基于工业机器人物件搬运系统设计与制作.docx

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基于工业机器人物件搬运系统设计与制作

摘要

本次毕业设计为工业机器人物件搬运系统的设计与制作。

利用工业机器人技术来改善生产线上的搬运作业，从而替代工人重复性手动操作。

该设计需要自己画出夹具--吸盘，然后通过三维建模软件CATIA设计出符合设计需要的夹具。

目前工业机器人已经拥有成熟的控制系统，通过编程与示教，对IRB120机器人的运动轨迹做出理想的路径规划，并对机器人运动围进行完全的控制。

根据程序的编写来设定对工业机器人的运动路径进行物件搬运。

应用Smart组件创建动态输送链，包含设定输送链产品源，输送链运动属性，输送链限位传感器等等，从而实现对机器人的物件搬运控制，最后利用robotstudio软件对整个工作站的工作过程进行仿真。

均在设计思路、设计方法、设计过程、设计特点方面做了详细的分析与说明。

关键词：

物件搬运、CATIA建模、Smart组件、robotstudio仿真

Abstract

Thegraduationdesignfortheindustrialrobothandlingsystemdesignandproduction.Theuseofindustrialrobottechnologytoimprovetheproductionlineofthetransportoperations,thusreplacingthemanualrepetitivemanualoperation.Thedesignneedstodrawthefixture-sucker,andthenthroughthethree-dimensionalmodelingsoftwareCATIAdesignedtomeetthedesignneedsofthefixture.Atpresent,industrialrobotsalreadyhavematurecontrolsystem,throughprogrammingandteaching,theIRB120robottrajectorytomaketheidealpathplanning,andtherobotrangeoffullcontrol.Accordingtothepreparationoftheprogramtosettheindustrialrobotmovementpathforobjecthandling.ApplicationofSmartcomponentstocreateadynamicconveyorchain,includingthesetofconveyorchainproductsource,conveyorchainmotionproperties,conveyorchainlimitsensor,etc.,inordertoachievetherobotobjecthandlingcontrol,andfinallytheuseofrobotstudiosoftwareworkontheentireworkstationsimulation.Areinthedesignideas,designmethods,designprocess,designfeaturestodoadetailedanalysisanddescription.

Keywords:

Objecthandling、CATIAmodelingDesign、Smartcomponents、Robotstudiosimulation

第一章序言

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人。

工业机器人（IndustrialRobot，简称IR）是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。

且这种操作机可以固定在一个地方，也可以在往复运动的小车上。

在无人参与的情况下，工业机器人可以自动按不同轨迹、不同运动方式完成规定动作和各种任务。

机器人和机械手的主要区别是：

机械手是没有自主能力，不可重复编程，只能完成定位点不变的简单的重复动作；机器人是由计算机控制的，可重复编程，能完成任意定位的复杂运动。

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现代制造业重要的自动化装备。

工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。

60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。

此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。

此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。

机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。

工业机器人市场的大幕已经拉开，世界机器人市场的需求即将进人喷发期，中国潜在的巨大机械设备生产市场需求已初露端倪，工业机器人进军机床行业投资前景可期。

工业机器人能替代越来越昂贵的劳动力，同时能提升工作效率和产品品质。

机器人可以承接生产线精密零件的组装任务，更可替代人工在喷涂、焊接、装配等不良工作环境中工作，并可与数控超精密铁床等工作母机结合模具加工生

产，提高生产效率，替代部分非技术工人。

1.1机器人未来的发展趋势

曾经以人力资源支持成为”世界工厂”的中国，正在成为工业机器人的最大买家。

据英国《金融时报》引用位于德国的世界机器人联合会统计数据称，2013年中国购买了36560台工业机器人，超过美国和日本，成为最大的工业机器人购买国。

2011年，为苹果代工的宣称要用三年多时间建立“百万机器人军队”，以替代工人重复性手动操作。

2013年中国购买工业机器人数量较2012年增长了近60%，首次超过了以技术的利用见长的日本。

2008年至2013年，中国每年机器人进口量平均增幅达36%。

国际电力和自动化技术领先企业ABB的机器人部主管倪恩德表示，“中国以成为增长最快的机器人市场，几年之后，中国机器人市场的规模将远远大于全球第二大、第三大市场”。

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，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。

