任务3.3 搬运、码垛工业机器人工作站
1.任务引入
搬运、码垛工业机器人适用于物流、电子、食品、饮料、化工、医药、军工和包装等行业，满足企业对板材、桶装、罐装、瓶装和钣金等各种形状的工件进行搬运的要求，动作灵活，可进行人机对话，全天候不间断作业，大大提高了生产效率，使货物搬运智能化，减少人力劳动，实现全面智能化管理。
搬运、码垛工业机器人工作站具有如下优点。
（1）可全天候不间断作业，比人工搬运效率高得多。
（2）结构简单，故障率低，易于保养及维修。
（3）可以设置在狭窄的空间中使用，场地使用效率高，应用灵活。
（4）全部操作可在控制柜屏幕上手触式完成，操作非常简单。
（5）一台搬运、码垛工业机器人可以同时处理多条生产线的不同产品，节省企业成本。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解搬运、码垛工业机器人工作站的构成及技术标准。
（2）理解搬运、码垛工业机器人工作站的应用。
2）技能目标
熟练进行搬运、码垛工业机器人工作站的操作。
3）素养目标
培养学生对专业及以后从事的职业和岗位的认同感，树立职业自信。
3.任务分析
工业机器人工作站的生产作业是由工业机器人连同它的末端执行器、夹具和变位机以及其他周边设备等完成的，其中起主导作用的是工业机器人，因此在选择工业机器人时必须满足作业的功能要求。可从三方面加以保证：有足够的持重能力、有足够大的工作空间和有足够多的自由度。环境条件可由工业机器人产品样本的推荐使用领域加以确定。
搬运、码垛工业机器人工作站如图3-3所示。
图3-3 搬运、码垛工业机器人工作站
码垛工业机器人与搬运工业机器人的异同点如下。
（1）两种工业机器人的硬件组成以及控制方式是相同的，硬件结构都是由驱动器、电动机、减速器和控制系统等组成，当然在轴数上，码垛工业机器人一般为4轴，常规搬运工业机器人为6轴，但每轴的结构组成是相同的。
（2）二者的不同点为：码垛工业机器人属于工业机器人中的一个独立系列，应用比较专一，一般只能进行平面的搬运，不能像6轴工业机器人那样进行空间旋转，这种运动形式是由轴数决定的。工业机器人用于码垛时一般会在软件上增加码垛应用，通过设置向导进行必要的设置即可自动生成码垛程序。
4.相关知识
1）搬运、码垛工业机器人工作站的构成及技术标准
搬运、码垛工业机器人工作站由工业机器人、工业机器人末端执行器、工夹具和变位器、架座等几部分组成。
（1）工业机器人。
工业机器人是搬运、码垛工业机器人工作站的核心，应尽可能选用标准工业机器人。工业机器人控制系统一般根据工业机器人的型号确定。搬运、码垛工业机器人工作站中工业机器人的确定，从下面几个方面着手。
①确定工业机器人的持重能力。
工业机器人手腕所能抓取的质量是工业机器人的一个重要指标，习惯上称为工业机器人的可搬质量。可搬质量的作用线垂直于地面（工业机器人基准面）并通过工业机器人手腕点基P。一般来说，同一系列的工业机器人，其可搬质量越大，外形尺寸、手腕基点（P）的工作空间、自身质量以及所消耗的功率也就越大（高）。
末端执行器重心的位置对工业机器人的可搬质量有影响。同一质量的末端执行器，其重心位置偏离手腕基点（P）越远，对该点形成的弯矩越大，所选择的工业机器人可搬质量要更大一些。在工业机器人的技术资料中，可以查阅各种规格工业机器人的安装尺寸界限图，检查末端执行器的重心落在哪个搬重范围内。以工业机器人手腕基点（P点）为一边界，在大约500 mm×500 mm的正方形区域内，该工业机器人可搬起30 kg重物。末端执行器的重心位置越向外移，工业机器人所能搬起的质量就越小，在x方向超出500 mm或在y方向超出250 mm后，工业机器人只能搬起20 kg的重物；当重心位置距P点约750 mm时，这台工业机器人只能按可搬质量为10 kg的工业机器人使用。
