工业机器人的生产线及工作站

第八章工业机器人的生产线及工作站工业机器人作为先进制造技术和自动化装备的典型代表，不仅对于先进制造业的发展具有重要的作用，而且对于高科技产业和传统产业的发展具有显著的促进作用。作为新兴的高新技术产业和智能化产业，工业机器人产业具有一般的高新技术产业所表现的特征：高投入、高风险、高回报、高技术、高难度、高潜能等。机器人作为实现FMS(FlexibleManufacturingSystem)、FA(FactoryAutomation)、CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)的支柱，以及在海洋、宇航空间、核能、军事、救灾、采掘、农业、林业与公共福利事业等领域中，表现出越来越强的生命力，目前，工业机器人在发达工业国家．已成为企业必不可少的设备之一。本章将着重介绍组成FMS、FA、CIMs的重要基础自动化加工单元-机器人工作站和机器人生产线的构成及设计原则，机器人末端执行器(工具）和变位机等扩大机器人应用领域和范围的关键辅助设备与技木在生产线中引入机器人系统的方法l）可行性分析技术的可行性和先进性—用户现场调查、相似作业实例调查投资上的可能性和合理性工程实施中的可能性和可变更性2）工作站和生产线的详细设计规划及系统设计布局设计扩大机器人应用范围的辅助设备的选用和设计控制系统设计支持系统—故障、停机对策工程施工设计编制采购资料3）制造与试运行制造与试运行是根据详细设计阶段确定的施工图纸、说明书，进行布置、工艺分析、制作、采购，然后进行安装、测试、调整，使之达到预期的技本要求，同时对管理人员、操作人员进行培训。4）交付使用---运作率检查、改进、评估机器人工作站是指使用一台或多台机器人，配以相应的周边设备，用于完成某一特定工序作业的独立生产系统，也可称为机器人工作单元。它主要由机器人及其控制系统、辅助设备以及其它周边设备所构成。在这种构成中，机器人及其控制系统应尽量选用标准装置，对于个别特殊的场合(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着较大差异，因此，这里只能阐述一般的工作站的构成和设计原则，并结合实例加以简要说明。工业机器人工作站的构成及设计原则这个工作站的特点在于人工装卸工件的时间小于机器人焊接工作时间，可以充分地利用机器人，生产效率高；操作者远离机器人工作空间，安全性好。采用转台交换工件，整个工作站占用面积相对较小，整体布局也利于工件的物流。1）机器人2）机器人末端执行器3）夹具和变位器4）机器人座架5）配套及安全装置6）动力源7）工作对象的储运设备8）检查、监视和控制系统机器人末端执行器(称工具)是机器人的主要辅助设备，也是工作站中重要的组成部分。同一台机器人，由于于安装了不同的末端执行器，会完成不同的作业，用于不同的牛产场合，多数情况下需专门设计，它与机器人的机型、整体布局、工作顺序都有着直接关系。选用带有安全防碰撞装瓷的标准机器人用焊枪。夹具和变位机是固定作业对象并改变其相对于机器人的位置和姿态的设备，它可在机器人规定的工作空间和相灵活度条件获得高质量的作业配套及安全装置是机器人及其辅助设备的外围设备及配件。它们各自相对独立，又比较分散，但每一部分都是不可缺少的。它包括配套设备、电气控制柜、操作箱、安全保护装置和走线槽管保护装置等内容。本例中的焊接电源、焊枪和送丝机构是一套独立的配套设备，安全栅以及操作区的对射型光电管等起安全保护作用，另外还有一套焊枪嘴清理装置；配套及安全装置动力源：在机器人的周边设备中多采用气、液作为动力，因此．常需配置气、液压站以及相应的管线、阀门等装置。对于电源有一些持殊需要的设备或仪表，也应配置专用的电源系统（可编程电源-delta、安捷伦、朝阳等）。。工作对象的储运设备作业对象常需在工作站中暂存、供料、移动或翻转，所以工作站也常配置暂置台、供料器、移动小车或翻转台架等设备。