机器人,配以相应的同边设各,用于完成某一特定工序作业的独立生产系统,也可称为机器人工作单元。它主要由工业机器人及
其控制系系统、辅助设备以及其他周边设各所构成。 工业机器人工作站是以工业机器人作为加工主体的作业系统。由于工业机器人具
有可再编程的特点,当加工产品更换时,可以对机器人的作业程序进行重新编写,从而达到系统柔柔性要求。5.1.1 工业机器人工作站的组成
然而,工业机器人只是整个作业系统的一部分,作业系统包括工装、变位器、辅助设备等周边设备,应该对它们进行
系统集成,使之构成一个有机整体,才能完成任务,满足生产需求。 工业机器人工作站系统集成一般包括硬件集成和软件集成两个过
程。硬件集成需要根据需求对各个设备接口进行统一定义,以满足通信要求；软件集成则需要对整个系统的信息流进行综合,然后再控制各个设备按
流程运转。5.1.2 工业机器人工作站的特点 特点 （1）技术先进；工业机器人集精密化、柔性化、智能
化、软件应用开发等先进制造技术于一体,通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策,实现增加产量、提高质量 降低成本、减少资源
消耗和环境污染的目的,是工业自动化水平的最高体现。 （2）技术升级；工业机器人与自动化成套装备具有精细制造、精细加工以及
柔性生产等技术特点,是继动力机械、计算机之后出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具,是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能
化的重要手段。5.1.2 工业机器人工作站的特点 （3）应用领域广泛；工业机器人与自动化成套装各是生产过程
的关键设备,可用于制造、安装、检测、物流等生产环节,并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备
、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等行业,应用领域非常广泛。 （4）技术综合性强；工业机器人与自动化成套技术集中并
融合了多项学科,涉及多项技术领域,包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、
智能测量、建模加工一体化、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。5.1.3 工业机器人搬运工作站系统集成概述
搬运机器人(transfer robot)是指可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在196
0年的美国,Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。 搬运作业是指用一种设备握持工件,从一个加工
位置移到另一个加工位置的过程。如果采用工业机器人来完成这个任务,整个搬运系统则构成了工业机器人搬运工作工作站。给搬运机器人安装不同
类型的末端执行器,可以完成不同形态和状态的工件搬运工作。5.1.3 工业机器人搬运工作站系统集成概述 目
前世界上使用的搬运机器人逾10万台,被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。
工业机器人搬运工作站一般具有以下一些特点:1)应有物品的传送装置,其形式要根据物品的特点选用或设计。2)可使物品准确地定位
,以便于机器人抓取。3)多数情况下设有物品托板,或机动或自动地交换托板。4)有些物品在传送过程中还要经过整型,以保证码垛质量。5)
要根据被搬运物品设计专用末端执行器。6)应选用适合于搬运作业的机器人。5.2 搬运机器人工作站系统认识 工
业机器人搬运工作站的任务是由机器人完成工件的搬运,就是将输送线输送过来的工件搬运到平面仓库中,并进行码垛。5.2.1 搬运工作站的
组成 搬运工作站的组成 工业机器人搬运工作站由工业机器人系统、PLC控制柜、机器人安装底座、输送线系统、平
面仓库、操作按钮盒等组成。整体布置如下图所示。机器人搬运工作站整体布置图1-输送线 2-平面仓库 3-机器人本体 4-PLC控制柜
5-机器人控制柜 6-机器人安装底座5.2.1 搬运工作站的组成 1.搬运机器人及控制柜 安川MH6机器
人是通用型工业机器人,既可以用于弧焊又可以用于搬运。搬运工作站选用安川MH6机器人,完成工件的搬运工作。 MH6机器人
系统包括MH6机器人本体、DX100控制柜以及示教编程器。DX100控制柜通过供电电缆和编码器电缆与机器人连接。5.2.1 搬运工
