第五章工业机器人工作站课件

第一节第一节 概述概述 第二节第二节 工业机器人工业机器人 第三节第三节 工装夹具与变位机工装夹具与变位机 第四节第四节 工作站的气控系统工作站的气控系统 第五节第五节 工作站的电气控制原理工作站的电气控制原理 第六节第六节 工业机器人示教工业机器人示教第五章第五章 工业机器人工作站工业机器人工作站第五章工业机器人工作站第五章工业机器人工作站1工业机器人工作站：工业机器人工作站：进行简单作业，且使用一台或两进行简单作业，且使用一台或两台机器人的生产体系。台机器人的生产体系。工业机器人生产线：工业机器人生产线：进行工序内容多的复杂作业，使进行工序内容多的复杂作业，使用了两台以上机器人的生产体系。用了两台以上机器人的生产体系。第一节第一节第一节第一节概述概述概述概述以一个摩托车车架焊接以一个摩托车车架焊接 工作站为例工作站为例一、焊接对象一、焊接对象一、焊接对象一、焊接对象由十个散件焊接成由十个散件焊接成 摩托车车架摩托车车架工业机器人工作站：进行简单作业，且使用一台或两第2图图5-2车架焊缝标识图车架焊缝标识图图5-2车架焊缝标识图3二、工作站的划分二、工作站的划分二、工作站的划分二、工作站的划分划分结果：划分结果：主管焊主管焊第一工作站第一工作站预点焊预点焊第二工作站第二工作站完成焊完成焊车架焊车架焊第三工作站第三工作站预点焊预点焊第四工作站第四工作站完成焊完成焊仅介绍第一工作站仅介绍第一工作站散件夹紧机构不能干涉散件夹紧机构不能干涉便于焊枪作业便于焊枪作业焊接时间与辅助时间之焊接时间与辅助时间之 和应满足年生产量要求和应满足年生产量要求二、工作站的划分划分原因：散件夹紧机构不能干涉4图图5-4摩托车车架焊接生产线总体布局图摩托车车架焊接生产线总体布局图图5-4摩托车车架焊接生产线总体布局图5组成：组成：机器人；机器人控制系统；变位机；夹具体；未端执机器人；机器人控制系统；变位机；夹具体；未端执行器；电焊机；辅助装置；行器；电焊机；辅助装置；气动系统等。气动系统等。1.1.1.1.机器人机器人机器人机器人 选型因素：选型因素：驱动方式驱动方式 传动形式传动形式 自由度数自由度数 结结 构构 可搬重量可搬重量 工作空间工作空间按具体作业要求选按具体作业要求选本例选垂直关节型六自由本例选垂直关节型六自由度机器人。度机器人。组成：三、工作站布局及组成62.2.2.2.变位机（专门设计）变位机（专门设计）变位机（专门设计）变位机（专门设计）n运动数：决定于工件位置变化要求运动数：决定于工件位置变化要求n传动类型：电动（普通、伺服）、气动、液动传动类型：电动（普通、伺服）、气动、液动取取决决于于工工件件精精度度，作作业业精精度度、运运动动件件大大小小及及与与机机器器人人协调要求。协调要求。n结结构构形形式式：与与工工作作站站布布局局，用用户户要要求求、物物流流路路线线、生生产产纲纲领领、工工件重量、占地空间等。件重量、占地空间等。n外部轴数：控制系统，协调运动有关。外部轴数：控制系统，协调运动有关。3.3.3.3.未端执行器（手爪）（专门设计）未端执行器（手爪）（专门设计）未端执行器（手爪）（专门设计）未端执行器（手爪）（专门设计）n根据工件特点，作业要求及设计根据工件特点，作业要求及设计n焊枪：焊枪：n送丝机经送丝管送焊丝送丝机经送丝管送焊丝n焊丝正极、工件负极焊丝正极、工件负极n丝周围惰性保护气体丝周围惰性保护气体n冷却水冷却焊丝管、咀。