任务3.7 KUKA工业机器人搬运工作站应用
1.任务引入
KUKA工业机器人在现代自动化生产中得到了广泛的应用，包括执行打磨、装配、搬运、喷涂等工作任务。本项目通过对KUKA工业机器人在模拟实际工业生产中复杂控制过程的自动化生产线教学平台中的应用，学习KUKA工业机器人的工作原理、自动生产线的组成以及系统调试和编程方法。
2.任务目标
1）知识目标
了解KUKA工业机器人搬运工作站的组成和功能。
2）技能目标
能够对KUKA工业机器人搬运工作站进行安装。
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
该教学平台由物料供给系统单元、物料检测系统单元、多工位加工单元、工业机器人搬运工作单元、加处理工作单元、自动仓储单元和总控台单元7个部分组成，综合应用了工业机器人、PLC、伺服系统、变频器、多种传感器、射频识别系统，模拟实现了工业4.0环境下货物的供给、搬运、检测、分类、识别、传输、加工、装配、加热、仓储和管理等过程。其中，KUKA工业机器人在生产线上执行工件搬运的任务，将完成装配的工件从装配工作台搬运到加热工作区的传送带上，从而将检测、装配和加工仓储衔接起来。
4.相关知识
1）KUKA工业机器人搬运工作站的组成
在自动化生产线教学平台中，KUKA工业机器人搬运工作站是一个可以独立移动和拼装的工作单元。
KUKA工业机器人搬运工作站由铝合金框架式底板及支架提供支撑，KUKA工业机器人安装于铝合金型材的操作面板上。为了减小KUKA工业机器人搬运工作站的体积，在设计中将KUKA工业机器人的控制器置于移动安装支架的下方。除KUKA工业机器人本体和控制器之外，KUKA工业机器人搬运工作站还包括KUKA SmartPAD示教器、西门子S7-1200 PLC及其接口单元、西门子直流电源以及KUKA工业机器人搬运工作站的空气电源开关。
（1）KUKA工业机器人。
KUKA KR6 R900 sixx WP工业机器人本体具体介绍如下。
KUKA KR6 R900 sixx WP（以下简称“KUKA工业机器人”）是由KUKA公司推出的一种额定负载为6 kg的轻型6轴关节型工业机器人，每个关节的驱动电动机均有电磁制动器，并且由防水密闭外壳进行保护，起到防水、防尘的作用。在使用气动抓手时，抓手所需的压缩空气经由A1关节处的气动接口连接到抓手的气动接口，避免工业机器人外部气动布局带来的成本增加和安全隐患。
KUKA工业机器人由手腕、手臂、底座以及电气接口等组成。KUKA工业机器人共有6个关节。A4～A6关节组成了手腕，就像人的手腕一样可以灵活地控制KUKA工业机器人法兰上安装的各种工具。手腕还具有3个阀门和1条CAT5数据线用于控制抓手等工具的开合等动作。
手臂关节位于连接臂和手腕之间，用于控制手腕的位置，由A3关节的电动机进行驱动。连接臂处于手臂和转盘之间，由A2关节进行驱动。KUKA工业机器人工具操作的气路部分和A3～A6关节的4个电动机连线都经过连接臂汇总到电气接口处，电气接口提供KUKA工业机器人本体与控制器连接线缆的标准接口。
转盘对应的是KUKA工业机器人的第一个关节，即A1关节，它通过与基座的相对运动带动KUKA工业机器人本体的转动。转盘同样与转盘相连。与转盘另一侧相连的基座是KUKA工业机器人的固定部分，起到支撑KUKA工业机器人本体的作用。KUKA工业机器人的安装形式可以分正向安装、倒置安装、倾斜安装、墙壁安装等多种方式，它们都是通过改变底座固定位置的方式实现的。
（2）KUKA工业机器人基本参数。
KUKA工业机器人是6轴可控的工业机器人，其工作参数如下。
①工作空间：2.85 m3；
②定位精度：±0.03 mm；
③默认工作点位置：6轴法兰中心；
④质量：53 kg；
⑤防水等级：IP67；
⑥安装位置：墙面、地面、顶部；
⑦基座安装面积：320 mm×320 mm；
⑧工作噪声：＜70 dB；
⑨标准颜色：固定部分为黑色，移动部分为KUKA橙色；