作站的组成 DX100控制柜集成了机器人的控制系统,是整个机器人系统的神经中枢。它由计算机硬件、软件和一
些专用电路构成,其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及保护软件等。控制
器负责处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。5.2.1 搬运工作站的组成 机器人示教编程器是操
作者与机器人间的主要交流界面。操作者通过示教编程器对机器人进行各种操作、示教、编制程序,并可直接移动机器人。机器人的各种信息、状态
通过示教编程器显示给操作者。此外,还可通过示教编程器对机器人进行各种设置。 DX100控制柜及示教编程器如下图所示。
由于搬运的工件是平面板材,所以采用真空吸盘来夹持工件。故在安川MH6机器人本体上安装了电磁阀组、真空发生器、真空吸盘等
装置。MH6机器人本体及末端执行器如下图所示。DX100控制柜与本体5.2.1 搬运工作站的组成 2.输送线系统
输送线系统的主要功能是把上料位置处的工件传送到输送线的末端落料台上,以便于机器人搬运。输送线系统如下图所示。
上料位置处装有光敏传感器,用于检测是否有工件,若有工件,将起动输送线,输送工件。输送线的末端落料台也装有光敏传感器,用于检测落料台
上是否有工件,若有工件,将起动机器人来搬运。 输送线由三相交流电动机拖动，变频器调速控制。输送线系统5.2.1 搬运工作
站的组成 3.平面仓库 平面仓库用于存储工件,平面仓库如下图所示。平面仓库有一个反射式光
纤传感器用于检测仓库是否已满,若仓库已满,将不允许机器人向仓库中搬运工件。 平面仓库5.2.1 搬运工作站的组成
4.PLC控制柜 PLC控制柜用来安装断路器、PLC、变频器、中间继电器和变压器等元器件,其中PLC是
机器人搬运工作站的控制核心。搬运机器人的启动与停止、输送线的运行等,均由PLC实现。PLC控制柜内部图如下图所示。控制柜内部图5.
2.2 机器人末端执行器 工业机器人的末端执行器也叫做机器人手爪,它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执
行作业的部件。1.末端执行器的分类 (1)按用途分 1)手爪:具有一定的通用性,它的主要功能是:抓住工件、握持
工件或释放工件: 2)工具:是进行某种作业的专用工具,如喷漆枪、焊具等。5.2.2 机器人末端执行器
抓住——在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件,工件在手爪内必须具有可靠的定位，保持工件与手爪之间准确的相对位置,以保证机器
人后续作业的准确性。 握持——确保工件在搬运过程中或零件在装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。 释放——
在指定点上除去手爪和工件之间的约束关系。5.2.2 机器人末端执行器 (2)按夹持原理分 下图所
示为机械类、磁力类和真空类三种手爪的分类。机械类手爪包括靠摩擦力夹持和吊钩承重两类,前者是有指手爪,后者是无指手爪。产生夹紧力的驱
动源可以有气动、液动、电动和电磁四种；磁力类手爪主要是磁力吸盘,有电磁吸盘和永磁吸盘两种；真空类手爪是真空式吸盘,根据形成真空的原
理可分为真空吸盘、气流负压吸盘和挤气负压吸盘三种。磁力手爪及真空手爪是无指手爪。手爪按夹持原理分类5.2.2 机器人末端执行器
(3)按手指或吸盘数目分 机械手爪可分为:二指手爪、多指手瓜。 机械手爪按手指关节
分:单关节手指手爪、多关节手指手爪。 吸盘式手爪按吸盘数目分:单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。 (4)按智能化
分 1)普通式手爪:手爪不具备传感器。 2)智能化手爪:手爪具各一种或多种传感器,如力传感器、触觉传感器、
滑觉传感器等,手爪与传感器集成成为智能化手爪。 5.2.2 机器人末端执行器 2.末端执行器设计和选用的要求
手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求,具体来说要在下面几个方面进行考虑。 (1)被抓握的对象物 手爪设计
和选用首先要考虑的是什么样的工件要被抓握。因此，必须充分了解工件的几何形状、机械特性。 (2)物料的馈送器或存储装置
与机器人配合工作的零件馈送器或储存装置对手爪必需的最小和最大爪钳之间的距离以及必需的夹紧力都有要求,同时,还应了解其他可能的不确定