冷却水冷却焊丝管、咀。4.4.4.4.其它其它其它其它1）夹具体；）夹具体；2）电焊机系统；电焊机系统；3）辅助装置；）辅助装置；4）安全装置）安全装置2.变位机（专门设计）7可称万能工具可称万能工具（搬运、装配、弧焊、点焊、切割、研磨、喷涂等）（搬运、装配、弧焊、点焊、切割、研磨、喷涂等）一、技术参数（见表一、技术参数（见表一、技术参数（见表一、技术参数（见表5 5 5 51 1 1 1）主要参数：主要参数：可搬重量可搬重量 工作空间工作空间 重复定位精度重复定位精度 各轴最大旋转角度各轴最大旋转角度 各轴最大旋转速度各轴最大旋转速度 各轴许用扭转力矩各轴许用扭转力矩选型相关因素：选型相关因素：未端执行器重量未端执行器重量 工件大小工件大小 作业条件作业条件 工作站布局工作站布局第二节第二节 工业机器人工业机器人可称万能工具（搬运、装配、弧焊、点焊、切割、研磨、喷涂8选型与其他设计：选型与其他设计：布局设计布局设计 未端执行器设计未端执行器设计 夹具体设计夹具体设计 变位机设计变位机设计本例选：本例选：M MK6SBK6SB型型选择可搬重量因素：选择可搬重量因素：末端执行器净重末端执行器净重 末端执行器重心偏移末端执行器重心偏移 机器人最大速度及惯机器人最大速度及惯性性选择工作空间因素：选择工作空间因素：满足作业范围要求满足作业范围要求 工件置于机器人的最佳作业位置工件置于机器人的最佳作业位置 选型与其他设计：9 二、机器人的传动与结构二、机器人的传动与结构传动示意：传动示意：S轴：轴：D1R1腰旋转腰旋转340L轴：轴：D2R2下臂摆下臂摆240U轴：轴：D3R3上臂摆上臂摆270R轴：轴：D4R4上臂转上臂转360B轴：轴：D5R5手腕摆手腕摆270T轴：轴：D6R6手腕转手腕转400基点基点P：R、B、T轴中心线之交点轴中心线之交点P减速器：减速器：R1，R2，R3RV摆线针轮减速器摆线针轮减速器R4，R6谐波减速器谐波减速器R5扁平型谐波减速器扁平型谐波减速器形成机器人工作形成机器人工作空间空间传动示意工作空间二、机器人的传动与结构基点P：形成机器人工作10图图5-95-9 六自由度机器人的传动和外观图六自由度机器人的传动和外观图图5-9六自由度机器人的传动和外观图11图图5-105-10 机器人机器人P P点的工作空间示意图点的工作空间示意图图5-10机器人P点的工作空间示意图121.1.1.1.谐波减速器谐波减速器谐波减速器谐波减速器（1）基本构件基本构件 内齿刚轮内齿刚轮+外齿柔轮外齿柔轮+波发生器波发生器（2 2）传动关系）传动关系 柔轮柔轮ZgZg刚轮刚轮Zb Zb 波发生器长轴处波发生器长轴处,柔、刚轮齿啮合柔、刚轮齿啮合 短轴处短轴处 ，柔、刚轮齿脱开啮合，柔、刚轮齿脱开啮合 柔轮齿圈任一点径向柔轮齿圈任一点径向 位移呈近似于余弦波位移呈近似于余弦波 形变化形变化 波发生器一周波发生器一周柔柔 轮反向转轮反向转Z/Zg Z/Zg 周周1.谐波减速器13(3)(3)扁平型谐波减速器扁平型谐波减速器 实质：实质：两级传动（共用柔轮、波发生器）两级传动（共用柔轮、波发生器）传动比：传动比：第一级第一级 Zb1,Zg1 Zb1,Zg1；第二级第二级 Zb2,Zg2 Zb2,Zg2 取取 Zg1=Zg2=Zb2 Zg1=Zg2=Zb2 i=-(Zb1-Zg1)/Zg i=-(Zb1-Zg1)/Zg 特点：特点：大大缩短减速器轴向长度大大缩短减速器轴向长度（4 4）优点：）优点：传动比大；传动比大；传动平稳、效率高传动平稳、效率高 齿面磨损小、均匀；齿面磨损小、均匀；精度高、回差小；精度高、回差小；实现同轴传动。