第十章 机器人系统集成典型应用¶
本章学习要点¶
本章学习提要:¶
前面九章分别就机器人本体设计与选型、机器人末端执行器设计与选型、机器人控制系统集成、机器人PLC系统集成、机器人编程与操作、机器人离线编程与仿真、机器人在线编程与控制做了详细讲述,本章将针对码垛搬运作业、焊接作业、机床上下料作业以及喷漆作业的实际应用,讲述机器人工作站系统的构建与仿真。
内容简介¶
码垛搬运机器人系统集成
焊接机器人系统集成
CNC上下料与生产线机器人集成
喷涂机器人系统集成
码垛搬运机器人系统集成¶
□ 码垛搬运机器人概述¶
1960年,美国出现了最早的搬运机器人,即Unimate和Versatran两种机器人。它们首次被用于搬运作业,并实现了将工件从一个位置移动到另一个位置的操作。随着科技的发展,在搬运机器人上安装不同的末端执行器,可以完成各种不同形状和不同状态工件的搬运作业。2012年以后,全球搬运机器人发展迅速并持续增长,预计2022年全球搬运机器人产量将达到283740台,所创造的收入高达85.94亿美元。由此可以看出,科学技术的突飞猛进,给人类经济社会的发展带来了极大的推动,也证实了我党提出的“科学是第一生产力”的科学论断。作为当代青年,我们要始终拥护党的领导,用科学知识武装自己,为实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献力量。
□ 码垛搬运机器人特点¶
码垛机器人之所以受欢迎,主要是因为特点鲜明,优势突出。主要特点如下:
结构简单、零部件少: 因此零部件的故障率低、性能可靠、保养维修简单、所需库存零部件少。
占地面积少: 有利于客户厂房中生产线的布置,并可留出较大的库房面积。码垛机器人可以设置在狭窄的空间,即可有效的使用。
适用性强: 当客户产品的尺寸、体积、形状及托盘的外形尺寸发生变化时只需在触摸屏上稍做修改即可,不会影响客户的正常的生产。而机械式的码垛机更改相当的麻烦甚至上是无法实现的。
能耗低: 通常机械式的码垛机功率在26KW左右,而码垛机器人的功率为5KW左右。大大降低了客户的运行成本。
全部控制可在控制柜屏幕上操作即可,操作非常简单。
只需定位抓起点和摆放点,教示方法简单易懂。
□ 码垛搬运机器人本体选型¶
选择搬运机器人时,要根据实际搬运作业要求,综合考虑其承载能力、工作空间、定位精度及自由度等因素,使其能够满足各项功能要求。在搬运机器人应用系统中,通常选择通用型搬运机器人。
搬运机器人控制柜通过供电电缆和编码器电缆与搬运机器人本体连接,它集成了搬运机器人的控制系统,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、搬运机器人专用语言、搬运机器人运动学及动力学软件、搬运机器人控制软件、搬运机器人自诊断及保护软件等。控制柜负责处理搬运机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。
搬运机器人示教编程器是操作者与搬运机器人之间的主要交流界面。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。
□ 码垛搬运机器人分类¶
龙门式搬运机器人: 其坐标系主要由x轴、y轴和z轴组成,多采用模块化结构,可依据负载位置与大小选择对应的直线运动单元及组合结构形式(在移动轴上增加旋转轴便可延伸成四轴或五轴形式),且其结构形式决定了其负载能力。该类机器人可实现大物料、重吨位搬运,采用直角坐标系,编程方便快捷,广泛用于生产线自动转运、机床上下料等大批量生产过程。
悬臂式搬运机器人: 其坐标系主要由x轴、y轴和z轴组成,也可根据不同的应用情况采取相应的结构形式(在z轴下端添加旋转轴或摆动轴可延伸成四轴或五轴形式)。该类机器人多采用y轴在x轴下方并随x轴移动,但在特定的场合,z轴也可在x轴上方,以便使搬运机器人的悬臂进入设备内部进行搬运作业。该类工业机器人广泛运用于卧式机床、立式机床、特定机床、冲压机、热处理机床的自动上下料。
侧壁式搬运机器人: 其坐标系主要由x轴、y轴和z轴组成,也可根据不同的应用情况采取相应的结构形式(在z轴下端添加旋转轴或摆动轴可延伸成四轴或五轴形式)。该类机器人专用性强,主要用于立体库类,如档案自动存取系统、全自动银行保管箱存取系统等。
