工业据机器人的应用

工业机器人应用技术模块七工业据机器人的应用工业机器人应用概述1焊接机器人2喷涂机器人3模块七工业据机器人的应用搬运机器人4冲压机器人5工业机器人的发展趋势6本模块主要介绍工业机器人的应用，内容包括工业机器人应用的分类和发展、步骤，焊接机器人的组成、分类和工作机理，喷涂机器人的特点、分类，搬运机器人的特点、分类，冲压机器人的分类等。单元提要学习完本模块的内容后，学生应能够了解机器人应用的分类和领域，掌握机器人应用的准则和步骤；能够在工作中选择合适的工业机器人系统，并进行合适的评估。熟练掌握点焊、弧焊等焊接机器人的组成、分类、结构、工作机理和技术指标；能够按照实例完成简单焊接机器人的应用。熟练掌握搬运机器人的组成、优势和适用范围；能够按照实例完成简单搬运机器人的应用。掌握喷涂机器人的组成、分类、特点和工作机理；能够按照实例完成简单喷涂机器人的应用。学习要求学习单元一工业机器人应用概述1.机器人应用的分类（1）工业机器人。工业机器人在焊接、搬运、装配和喷漆等工作上表现良好。但是，它只能机械地按照规定的指令工作，并不领会外界条件和环境的变化。（2）操纵机器人。操纵机器人，如飞机的自动驾驶仪等，可以按照人的指令，灵活地执行命令。（3）智能机器人。智能机器人具有一定思维功能和自适应性，它能够根据环境的变化做出判断，并决定采取相应的动作，它是上述3种机器人中的最高形态。一、机器人应用的分类与发展2.工业机器人应用的发展一、机器人应用的分类与发展一套典型的工业机器人系统除了机器人本体之外，还需要配备控制器、控制系统软件、工作站台及其他辅助系统。到目前为止，工业机器人是最成熟、应用最广泛的一类机器人，截至2010年，全世界已经销售约230万台工业机器人，已经进行装备使用的约190万台。总体来看，日本在工业机器人领域的发展居世界首位，成为工业机器人的王国；美国发展得也很迅速，目前在新安装的台数方面已经超过日本；中国开始进入产业化的阶段，已经研制出多种工业机器人样机，已有小批量在生产中使用。一、机器人应用的分类与发展1.工业机器人的应用准则(1)从恶劣工种开始采用工业机器人。工业机器人可以在有毒、风尘、噪声、振动、高温、易燃易爆等危险、有害的环境中长期、稳定地工作。在技术、经济合理的情况下，采用工业机器人逐步把人从这些工作岗位上替代下来，将从根本上改善劳动条件。(2)在生产效率和质量落后的部门应用工业机器人。现代化的大生产分工越来越细，操作越来越简单，劳动强度越来越大。工业机器人可以高效地完成一些简单、重复性的工作，使生产效率获得明显的改善。二、工业机器人应用的步骤(3)从长远需要选择使用工业机器人。一般来讲，人的寿命比机械的寿命长，不过，如果经常对机械进行保养和维修，对易换件进行补充和更换，也有可能使机械寿命超过人。另外，工人会由于其自身的意志而放弃某些工作，造成辞职或停工，而工业机器人没有自己的意愿，因此机器人的使用不会在工作中途因故障以外的原因停止工作，能够持续从事相应的工作，直至其机械寿命完结。与只能完成单一特定作业的固定式自动化设备不同，工业机器人不受产品性能、所执行类型或具体行业的限制。若产品更新换代频繁，通常只需要重新编制机器人程序，并换装不同型式的“手部”即可。二、工业机器人应用的步骤工业机器人可以连续生产或处理较多较重零件，从而增加产量。工业机器人可以改善对主要设备和配套装置的使用率等，从而提高生产率。因较合理地利用而直接节省材料，省去防护挡板和工作手套等为间接节省材料。减少为提高操作、维护和管理人员的技术水平所需要的人员调换与附加训练费用。3）生产效率提高2）材料节省1）劳力节省2.采用工业机器人的成本计算二、工业机器人应用的步骤增加的费用包括生产线停工用于工业机器人安装及调试的费用、系统安装的费用。使用机器人能够保证使用现有设备、劳力和空间来生产更多的产品，而无须增加设备费用。为工业机器人系统自动装卸和输送，从可进行设备调整。因采用工业机器人而保证有恒定的循环时间及有效的润滑，可以延长模具的使用寿命。因工业机器人不需要人工操作时，可进一步减少工伤事件的发生。用于工业机器人系统的能源消耗增加，而用于区域照明和取暖的能量消耗减少。6）增加费用5）设备4）能源的增减二、工业机器人应用的步骤7）偿还期计算可以用偿还期Y定量地衡量工业机器人使用的合理性。