3.6.1 装配工业机器人工作站
1.任务引入
装配工业机器人是为完成装配作业而设计的工业机器人，是工业机器人应用种类中适用范围较为广泛的产品之一。装配工业机器人工作站是指使用一台或多台装配工业机器人，配有控制系统、辅助装置及周边设备，进行装配生产作业，完成特定工作任务的生产单元，如图3-8所示。
图3-8 装配工业机器人工作站
根据装配任务的不同，装配工业机器人工作站也不同。一个复杂机器系统的装配，可能需要一个或多个装配工业机器人工作站共同工作，形成一个装配工业机器人生产线，才能完成整个装配过程。比如汽车装配，其零件数量及种类众多，装配过程非常复杂，每个装配工业机器人工作站完成规定的装配工作，由很多个装配工业机器人工作站组成一条装配工业机器人生产线完成一个项目的装配，由多个装配工业机器人生产线共同作用，完成一个极为复杂的汽车装配任务。
与其他工业机器人比较，装配工业机器人除了具有精度高、柔性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点外，其结构也与其他工业机器人有所不同。装配工业机器人广泛用于电器制造，以及汽车、计算机、玩具、机电产品的装配等。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解装配工业机器人的分类与组成。
（2）理解装配工业机器人的结构。
2）技能目标
熟练使用装配工业机器人。
3）素养目标
培养学生对专业及以后从事职业、岗位的认同感，树立职业自信。
3.任务分析
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，才能保证生产的连续性和稳定性。合理地规划装配线可以更好地保证产品的高精度、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。
（1）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。
（2）装配工业机器人工作站可以降低企业成本。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，一天可24 h连续生产。
（3）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。
（4）装配工业机器人工作站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。
4.相关知识
1）装配工业机器人的特征参数与组成
装配工业机器人是柔性自动化装配工作现场中的主要部分，可以在规定的时间里搬送质量从几克到上百千克的工件。装配工业机器人至少有2个可编程序的运动轴，用来完成自动化装配工作。装配工业机器人也可以作为装配线的一部分介入节拍自动化装配。(https://www.daowen.com)
（1）根据运动学结构原理，装配工业机器人有各种不同的工作空间和坐标系统。以下特征参数是必须掌握的。
①工作空间的大小和形状。
②连接运动的方向。
③连接力的大小。
④能搬送工件的质量。
⑤定位误差的大小。
⑥运动速度（循环时间、节拍时间）。
（2）装配工业机器人的组成。装配工业机器人主要由手臂、手爪、控制器、示教器和传感器组成。
手臂是装配工业机器人的主机部分，由若干驱动机构和支持部分组成。为适应各种用途，手臂有不同的组成方式和尺寸。手臂各关节部分根据装配任务的需要，产生不同的自由运动，自由度越多，执行任务时越灵活，对提高装配的复杂性有好处。
驱动机构是带动手臂到达指定位置的动力源。动力一般直接或经电缆、齿轮箱或其他方法送至手臂。目前主要有液动、气动和电动3种驱动方式。电动驱动又分为直流电动机驱动、步进电动机驱动和交流电动机驱动等方式。关节型装配工业机器人几乎都采取电动机驱动方式。伺服电动机速度快，容易控制，现在已十分普及。只有部分廉价的装配工业机器人采用步进电动机驱动。在实际应用中，使用何种驱动方式，要根据任务情况灵活确定，以能完成装配任务为准则。
手爪安装在手臂前端，担负抓拿工件的任务，相当于人手。事实上用一种手爪很难适应形状各异的工件。通常根据抓拿对象的不同，需要设计特定的手爪。一些装配工业机器人配备有各种可换手爪，以增加通用性。手爪的动力源以压缩空气居多。使用压缩空气吸取装配对象是一种手爪形式，该形式的手爪可以抓取平面类工件；使用空气驱动机械机构模拟人手抓取工件是另一种手爪形式。电动机驱动也是手爪驱动的主要形式之一，可通过电磁吸引来抓取工件。
控制器的作用是记忆工业机器人的动作，对手臂和手爪实施控制。控制器的核心是微型计算机，它能完成动作程序设计、手臂位置的记忆、动作程序的执行、工作状态的诊断、与传感器的信息交流和状态显示等功能。
2）装配工业机器人的周边设备