质量参数是选择工业机器人的基本参数，决不允许工业机器人超负荷运行。例如，使用可搬质量为60 kg的工业机器人携带总重为65 kg的末端执行器及负载长时间运转，必定会大大降低工业机器人的重复定位精度，影响工作质量，甚至损坏机械零件，或因过载而损坏工业机器人控制系统。
②确定工业机器人的工作空间。
工业机器人的手腕基点（P）的动作范围就是工业机器人的名义工作空间。它是工业机器人的另一个重要性能指标。在搬运、码垛工业机器人工作站的设计中，首先根据质量大小和作业要求，初步设计或选用末端执行器，然后通过作图找出作业范围，只有作业范围完全落在所选工业机器人的P点工作空间之内，该工业机器人才能满足作业的范围要求，否则就要更换工业机器人型号，直到满足作业范围要求为止。
③确定工业机器人的自由度。
工业机器人在持重和工作空间方面满足搬运、码垛工业机器人工作站或生产线的功能要求之后，还要分析是否可以在作业范围内满足作业的姿态要求。对于简单堆垛作业，作为末端执行器的夹爪只需绕垂直轴的1个旋转自由度，再加上工业机器人本体的3个圆柱坐标自由度即可满足要求。若用垂直关节式工业机器人，由于其上臂常向下倾斜，又需手腕摆动的自由度，故需5个自由度。对于复杂工件，一般需要6个自由度。如果是简单的工件，又使用变位机，在很多情况下5个自由度的工业机器人即可满足要求。
（2）工业机器人末端执行器。(https://www.daowen.com)
工业机器人末端执行器（又称为工具）是安装在工业机器人手腕上进行预定作业的一套独立的装置，它是工业机器人工作站的核心部件。
①工业机器人末端执行器按照要求分类。
工业机器人末端执行器的分类方法很多，按照操作要求可以分为搬运类末端执行器、加工类末端执行器和测量类末端执行器等。
搬运类末端执行器是指各种夹持装置，其用来抓取或吸附被搬运的物体。搬运类末端执行器的用途广泛、结构各异，多数需要进行专门设计。
加工类末端执行器是带有焊枪、喷枪、加工刀具或砂轮等加工工具的工业机器人附加装置，其用来完成各种加工作业。加工类末端执行器的多数工具是外购商品，通过相应的连接构件将工具与工业机器人手腕连成一体。
测量类末端执行器是装有测量头或传感器的工业机器人附加装置，其用来进行测量及检验作业。测量装置必须选用经国家标准检验合格证的产品。
②工业机器人末端执行器按照结构分类。
工业机器人末端执行器按照结构可分为机构型末端执行器、吸附型末端执行器和专用型末端执行器。
a.机构型末端执行器，包括楔块、杠杆、连杆、齿轮、齿条和钢丝柔性链等基本机构，配以气动、液动或电动驱动元件，组成各种机械夹持器，即工业机器人工具。机构型末端执行器抓取物体所需要的手指夹紧力N，是根据被夹持物体的重量Q及被夹持物体与手指接触面间的摩擦系数f来确定的。手指夹紧力N在两指接触面上所产生的摩擦力的和要大于被夹持物体的重量Q，即要满足
在计算夹紧驱动力Pc时，除了重力因素外，还要考虑被夹持物体在运动中产生的惯性力、振动及传动效率等因素的影响。Pc的计算式如下：
式中 P———理论驱动力；
K1———安全系数，一般取1.2～2.5；
K2———工作条件系数，主要考虑惯性力及振动等因素，一般取1.1～2.5；
η———机构的机械效率，一般取0.85～0.9。
b.吸附型末端执行器，又称作吸附工具或吸盘，有气吸式和磁吸式两种。利用吸盘内的负压将工件吸住并搬运的末端执行器叫作气吸式吸附手。利用电磁吸盘的磁力将工件吸住并搬运的末端执行器叫作磁吸式吸附手。
Ⅰ.气吸式吸附手由吸盘、吸盘架及气路系统组成，可用于吸附较为平整光滑、不漏气的各种板材、箱体和薄壁零件，如玻璃、陶瓷、搪瓷制品，钢板和包装纸箱等制品。
吸盘是用橡胶或塑料制成的，它的边缘很柔软，以紧密贴附在被吸附物体表面而形成密封的内腔。当吸盘内抽成负压时，吸盘外部的大气压力将吸盘紧紧地压在被吸物体上。吸盘的吸力是由吸盘皮碗的内、外压差造成的，吸盘的吸力F（单位为N）可按下式求得：
式中 P0———大气压力，单位为N/cm2；
P———内腔压力，单位为N/cm2；
S———吸盘负压腔在工件表面上的吸附面积，单位为cm2；
K1———安全系数，一般取1.2～2；