⑩内部气路压力：0.3 MPa；
⑪内部气路流速：0.1 m3/h；
⑫气路接口：6 mm标准外径软管；
⑬工作温度：+5℃～+45℃；
⑭储存和运输温度：-40℃～+60℃；
⑮额定负载：3 kg；
⑯吸附最大负载：6 kg。
2）KUKA KR C4 Compact控制器
KUKA工业机器人控制器包含5种不同的规格，其中KR C4 Compact控制器体积最小，适用于KUKA KR6系列等额定负载和功率较小的工业机器人。
KUKA KR C4 Compact控制器是一种专门面向小型KUKA工业机器人的控制器，主要由控制PC、电力部件、安全逻辑系统、手持式编程器SmartPAD和接线面板5个部分组成。
（1）KUKA KR C4 Compact控制器的组成。
KUKA KR C4 Compact控制器从结构上可以分为上、下2部分，分别为控制部分和电力驱动部分。(https://www.daowen.com)
KUKA KR C4 Compact控制器主要由5个部分组成。下面介绍其中4个部分。
①控制PC：负责KUKA工业机器人控制系统的操作界面，程序的生成、修正、存档及维护，流程控制，轨道设计。驱动电路的控制、监控，与外围设备的通信等。
②电力部件：负责KUKA工业机器人生产中间回路电压，控制电动机、制动器，检查制动器运行中的中间回路电压等。
③安全逻辑系统：用于控制器执行安全的判断，在发生过流、过载、过热等情况下可以保护控制器，在多工业机器人协作时避免工业机器人之间的碰撞和互相干扰等。
④手持式编程器smart PAD：具有KUKA工业机器人操作和编程所需的各种操作和显示功能。
（2）KUKA KR C4 Compact控制器的属性。
①工业机器人控制系统（完成轨迹规划）：可控制工业机器人的6个轴及多个附加轴（附加轴是指不属于工业机器人机械系统，但由工业机器人控制器控制的运动轴，例如KUKA的线性滑轨、双轴转台、Posiflex）。
②流程控制系统：符合IEC61131标准的集成式soft PLC。
③安全控制系统：是控制PC的一个内部单元，主要用于把与安全相关的信号以及与安全相关的监控联系起来，负责关断驱动器、触发制动、监控制动斜坡、进行停机监控、进行T1速度监控、评估与安全相关的信号、触发与安全相关的输出端的工作。
④运动控制系统：用于控制工业机器人各关节的运动等。
⑤通过PLC、其他控制系统，传感器和执行器完成总线系统的通信。
⑥通过主机或其他控制系统完成网络通信。
（3）KUKA KR C4 Compact控制器的接口。
KUKA KR C4 Compact控制器提供4种标准接口，包括KUKA工业机器人本体连接接口、电动机驱动线缆接口、手持式编程器SmartPAD接口和外围设备接口。接口在KR C4 Compact控制器面板上的分布可以由用户根据需求进行定制，具有很大的灵活性。
3）KUKA工业机器人搬运工作站的功能
使用KUKA工业机器人进行搬运和上、下料是一种成熟的机械加工辅助手段，可在自动生产线上进行自动工件搬运和中转，适用于大批量、重复性强的工作或者在工作环境恶劣的条件下进行搬运。KUKA工业机器人搬运工作站所在的自动化生产线教学平台可以实现零件分拣、装配、模拟加入和产品仓储管理等功能，与KUKA工业机器人共同组成柔性自动化生产线。
相对于人工操作，工业机器人具有更加明显的优势，如可以实现24 h不间断自动运行，具有精度高、速度快、生产稳定、功率大等特点，而且具有较高的安全性，可以在提升产品质量、扩大产品产量的同时降低经济成本。另外，工业机器人柔性大，可以经过简单示教编程完成不同的任务，节约企业的培训成本。
在该教学平台中，KUKA工业机器人搬运工作站的任务是将上一工作单元装配完成的工件搬运到下一工作单元进行下一个工序。在系统开始运行时，KUKA工业机器人如果不在原点位置，则在系统自检以后回到原点，等待上一单元完成装配的信号。在完成一次搬运后，KUKA工业机器人仍需要回到原点等待搬运下一个产品。