实现同轴传动。(3)扁平型谐波减速器142.RV2.RV摆线针轮减速器摆线针轮减速器 由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器而成由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器而成传动原理：传动原理：一个输入轴齿轮带动周向分布的行星轮，与行星轮联接的偏心一个输入轴齿轮带动周向分布的行星轮，与行星轮联接的偏心 轴带动两个径向对置的轴带动两个径向对置的RVRV摆线齿轮，在内齿为园柱销的固定壳体摆线齿轮，在内齿为园柱销的固定壳体 上滚动，其上的非圆柱销轴带动盘式输出轴转动。上滚动，其上的非圆柱销轴带动盘式输出轴转动。传动比：传动比：式中：式中：Z1小齿轮小齿轮 Z2行星轮行星轮 Z3摆线轮摆线轮 Z4壳体壳体特点：特点：n比谐波传动速比大比谐波传动速比大n刚性大，刚性大，GDGD2 2小小 n同轴传动同轴传动 n结构紧凑结构紧凑 、效率高、效率高2.RV摆线针轮减速器15第五章工业机器人工作站课件163.S轴结构轴结构n电电机机减减速速器器安安装装在在机机器器人人底座内部底座内部n电电机机与与减减速速器器壳壳连连成成一一体体，并与转动体连接。并与转动体连接。n减速器输出盘与底座连接减速器输出盘与底座连接n当当电电机机转转动动，由由于于输输出出盘盘不不动动，迫迫使使电电机机减减速速器器带带动转动体转动。动转动体转动。n旋旋转转体体与与固固定定底底座座间间用用推推力力向向心心交交叉叉短短园园柱柱滚滚子子轴轴承。承。n两两个个极极限限开开关关及及死死挡挡铁铁限限制其极限位置。制其极限位置。3.S轴结构174.L轴和轴和U轴结构轴结构图左侧为图左侧为L L轴电动机轴电动机n机机器器人人下下臂臂下下端端左左侧侧与与减减速速器器输输出盘连接出盘连接n右右侧侧固固连连的的小小轴轴通通过过轴轴承承支支承承在在U U轴连杆内轴连杆内n减速器装在旋转体上减速器装在旋转体上n极限位置安装极限挡块极限位置安装极限挡块图右侧为图右侧为U U轴电动机轴电动机n减速器输出转盘与连杆连接减速器输出转盘与连杆连接n下下臂臂、上上臂臂、拉拉杆杆和和连连杆杆构构成成平平行四边形机构行四边形机构n铰链中用园锥滚子轴承铰链中用园锥滚子轴承n用闷盖调整轴承间隙、并密封用闷盖调整轴承间隙、并密封4.L轴和U轴结构185.R轴结构轴结构n上臂前段用两圆锥滚子轴承支承于后段内；上臂前段用两圆锥滚子轴承支承于后段内；n电机及减速器装于后段内，输出转盘与上臂前段连接；电机及减速器装于后段内，输出转盘与上臂前段连接；n调节螺母用来调整轴承间隙。调节螺母用来调整轴承间隙。