检查、监视和控制系统检查和监视系统对于某些工作站来说是非常必要的，持别是用于生产线的工作站。比如工作对象是否到位，有无质量事故，各种设备足否正常运转，都需要配置检查和监视系统。一般说来．机器人工作站多是一个自动化程度相当高的工作单元，它多备有自己的控制系统。目前使用最多的是PLC系统，该系统既能管理本站有序的正常工作，又能和上级管理计算机相联，向它提供各种信息，比如产品计数等等。1）设计前必须充分分析作业对象，拟定最合理的作业工艺；2）必须满足作业的功能要求和环境条件；3）必须满足生产节拍要求；4）整体及各组成部分必须全部满足安全规范及标准；5）各设备及控制系统应具有故障显示及报警装置；6）便于维护修理；7）操作系统应简单明了，便于操作和人工干预；8）操作系统便于联网控制；9）工作站便于组线10）经济实惠，快速投产这10项设计原则共同体现着工作站用户的多方面的需要，简单地说就是干方百计地满足用户的要求。机器人工作站的一般设计原则对作业对象(工件)及其技术要求进行认真细致的分析，是整个设计的关键环行，它直接影响工作站的总体布局、机器人型号的选定、末端执行器和变位机等的结构以及其他周边机器的型号等方面。在设计工作．这一内容所投入的精力和时间约占总设计时间的15％一50％。工件越复杂，作业难度越大，投入精力的比例就越大；分析的越透彻，工作站的设计依据就越充分，将来工作站的性能就可能越好、调试时间和修改变动量就可能越少。一般来说，工件的分析包含以下几个方面：1）工件的形状2)工件的尺寸及精度3）工件的质量、材料、强度4）作业要求—年产量、工作制度、占用空间、操作方式、自动化程度作业顺序和工艺要求机器人的选择在选择机器人时，为了满足功能要求，必须从持重、工作空间、自由度等方面来分析，只有它们同时被满足或者增加辅助装置后即能满足功能要求的条件，所选用的机器人才是可用的。机器人的选用也常受机器人市场供应因素的影响，所以，还需考虑市场价格，只有那些可用而且价格低廉、性能可靠，且有较好的售后服务，才是最应该优先选用的。目前，机器人在许多生产领域里得到了广泛应用，如装配、焊接、喷涂和搬运码垛等。各种应用领域必然会有各自不同的环境条件，为此，机器入制造厂家根据不同的应用环境和作业特点，不断地研究、开发相生产出了各种类型的机器人供用户选用。各生产厂家都对自己的产品给出了最台适的应用领域，他们不光考虑了功能要求，还考虑了其他应用中的问题，如强度刚度、轨迹精度、粉尘及温湿度等持珠要求。在设计工作站选用机器人时，应有先参考生产厂家提供的产品说明*工作站对生产节拍的要求生产节拍是指完成一个工件规定的处理作业内容所要求的时间，也就是用户规定的丰产量对机器人工作站工作效率的要求。生产周期是机器人工作站完成一个工件规定的处理作业内容所需要的时间，也就是工作站完成一个工件规定的处理作业内容所需要花费的时间。在总体设计阶段，首先要根据计划年产量计算出生产节拍，然后对具体工件进行分析，计算各个处理动作的时间，确定出完成一个工件处理作业的生产周期。生产周期生产节拍的处理方法：1)重新评估设计工作站2）增加辅助装置3）增加机器人数量4）增加机器人工作站数量机器人持枪点焊作业时间根据“工业机器人安全规范”国家标准，在作安全防护设计时，应遵循以下两条原则：1）自动操作期间安全防护空间内无人；2）当安全防护空间内有人进行示教、程序验证等工作时，应消除危险或至少降低危险。安全规范和标准。工作站必须设置各种传感器，包括光幕、电磁场、压敏装置、超声和红外装置以及摄像装置等，当人员无故进入防护区时，立即使工作站中的各种运动设备停止工作。机器人生产线机器人工作站在机器人生产线中，机器人工作站是相对独立，又与外界有着密切联系的部分。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、生产管理和物流等方面又与其他工作站以及上位管理计算机系统成为一体。