在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。

工业机器人的技术发展趋势从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：

结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。

在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。

从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：

瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKARoboter，美国的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S-TRobotics，意大利COMAU，英国的AutoTechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。

在国，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。

如中国科学院自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长在40%左右。

全球最大的汽车制造业---中国汽车产业对机器人的需求占了60%，由此可以看出，我国是非常注重和推崇工业机器人的发展，在未来，机器人行业将会取代大部分人工。

1.2对IRB6400和IRB120型两类机器人进行简介

1.2.1IRB6400型机器人

1、简介

IRB6400R在同类机器人精确度最高、刚度最大，非常适合用于铝铸件的清理及预加工等场合。

（1）可靠性强——正常运行时间长

采用成熟设计，维护工作量降至最低，正常工作时间长。

（2）安全性佳——安全的投资

先进运动控制功能和碰撞检测功能可显著减小工具或工件的损坏风险。

（3）速度快——操作周期时间短

采用ABB独有的控制技术，机器人始终能够根据实际载荷对加速度和减速度进行优化，尽可能缩短操作周期时间。

（4）精度高——零件生产质量稳定

具有一流的路径跟踪精度和重复定位精度（RP=1.0mm），配套使用ABBTrueMove功能，该机器人不论速度如何，均可保持运行路径始终不变。

（5）坚固耐用——适合恶劣生产环境

IRB6400R机器人采用材料强度很高的全钢结构，其手臂经过机械平衡处理并配有双轴承。

铸造专家型器人的整个机械臂达到IP67级密闭性，耐高压蒸汽清洗，非常适合应用于恶劣生产环境。

2、技术参数

6400R/2.5-2002.5m200kg

6400R/2.8-2002.8m200kg

1.2.2IRB120型机器人

性能特征:

ABB推出一款迄今最小的多用途工业机器人——紧凑、敏捷、轻量的六轴IRB120，仅重25kg，荷重3kg（垂直腕为4kg），工作围达580mm。

在尺寸大幅缩小的情况下，IRB120继承了该系列机器人的所有功能和技术，为缩减机器人工作站占地面积创造了良好条件。

紧凑的机型结合轻量化的设计，成就了IRB120卓越的经济性与可靠性，具有低投资、高产出的优势。

IRB120的最大工作行程为411mm，底座下方拾取距离112mm

应用围：

电子、食品饮料、机械、太阳能、制药、医疗、研究等领域。

为缩减机器人占用空间，IRB120可以任何角度安装在工作站部、机械设备上方或生产线上其他机器人的近旁。

机器人第1轴回转半径极小，更有助于缩短与其他设备的间距。

第二章操作机器人

2.1示教器

2.1.1示教器简介

示教器又叫示教编程器（以下简称示教器）是机器人控制系统的核心部件，是一个用来注册和存储机械运动或处理记忆的设备，该设备是由电子系统或计算机系统执行的。

示教器维修是示教器维护和修理的泛称，是针对出现故障的示教器通过专用的高科技检测设备进行排查，找出故障的原因，并采取一定措施使其排除故障并恢复达到一定的性能。

确保机器人正常使用。

示教器是进行机器人的手动操作、程序编写、参数配置以及监控用的手持装置。

图1.1.1-1示教器介绍

上图是ABB机器人示教器，其中A是示教器与控制柜之间的连接电缆，B是触摸屏，C是急停开关，D是手动操纵杆，E是数据备份与恢复用USB接口（可插U盘/移动硬盘等存储设备），F是使能按钮。