偿还期Y的计算公式为（7-1）式中，Y为无盈亏所需年数；P为机器人价格；A为工装夹具费；I为安装费；C为投资税收抵免；L为每小时劳动力费用；M为每小时节约材料费；O为机器人系统运行维护费；HD为每年折旧费；TR为公司税率。二、工业机器人应用的步骤式（7-1）只是一个近似的计算公式，没有考虑由于使用工业机器人，制造的产品能一直保持高质量所取得的经济效益，也没有评估机器人能采取适当的应急措施从而防止昂贵的生产工艺设备遭到破坏所节约的费用等。如果工业机器人的使用寿命大于其偿还期，那么使用机器人是有效益的。二、工业机器人应用的步骤3.应用工业机器人时人力的投入在应用工业机器人代替工人操作时，要考虑工业机器人的现实能力及工业机器人技术知识的现状和对未来的预测。用现有的机器人原封不动地取代目前正在工作的所有工人，并接替他们的工作，显然是不现实的。二、工业机器人应用的步骤就工人的综合能力而言，机器人与人相比差距很大。例如，人从肩到五指，仅在一个手臂上就有27个自由度，而工业机器人的一个手臂，最多也只能有8个自由度。人具有至少能搬运与自身重量相等的重物的能力，而目前的工业机器人只能搬运相当于自重1/20左右的重物。在智能方面，人通过教育和经验，能获得许多记忆以外的全新事物，人能从保留至今的记忆中选择与其有关的信息。此外，为处理这些记忆，人本身能编制出相应的程序，同时，还具备将处理结果反馈回来作为信息的经验增加到记忆中的自身增值能力和学习能力。工业机器人只能在给定的程序和存储的范围内，对外部事物的变化做出相应的判断，以目前工业机器人的智能，还无法不断地对预先给定程序以外的事物进行处理。无论从哪一方面进行比较，人和工业机器人之间都存在很大的差别。二、工业机器人应用的步骤对工人而言，即使在个人之间存在着能力上的差别，但除了那些需要特殊技术或通过长期训练才能掌握的操作之外，一般人都能通过短时间的指导和训练很容易地掌握几种不同的作业，而且能在极短的时间内从一种作业变换到另一种作业，一个工人能在比较宽的范围内处理几种不同的工作。机器人的通用性则较小，让工业机器人去完成这些工作是不可能的。为扩大灵活性，要求工业机器人能够更换手腕，或增加存储容量和程序种类。在平均能力方面，与工人相比，工业机器人显得过于逊色；但在承受环境条件的能力和可靠性方面，工业机器人则较优秀。因此，要把工业机器人安排在生产线中的恰当位置上，使它成为工人的好助手。二、工业机器人应用的步骤4.采用工业机器人的步骤(1)全面考虑并明确自动化要求，包括提高劳动生产率、增加产量、减轻劳动强度、改善劳动条件、保障经济效益和社会就业等问题。(2)制定机器人化技术。在全面和可靠的调查研究基础上，制订长期的机器人化计划，包括确定自动化目标、培训技术人员、编绘作业类别一览表、编制机器人化顺序表和大致日程表等。(3)探讨采用机器人的条件。(4)对辅助作业和机器人性能进行标准化。二、工业机器人应用的步骤二、工业机器人应用的步骤(5)设计机器人化作业系统方案。设计并比较各种理想的、可行的或折中的机器人化作业系统方案，选定最符合使用目的的机器人及其配套装置来组成机器人化柔性综合作业系统。(6)选择适宜的机器人系统评价指标。建立和选用适宜的机器人化作业系统评价指标与方法，既要考虑到能够适应产品变化和生产计划变更的灵活性，又要兼顾目前和长远的经济效益。(7)详细设计和具体实施。对选定的实施方案进一步进行分部具体设计工作，并提出具体实施细则，交付执行。二、工业机器人应用的步骤完整的焊接机器人系统一般由机器人操作机、变位机、机器人控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、焊接传感器(图中未标注)、中央控制计算机和安全设备(图中未标注)等组成。一、焊接机器人概述图7-1焊接机器人系统组成学习单元二焊接机器人1.机器人操作机机器人操作机是焊接机器人系统的执行机构。其任务是精确地保证末端执行器（焊枪）所要求的位置、姿态并实现其运动。一般情况下，工业机器人操作机从结构上至少应具有3个可自由编程运动关节。由于具有6个旋转关节的铰接开链式机器人操作机从运动学上已被证明能以最小的结构尺寸获取最大的工作空间，并能以较高的位置精度和最优的路径到达指定位置，因而这种类型的机器人操作机在焊接领域得到广泛的应用。一、焊接机器人概述2.