的因素对手爪工作的影响。5.2.2 机器人末端执行器 (3)手爪和机器人匹配 手爪一般用法兰式机械接口与
手腕相连接,手爪自重也增加了机械臂的载荷,这两个问题必须给予仔细考虑。手爪是可以更换的,手爪形式可以不同,但是与手腕的机械接口必须
相同,这就是接口匹配。手爪自重不能太大,机器人能抓取工件的重量是机器人承载能力减去手爪重量。手爪自重要与机器人承载能力匹配。
(4)环境条件 在作业区域内的环境状况很重要,比如高温、水、油等环境会影响手爪工作。一个锻压机械手要从高温炉内取出红热的锻件
坯必须保证手爪的开合、驱动在高温环境中均能正常工作。5.2.2 机器人末端执行器 3.不同末端执行器的应用场合
(1)机械式手爪 机械式手爪通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。 (2)磁力吸盘 磁力吸盘有电磁吸盘
和永磁吸盘两种。磁力吸盘要求工件表面清洁、平整、干燥,以保证可靠地吸附。 (3)真空式吸盘 真空式吸盘主要用在搬运体积
大、重量轻的如像冰箱壳体、汽车壳体等零件；也广泛用在需要小心搬运的如显像管、平板玻璃等物件。5.2.2 机器人末端执行器
1)真空吸盘。如下图所示为产生负压的真空吸盘控制系统。吸盘吸力在理论上决定于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内外压
差,实际上与工件表面状态有十分密切的关系,它影响负压的泄露。真空泵的采用,能保证吸盘内持续产生负压,所以这种吸盘比其他形式吸盘吸力
大。 2)气流负压吸盘。气流负压吸盘的工作原理如下图所示,压缩空气进人喷嘴后利用伯努利效应使橡胶皮腕内产生负压。在工厂
一般都有空压机站或空压机,空压机气源比较容易解决,不需专为机器人配置真空泵,所以气流负压吸盘在工厂使用方便。真空吸盘与气流负压吸盘
1-电动机 2-真空泵 3、4-电磁阀 5-吸盘 6-通大气5.2.2 机器人末端执行器 3)挤气负压吸
盘。如下图所示为挤气负压吸盘的结构。当吸盘压向工件表面时,将吸盘内空气挤出;松开时,去除压力,吸盘恢复弹性变形使吸盘内腔形成负压,
将工件牢牢吸住,机械手即可进行工件搬运,到达目标位置后,或用碰撞力P或用电磁力使压盖2动作,破坏吸盘腔内的负压,释放工件。此种挤气
负压吸盘不需真空泵系统也不需压缩空气气源,是比较经济方便的,但可靠性比真空吸盘和气流负压吸盘差。1-吸盘架 2-压盖 3-密葑垫
4-吸盘 5-工件5.2.2 机器人末端执行器 目前有两种真空吸盘的新设计: ①自适应性吸盘:如下图所示,
该吸盘具有一个球关节，使吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化,这种自适应吸盘在实际应用上获得良好的效果。
②异形吸盘:如下图所示是异形吸盘中的一种。通常吸盘只能吸附一般平整工件，而该异形吸盘可用来吸附鸡蛋、锥颈瓶等这样的物件
,扩大了真空吸盘在工业机器人上的应用。自适应性吸盘与异形吸盘5.2.2 机器人末端执行器4.工业机器人末端执行器的特点
1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口,也可能有电、气、液接头,当工业机器人作业对象不同时,可以方便地拆卸和更换手部。
2)手部是工业机器人末端执行器。它可以像人手那样具有手指,也可以是不具各手指的手；可以是类人的手爪,也可以是进行专业
作业的工具,比如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。5.2.2 机器人末端执行器 3)手部的通用性比较差。工业机器人
手部通常是专用的装置,比如:一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。
4)手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手臂,那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部(末端执行器)。手部对
于整个工业机器人来说是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的智能化手爪的出现,增加了工业机器人作业的灵活性和
可靠性。5.2.2 机器人末端执行器5.末端执行器的设计原则 1)末端执行器要根据机器人作业的要求来设计,尽量选用已定
型的标准基础件,如气缸、油缸、传感器等,配以恰当的机构相联接,组合成适于生产作业要求的末端执行器。 2)末端执行器的质
