智能制造生產(chǎn)線技術(shù)及應(yīng)用 教案 4-1 工業(yè)機器人產(chǎn)線集成概述

XXXXX學(xué)院單元教學(xué)設(shè)計XXXX—XXX學(xué)年第X學(xué)期課程名稱：授課班級：任課教師：所在系部及教研室：

本單元標題工業(yè)機器人產(chǎn)線集成概述教學(xué)目的讓學(xué)生了解工業(yè)機器人產(chǎn)線構(gòu)成，為后續(xù)產(chǎn)線的學(xué)習打下基礎(chǔ)。教學(xué)目標能力（技能）目標知識目標（1）能正確區(qū)分工業(yè)機器人各組成部分。（2）能正確說明現(xiàn)代工業(yè)機器人集成產(chǎn)線組成部分。（1）掌握工業(yè)機器人應(yīng)用分類。（2）掌握工業(yè)機器人系統(tǒng)的基本組成。（3）掌握工業(yè)機器人集成產(chǎn)線組成。重點難點及解決方法重難點：解決方法：參考資料[1]汪勵,陳小艷.工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)集成[M].機械工業(yè)出版社,2014.[2]李志謙.精通FANUC機器人編程、維護與外圍集成[M].機械工業(yè)出版社,2020[3]陳曉明,霍永紅,項萬明.工業(yè)機器人應(yīng)用編程(FANUC)初級[M].機械工業(yè)出版社,2022.[4]王哲祿,何紅軍.工工業(yè)機器人應(yīng)用編程與集成技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2022.[5]廖常初.S7-1200PLC應(yīng)用教程[M].機械工業(yè)出版社,2020.[6]鄉(xiāng)碧云.自動化生產(chǎn)線組建與調(diào)試(第2版)—以亞龍YL-335B為例（三菱PLC版本）[M].機械工業(yè)出版社,2023.單元教學(xué)設(shè)計第一部分：復(fù)習上次課主要內(nèi)容第二部分：新課導(dǎo)入及學(xué)習新內(nèi)容（時間：45分鐘理論）【步驟一】新課導(dǎo)入引導(dǎo)問題什么是機器人？在生活中你都見過哪些機器人？所見過的機器人中都包含有哪些典型結(jié)構(gòu)？請同學(xué)根據(jù)所學(xué)所識積極思考，踴躍發(fā)言【步驟二】新知識的講授一、工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域（簡單介紹）（一）碼垛應(yīng)用在各類工廠的碼垛方面，自動化極高的機器人被廣泛應(yīng)用，人工碼垛工作強度大，耗費人力，員工不僅需要承受巨大的壓力，而且工作效率低。搬運機器人能夠根據(jù)搬運物件的特點，以及搬運物件所歸類的地方，在保持其形狀的和物件的性質(zhì)不變的基礎(chǔ)上，進行高效的分類搬運，使得裝箱設(shè)備每小時能夠完成數(shù)百塊的碼垛任務(wù)。在生產(chǎn)線上下料、集裝箱的搬運等方面發(fā)揮及其重要的作用。（二）焊接應(yīng)用焊接機器人主要承擔焊接工作，不同的工業(yè)類型有著不同的工業(yè)需求，所以常見的焊接機器人有點焊機器人、弧焊機器人、激光機器人等。汽車制造行業(yè)是焊接機器人應(yīng)用最廣泛的行業(yè)，在焊接難度、焊接數(shù)量、焊接質(zhì)量等方面就有著人工焊接無法比擬的優(yōu)勢。、（三）裝配應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，零件的裝配是一件工程量極大的工作，需要大量的勞動力，曾經(jīng)的人力裝配因為出錯率高，效率低而逐漸被工業(yè)機器人代替。裝配機器人的研發(fā)，結(jié)合了多種技術(shù)，包括通訊技術(shù)、自動控制、光學(xué)原理、微電子技術(shù)等。研發(fā)人員根據(jù)裝配流程，編寫合適的程序，應(yīng)用于具體的裝配工作。裝配機器人的最大特點，就是安裝精度高、靈活性大、耐用程度高。因為裝配工作復(fù)雜精細，所以我們選用裝配機器人來進行電子零件，汽車精細部件的安裝。（四）其他應(yīng)用機器人具有多維度的附加功能。它能夠代替工作人員在特殊崗位上的工作，比如在高危領(lǐng)域如核污染區(qū)域、有毒區(qū)域、核污染區(qū)域、高危未知區(qū)域進行探測。還有人類無法具體到達的地方，如病人患病部位的探測、工業(yè)瑕疵的探測、在地震救災(zāi)現(xiàn)場的生命探測等均有建樹。2、PMC原理結(jié)構(gòu)二、工業(yè)機器人基本組成（一）機械部分工業(yè)機器人的組成機械部分是工業(yè)機器人的“血肉"組成部分，也就是我們常說的工業(yè)機器人本體部分。這部分主要可以分為兩個系統(tǒng)。1、驅(qū)動系統(tǒng)。要使機器人運行起來，需要各個關(guān)節(jié)安裝傳感裝置和傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng)。它的作用是提供機器人各部分、各關(guān)節(jié)動作的原動力。