关节式搬运机器人: 当今工业应用中最常见的机型之一,它拥有5~6个轴,其动作类似于人的手臂,具有结构紧凑、占地空间小、相对工作空间大、自由度高等特点,几乎适合于任何轨迹或角度的作业。采用关节式搬运机器人配合上下料装置,便可组成一个自动化加工单元。关节式搬运机器人应用系统的设计制造周期短、柔性大,产品转型方便。有些关节式搬运机器人可以内置视觉系统,并对一些特殊的产品增加视觉识别装置,从而对工件的放置位置、相位、正反面等进行自动识别和判断,并根据结果进行相应的动作,实现智能化的自动生产。
摆臂式搬运机器人: 其坐标系主要由x轴、y轴和z轴组成。其中,z轴上主要实现升降运动,因此z轴也称为主轴;y轴上的移动主要通过外加滑轨实现;在x轴末端连接控制器,使其绕x轴转动,从而实现四轴联动。该类机器人具有较高的强度和稳定性,是关节式搬运机器人的理想替代品,但其负载能力相对于关节式搬运机器人要小。
□ 码垛搬运机器人末端执行器¶
末端执行器应符合搬运机器人应用系统的各项功能要求,在具体设计和选择时,应从以下几个方面进行考虑。
被抓握对象: 在设计和选择末端执行器时,必须充分了解被抓握对象的几何形状和机械特性。
物料馈送器或存储装置: 与机器人配合工作的物料馈送器或存储装置对末端执行器爪钳的最小和最大距离及夹紧力都有要求。同时,还应了解其他不确定因素对末端执行器工作的影响。
末端执行器和搬运机器人的匹配: 末端执行器多采用法兰式机械接口与搬运机器人的腕部相连接,末端执行器的自重会增加机械臂的载荷,所以在设计和选择末端执行器时,要仔细考虑其机械接口形式和自重这两个问题。末端执行器是可以更换的,且末端执行器形式可以不同,但其与腕部的机械接口必须相同,即应满足接口匹配的要求。由于搬运机器人能抓取的工件质量为其承载能力减去末端执行器自重,所以末端执行器自重应与搬运机器人的承载能力匹配。
夹板式手爪:¶
它是码垛过程中最常用的一类手爪。常见的夹板式手爪有单板式和双板式。夹板式手爪主要用于整箱或规则盒的码垛作业,可用于各行各业。其夹持力度较大,可一次码一箱(盒)或多箱(盒),并且两侧板光滑,不会损伤码垛产品的外观。单板式与双板式的侧板一般都会有可旋转爪钩,需要由单独机构控制,在工作状态时爪钩与侧板成,起到撑托工件、防止工件在高速运动中脱落的作用。
抓取式手爪:¶
可灵活适应不同形状和内含物(如大米、水泥、化肥等)的物料的码垛作业。例如,与ABB公司IRB 460和IRB 660码垛机器人配套的即插即用型Flex-Gripper抓取式手爪,采用不锈钢制作,可胜任极端条件下的各种码垛作业。
组合式手爪:¶
通过各种手爪的组合来获得各种手爪优势的一种手爪,其灵活性较大,各种手爪之间既可单独使用又可配合使用,可适应多种形式的码垛作业。
码垛机器人手爪的动作一般由单独外力进行驱动,需要连接相应的外部信号控制装置及传感系统,以控制码垛机器人手爪实时的动作状态及夹紧力大小,其手爪驱动方式多为气动或液压驱动。通常在保证相同夹紧力的情况下,气动比液压驱动负载轻、成本低、干净卫生,故在实际码垛作业中,以压缩空气为驱动力的居多。
□ 码垛搬运机器人外围设备¶
码垛机器人应用系统是一种集成化系统,可与生产单元相连接,形成一个完整的集成化物料码垛生产线。码垛机器人在码垛作业时,还需要一些起辅助作用的外围设备。同时,为节约生产空间,合理的机器人空间布局也很重要。
金属检测机: 对于某些物品(如食品、药品、化妆品、纺织品等)的码垛作业,为防止在生产制造过程中混入金属异物,需要金属检测机进行流水线检测。
重量复检机: 在自动化码垛流水作业中重量复检机具有重要作用,它不仅可以检测出前工序是否漏装、多装,还能对合格品、欠重品、超重品进行统计,进而控制产品质量。
自动剔除机: 一般安装在金属检测机和重量复检机之后,主要用于剔除含金属异物的产品及重量不合格的产品。
倒袋机: 将输送过来的袋装码垛物按照预定程序进行输送、倒袋、转位等操作,以使码垛物按流程进入后续工序。
整形机: 主要对袋装码垛物的外形进行整形。经整形机整形后,袋装码垛物内可能存在的积聚物会均匀分散,使外形整齐,以便于后续工序的进行。
待码输送机: 码垛机器人生产线的专用输送设备,可将待码垛的货物聚集起来,便于码垛机器人末端执行器抓取。
