工业机器人工作站的集成设计.docx
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工业机器人工作站的集成设计
编号
XXXXXXX
毕业论文
题目
工业机器人工作站的集成设计
------工作站集成方案的设计
学生姓名
XXX
学号
XXXXX
系部
XXXXXXXXXX
专业
XXXX
班级
4XXX
指导教师
XXXX
顾问教师
XXX
二〇一七年十月
摘要
工业机器人技术在国内应用越来越广泛，而单一的工业机器人本体不能充分发挥其协同作业的功用，为了解决这一问题，将ABB工业机器人本体与搬运单元、码垛单元、打磨抛光单元、绘画单元以及安全单元等外围设备进行集成，实现了工业机器人与周围环境的信息交互。
本论文设计内容共六章，主要论述了工业机器人技术现状和发展趋势、工业机器人的技术基础、工业机器人工作站集成方案、工业机器人工作站集成安装与维护以及工业机器人工作站的调试过程。
实践表明：
工业机器人工作站性能稳定，工作良好。
关键词：
ABB工业机器人；集成；工作站；安装与维护；
Abstract
Industrialrobottechnologyindomesticaregettingmoreandmore,andnotasinglebodyofindustrialrobotsandgivefullplaytothecoordinationfunction,inordertosolvethisproblem,ABBindustrialrobotandhandlingunit,palletizingunit,polishingunit,paintingunitandperipheralequipmentsuchasintegratedsecurityunit,toachievetheinformationexchangeindustrytherobotandtheenvironment.Thisthesisincludessixchapters,mainlydiscussesthecurrentsituationanddevelopmenttrendofindustrialrobottechnology,robottechnology,industrialrobotworkstationbasedintegrationscheme,integratedindustrialrobotworkstationinstallationandmaintenanceanddebuggingprocessofindustrialrobotworkstation.Thepracticeshowsthattheindustrialrobotworkstationisstableandworkswell.
Keyword:
ABB;Integrate;Workstation；Installationandmaintenance
第一章概述
1.1课题研究背景
其实在很早很早以前，就有类似机器人的机器出现，只不过不是以人的模样
出现，所以就没有所谓的机器人。
比如：
我国赫赫有名的木牛流马：
西周时期．我国的能上巧匠偃师研制出了能歌善舞的水制伶人二这是史书~己载的我国最早的机器人。
春秋后期．我H著名的水履鲁班，曾制造过·只木鸢，岂能在空中， 三日不下”1800年前的议代．人科学家张衡不仪发明了地动仪，而且发明了计坐鼓车：
车行一里。
乍卜水人击鼓下，每行十里则击钟一下。
三国时期，蜀国丞相渚葛亮发明了‘木牛流马’，并用它束运送乍粮．支援前方战争．还有就是自动机：
公元前2世纪亚圳山大时代的占希腊人发明丁最原始的机器人——自动机。
大千世界，万事万物都遵循着从无到有、从低到高的发展规律，机器人也不例外。
早在三千多年前的西周时代，中国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。
然而真正的工业机器人的出现并不久远，二十世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人开始进入了实用化和工业化阶段。
20世纪70年代开始，世界各国开始把机器人作为工业领域的研究重点。
到目前为止，经过50多年的发展，日本、美国、法国、德国的工业机器人产品已日趋成热和完善，也相继地形成了一批具有影响力的著名工业机器人公司。
比如瑞典的ABBRobotics，日本的发那科（FANUC）和安川电机（Yaskawa），德国的库卡KUKA，美国的EmersonIndustrialAutomation，意大利的COMAU，英国的AutoTechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司等，这些公司已经成为各自国家和当地的支柱性产业。
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重要的现代制造业自动化装备。
在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名工业机器人公司。
目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。
日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。
欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。
工业机器人已成为柔性制造系统（FMS）、工厂自动化（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动工具。
据专家预测，机器人产业是继车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。
2002年至2004年，根据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国机器人联合会（IFR）的统计，世界工业机器人市场前景看好，年增长率平均在10％左右。
2005年增长率达到创记录的30％，其中亚洲工业机器人增长幅度最为突出，高达45％。
2007年，全球新安装工业机器人的数量将超过十万套。
中国的工业机器人起步于20世纪70年代，清华、哈工大、华中科大、沈阳自动化研究所等一批科研院所最早开始了工业机器人的理论研究。
80-90年代，沈阳自动化研究所和中国第一汽车制造集团进行了机器人的试制和初步应用工作。