K2———工作条件系数，一般取1～3；
K3———姿态系数，当吸附表面处于水平位置时，取1，当吸附表面处于垂直位置时，取1/f，f为吸盘与被吸物体的摩擦系数。
吸盘内腔负压的产生方法有3种。
·挤压排气式。如图3-4（a）所示，靠外力将吸盘皮腕压向被吸物体表面，吸盘内腔空气被挤压出去，形成吸盘内腔负压，从而吸住物体。这种方式所形成的吸力不大，而且也不可靠，但结构简单、成本低。
·真空泵排气式。如图3-4（b）所示，当控制阀将吸盘与真空泵连通时，真空泵将盘内空气抽出，形成吸盘内腔负压，吸盘吸住物体。当控制阀将吸盘与大气连通时，吸盘失去吸力，被吸附的物体靠自重脱离吸盘。
·气流负压式。如图3-4（c）所示，控制阀将来自气泵的压缩空气接通至喷嘴，压缩空气通过喷嘴形成高速射流，吸盘腔内的空气被带走，在吸盘内腔形成负压，吸盘吸住物体。当控制阀切断通往喷嘴的压缩空气，并使吸盘内腔与大气相通时，吸盘便失去吸力，与工件分离。
图3-4 吸盘内腔负压的产生方法
（a）挤压排气式；（b）真空泵排气式；（c）气流负压式
在搬运、码垛工业机器人工作站中，常用气流负压式方法。目前，国外许多气动元件公司已生产出结构紧凑、性能优良的真空发生器组件。其构造如图3-4（c）所示。它是由真空发生器、消声器、抽吸过滤器和真空开关等组成的。这些组件可以根据需要随意组合，而且安装连接都相当简单。只要在组件的一端通入一根压缩空气管路，便可从另一端的接管中得到真空负压。
Ⅱ.磁吸式吸附手是用接通或切断电磁铁电流的方法来吸、放具有磁性的物体。磁吸式吸附手所用电磁铁，有交流电磁铁与直流电磁铁两种。交流电磁铁吸力有波动、振动和噪声，且有涡流损耗。直流电磁铁吸力稳定，无噪声和涡流损耗，但需要整流电源。
c.专用型末端执行器。专用型末端执行器是用于特殊作业场合，针对特殊工件而专门设计的末端执行器，它在整个工业机器人应用领域占有相当的比例。在许多新开发的领域，不能简单地使用上面所讲的机构型末端执行器或吸附型末端执行器，必须根据工件类型、作业要求开发新的专用型末端执行器。其开发难度较大，还要做大量的模拟试验，反复修改设计，最后确定具体结构形式。随着工业机器人技术在各个领域的不断渗透，人们必将提出各种各样专用型末端执行器的新课题。由于工业机器人应用范围广，作业形式千差万别，所以几乎很难提出一种规定的设计思想，也没有统一的设计方法。
2）搬运、码垛工业机器人工作站的应用与操作
（1）工艺分析。
在工业、物流等行业经常会用纸箱盛装产品，例如矿泉水、啤酒、饮料等。这里以普通饮料包装箱为例进行说明。纸箱由工业机器人码放在托板上，托板排列规律，每块托板上码放2层纸箱。
（2）部件及组成设备。
①高速码垛工业机器人。
为了节约成本，这里选用广州数控RBO8工业机器人，该型号工业机器人是6自由度工业机器人。纸箱的最大质量约为1 kg，末端执行器的总质量小于5 kg，而在托板上码放2层纸箱的总高度为400 mm，工业机器人在高度方向的行程是1 300 mm，从质量及动作范围上均满足使用要求。
②工业机器人末端执行器。
根据纸箱的特点，专门设计研制了机构型末端执行器，其由气缸和夹手两部分组成。
③输送带。
输送带与摩擦轮、张紧轮和托轮间产生较大的摩擦力，电动机经调速器和链传动器驱动输送带运动。纸箱在输送带上停留的位置由光电开关检测。
（3）应用与操作基础。
①平移功能介绍。
平移是指对象物体从指定位置进行移动时，对象物体各点均保持等距离移动。
对工业机器人进行示教时，可以通过此功能来减少工作量。平移功能特别适用于进行一组有规律的运动的情况，例如工件的堆垛等。平移功能用到的指令主要有SHIFTON、SHIFTOFF和MSHIFT。
②建立平移量。
运用平移功能前，首先要建立一个平移量。建立平移量的方法有两种，一种是进入笛卡儿位姿变量编辑界面手动进行编辑，另一种是采用MSHIFT指令获取偏移量，这里采用第一种方式。
5.任务评价
任务评价见表3-3。
表3-3 任务评价