传送带: 自动化码垛生产线上必不可少的一个环节,针对不同的厂源条件,可选择不同的形式。
□ 码垛搬运机器人布局¶
码垛机器人应用系统的布局应以提高生产效率、节约场地、实现最佳物流码垛为目的,在实际生产中,码垛机器人应用系统常见的布局形式主要有全面式码垛和集中式码垛两种。
全面式码垛: 码垛机器人安装在生产线末端,可针对一条或两条生产线。这种布局具有较小的输送线成本与占地面积、较大的灵活性、可增加生产量等优点。
集中式码垛: 码垛机器人被集中安装在某一区域。这种布局可将所有生产线生产的货物集中在一起,具有较高的输送线成本,但能够节省生产区域资源,节约人员维护成本,一人便可全部操纵。
在实际应用中,码垛作业按物料及货垛进出的情况不同,经常采用一进一出、一进两出、两进两出、四进四出等规划形式。
一进一出: 设置一条货物输送线和一条货垛输出线,常出现在工厂资源相对较小、码垛线作业比较繁忙的情况中。这种规划形式的码垛速度较快,托盘分布在机器人左侧或右侧,缺点是需要人工换托盘,浪费时间。
一进两出: 在一进一出的基础上增加一条货垛输出线,一侧满盘后,码垛机器人无须等待,直接码另一侧,其码垛效率明显提高。
两进两出: 设置两条物料输送线和两条货垛输出线,多数两进两出系统无须人工干预,码垛机器人可自动定位托盘。因此,两进两出是目前应用最多的一种规划形式,也是性价比最高的一种规划形式。
四进四出: 设置四条货物输送线和四条货垛输出线,通常会配有自动更换托盘功能。这种规划形式主要应用于多条中等产量或低等产量生产线的码垛作业。
□ 码垛搬运机器人案例¶
在机器人仿真模拟软件的模型中,码垛机器人应用系统主要由码垛机器人、示教器、控制器、物料盘、空压机、气动三联件、末端执行器、工件、输送线、安全防护栏等组成。
工业机器人的硬件由示教器、控制器、操作机组成。机器人本体与示教器和控制器之间通过动力电缆和通信电缆建立连接。
码垛机器人的末端执行器采用了真空吸盘,通过电磁阀控制真空发生器抽真空,抓取表面平整的工件。
法兰安装位是指真空吸盘与机器人连接的法兰位置,吸盘通过对工件上表面的吸附进行抓取;线性传感器用于检测吸盘与工件间的距离,使得抓取工具有较高的安全性。例如,当系统突然断电或紧急停止时,若机器人恰好已抓取住工件,则线性传感器可以保证真空吸盘保持抓取动作,即具有断电保持功能,确保工件不会因发生坠落而损坏,直至压缩空气消耗到无法触动系统中的真空发生器抽真空,这也保证了操作人员有足够的时间取下工件。
空压机在码垛机器人应用系统中提供设备运行所需的压缩气体。其中,压力表显示空压机的实际输出压力值,空压机通过气管与气动三联件连接。
气动三联件由过滤器、减压阀、油雾器组合而成,其作用是先将压缩空气中的水和固体颗粒分离,实现空气净化,然后将压缩空气的压力调整到设备所需的压力,再通过油雾器对机体运动部件进行润滑,延长机体的使用寿命。气动三联件的输入口连接空压机的输出口,输出口连接阀岛的输入口。
阀岛是多个电磁阀的组合体,其输入口为同一进气源,输出口相互独立。阀岛的输入口连接气动三联件的输出口,输出口连接真空发生器的输入口,手动开关控制输出口的气体流出。每个电磁阀通常都为常闭状态,当得到电控指令信号后,电磁阀动作,使相应输出口有气体输出。
程序调试: 在码垛机器人应用系统中合理布置输送线和物料盘,将工件从上料位置通过输送线运送到机器人抓取位置,码垛机器人抓取工件运送到物料盘的位置1、位置2、位置3、位置4,然后往复循环此动作进行码垛作业。
在RobotStudio软件中打开码垛机器人应用系统的程序文件。
选择相应文件后,RobotStudio系统处于启动状态。在该页面的右下角,当控制器状态为红色时表示系统正在启动,为绿色时表示系统完成启动。
在工具栏中选择仿真,然后再选择“播放”按钮。
整个码垛机器人运行时的PLC程序以及机器人程序参见《工业机器人集成应用》中第九章相关内容,后续我们将在实践环节完成相关内容,包括I/O设置、程序编写、Smart组件设置等内容参见前述章节内容。
焊接机器人系统集成¶
世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节型机器人,绝大部分有6个轴,目前焊接机器人应用中比较普遍的主要有3种:点焊机器人、弧焊机器人和激光焊接机器人。