进入21世纪以来，在国家政策的大力支持下，广州数控、沈阳新松、安徽奇瑞装备、南京埃斯顿等一批优秀的本土机器人公司开始涌现，工业机器人也开始在中国形成了初步产业化规模。
目前，我国的科研人员已基本掌握了工业机器人的结构设计和制造技术、控制系统硬件和软件技术、运动学和轨迹规划技术，也形成了机器人部分关键元器件的规模化生产能力。
一些公司开发出的喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人已经在多家企业的自动化生产线上获得规模应用，弧焊机器人也已广泛应用在汽车制造厂的焊装线上。
总的来看，我国的工业机器人技术开发和工程应用水平与国外相比还有一定的差距。
如在可靠性方面低于国外产品；机器人的工程应用起步较晚，应用领域窄；生产线系统技术与国外有差距；在应用规模上，在市场占有量上也低于国外优秀机器人公司。
主要原因在于国内没有形成大规模机器人产业，现有的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进工业机器人产业化进程。
1.2课题研究趋势
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。
在新的世纪，随着科学技术的进步，机器人产业必将得到更加快速的发展，工业机器人将得到更加广泛的应用。
1.技术发展趋势
在技术发展方面，工业机器人正向结构轻量化、智能化、模块化和系统化的方向发展。
未来主要的发展趋势有：
（1）机器人结构的模块化和可重构化；
（2）控制技术的高性能化、网络化；
（3）控制软件架构的开放化、高级语言化；
（4）伺服驱动技术的高集成度和一体化；
（5）多传感器融合技术的集成化和智能化；
（6）人机交互界简单化、协同化。
2.应用发展趋势
自工业机器人诞生以来，汽车行业一直是其应用的主要场合。
2014年北美机器人工业协会在年度报告中指出，截止2013年底，汽车行业仍然是北美机器人最大的应用市场，但其在电子/电气行业、金属加工行业、化工行业、食品等行业的出货量却增速迅猛。
由此可见，未来工业机器人的应用依托汽车产业，并迅速向各行业延伸。
对于机器人行业来讲，这是一个非常积极的信号。
3.产业发展趋势
据国际机器人联合会公布的数据显示，2013年全球机器人装机量达到17.9万台，亚洲/澳洲占10万台，中国36560台，整个行业产值300亿美元。
2014年，全球机器人销量22.5万台，亚洲的销量占到2/3，中国市场的机器人销量近45500台，增长35%。
到目前为止，全球的主要机器人市场集中在亚洲、澳洲、欧洲、北美，其累计安装量已超过200万台。
相信在不久的将来，工业机器人的时代将很快来临，并将在智能制造领域掀起一场变革。
1.3课题设计目的和意义
工业机器人是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械装置等高新技术产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。
使用工业机器人的优越性是显而易见的，不仅精度高，产品质量稳定。
而且自动化程度极高，可大大减轻工人的劳动强度，提高生产效率。
特别值得一提的是，工业机器人可完成一般人工操作难以完成的精密工作，如激光切割、精密装配等，因而工业机器人在自动化生产中的地位越来越重要。
工业机器人按照ISO定义，是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。
工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
1.4工业机器人的行业应用
工业机器人按作业任务的不同可以分为焊接、搬运、装配、码垛、涂装等类型机器人。
1．焊接机器人
焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，见图1-1焊接机器人常用于汽车制造领域，是应用最为广泛的工业机器人之一。
目前，焊接机器人机的使用量约占全部工业机器人总量的30%。
图1-1焊接机器人
焊接机器人又可以分为点焊和弧焊。
从上世纪60年代开始以来，焊接机器人焊接技术已日益成熟，在长期使用过程中，主要体现了以下优点：
可以稳定提高焊件的焊接质量；
提高了企业的劳动生产率；
改善了工人的劳动强度，替代人类在恶略环境下工作；
降低了工人操作技术的要求；
缩短了产品改型换代的准备周期，减少了设备投资。
2．搬用机器人
搬运机器人是可以进行自动搬运作业的工业机器人，见图1-2。
最早的搬运机器人是1960年美国设计的Versatran和Unimate，搬运时机器人末端夹具设备握持工件，指将工件从一个加工位置移动到另一个加工位置。
目前世界上使用的搬运机器人超过10万台，其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场合。
图1-2搬运机器人
搬用机器人又分为可以移动的搬用小车（AGV），用于码垛的码垛机器人、用于分解的分解机器人、用于机床上下料的上下料机器人等。
其主要作用就是实现产品、物料或工具的搬用，主要优点在于：
提高生产效率，一天可以24小时无间断工作；
改善工人劳动条件，可在有害环境下工作；
降低工人劳动强度，减少人工；
缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；
可实现工厂自动化、无人化生产。
3．装配机器人
装配机器人是专门为装配而设计的机器人。
常用的装配机器人主要可以完成生产线上一些零件的装配或拆卸工作。
从结构上来分，主要有PUMA机器人（可编程通用装配操作手）和SCARA 机器人（平面双关节型机器人）两种类型。
PUMA机器人是美国Unimation公司1977年研制的由一种计算机控制的多关节装配机器人。
一般有5-6个自由度,可以实现腰、肩、肘的回转以及手腕的弯曲、旋转和扭转等功能，见图1-3。
图1-3PUMA562机器人
SCARA机器人是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人，有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。
另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动，如图1-4所示，这类机器人的结构轻便、响应快，例如Adept1型SCARA机器人运动速度可达10m/s，比一般关节式机器人快数倍。
