任务3.1 工业机器人工作站及生产线
1.任务引入
1）工业机器人工作站
工业机器人工作站是指使用一台或多台工业机器人，配有控制系统、辅助装置及周边设备，进行简单生产作业，从而完成特定工作任务的生产单元。工业机器人工作站一般由以下部分组成：工业机器人本体，工业机器人末端执行器，夹具和变位机，工业机器人架座，配套及安全装置，动力源，工件储运设备，检查、监视和控制系统。
2）工业机器人生产线
工业机器人生产线是指使用两台或多台机器人，配有物流系统及自动控制同步系统，能够进行工序内容多且复杂的作业，同时完成几项工作任务的生产体系。在工业机器人生产线上，工业机器人工作站是相对独立，又与外界有着密切联系的部分。其在作业内容、周边装置、动力系统方面往往是独立的，但在控制系统、生产管理和物流系统等方面，又与其他工作站及上位计算机管理系统成为一体。工业机器人生产线由多个工业机器人工作站、物流系统和必要的非工业机器人工作站等组成。工业机器人生产线一般包括：工业机器人工作站、非工业机器人工作站、专用装置工作站、人工处理工作站、空设站、中转仓库、工业机器人子生产线、物流系统、动力系统、控制系统、辅助设备及安全装置。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解工业机器人工作站的分类和应用。
（2）理解工业机器人性能评判指标。
2）技能目标(https://www.daowen.com)
通过工业机器人性能评判指标判别工业机器人的特性。
3）素养目标
培养爱国情怀，树立良好的职业观，培养正确的职业精神。
3.任务分析
工业机器人工作站也称为工业机器人工作单元。它主要由工业机器人及其控制系统、辅助设备以及其他周边设备构成。在这种构成中，工业机器人及其控制系统应尽量选用标准装置，对个别特殊的场合（如冶金行业的热钢坯的搬运机器人）需设计专用工业机器人。而末端执行器等辅助设备以及其他周边设备，则随应用场合和工件特点的不同存在较大差异。
4.相关知识
1）工业机器人工作站的分类
工业机器人工作站主要有以下几种。
（1）焊接工业机器人工作站。
焊接工业机器人工作站包括控制系统、驱动器和执行元器件（如电动机、机械机构、焊机系统）。其可以独立完成焊接工作，也可以使用在自动化生产线上，作为焊接工序的一个工艺部分，成为生产线上具有焊接功能的一个“站”。焊接工业机器人工作站由焊接工业机器人安装底座、全数字化焊接电源、送丝系统、水冷焊枪和变位机等组成。
焊接工业机器人工作站是生产线的一部分，这部分依存于生产线系统的控制，是生产线流程协调性的需要；它又是一个相对独立的控制系统，因为焊接工业机器人的所有操作或动作均由其本身的控制系统完成。主控系统和工作站之间通过信号、数据交换完成生产线的协调工作。焊接工业机器人各部件密封和防护可靠，不会出现渗漏现象；线路和管道配置合理、美观，标记清楚，便于安装使用和维护，具有良好的电磁兼容性和抗振性；机构设计符合人机工程学原理，操作方便。
在焊接工业机器人工作站中，焊接工业机器人前方设有举升机构，举升机构的举升臂分别位于焊接线两侧；举升臂上方空间设有固定于支架上的变位机，变位机上设有夹持随行夹具的夹紧装置，夹紧装置与举升臂的举升高度适配。采用上述技术方案的焊接机器人工作站，保证了全面有效地完成工件焊接，解决了随行焊接夹具的精确定位和重复定位问题，不但改善了焊接质量，提高了焊接效率，而且大大提高了焊接的自动化水平，完全可以实现焊接工业机器人工作站与焊接生产线的有效配合。
（2）搬运、码垛工业机器人工作站。
搬运、码垛工业机器人工作站一般具有如下特点：具有物品的传送装置，其形式根据物品的特点选用或设计；可使物品准确地定位，以便于工业机器人抓取；在多数情况下设有码垛的托板，可机动或自动地交换托板；有些物品在传送过程中还要经整形装置整形，以此保证码垛质量；根据被报物品设计专用末端执行器；选用适合码垛作业的工业机器人；有时设置有空托板库。
在码垛作业中，最常见的作业对象是袋装物品和箱装物品，一般来说箱装物品的外形整齐、变形小，其抓取的末端执行器多用真空吸盘和爪手；而袋装物品外形柔软，极易发生变形，因此在定位和抓取之前，应经过2～3次的整形处理，末端执行器也要根据物品特点专门设计，多用叉板式和夹钳式结构。另外，磁吸式末端执行器也是常见的一种形式。
（3）喷涂工业机器人工作站。
喷涂工业机器人工作站包括喷涂防爆工业机器人、喷枪和自动换色系统。其特征是具有十字旋转台和控制系统。喷涂防爆工业机器人上安设有喷枪；自动换色系统通过管道与喷枪相连，自动换色系统包括供漆装置和设在管道上并设于供漆装置之后的换色阀组；供漆装置有多套，分别供应第一颜色漆、第二颜色漆等清洗溶剂，换色阀组至少包括第一颜色阀、第二颜色阀等溶剂清洗阀，并分别与各套供漆装置一一对应，用于在控制系统的控制下进行选色、供漆。