> 点焊机器人¶
是用于点焊自动作业的工业机器人,其末端握的作业工具是焊钳。实际上,工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。
点焊机器人逐渐被要求有更全的作业性能,点焊用机器人不仅要有足够的负载能力,而且在点与点之间移位时速度要快捷,动作要平稳,定位要准确,以减少移位的时间,提高工作效率。点焊速度与生产线速度相匹配,同时安全可靠性好。
> 弧焊机器人¶
是用于弧焊(主要有熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊)自动作业的工业机器人,其末端持握的工具是焊枪。
为适应弧焊作业,对弧焊机器人的性能有着特殊的要求。除在运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。其他性能如下:
能够通过示教器设定焊接条件(电流、电压、速度等);
摆动功能;
坡口填充功能;
焊接异常功能检测;
焊接传感器(焊接起始点检测、焊缝跟踪)的接口功能。
> 激光焊接机器人¶
是用于激光焊自动作业的工业机器人,通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业,其末端持握的工具是激光加工头。具有最小的热输入量,产生极小的热影响区,在显著提高焊接产品品质的同时,降低了后续工作量的时间。
激光焊接成为一种成熟的、无接触的焊接方式已经多年,极高的能量密度使得高速加工和低热输入量成为可能。与机器人电弧焊相比,机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求更高。基本性能要求如下:
高精度轨迹(≤0.1mm);
持重大(30~50kg),以便携带激光加工头;
可与激光器进行高速通信;
机械臂刚性好,工作范围大;
具备良好的振动抑制和控制修正功能。
□ 焊接机器人工作站系统组成¶
焊接机器人系统包括机器人本体、控制器、示教器、焊接电源、焊枪、变位机、气瓶和清枪装置。
□ 焊接机器人虚拟仿真案例¶
基于RobotStudio软件选择机器人本体、焊枪与工作台,建立一个基础的焊接机器人系统。
焊接工作流程: 为了使引弧点和弧坑得到保护, 气体应在引弧前送到电弧区, 以便将附近的气体排出, 在停焊后仍需继续供气,使熔化金属在凝固过程中仍得到保护。供电与送丝要同时进行,为了避免焊丝末端与熔池粘连,停止送丝之后再停电。
焊接轨迹: 设定机器人机械原点为起始点pHome点,调用 MoveJ 关节指令快速移动到焊接开始点p10处,直线开始焊接时用ArcLstart指令, ArcL和 ArcC 指令分别进行直线和圆弧焊接。焊接到 p70点处熄弧, 停止焊接, 机器人 再次调用MoveJ 指令从 p70运动到 pHome 点,停止移动。
工具坐标系: 采用六点法建立工具坐标系,命名为“tWeldGun”。
工件坐标系: 采用三点法建立工件坐标系,命名为“Wobj1”。
模拟量信号的定义与关联: 选用 DSQC652 通信板卡, 包括2个模拟量输出,8个数字量输出和8个数字量输入,修改总线地址为10,如下表所示。
参数名称 |
参数值 |
说明 |
|---|---|---|
Name |
aoWeld_REF |
信号名称 |
Type of signal |
Analong Output |
信号类型 |
Assigned to Unit |
Board 10 |
信号所在通信板 |
Unit Mapping |
15-31 |
信号地址 |
Access Level |
Defult |
访问级别 |
Default Value |
10 |
该值需大于或等于最小逻辑值 |
Maximun Logical Value |
40 |
焊机最大电压输出40V |
Maximun Physical Value |
10 |
最大电压输出时, I/O 板输出电压 |
Maximun Physical Value Limit |
10 |
I/O 板最大输出电压上限值 |
Maximun Bit Value |
65 535 |