量要尽可能地轻,并力求结构紧凑。 3)正确对待末端执行器的万能性与专用性。万能的末端执行器在结构上相当复杂,几乎根本不
可能实现。目前在实际应用中,仍是那些结构简单、万能性不强的末端执行器最为适用,因此要着重开发各种各样专用的、高效率的末端执行器,加
上末端执行器的快速更换装置,从而实现机器人的多种作业功能。5.2.2 机器人末端执行器6.搬运工作站机器人末端执行器的设计
工业机器人搬运工作站机器人搬运的工件是平面板材,尺寸380mm×270mm×5mm,重量≤1kg。所以采用真空吸盘来夹持工件
,且断电后吸紧的工件不会掉落。 末端执行器的相关组件如电磁阀组、真空发生器、真空吸盘等装置安装在MH6机器人本体上。
末端执行器气动控制回路如下图所示(图中只画出了真空吸盘控制气路,共两组)。气动控制回路工作原理图5.2.2 机器人末
端执行器 气动控制回路工作原理:当YV1电磁阀线圈得电时,真空吸盘吸工件；YV2电磁阀线圈得电时,真空吸盘释放工件
；当YV1、YV2电磁阀线圈都不得电时,保持原来的状态。电磁阀不能同时得电。 (1)电磁阀的选型 1)形
式选择。 2)控制方式选择。 3)阀的机能选择。 4)型号规格选择。 5)
安装方式选择。 6)电气参数选择。5.2.2 机器人末端执行器 末端执行器用了两个二位五通的双电控电磁阀
。这两个电磁阀带有手动换向和加锁钮, 有锁定(LOCK)和开启(PUSH)两个位置。加锁钮在“LOCK”位置时,手控开关向下凹进去
,不能进行手控操作。只有在“PUSH”位置,可用工具向下按,信号为“1”,等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时,手控开关的信号为“
0”。在进行设备调试时,可以使用手控开关对阀进行控制,从而实现对相应气路的控制。 两个电磁阀是集中安装在汇流板上的。汇
流板中两个排气口末端均连接了消声器,消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。这种将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的
一组控制阀的集成称为阀组,而每个阀的功能是彼此独立的。阀组的结构如下图所示。电磁阀组5.2.2 机器人末端执行器 (2
)真空吸盘的选择 选择真空吸盘应从以下几个方面考虑。 1)了解所吸工件的重量,确定吸盘的面积:S=F/p，S为吸盘面积
(m2)；其中F为真空吸盘的提升力(N)；P为真空压力(N/m2)。 2)了解工件的面积，确定吸盘的数量。
3)了解工件的材质和形状，确定吸盘的材料和形状。真空吸盘有三种基本形状:扁平吸盘、波纹吸盘、具有特殊工作原理的吸盘。
机器人搬运工作站选择的真空吸盘为SMC的ZPT25US-A6,盘径为φ25,扁平型、硅橡胶、外螺纹M6×1。真空吸盘如下图所示。
真空吸盘实物与符号5.2.2 机器人末端执行器 3)真空发生器选型 真空发生器就是利用正压气源产生负压的一种新型、高效
、清洁、经济、小型的真空元器件，这使得在有压缩空气的地方,或在一个气动系统中同时需要正负压的地方获得负压变得十分容易和方便。
真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气,在喷管出口形成射流,产生卷吸流动。在卷吸作用下,使得喷管出口周围的空气不断
地被抽吸走,使吸附腔内的压力降至大气压以下,形成一定真空度。 选择真空发生器应根据吸盘的直径、吸盘的个数、吸附物是否有泄漏性等几个方面考虑。真空发生器如图5-16所示。真空发生器实物与符号5.2.3 搬运工作站的工作过程工作过程 1)按启动按钮，系统运行，机器人启动。 2)当输送线上料检测传感器检测到工件时启动变频器，将工件传送到落料台上。工件到达落料台时变频器停止运行,并通知机器人搬运。 3)机器人收到命令后将工件搬运到平面仓库,搬运完成后机器人回到作业原点，等待下次的搬运请求。 4)当平面仓库码垛了7个工件,机器人停止搬运,输送线停止输送。清空仓库后，按复位按钮，系统继续运行。小结 本课主要讲解了搬运机器人系统工作站的认识，通过对机器人系统工作站进行介绍，初步了工业机器人系统工作站的组成、特点等；然后对搬运机器人系统工作站的组成、末端执行器、工作过程等进行了介绍。重点：1）搬运机器人定义； 2）搬运机器人系统工作站特点； 3）搬运机器人系统工作站组成； 4）搬运工作站的工作过程； 5）接口技术。Transfer Robot本次课结束，谢谢大家！ |
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