它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。
图1-4SCARA机器人
与一般工业机器人比较，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点。
在工业生产中使用装配机器人可以保证产品质量，降低成本，提高生产自动化水平。
目前，装配机器人主要用于各种电器制造（包括家用电器,如电视机、录音机、洗衣机、电冰箱、吸尘器）、小型电机、汽车及其部件、计算机、玩具、机电产品及其组件的装配等方面。
图1-5为装配机器人装配作业。
图1-5装配机器人作业
4.喷涂机器人
喷涂机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪威Trallfa公司发明。
喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。
液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。
喷涂机器人多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。
较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。
喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。
喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门，图1-6为喷漆机器人在汽车表面喷涂作业。
图1-6喷涂机器人作业
喷涂机器人的主要优点：
柔性大。
工作范围大大。
提高喷涂质量和材料使用率。
易于操作和维护。
可离线编程，大大的缩短现场调试时间。
设备利用率高。
喷涂机器人的利用率可达90%-95%。
1）：
点焊机器人：
点焊机器人广泛应用于焊接薄板材料。
装配每台汽车车体一般大约需要完成3000~4000个焊点。
其中60%的是点焊机器人完成的。
2）：
弧焊机器人：
弧焊机器人应用于焊接金属连续结合的焊缝工艺，绝大多数可以完成自动送丝、熔化电极和气体保护下进行焊接工作。
弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业外，在通用机械、金属结构等需哦多行业中都有应用。
3）：
喷漆机器人：
喷漆机器人广泛应用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷漆工作。
4）：
装配机器人：
采用工业机器人进行自动装配，是近十几年来才发展起来的一项新技术。
从目前的情况来看，整个机械制造过程中自动化程度最低的就是装配工艺。
5）：
搬运机器人：
随着计算机集成制造技术、物流技术、自动仓储技术的发展，搬运机器人在现代制造业中的应用越来越广泛。
机器人可用于零件的加工过程中，物料、工辅量具的装卸和储运，可用于将零件从一个输送装置送到另一个输送装置，或从一台机床上加工完得零件取下再安装到另一台机床上去。
第二章工业机器人的技术基础
2.1工业机器人的结构
工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手动功能的机电一体化装置。
一台通用的工业机器人从体系结构来看，可以分为三大部分：
机器人本体、控制器及系统、示教器，具体结构如图2-1所示。
1．机器人本体
机器人本体是工业机器人的机械主体，是完成各种作业的执行机构。
一般包含互相连接的机械臂、驱动及传动装置以及各种内外部传感器。
工作时通过末端夹具也称末端执行器用于实现机器人对工作目标的夹取、搬用等动作。
机械臂：
大部分工业机器人为关节型机器人，关节型机器人的机械臂是由若干个机械关节连接在一起的集合体。
图2-2为典型6关节工业机器人，由机座、腰部关节1、大臂关节2、肘部关节3、操作臂关节4、腕部关节5和手部关节6构成。
图2-26关节工业机器人
机座：
是构成机器人的支撑部分，内部安装有机器人的执行机构和驱动装置。
腰部：
是连接机器人机座和大臂的中间支撑部分。
工作时，腰部可以通过关节1在机座上转动。
臂部：
6关节机器人的臂部一般由大臂和小臂构成，大臂通过关节2与腰部相连，小臂通过肘关节3与大臂相连。
工作时，大、小臂各自通过关节电机转动，实现移动或转动。
手腕：
连接小臂和末端执行器的部分，主要用于改变末端执行器的空间位姿，联合机器人的所有关节实现机器人预期的动作和状态。
2.驱动及传动装置
工业机器人的机座、腰部关节、大臂关节、肘部关节、操作臂关节、腕部关节和手部关节构成了机器人的外部结构或机械结构。
机器人运动时，每个关节必须有驱动装置和传动机构完成。
图2-2为机器人运动关节的组成，要构成多关节机器人，其每个关节的驱动及传动装置缺一不可。
图2-2机器人运动关节构成
驱动装置是向机器人各机械臂提供动力和运动的装置。
不同类型的机器人，驱动采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。
驱动系统的传动方式主要有四种：
液压式、气压式、电气式和机械式。
电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机，目前也有采用力矩电机，但是造价较高，控制也较为复杂，和电机相配的减速器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。
4.传感器
为检测作业对象及工作环境，在工业机器人上安装了诸如触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近传感器、超声波传感器和听觉传感器。
这些传感器可以大大改善机器人工作状况和工作质量，使它能够更充分地完成复杂的工作。
2.2工业机器人的控制器及控制系统
控制器是构成工业机器人的神经中枢，由计算机硬件、软件和一些专用电路、控制器、驱动器等构成。
工作时，根据编写的指令以及传感信息控制机器人本体完成一定的动作或路径，主要用于处理机器人工作的全部信息，其正面内部结构如图2-3所示。
图2-3控制器内部结构
为实现对机器人的控制，除计算机硬件系统外，还必须有相应的软件控制系统。