4）KUKA工业机器人搬运工作站的安装
自动化生产线教学平台由物料供给系统单元、物料检测系统单元、多工位加工单元、工业机器人搬运工作单元、热处理工作单元、自动仓储单元、总控台单元7个部分组成，其中总控台单元相当于整个工作站的大脑，负责调度和协调其余6个单元有序工作。
（1）物料供给系统单元的组成及功能。
物料供给系统单元由铝合金框架式底板及支架、操作面板、PLC及其接口单元、双通道井式供料机、带式输送机构、气路控制装置和电源装置等组成。
①双通道井式供料机。
供料机构为双通道井式供料机，两个供料塔提供可以交替供料的两条供料通道。双通道井式供料机由供料塔、货料检测传感器、供料塔移动气缸、推料气缸、磁性开关、限位开关和型材基体等组成。在供料塔有料时，货料检测传感器信号有效，加工程序自动运行；在供料塔出现缺料时，货料检测传感器信号失效，程序控制供料塔移动气缸切换到另一个供料塔继续供料，并发出警报信号通知操作人员执行加料操作；当两个供料塔都缺料时，生产线停止运行并发出故障警告。
磁性开关属于接近型开关，用于检测物料被推料气缸从供料塔推出后是否到达供料位置。限位开关属于接触型开关，用于检测供料塔切换时是否到达预定位置。两种开关都属于安全确定性开关，主要功能是确保生产线中的操作是否执行正确。
②带式输送机构。
带式输送机构由同步齿形带、直流电动机、同步带张紧装置、动力驱动装置、型材基体等组成，主要实现货料的传送运输。由于该教学平台采用独立工作单元设计，因此物料供给系统单元传送带的行程未超出该单元工作台边界，外部的运输部分通过相邻单元的物料运输机构与其传送带对接来实现。
带式输送机构采用直流电动机驱动，可提供900μN·m的转矩；直流电动机转速为4000 r/min，经过减速后转速为60 r/min。为避免直流电动机驱动信号对传感器信号传输的影响，设计中采用独立中继接口对直流电动机进行24 V直流供电。
③单元功能。
在系统运行之前，物料供给系统单元需要手动装入不同类型的物料。在运行中教学平台给出缺料信号之后需要操作人员重新手动装填物料。
当系统处于自动运行状态时，推料气缸在原点，如果仓位1内货料检测传感器检测到料块，则在需要供料时系统自动将其推出。如果仓位1内货料检测传感器未检测到料块，仓位2内货料检测传感器检测到料块，则在需要供料时系统自动控制推料气缸将物料推出。当推料气缸在原点时，如果仓位2内未检测到料块，而仓位1内检测到有料块，则推料气缸动作，达到仓位1处将料块推出。
当料块从仓位被推出时，传送带工作，将料块运送到下一单元。
（2）物料检测系统单元的组成及功能。
物料检测系统单元用于检测料块的颜色、位置和形状，可以根据要求判断料块属于有用工件还是废料。
①传感器检测单元。
传感器检测单元由传感器检测组及传感器安装支架等组成。传感器检测组包括光纤传感器、色标传感器和回归反射式传感器，可以实现传送带上的工件位置检测，高、低长短形状检测以及颜色检测。传感器的安装位置水平可调，可以在使用中根据需求调整传感器和废料回收槽之间的距离。
②废料回收槽。
废料回收槽由推料气缸及和斜滑道模块单元组成，主要功能是将传送带上的工件推入废料回收槽，用于收集传感器检测单元判定为废料的料块。废料的推料气缸行程为60 mm，可以将废料准确地推入倾斜的滑道。
斜滑道模块单元由滑道支架、滑道等组成。滑道支架呈直角梯形，滑道支架的高度可调整，滑道呈倾斜状，滑道截面呈凹形。滑道经过减小摩擦力的工艺处理。
③传送带。
物料检测系统单元的传送带规格与物料供给系统单元相同，同样采用24 V直流电动机驱动。在物料检测系统单元与物料供给系统单元拼装之后，两个单元的传送带可以实现紧密对接，保证物料的平稳传送。
④单元功能。
当系统处于自动运行状态时，物料供给系统单元的传送带开始转动，同时物料检测系统单元的传送带也同步动作。