使能按钮是为保证操作人员人身安全而设计的。

使能按钮分为两档，在手动状态下第一档按下去机器人将处于电机开启状态。

只有在按下使能按钮并保持在“电机开启”的状态才可以对机器人进行手动的操作和程序的调试。

第二档按下时机器人会处于防护停止状态。

当发生危险时（处于惊吓）人会本能地将使能按钮松开或者按紧，这两种情况机器人都会马上停下来，保证了人身与设备的安全。

2.1.2注意事项与故障处理

1，示教机器人前先确认下列检查步骤，如发现问题应立即改正，并确认其他必须做的工作均已完成。

检查机器人的运动有无异常的问题；检查外部电缆的绝缘及遮盖物是否损害。

2，示教器使用完毕后，务必挂回到控制柜的钩子上。

如果示教器放在机器人上或者地面上，会因摔落或者重压引起示教器损坏。

示教器触摸不良或局部不灵（更换触摸面板）；示教器无显示（维修或更换部主板或液晶屏）；示教器显示不良、竖线、竖带、花屏等（更换液晶屏）；示教器按键不良或不灵（更换按键面板）；示教器操纵杆XYZ轴不良或不灵（更换操纵杆）；急停按键失效或不灵（更换急停按键）；数据线不能通讯或不能通电，部有断线等（更换数据线）。

2.2机器人数据的备份与恢复

2.2.1机器人的手动操作

定期对机器人数据进行备份，是保证保证机器人进行正常工作的良好习惯。

ABB机器人数据备份的对象是所有正在运行的RAPID程序和系统参数。

当机器人系统出现错乱或者重新安装新系统以后，可以快速恢复机器人系统。

图2.1-1数据备份与恢复

在恢复系统时，不能将一台机器人的备份恢复到另外一台机器人中去，这样做会造成系统故障。

可以将程序和I/O的定义做成通用的，分别单独导入程序和EIO文件。

2.2.2单轴运动

手动单轴运动非常简单，需要熟练操作机器人，掌握好手感，能够清楚的知道操作杆与机器人运动的方向，能通过操作杆控制运动速度。

2.2.3线性运动与重定位运动

图2.1.2-1手动操作

在实际手动操作时，需要注意工具坐标与工件坐标的选择，这将关系到机器人的运动方向，调试过程中多观察任务栏、运动方式、增量、速度和坐标的选择。

2.3机器人操作

2.3.1TCP的设定

TCP的设定原理如下：

1、首先在机器人工作围找一个非常精确的固定点作为参考点。

2、然后在工具上确定一个参考点（最好是工具的中心点）。

3、用之前介绍的手动操纵机器人的方法，去移动工具上的参考点，以四种以上不同的机器人姿态尽可能与固定点刚好碰上。

为了获得更准确的TCP，可以使用六点法进行操作，第四点是用工具的参考点垂直于固定点，第五点是工具参考点从固定点想向将要设定为TCP的X方向移动，第六点是工具参考点从固定点向将要设定为TCP的Z方向移动。

4、机器人通过这个位置数据计算求得TCP的数据，然后TCP的数据就保存在tooldata这个程序数据中被程序进行调用。

图3.1.1-1设置TCP

2.4机器人使用及注意事项

1、打开机器人总开关后，必须先检查机器人在不在原点位置，如果不在，请手动跟踪机器人返到原点，严禁打开机器人总开关后，机器人不在原点时按启动按钮启动机器人。

2、打开机器人总开关后，检查外部控制盒外部急停按钮有没有按下去，如果按下去了就先打上来，然后点亮示教盒上的伺服灯，再去按启动按钮启动机器人，严禁打开机器人总开关后，外部急停按钮按下去生效时，按启动按钮启动机器人。

如果当外部急停按钮按下去生效时，按启动按钮启动机器人时，马上选择手动模式把打开的程序关闭，再选择自动模式，点亮伺服灯，按复位按钮让机器人继续工作。

3、在机器人运行中，需要机器人停下来时，可以按外部急停按钮、暂停按钮、示教盒上的急停按钮，如需再继续工作时，可以按复位钮让机器人继续工作。

4、在机器人运行时暂停下来修改程序的情况下，选择手动模式后进行修改程序，当改完程序后，一定要注意程序上的光标必须和机器人现有的位置一致，然后再选择自动模式，点亮伺服灯，按复位按钮让机器人继续工作。