通过软件系统的支持，可以方便的建立、编辑机器人控制程序。
目前，世界各大机器人公司都有自己的完善的软件控制系统来实现机器人的作业控制。
2.3工业机器人的示教器
示教器是人机交互的一个接口，也称示教盒或示教编程器，主要由液晶屏和可供触摸的操作按键组成。
操作时由控制者手持设备，通过按键将需要控制的全部信息通过与控制器连接的电缆送入控制柜中的存储器中，实现对机器人的控制。
示教器是机器人控制系统的重要组成部分，操作者可以通过示教器进行手动示教，控制机器人到达不同位姿，并记录各个位姿点坐标，也可以利用机器人语言进行在线编程，实现程序回放，让机器人按编写好的程序完成轨迹运动。
示教编程器上设有用于对机器人进行示教和编程所需的操作键和按钮，一般情况下不同机器人厂商示教编程器外观各不相同，但一般包含中央的液晶显示区、功能按键区、急停按钮和出入线口。
图2-4为工业机器人的示教器外观。
图2-4工业机器人示教器
在盘右上角，如右图所示红色键不管示教操作盘有效开关的状态如何，都会使执行中的程序停止，机器人伺服电源被切断，使得机器人进入急停状态。
2.4工业机器人的技术参数
虽然工业机器人的种类、用途不尽相同，但任一工业机器人都有其使用的工作范围和要求。
目前，工业机器人的主要技术参数有以下几种：
自由度、分辨率、精度和重复定位精度、工作范围、最大工作速度和承载能力。
2.4.1自由度
自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端执行器的开合自由度。
一般情况下机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度与关节的概念是相等的。
自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多就越灵活，但结构也越复杂，控制难度越大，所以机器人的自由度要根据其用途设计，一般在3~6个之间。
具有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。
从运动学的观点看，在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，叫做冗余自由度机器人，又叫冗余度机器人。
例如，PUMA562机器人去执行印制电路板上接插元器件的作业时就是一个冗余度自由机器人。
利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物和改善动力性能。
2.4.2分辨率
分辨率是指机器人每个关节所能实现的最小移动距离或最小转动角度。
工业机器人的分辨率分编程分辨率和控制分辨率两种。
编程分辨率是指控制程序中可以设定的最小距离，又称基准分辨率。
当机器人某关节电机转动0.1°，机器人关节端点移动直线距离为0.01mm，其基准分辨率即为0.01mm。
控制分辨率是系统位置反馈回路所能检测到的最小位移，即与机器人关节电机同轴安装的编码盘发出单个脉冲电机转过的角度。
2.4.3分辨率
工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。
定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异，用反复多次测试的定位结果的代表点与指定位置之间的距离来表示。
重复定位精度是指机器人重复定位手部于同一目标位置的能力，以实际位置值的分散程度来表示。
实际应用中常以重复测试结果的标准偏差值的3倍来表示，它是衡量一列误差值的密集度。
2.4.4作业范围
工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。
因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实地反映机器人的特征参数，一般工作范围是指不安装末端操作器的工作区域。
工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。
2.4.5运动速度
运动速度影响机器人的工作效率和运动周期，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。
运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将承受着加减速时较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。
就目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下，最大回转速度一般不超过120°/s。
最大工作速度，有的厂家指工业机器人自由度上最大的稳定速度，有的厂家指手臂大合成速度，通常欧洲技术参数中就有说明。
工作速度越高，工作效率就越高。
但是，工作速度越高就要花费更多的时间去升速或降速。
2.4.6承载能力
承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
承载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。
为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。
承载能力不仅指负载，而且包括了机器人末端操作器的质量根据承载能力不同工业机器人大致分为：
1.微型机器人—承载能力为1N以下；
2.小型机器人—承载能力不超过105N；
3.中型机器人—承载能力为105—106N；
4.大型机器人承载能力为106—107N；
5.重型机器人—承载能力为107N以上。
2.5工业机器人的类型
机器人的结构形式多种多样，典型机器人的运动特征是用其坐标特性来描述。
按结构特征来分，工业机器人通常可以分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、极坐标机器人、多关节型机器人、并连关节型等机器人。
图2-5工业机器人结构形式类型
2.5.1直角坐标机器人
直角坐标机器人是指在工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、在空间上具有相互垂直关系的三个独立自由度的多用途机器人，结构见图2-6。
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