5.R轴结构196.B轴和轴和T轴结构轴结构B B轴：轴：TT轴电机装于上臂前段内部轴电机装于上臂前段内部 手腕用一对园锥滚子轴承支承在上臂前部手腕用一对园锥滚子轴承支承在上臂前部 B B轴电机轴电机锥齿轮锥齿轮同步齿形带同步齿形带谐波减速器谐波减速器手腕手腕 锥齿轮轴和锥齿轮轴和B B轴由向心球轴承支承轴由向心球轴承支承T T轴：轴：T T轴电机轴电机锥齿轮锥齿轮同步齿形带同步齿形带锥齿轮锥齿轮谐波减速器谐波减速器手腕手腕 手腕轴由一对园锥滚子轴承支承在手腕体内手腕轴由一对园锥滚子轴承支承在手腕体内 手腕法兰连接未端执行器手腕法兰连接未端执行器6.B轴和T轴结构20第三节第三节 工装夹具与变位机工装夹具与变位机工装夹具使工件准确地重复定位工装夹具使工件准确地重复定位变位机具有较高的重复定位精度变位机具有较高的重复定位精度一、工装夹具一、工装夹具一、工装夹具一、工装夹具本例采用图本例采用图524的夹具体形式，便于预置散件。又便于整体取的夹具体形式，便于预置散件。又便于整体取出工件。出工件。第三节工装夹具与变位机21预置散件顺序：预置散件顺序：放入放入1 1、4 4件件 1 1件：件：V V平块定位，弹簧确定周向位置平块定位，弹簧确定周向位置 4 4件：件：U UV V型定位型定位 放入放入2 2件件 由由1 1、4 4件及手动活塞顶块定位件及手动活塞顶块定位 放入放入6 6 导缸前端磁铁及手动导杆定位导缸前端磁铁及手动导杆定位 放入放入5 5件件 下端平台及下端平台及4 4件定位件定位夹紧顺序：夹紧顺序：11下端定位缸动作下端定位缸动作 1 1上端导杆定位缸夹紧上端导杆定位缸夹紧 4 4 尾部定位缸夹紧尾部定位缸夹紧 4 4二个旋转夹紧缸夹紧二个旋转夹紧缸夹紧 其余气缸动作夹紧其余气缸动作夹紧预置散件顺序：22二、工件位置变换机二、工件位置变换机用途：变换工件位置，使机器人焊枪位置最佳和避免焊用途：变换工件位置，使机器人焊枪位置最佳和避免焊枪与工件及夹具干涉。枪与工件及夹具干涉。1.基本要求：基本要求：工件处于最佳位置；工件处于最佳位置；满足所有作业位置要求；（特例人工处理）满足所有作业位置要求；（特例人工处理）较高重复定位精度；较高重复定位精度；缩短机器人等待时间；缩短机器人等待时间；足够强度和刚度；足够强度和刚度；导线及气管不缠绕；导线及气管不缠绕；电源负极尽量靠近工件；电源负极尽量靠近工件；振动大时，机器人与变位机底座连体。振动大时，机器人与变位机底座连体。二、工件位置变换机232.2.2.2.结构结构结构结构本例结构，三轴双支点本例结构，三轴双支点型型。（1 1 1 1）总体）总体）总体）总体 H H型支架在转台上型支架在转台上 可旋可旋 转转180180，人机换位。，人机换位。两套双支点支承两套夹两套双支点支承两套夹 具体。具体。H H 型支架下方四个定型支架下方四个定 位气缸支承定位。位气缸支承定位。2.结构24（2 2）转台）转台交流伺服电机经减交流伺服电机经减 速器和一对外齿轮速器和一对外齿轮 带动带动H H型支架转动。型支架转动。v00、180180位设两位设两 套位置开关，超限套位置开关，超限 开关和死挡块。开关和死挡块。导线及气管经转轴导线及气管经转轴 中心孔引至中心孔引至H H支架支架 处。处。底座内装柔性链式底座内装柔性链式 管路保护套。管路保护套。（2）转台25（3 3）双支点系统）双支点系统夹具体装在主、被动侧接手上；夹具体装在主、被动侧接手上；主动侧交流伺服电机经主动侧交流伺服电机经RVRV减速器驱动夹具体；减速器驱动夹具体；主动侧极限位装死挡铁；主动侧极限位装死挡铁；被动侧轴中空，压力气体经活接头引入；被动侧轴中空，压力气体经活接头引入；电源负极在弹簧作用下，从轴颈引入；电源负极在弹簧作用下，从轴颈引入；转轴前端装导线收集盘；转轴前端装导线收集盘；被动侧装两个极限开关。