十字旋转台包括一个在水平面上旋转的公转轴，公转轴上连有T形转台，T形转台两侧分别设有一个自转轴，自转轴上分别连有一个工件夹持夹具，用于夹持喷涂工件，喷涂工件随自转轴同步转动。控制系统用于在十字旋转台将喷涂工件运动至喷涂工位时，控制自动换色系统自动选色喷涂，喷涂完成后，控制十字旋转台公转，卸料，并在喷涂需要时控制十字旋转台自转进行喷涂；在需要换色喷涂时，控制自动换色系统供应清洗溶剂进行自动清洗，然后根据目标漆色选色，供漆喷涂。
（4）抛光、打磨工业机器人工作站。
抛光、打磨工业机器人工作站配置有工业机器人本体、自动输送线系统、喷涂/打磨抛光工装及转台、喷涂/打磨抛光系统、集尘装置、半自动机械手上/下料机构和控制系统。该工作站可以对卫浴五金，如水龙头、卫浴挂件、花洒等进行自动打磨、抛光、拉丝等。
抛光、打磨工业机器人工作站采用多关节工业机器人，配置动力主轴和打磨工具等，可以完成复杂形状铸件外形和内腔的直边与圆边的打磨、去毛刺加工，实现传统去毛刺机床所不能承担的打磨工作，可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。抛光、打磨工业机器人工作站需根据被加工零部件光洁度要求配置不同的打磨机和磨头，具有可长期进行打磨作业、保证产品的高生产率、高质量和高稳定性等特点，不仅可以提高工作效率和质量，避免操作者受伤，还可以完成很多手工无法完成的打磨和抛光工作，特别是对各种规格、各种复杂形状的钢类铸件进行打磨。其主要优点如下。
①提高打磨质量和产品光洁度，保证其一致性。
②提高生产率，一天可24 h连续生产。
③改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作。
④降低对工人操作技术的要求。
⑤缩短产品改型换代的周期，减少相应的设备投资。
⑥具有可再开发性，用户可根据不同样件进行二次编程。
⑦解决长期以来的“用工荒”问题以及降低劳动成本。
（5）装配工业机器人工作站。
装配工业机器人工作站中使用的装配工业机器人是专门为装配而设计的工业机器人。与其他工业机器人相比，它具有精度高、柔性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点，目前广泛运用于各种电器，以及汽车、计算机、玩具、机电产品及其组件的装配等。装配工业机器人工作站由工业机器人操作机、控制器、末端执行器、传感系统、传送设备、外围设备以及相关装置组成。其中，工业机器人操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统用于获取装配工业机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。
装配工业机器人工作站每个环节的控制都必须具备高可靠性和一定的灵敏度，以保证生产的连续性和稳定性。装配工业机器人是工业生产中用于生产线上对零件或部件进行装配的工业机器人。它属于高、精、尖的机电一体化产品，是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品，具有很高的功能和附加值。合理地规划装配线可以更好地实现产品的高精度、高效率、高柔性和高质量。装配线主要包括总装线、分装线、工位器具及线上工具等。在总装线和分装线上，采用柔性输送线输送工件，并在线上配置自动化装配设备以提高效率。装配工业机器人工作站的运用对于工业生产的意义如下。
第一，装配工业机器人工作站可以提高生产效率和产品质量。装配工业机器人在运转过程中不停顿、不休息，产品质量受人的因素影响较小，产品质量更稳定。
第二，可以降低企业成本。在规模化生产中，一台装配工业机器人可以替代2～4名产业工人；装配工业机器人不会疲劳，一天可24 h连续生产。
第三，装配工业机器人工作站生产线容易安排生产计划。
第四，装配工业机器人工作站可缩短产品改型换代的周期，减少相应的设备投资。
第五，装配工业机器人工作站所用的装配工业机器人可以把工人从各种恶劣、危险的环境中解放出来，拓宽企业的业务范围。
2）工业机器人性能评判指标
评判工业机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性和动态特性等。
（1）工作空间。