物料供给系统单元将物料推出之后，物料经由传送带到达物料检测系统单元，其中最先到达的传感器是光纤传感器。当光纤传感器检测到物料后，进入检测区。光纤传感器用于检测物料的位置，根据光纤传感器的测量信号对物料的位置进行确认。在确认物料经过光纤传感器之后，物料检测系统单元开启色标传感器，等待物料到达时对物料颜色进行检测。
回归反射式传感器则用于检测物料的形状。该单元使用的回归反射式传感器用于检测物料是否为空芯。
对物料进行位置检测、颜色检测和形状检测，即可根据检测结果判定物料是否为废料。默认设置模式为：如果物料为黄色空芯料块或带有金属料芯的料块，则在其到达废料回收槽处后将其推入进槽内；如果物料为蓝色空芯料块，则直接进入下一单元。
对色标传感器和回归反射式传感器进行重新校准和设置，可以根据需要定义废料和有效工件的颜色与形态。
（3）多工位加工单元的组成及功能。
多工位加工单元用于完成原料工件的组装，即将一个料芯装入物料检测系统单元，筛选出待加工工件。
①供料装置。
供料装置由一个井式供料塔存放待装配的小铁芯，由物料检测传感器对供料塔的存料情况进行检测，在供料塔为空时，物料检测传感器发出警告信号，并通过该单元PLC将信号传入总站，停止系统的运行。
推料气缸的作用是在供料塔有料芯时，由系统控制在需要装配时将料芯推到装配位置。推料气缸有效行程为60 mm，在应用中调整安装位置使推料气缸动作时准确地将料芯推到装配位置。
②多工位旋转工作台。
多工位旋转工作台具有4个装配工位，可以同时进行装配和工位填料的任务。多工位旋转工作台由转盘原点检测传感器、加工定位机构、井式供料装置、四工位旋转装配台、工件检测装置、型材基体、步进电动机及驱动系统、线槽、电磁阀组、接线端子等组成。
工件检测装置能同时检测工件及工件中的料芯，可以检测到工位的工件中有无料芯。系统自动运行时根据当前工位上工件中是否有料芯，来为下面的动作任务做出判断。
转盘原点检测传感器采用电感传感器，主要任务是判断原点，为多工位转盘确定一个相对零点，为后面的定位做好准备。转盘原点检测利用电感传感器的非接触测量特性，在4个工位中的1个旋转到电感传感器上方时，工位的机械结构引起电感传感器的变化，从而确定转盘原点。
多工位旋转工作台采用混合式步进电动机驱动，步进角度为1.8°，多工位旋转工作台由步进电动机通过外啮合齿轮传动机构带动旋转。步进电动机选择与其配套的驱动器，由该单元的PLC控制起停和旋转方向。
③冲压装置。
冲压装置由冲压气缸及其安装支架、冲压到位检测传感器，电磁阀、型材基体等组成，主要功能是把料芯装配到工件中。
该单元在确认供料塔不为空，而且工件检测装置确认多工位旋转工作台工位上的工件没有料芯时，启动冲压装配程序。在多工位旋转工作台运送物料进入装配位置后，料芯由供料机构的推料气缸推出到装配位置，由冲压装置将料芯压入工件。
冲压到位检测传感器选用霍尔开关，在料芯被压入工件时，由于料芯靠近霍尔开关从而触发料芯到位信号，完成冲压过程。
④带式传输机。
为了学习多种不同形式的电动机使用方法，多工位加工单元的带式传输机选择同步齿形带和伺服电动机的组合，伺服电动机由V90伺服驱动器进行驱动和控制。该单元的传送带与物料检测系统单元的传送带同步运行，而且在完成系统装配时实现紧密衔接，保证物料在两个单元之间平稳传输。
⑤单元功能。
在系统处于自动运行状态时，系统启动后如果多工位旋转工作台不在原点，系统自动找寻原点，到达原点后停止旋转，等待转盘进料口的光电传感器检测到有物料时，推料气缸动作将其推入转盘的仓位。
随后转盘旋转180°到工件检测仓位处，检测仓位上是否有工件及工件中是否有料芯，若工件中有料芯，则转盘顺时针旋转90°，并通知下一站将工件搬运到下一单元；若工件中没有料芯，则转盘逆时针旋转90°，转到装配位置，将料芯冲压到工件中。
在工件进入冲压工位后，供料机构将料芯推送到装配位置，由冲压装置进行冲压操作，完成后转盘顺时针旋转90°到工件检测仓位处，检测工件中的料芯是否完成装配。当加工完成后的工件达到要求后，转盘顺时针旋转90°，并通知下一站将工件搬运到下一单元。如加工完成后的工件未达到要求，转盘逆时针旋转90°，转到冲压工位进行重新加工处理，重复装配和检测任务。