被动侧装两个极限开关。（3）双支点系统26第四节第四节 工作站的气控系统工作站的气控系统气控工作原理气控工作原理:变位机定位锁紧回路变位机定位锁紧回路手控阀手控阀 三联件三联件 A A夹具板气体汇流板夹具板气体汇流板 B B夹具板气体汇流板夹具板气体汇流板n手控阀关闭便于维修；手控阀关闭便于维修；n三三联联件件：滤滤除除杂杂质质、水水分分、调调定定压压力力、形形成成润润滑滑油油雾雾，其其中压力继电器监测系统压力；中压力继电器监测系统压力；n四定位缸由一个换向阀控制；四定位缸由一个换向阀控制；n两个主管夹紧可同时动作，用一个换向阀；两个主管夹紧可同时动作，用一个换向阀；n安安装装主主弯弯管管和和角角筋筋散散件件需需手手动动送送入入，其其阀阀中中位位机机能能可可使使两两腔同时通大气；腔同时通大气；n后四缸可同时动作，共用一阀；后四缸可同时动作，共用一阀；n各缸均用出口节流型调速阀；各缸均用出口节流型调速阀；n各缸均用装在缸筒外表面的磁性开关检位。各缸均用装在缸筒外表面的磁性开关检位。n多采用软管及快插接头；多采用软管及快插接头；n导线、管路及元件需保护。导线、管路及元件需保护。气控原理图第四节工作站的气控系统气控原理图27图图5-28 机器人工作站气动原理图机器人工作站气动原理图图5-28机器人工作站气动原理图28第五节第五节 工作站的电气控制原理工作站的电气控制原理n用机器人控制柜为主控装置，利用机器人控制程用机器人控制柜为主控装置，利用机器人控制程序序对工作站进行控制。对工作站进行控制。nPLC控制与机器人控制协调控制。控制与机器人控制协调控制。一、信号分析一、信号分析n每一运动自身位置的信号（起始点），可形成映象（每一运动自身位置的信号（起始点），可形成映象（I I）SPSP：接近开关：接近开关 输入信号输入信号 SASA：手动开关：手动开关n每一个运动的驱动指令及显示（每一个运动的驱动指令及显示（Q Q）与机器人通讯与机器人通讯 输出信号输出信号 经中间继电器作用于驱动元件经中间继电器作用于驱动元件 直接控制：直接控制：并行控制：并行控制：第五节工作站的电气控制原理直接控制：并行控制：29二、电气控制原理二、电气控制原理机器人控制柜：机器人控制柜：控制机器人的各轴及外部轴，并经端子与其他设控制机器人的各轴及外部轴，并经端子与其他设备通信。备通信。电气控制柜：电气控制柜：控制除机器人控制内容之控制除机器人控制内容之外的其他对象，并协调工作站工作。外的其他对象，并协调工作站工作。1.1.主电路分析主电路分析 n合上工作站开关：电源指示灯合上工作站开关：电源指示灯HL3亮；亮；电气柜风扇电气柜风扇M1工作。工作。nSA2、SA3控制两个照明灯。控制两个照明灯。nSA1经经KM使其他设备带电。使其他设备带电。n220V：供供PLC电源电源变压整流变压整流直流直流24V输入、输出模块输入、输出模块n110V供电磁铁用电（经中间继电器控制）供电磁铁用电（经中间继电器控制）n380V：机器人控制柜机器人控制柜电焊机电焊机图5-29二、电气控制原理图5-29302.PLC与机器人通信与机器人通信两控制系统建立联系：两控制系统建立联系：将本系统状将本系统状态通知对方，掌握他系统状态。态通知对方，掌握他系统状态。