工作空间是指工业机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的形状和大小反映了工业机器人工作能力的大小。理解工业机器人的工作空间时，要注意以下几点。
①通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上机械接口坐标系的原点在空间能达到的范围，即手腕端部法兰的中心点在空间所能达到的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。因此，在设计和选用工业机器人时，要注意安装末端执行器后，工业机器人实际所能达到的工作空间。
②工业机器人说明书上提供的工作空间往往小于运动学意义上的最大空间。这是因为在可达空间中，手臂位姿不同时有效负载、允许达到的最大速度和最大加速度都不一样，在臂杆最大位置允许的极限值通常比其他位置的小一些。此外，在工业机器人的最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，此时的位姿称为奇异位形，而且在奇异位形周围相当大的范围内都会出现自由度退化现象，这部分工作空间在工业机器人工作时不能被利用。
③除了工作空间边缘，在实际应用中工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作空间的内部也存在臂端不能达到的区域，这就是常说的空洞或空腔。空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间，而空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间。
（2）自由度。
自由度指工业机器人操作机在空间运动所需的变量数，是表示工业机器人动作灵活程度的参数，一般以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。
自由物体在空间中有6个自由度（3个转动自由度和3个移动自由度）。工业机器人往往是开式连杆系统，每个关节运动副只有1个自由度，因此通常工业机器人的自由度等于其关节数。工业机器人的自由度越多，功能就越强。目前工业机器人通常具有4～6个自由度。当工业机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。冗余自由度的出现增加了工业机器人工作的灵活性，但也使控制变得更加复杂。
工业机器人在运动方式上，可以分为直线运动（简记为P）和旋转运动（简记为R）两种，应用P和R可以表示操作机运动自由度的特点，如RPRR表示工业机器人操作机具有4个自由度，从基座开始到臂端，关节运动的方式依次为旋转→直线→旋转→旋转。此外，工业机器人的自由度还受运动范围的限制。
（3）有效负载。
有效负载是指工业机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。
工业机器人在不同位姿时，允许的最大可搬运质量是不同的，因此机器人的额定可搬运质量是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部能搬运的最大质量。
（4）运动精度。
工业机器人的精度主要涉及位姿精度、重复位姿精度、轨迹精度和重复轨迹精度等。
位姿精度是指指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时与实到位姿中心之间的偏差。重复位姿精度是指对同指令位姿从同一方向重复响应n次后实到位姿的不一致程度。
轨迹精度是指工业机器人机械接口从同一方向n次跟随指令轨迹的接近程度。重复轨迹精度是指对一给定轨迹在同方向跟随n次后实到轨迹之间的不一致程度。
（5）运动特性。
速度和加速度是表明工业机器人运动特性的主要指标。工业机器人说明书通常提供了主要自由度的最大稳定速度，但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的，还应注意其最大允许加速度。
（6）动态特性。
动态特性参数主要包括质量、惯性矩、刚度、阻尼系数、固有频率和振动模态。
设计时应该尽量减小质量和惯量。若工业机器人的刚度差，则工业机器人的位姿精度和系统固有频率将下降，从而导致系统动态不稳定；但对于某些作业（如装配操作），适当地增加柔性是有利的，最理想的情况是工业机器人臂杆的刚度可调。增加系统的阻尼对于缩短振荡的衰减时间、提高系统的动态稳定性是有利的。提高系统的固有频率，避开工作频率范围，也有利于提高系统的稳定性。
5.任务评价
任务评价见表3-1。
表3-1 任务评价
续表