5、关闭机器人电源前，不用按外部急停按钮，可以直接关闭机器人电源。

6、当发生故障或报警时，请把报警代码和容记录下，以便向技术人员提供解决问题。

第三章CATIA建模

3.1用CATIA创建支架模型

3.1.1新建三维模型

选择菜单中的文件→“新建”命令（或在“标准”工作栏中单击新建按钮），此时系统弹出如图3.1.1-1

图3.1.1-1列表类型“Part”

3.1.2创建支架的基础特征

基础特征是一个零件的主要结构特征。

凸台特征是通过对封闭截面轮廓进行单向或双向拉伸建立三维实体的特征，它是最基本且经常使用的零件造型指令。

图3.1.2-1支架草图

退出草图，点击“凸台”命令，长度设为48mm，如图3.2-2所示

图3.1.2-2支架基础部分

然后选择凸台的上表面作为平面，画出长228mm、宽152mm的长方形，退出草图，点击“凸台”命令设置长度为16mm，并以该凸台的表面为平面画出一个半径为48mm的圆如图3.2-3所示，

图3.1.2-3支架中间部分

在画出圆柱后，并以圆柱的上表面为平面画出一个直径160mm的圆，退出草图，点击“凸台”命令设置长度为16mm，如图3.2-4所示，

图3.1.2-4支架上半部分

以支架的最下表面为平面，分别取6点依次是（114,214），（-114,214），（114，-214），（-114，-214），（114,0），（-114,0）；完成后退出草图，点击“凸台”命令，设置其长度为24mm，如图3.2-5所示

图3.2-5支架底端部分

3.1.3创建吸盘的基础特征

选择菜单中的文件→“新建”命令（或在“标准”工作栏中单击新建按钮）

建立Part2的文件。

选择“轮廓”命令，取顶长12mm，底长36mm，高32mm的一个梯形，并且退出草图，点击“旋转体”命令，以高为基准，旋转360度，形成一个吸盘，如图3.3-1所示

图3.1.3-1吸盘

注意事项：

（1）开始绘制草图时，没有必要很精确的绘制截面草图的几何形状、位置和尺寸。

只需要绘制一个很粗略的大概形状。

（2）尺寸的修改往往安排在建立完约束以后进行。

（3）注意修改尺寸的顺序，先修改对截面外观影响不大的尺寸。

3.1.4装配设计

CATIA的装配模块用来建立零件间的相对位置关系，从而形成装配体；它拥有自底向上和自顶向下两种装配功能。

首先设计好全部零件，然后将零件作为部件添加到装配体中，则称为自底向上装配。

如果先设计好装配模型，然后在装配体中组建模型。

最后生成零件模型，测称为自顶向下装配。

3.1.5装配中的“相合”与“接触”约束

使用“相合”约束可以使两个装配部件中的两个平面重合，并且可以调整平面方向；也可以使两条直线（包括轴线）或者两个点重合。

首先将小圆柱和吸盘移动到较近的位置，然后点击“相合”约束，选取小圆柱和吸盘的中心线，并且更新，接着点击“接触”约束，分别选取小圆柱的上表面和吸盘下表面，最后更新，如图3.4.1-1所示，

图3.1.5-1“相合”约束和“接触”约束

按照之前的步骤，依次将六个吸盘装配到支架上，如图3.1.5-2所示

图3.1.5-2完成支架

3.2用CATIA创建托盘模型

3.2.1新建三维模型

选择菜单中的文件→“新建”命令（或在“标准”工作栏中单击新建按钮），此时系统弹出如图3.1.1-1，选择Part

图3.2.1-1列表类型“Part”