QiXiPC通知机器人通知机器人YiI Ii机器人通知机器人通知PC3.PLC的外部接线的外部接线n图图5 53131输入信号接线图输入信号接线图nYi机器人信号机器人信号nSP4SP11变位机、夹具板接近变位机、夹具板接近开关开关nSP12SP23SP30SP47nSA5，SA6双手起动按钮双手起动按钮nSA10SA19手动三位选择开关手动三位选择开关（自复位）（自复位）n图图5 53232输出信号接线图输出信号接线图nXiPC系统送机器人信号系统送机器人信号nAAAV中间继电器触点中间继电器触点A A、B B夹具板各气缸夹具板各气缸磁性开关磁性开关图5-30外部接线图2.PLC与机器人通信A、B夹具板各气缸图5-30外部接线图31图5-32PLC输出信号外部接线图图5-31PLC输入信号外部接线图图5-32PLC输出信号外部接线图图5-3132三、三、PLC控制程序控制程序n手动调整程序手动调整程序n自动循环程序自动循环程序n故障检测程序故障检测程序n复位程序复位程序n主程序主程序程序思路：程序思路：n双手按下启动按钮双手按下启动按钮I6.6I6.6和和I6.7I6.7接通接通AA板或板或B B板气缸依次夹紧板气缸依次夹紧n夹具板装料完毕（夹具板装料完毕（Q Q0.40.4机器人）预约机器人）预约n由由夹夹具具板板翻翻转转次次数数信信号号变变位位机机松松开开转转台台转转动动Q0.7Q0.7转转台台定定位位n待卸板气缸打开后，取出已焊工件。待卸板气缸打开后，取出已焊工件。三、PLC控制程序33第六节第六节 工业机器人示教工业机器人示教 示教是一种特殊的程序编制过程示教是一种特殊的程序编制过程一、示教方式一、示教方式1.1.直接对实机示教直接对实机示教使用示教盒或导引把手使用示教盒或导引把手n示教盒示教盒用用示示教教盒盒按按动动轴轴操操作作键键，到到达达所所需需位位置置后后记记录录一一个个示示教教点点数数据据，同同时时形形成成一一条条运运动动指指令令。逐逐点点示示教教之之后后，便便构构成成作作业业程程序的动作部分，最后加入相应的辅助作业命令（如起弧）。序的动作部分，最后加入相应的辅助作业命令（如起弧）。n导引把手导引把手导导引引把把手手使使未未端端执执行行器器动动作作，记记录录一一连连贯贯动动作作数数据据，就就构构成了作业程序。成了作业程序。n特点：特点：n可靠可靠n效果好效果好n占用实机生产时间占用实机生产时间n操作时安全性差操作时安全性差第六节工业机器人示教342.2.间接对实机示教（离线示教或离线编程）间接对实机示教（离线示教或离线编程）实质：实质：用用CAD或或仿仿真真手手段段在在图图形形模模拟拟环环境境中中示示教教，生生成成程程序序后传给实机。在普通微机或工程师工作站上进行。后传给实机。在普通微机或工程师工作站上进行。特点：特点：n不多占用实机生产时间不多占用实机生产时间n但需较强的软件支持但需较强的软件支持二、主程序和子程序二、主程序和子程序n主程序：管理所有作业程序的程序。主程序：管理所有作业程序的程序。n主主程程序序可可以以使使机机器器人人拥拥有有多多种种作作业业程程序序、一一经经条条件件确确认认，便执行相应程序。执行后返回主程序。便执行相应程序。执行后返回主程序。n主、子程序关系主、子程序关系见图见图533。n无通用的机器人编程语言无通用的机器人编程语言。2.间接对实机示教（离线示教或离线编程）35