非机器人工作站1）专用装置工作站2）人工处理工作站3）空站物流系统物流系统是机器人生产线的一个重要的组成部分，它担负着各工作站之间工件的转运、定位、甚至夹紧，工件的出库入线或出线入库、各站的散件人线等工作。正是物流系统将各个独立的工作站单元连接起来，成为一条流动的生产线系统。生产线越大，自动化程度越高，物流系统也越复杂。它常用的传送形式有：链式运输、带式运输、专用搬运机、无入小车搬运和同步移动机构等，设计时应根据生产线的类型、工件的特点和总体设计思想等因素确定传送方式。夹具板(每站各—块)放在由链驱动的支撑滚轮上、周而复始地按图示箭头方向循环，形成封闭的物流系统。各站均有随行夹具板的阻挡、定位机构、使各板能准确地停留在各站的固定位置。这种物流形式要求各块随行夹具板问的精度一致性较高。动力系统动力系统是机器人生产线必不可少的一个组成部分，它驱动各种装置相机构运动，实现预定的动作。动力系统可以分成3种类型，即电动、液动相气动。在一条生产线中既可以单独使用、也可以混合使用。一般地说，各个工作站的动力系统是相对独立的，物流系统的动力也应该是相对独立的，这种配置方式便于各站的单独调试和维护。如果使用被动或气动，每个工作站应当单独设立液压站或气源系统，构成自身的动力体系。液动多用于工件较重或需大驱动力的场合；气动常用于中小型工件或需驱动力较小的场合；电动则用于要求连续运动、速度变化频繁、停留位置多且要求准确或行程较大，用液压缸或气缸较为困难的场合。控制系统控制系统是机器人生产线的神经中枢，它接收外部信息，经过处理后发出指令，指导各职能部门按照规定的要求协调作业，生产出合格的产品。控制系统的规模应符合生产线自动化程度的要求。一般生产线的控制系统可以分为3层，即生产线一子生产线一工作站，并构成相互关联的信息网络。辅助设备及安全装置机器人生产线还有其他一些辅助的构成部分也是必不可少的，甚至是至关重要的。有些作业内容需要成套的外购设备作为工作站中独立的一部分，一条线上会有若干个不同用途的这种设备。例如加工机床、焊机、喷徐装置、测量装置等，它们的合理选型及性能将直接影响机器人生产线的运行质量。安全装置是机器人生产线中最为重要的组成部分，它直接关系到人身和设备的安全以及生产线的正常工作。虽然它在生产线中的排列比较分散，但应该作为一个整体加以对待。对每个与运动关联的区域都应给予分析，确定是否加设安全装置。常见的区域有：操作人员有可能出入或工件进出口的区域，不允许机器人到达的区域，快速运动设备或机构的外围栅栏，操作者与作业区的分隔和有害物质的防护等。报警系统应监视上述区域和有关设备的正常运行。机器人生产线的设计原则对于机器人生产线设计来说，除了满足机器人工作站的设计原则外，还应遵循以下10项原则：1）各工作站必须具有相同或相近的生产周期；2）工作站间应有缓冲存储区，3）物流系统必须顺畅，避免交叉或回流；4）生产线要具有混流生产的能力，5）生产线要留有再改造的余地；6）夹具体要有一致的精度要求；7）各工作站的控制系统必须兼容8）生产线布局合理占地面积力求最小，9）安全监控系统合理可靠；10）对于最关键的工作站或生产设备应有必要的替代储备。不满足时采取的措施：1）分散作业内容；2）重叠设置工作站3）拼合工序；工作站间缓冲存储区(库)物流系统物流系统是机器人生产线的大动脉，它的传输性、合理性和可靠性是维持生产线畅通无阻的基本条件。生产线混线生产能力机器人生产线是一项投资大、使用周期长、效益长久的实际工程。决策时要根据自身的发展计划和产品的前景预测做认真的研究，要使投入的生产线最大限度地满足品种和产品改型的要求。这就必然提出一个问题，即生产线具有混流生产的能力。所谓混流生户：就足在同一条生产线上，能够完成同类工件多型号多品种的生产作业，或只需做简单的设备备件变换和调整，就能迅速适应新型号工件的生产。这是机器人生产线设计的一项重要原则，也是难度较大和技术水平要求较高的一部分内容。它是衡量机器人生产线水平的一项重要指标，混流能力越强，则生产线的价值、使用效率及寿命就越高。混流生产的基个要求是工件夹具共用或可交换、末端执行器通用或可更换