最大逻辑值, 16位 |
Minimun Logical Value |
10 |
焊机最小电流输出 |
数字量信号: 如下表所示,主要用于控制起弧、送丝、送气等功能。
信号名 |
关联对象 |
类型 |
地址 |
说明 |
|---|---|---|---|---|
Do1 WeldOn |
WeldOn |
DO |
32 |
起弧控制信号 |
Do2 Gason |
Gason |
DO |
33 |
送气控制信号 |
Do3 FeedOn |
FeedOn |
DO |
34 |
送丝信号 |
Do4 ErrReset |
WelderErrReset |
DO |
11 |
焊机复位 |
Di1 ArcEst |
ArcEst |
DI |
0 |
起弧检测信号 |
Di2 GasOk |
GasOk |
DI |
1 |
保护气体检测信号 |
Di3 FeedOk |
WirefeedOk |
DI |
2 |
送丝检测信号 |
Di4 WelderReady |
WelderReady |
DI |
5 |
焊机就绪 |
焊接参数设置: 焊接机器人在程序编程前需要设定 3 个主要的参数: Seam Data, Weld Data, Weave Data. Seam Data是起弧收弧参数,用来控制焊接开始前和焊接结束后吹保护气的时间长度, 用来保证焊接的稳定性和焊缝的完整性。 Weld Data用来控制在焊接过程中机器人的焊接速度及焊机输出的电流电压大小。 Weave Data是控制机器人在焊接过程中的焊枪摆动,通常在焊缝宽度超过焊丝直径较多的时候通过焊枪的摆动去填充焊缝, 此次焊接任务的焊件宽度较小且较薄,选用直线摆动不需要设置。
参数名称 |
说明 |
数值单位 |
参数名称 |
说明 |
数值单位 |
|---|---|---|---|---|---|
Purge_time |
清理枪管中空气的时间 |
1 s |
Weld_speed |
焊接速度 |
6 mm/s |
Preflow_time |
预送气时间 |
1 s |
Voltage |
焊接电压 |
20 V |
PostFloe_time |
尾送气时间 |
1 s |
Current |
焊接电流 |
110 A |
焊接程序编写: 焊接程序如下:
PROC main()!主程序
ClkReset clock1;!复位时间
ClkStart clock1;!开始计时
MoveJ pHome, v1000, fine, tWeldGun;
ArcLStart p10, v100, seam1, weld1, fine, tWeldGun;!开始直线焊接
ArcL p20, v100, seam1, weld1, fine, tWeldGun;!直线焊接
ArcC p30, p40, v100, weld1, fine, tWeldGun;!圆弧焊接
ArcL p50, v100, seam1, weld1, fine, tWeldGun;!直线焊接
ArcCEnd p80, p90, v100, seam1, weld1, fine, tWeldGun;!圆弧焊接终止
MoveJ pHome, v1000, fine, tWeldGun;!焊接完成,机器人回到pHome点
ClkStop clock1;!终止计时
Time1:=ClkRead(clock1);!读取时钟
WaitTime 2;!防止CPU过载
EXIT
ENDPROC
END MODULE
仿真分析: 示教完成后,通过TCP轨迹跟踪功能查看仿真路径是否与焊缝轮廓一致,如果不一致,需要重新修改示教目标点位置,再次编程运行;
编程后,先空载运行所编程序, 查看程序是否有误, 再进行实际焊接。空载运行焊接任务时要使用禁止焊接功能,在主菜单中单击“Robot Ware Arc”,依次单击“焊接锁定”、“摆动锁定”、“跟踪锁定”。
调试机器人程序,确认无误后即可取消锁定,进行焊接作业。打开生产屏幕中调试界面, 根据实际作业情况对焊接调整和摆动调节。
焊接时如果发现焊件成形不理想, 存在缺陷时,就要在生产屏幕的设置菜单下, 调整焊接速度、送丝速度、电压及电流大小,直至焊出满意的焊缝。。
同学们下节课见!