3.2.2创建托盘的零部件

木板1号：

长，高，宽（1000,20,90）单位：

mm

木板2号：

长，高，宽（1000,20,140）

木板3号：

长，高，宽（1200,20,90）

木板4号：

长，高，宽（1200,20,140）

木块1号：

长，宽，高（140,75,90）

木块1号：

长，宽，高（140,75,1400）

3.2.3托盘零部件的装配设计

创建CATIA的装配设计，选择Product与“现有部件”进行添加，使用“操作”命令把零部件进行移位，能使零部件的装配起到最好的作用。

在移位过程中，要注意X、Y、Z轴之间，不然很容易会错位，导致零部件移到了其他地方。

首先把木板4号和木板2号进行“相合”约束两个零部件，再点击“接触”约束，之后点击“偏移”约束，设置零部件两两之间的距离为20mm，最后依次进行更新，得到如图3.2.3-1所示

图3.2.3-1“接触”约束各零件图

按照之前所用的约束，把图3.2.3-1右图补充完整，如图3.2.3-2所示

图3.2.3-2“接触”约束各零件图

3.2.4使用“接触”约束多个零部件

将木板3号与木板1号、2号进行“接触”约束，并进行更新，得到图3.2.4-1所示

’

图3.2.4-1“接触”约束各零件图

将木块1号和木块2号添加到Product里，使用“操作”命令将其移动到合适位置，再用“接触”约束，得到如图3.2.4-2所示

图3.2.4-2“接触”约束各零件图

最后将木板2号添加到Product中，使用“操作”命令将其移动到合适位置，再用“接触”约束，得到如图3.2.4-3所示

图3.2.4-3“接触”约束各零件图

3.3用CATIA创建托盘座模型

3.3.1新建三维模型

选择菜单中的文件→“新建”命令（或在“标准”工作栏中单击新建按钮），此时系统弹出如图3.1.1-1，选择Part

3.3.2创建托盘座的零部件

使用“轮廓”命令和“倒圆角”命令，建立如图3.3.2-1所示

图3.3.2-1零件图草图

退出草图，使用“凸台”命令，分别将长度设置为1250mm、1120mm，并以第一个图的侧面为表面画出长100mm，宽30mm的长方形如图3.3.2-2所示

图3.3.2-2完成零件图

退出草图，使用“凸台”命令，长度设置为100mm；之后以该长方体的上表面为平面，在中心位置画出半径为20mm的圆，在使用“凹槽”命令，设置深度为30mm；最后使用“倒圆角”命令，选择长方体的棱边，半径为10mm，得到如图3.3.2-3所示

图3.3.2-3完成各零件图

3.3.3托盘座零部件的装配设计

创建CATIA的装配设计，选择Product与“现有部件”进行添加，使用“操作”命令把零部件进行移位，这样能使零部件的装配起到最好的作用。

在移位过程中，要注意X、Y、Z轴，在托盘座装配期间，特别要用到XY轴、XZ轴、YZ轴来进行移位，在立体图中非常容易混淆视觉。

把添加的两个零部件移到合适的位置，使用“接触”约束得到如图3.3.3-1所示

图3.3.3-1“接触”约束各零件图

点击“现有部件”命令，添加零部件，使用“操作”命令使其移到合适的位置，再使用“接触”约束，得到如图3.3.3-2所示

图3.3.3-2“接触”约束各零件图

最后添加剩下的零部件，使用“接触”约束，得到如图3.3.3-3所示

图3.3.3-3“接触”约束各零件图

所有的装配设计与装配零部件保存在论文文件夹中。

3.4用CATIA创建挡风玻璃模型

3.4.1新建三维模型

选择“开始”中的“形状”，然后点击“创成式外形设计”创建零件图Part，

3.4.2创建挡风玻璃的草图

点击“样条线”命令画出挡风玻璃的草图，如图3.4.2-1所示

图3.4.2-1挡风玻璃草图

3.4.3“桥接”命令制作

“插入”命令中选择“曲面”，然后点击“桥接”命令，如图所示

图3.4.3-1挡风玻璃

3.5用CATIA创建底座模型

3.5.1新建三维模型

选择菜单中的文件→“新建”命令（或在“标准”工作栏中单击新建按钮），此时系统弹出如图3.1.1-1，选择Part

3.5.2创建底座