变位机一、焊接机器人概述机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息，并控制其全部动作。3.机器人控制器一、焊接机器人概述4.焊接系统一、焊接机器人概述在焊接过程中，尽管机器人操作机、变位机、装卡设备和工具能达到很高的精度，但由于存在被焊工件几何尺寸、位置误差及焊接过程中的热变形，传感器仍是焊接过程中不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪及焊缝熔透信息的获取。5.焊接传感器一、焊接机器人概述6.中央控制计算机中央控制计算机在工业机器人向系统化、PC化和网络化的发展过程中发挥着重要的作用。中央控制计算机通过相应接口与机器人控制器相连接，主要用于在同一层次或不同层次的计算机间形成通信网络，同时与传感系统相配合，实现焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系统的应用及生产数据的管理。一、焊接机器人概述7.安全设备安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，其主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工急停断电保护等，它们起到防止机器人伤人的作用。在机器人的工作部还装有各类触觉或接近觉传感器，可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作。一、焊接机器人概述4.焊接机器人的特点二、焊接机器人的特点及分类(1)工作稳定，焊接质量高，可以保证焊缝的均匀性。(2)劳动生产率高，一天可24h连续生产。(3)改善工人劳动条件，可在有害环境下工作。(4)降低对工人操作技术的要求。(5)缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。(6)可实现小批量产品的焊接自动化。(7)能在空间站建设、核电站维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业。(8)为焊接柔性生产线提供技术基础。二、焊接机器人的特点及分类点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人，其末端持握的作业工具是焊钳。实际上，工业机器人在焊接领域应用最早的是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的，如图7-2所示。其点焊过程比较简单，只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹，则没有严格要求，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。2.焊接机器人的分类1)点焊机器人二、焊接机器人的特点及分类图7-2汽车车身的机器人点焊作业二、焊接机器人的特点及分类二、焊接机器人的特点及分类(1)安装面积小，工作空间大。(2)快速完成小节距的多点定位（如每0.3~0.4s移动30~50mm节距后定位）。(3)定位精度高(±0.25mm)，以确保焊接质量。(4)持重大(50~150kg)，以方便携带内装变压器的焊钳。(5)内存容量大，示教简单，节省工时。(6)点焊速度与生产线速度相匹配，可靠性好。二、焊接机器人的特点及分类弧焊机器人是用于弧焊（主要有熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊）自动作业的工业机器人，其末端持握的工具是弧焊作业用的各种焊枪。事实上，弧焊过程比点焊过程要复杂得多，被焊工件由于局部加热熔化和冷却而产生变形，焊缝轨迹会发生变化。手工焊时，有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时调整焊枪位置、姿态和行走速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而，机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪位置和姿态，以实现对焊缝的实时跟踪。2）弧焊机器人二、焊接机器人的特点及分类由于弧