（4）热处理工作单元的组成及功能。
物料工件装配料芯之后，需要经过热处理加工成产品才能入库保存，因此在自动化生产线教学平台中设置热处理工作单元对装配后的产品进行热处理。
①加热炉。
加热炉由炉体、屏蔽炉丝、温度传感器、隔热层和型材基体等组成，主要是模拟工厂中PID调节恒温加热控制，内部有温度加热执行元件和温度采集检测元件。产品的热处理具有较高的工艺要求，因此要求温度控制具有较高的精度。
②传送带。
热处理工作单元的传送带与物料供给系统单元的传送带规格相同，传送带的行程为890 mm，同样使用直流电动机进行驱动。
为了节省能源，加热炉除在对产品进行热处理时处于高温加热状态外，其余时间均设定在温度较低的等待状态。为了实现该功能，传送带上加装了加热起始位置检测传感器和货物移出到位检测传感器，两个位置的传感器都采用非接触的光电传感器。
在起始位置检测传感器检测到产品到达加热区域后，加热炉开始工作，最后产品经过货物移出到位检测传感器后加热炉退出热处理工作状态，进入等待状态。
③单元功能。
当系统处于自动运行状态时，在工业机器人搬运工作单元将多工位加工单元完成装配的产品移至传送带后，传送带开始运行。当光电传感器检测到有工件进入时，延迟一段时间后传送带停止运行，工件进入热处理工位。系统根据触摸屏上设定的加热温度值，自动进行PID调节，当温度达到指定值或达到由触摸屏设定的加热时间后，传送带启动运行，将物料送到出料口。
（5）自动仓储单元的组成及功能。
自动仓储单元负责经过热处理工序之后的成品的入库和仓库管理，由仓储管理机器人将传送带上的产品放到仓库的空位上。在每次系统开始运行时，仓储管理机器人首先对仓库进行检测，标记仓储位置的存储状态。
①立体仓库。
立体仓库用于存放产品，共有3层15个仓位，每个仓位都有适合产品的底座，以保证产品稳固摆放。立体仓库由直角坐标型仓储管理机器人进行管理，可以对仓库进行理货、清点、整理和产品出/入库操作。
②仓储管理机器人。
仓储管理机器人是一种直角坐标型机器人，由滚珠丝杠、滑轨、同步带、气缸、卷道等机械元件组成。步进电机驱动滚珠丝杠带动仓储管理机器人沿滑轨进行水平运动和垂直运动。为了防止仓储管理机器人的气管和电线在移动中受损，在设计中使用卷道对气管和电线进行保护。
滚珠丝杠的传动结构可以使仓储管理机器人在任意水平位置和垂直位置停止，从而实现对整个立体仓库的管理。但仓储管理机器人与仓库之间的距离是固定不变的，在进行出/入库操作时不需要抓手在中间位置停留，因此该动作由气缸的推出和收回来实现，这使结构更加简单。
③单元功能。
当系统处于自动运行状态时，如果系统启动时仓储管理机器人不在原点，系统自检并回到原点。
系统开始运行时不知道仓位中有无产品，需要进行盘库处理，仓储管理机器人以S形运动方式对立体仓库的各个仓位进行扫描，根据扫描结果判断出哪个仓位有产品并记忆结果，在触摸屏上对仓位信息进行显示。
热处理工作单元处理过的产品会由传送带运送到入库位，在入库位检测到产品后，仓储管理机器人运行到取料位置，并将夹紧气缸张开，仓储管理机器人的Z轴伸缩气缸将抓手推出到入库，夹紧气缸夹紧产品，此时仓储管理机器人的Z轴气缸收回。
仓储管理机器人运行到相应放料仓位后停止，Z轴气缸伸出，抓手到达放料仓位，只有夹紧气缸张开，放下产品，之后仓储机器人的Z轴气缸收回，巷道起重机返回取料位置，等待新的产品到达入库位。仓储管理机器人在夹产品和放产品时进行相应短距离的相对运动，以避免与立体仓库发生机械碰撞。
（6）总控台单元。
总控台单元是自动生产线教学平台的核心控制部分，其余各部分的运行都是在总控台单元的调度下有序进行的。除自动运行时对整个自动生产线教学平台进行控制外，总控台单元还可以对整个系统进行组态和编写PLC程序，并由工业以太网将程序下载到各单元的PLC中。
5.任务评价
任务评价见表3-8。
表3-8 任务评价
续表