装配工业机器人进行装配作业时，除前面提到的手臂、手爪、传感器外，零件供给器和输送装置也至关重要。从投资额和安装占地面积的角度看，它们往往比手臂所占的比例大。周边设备常由PLC控制。
（1）手爪。
双指气动手价格便宜，因此经常被使用。如果给手腕赋予柔性，便可以在一定程度上消除装配时工件的定位误差，对配合作业很有利。手爪的形式根据装配任务的不同可能是不一样的，比如，抓取大面积的板类工件时，可能用气动吸取或电磁吸引的方式；抓取特殊结构工件时可能需要特制对应的手爪。因此，手爪的外形、工作原理、结构样式等均随装配任务的不同而变化，设计者需要根据具体情况做出相应处理。
（2）传感器。
装配工业机器人经常使用的传感器有听觉传感器、视觉传感器、触觉传感器、接近传感器和力传感器等。视觉传感器主要用于工件位置补偿，工件的判别、确认等。触觉传感器和接近传感器一般固定在指端，用来补偿工件的位置误差，防止碰撞。力传感器一般装在腕部，用来检测腕部受力情况，一般在精密装配或去飞边一类需要力控制的作业中使用。恰当地配置传感器能有效地降低装配工业机器人的价格，改善它的性能。
不同的传感器的应用场合不同，设计者需要根据具体装配任务和环境来使用传感器，以能改善装配工作性能，提高装配效率，保证装配精度为准则。
（3）零件供给器。
零件供给器是为装配工业机器人不断提供需要的零件的装置，保证装配工业机器人能逐个正确地抓拿待装配零件，保证装配作业正常进行。零件供给器的形式与种类众多，应根据装配的性质进行设计。最近装配工业机器人利用视觉和触觉传感技术，已经达到能够从散堆（适度的堆积）状态把零件一一分检出来的水平，部分技术已投入使用。可以预料，不久之后在零件的供给方式可能有显著的改观。
目前多采用下述几种零件供给器。
①给料器。用振动或回转机构把零件排齐，并逐个送到指定位置。给料器以输送小零件为主。
②托盘。大零件或易磕碰划伤的零件加工完毕后一般应码放在托盘中运输。托盘能按一定精度要求把零件送到指定位置，然后装配工业机器人逐个取出。由于托盘能容纳的零件有限，所以托盘往往带有自动更换机构。
③其他。IC零件通常排列在长形料盘内输送，对薄片状零件也有许多巧妙的办法，如码放若干层，再由装配工业机器人逐个取走等。
总之，零件供给器需要根据具体情况进行设计。
（4）输送装置。
在装配线上，输送装置承担把工件搬运到各作业地点的任务。输送装置以传送带居多，其他形式如回转式圆盘也较常用。输送装置也需要根据装配情况进行灵活设计，对于不同的装配要求有不同的输送装置。如果装配的零件大、复杂，就可以用传送带；如果装配的零件较小，工序不多，可以用回转式圆盘。从理论上说，零件随输送装置一起移动，借助传感器的识别能力，工业机器人也能实现“动态”装配。原则上，作业时工件都处于静止状态，因此最常采用的输送装置为游离式，这样，装载工件的容器容易同步停止。输送装置的技术难点是停止时的定位精度、冲击和减振。用减振器可以吸收冲击能。
3）装配工业机器人的结构
装配工业机器人的结构与装配的种类和性质有关。当被装配的工件可以通过输送装置输送时，多采用装配工业机器人不移动，被装配的工件通过输送装置移动的形式；当被装配的工件体积或质量特别大，或因其他客观原因不能移动被装配的工件时，可以采用被装配的工件不动，而装配工业机器人移动的方式。
（1）被装配工件可以输送的装配工业机器人结构。
装配工业机器人需要符合装配要求，而装配又需要多轴联动，即具有多自由度的要求，因此，装配工业机器人的结构随着装配要求的不同而不同，其主要类型如下。
①悬臂工业机器人。典型代表如意大利的Pragma，其特点是可以控制悬臂上下及左右运动，同时能使手爪在主轴方向上回转。
②十字龙门式工业机器人。典型代表如意大利的Olivetti，其特点是具有多个回转及移动自由度，各手臂可以直线运动。
③摆臂式工业机器人。典型代表如瑞典的ASEA，其特点是有垂直或水平的摆动臂，摆动臂是通过一个联轴器悬挂的，它的运动速度极快。
④垂直关节工业机器人。典型代表如美国的Puma，其特点是具有多个关节，能够实现6轴运动，它是专为小零件的装配而开发的。随着工业机器人技术的发展，垂直关节工业机器人的应用范围不断扩大。
⑤摆头工业机器人。典型代表如法国的ARIA Delta，其特点是工业机器人头部可以摆动。摆头工业机器人通过丝杠的运动带动手爪运动。如果两边丝杠（螺母旋转）都以相同的速度向下运动，则手爪向下垂直运动；如果以不同的速度或方向运动，则手爪摆动。这种轻型结构只允许较小的载荷，如用于小产品的自动化包装等。同样由于运动部分的质量小，所以其运动速度相当大。
（2）被装配工件不可输送的装配工业机器人结构。
大型部件或产品的装配在节拍式的装配线上是难以实现的，因此人们想到另外一种方案：让装配者和装配对象调换位置，被装配的部件或产品位置不动，装配工或装配机械围绕被装配的部件或产品运动。人们从这一设想出发开发出行走工业机器人。其结构这里不再赘述。
5.任务评价
任务评价见表3-6。
表3-6 任务评价