驅(qū)動系統(tǒng)傳動部分可以是液壓傳動系統(tǒng)、電動傳動系統(tǒng)、氣動傳動系統(tǒng)，或者是幾種系統(tǒng)結(jié)合起來的綜合傳動系統(tǒng)。2、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由基座、臂部、手腕和手部四大部分構(gòu)成，每個部分具有若干的自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。末端操作器是直接安裝在手腕上的一個重要部件，也稱末端執(zhí)行器，它可以是多手指的手爪，也可以是噴漆槍或者焊具等作業(yè)工具。臂部是工業(yè)機器人的主要執(zhí)行部件。手臂連接手部和基座，用來改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置。在工作中直接承受腕、手和工件的靜、動載荷，自身運動又較多，故受力復(fù)雜。根據(jù)手臂的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導(dǎo)向裝置的不同可分為：伸縮型臂部、轉(zhuǎn)動伸縮型臂部、屈伸型臂部結(jié)構(gòu)，以及其他專用的機械傳動臂部結(jié)構(gòu)。工業(yè)機器人的基座是整個機器人的支持部分，用于機器人的安裝和固定，也是工業(yè)機器人的電線電纜、氣管油管的輸入連接部位。固定式機器人的基座一般固定在地面上，移動式機器人的基座安裝在移動機構(gòu)上，常見的工業(yè)機器人為固定式。工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖4-5所示。（二）感知部分感受部分就好比人類的五官，為工業(yè)機器人工作提供感覺，使工業(yè)機器人工作過程更加精確。系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用于獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。其中，內(nèi)部傳感器通常用來確定機器人在其自身坐標系內(nèi)的姿態(tài)位置，是完成移動機器人運動所必需的那些傳感器，包括陀螺儀、旋轉(zhuǎn)編碼器等。外傳感器用于機器人本身相對其周圍環(huán)境的定位，負責檢測距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機器人的引導(dǎo)及物體的識別和處理。按照機器人作業(yè)的內(nèi)容，傳感器通常安裝在機器人的頭部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化水平。對于一些特殊的信息，傳感器的靈敏度甚至可以超越人類的感知系統(tǒng)。（三）控制部分控制部分相當于工業(yè)機器人的大腦，可以直接或者通過人工對工業(yè)機器人的動作進行控制?？刂葡到y(tǒng)主要是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)完成規(guī)定的運動和功能。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)可以分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)三種。根據(jù)運動形式，控制系統(tǒng)可以分為點動控制系統(tǒng)和軌跡控制系統(tǒng)兩大類。三、工業(yè)機器人集成產(chǎn)線組成工業(yè)機器人集成產(chǎn)線又稱為工業(yè)機器人工作站，是指使用一臺或多臺機器人，配以相應(yīng)的周邊設(shè)備，用于完成某一特定工序作業(yè)的獨立產(chǎn)線系統(tǒng)。它主要由工業(yè)機器人本體、末端執(zhí)行器、控制柜和周邊設(shè)備等組成。工業(yè)機器人本體已在上節(jié)中進行說明，本節(jié)不再贅述?？刂乒瘛C器人的控制柜集成的是機器人的電氣控制系統(tǒng)，它是機器人的“大腦"和“心臟”，指揮著機器人的運行。機器人的控制柜一般包含以下功能：（一）機器人的1/0接口：機器人本體的運行信息和機器人與外圍設(shè)備連接的端口，（二）控制系統(tǒng)：機器人的操作系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)集成在控制柜內(nèi)，機器人的動作記憶、示教、坐標標定、故障診斷等都由控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)和處理；（三）安全保護：包括信號傳人的短路保護和電壓保護，控制柜設(shè)有多路的熔斷機制。目前，可編程邏輯控制器（PLC）和觸摸屏等作為常用的工業(yè)控制和人機界面設(shè)備，常被用作構(gòu)建機器人工作站的操作和控制系統(tǒng)。末端執(zhí)行器等輔助設(shè)備及其他周邊設(shè)備隨應(yīng)用場合和工件特點的不同存在較大差異。例如，焊接機器人工作站的外圍系統(tǒng)包括焊槍、焊機、變位機和清槍機構(gòu)等，如下圖所示；搬運機器人工作站的外圍系統(tǒng)包括真空吸盤、貨架和輸送料裝置等，如圖4-7所示。工業(yè)機器人工作站的常見周邊設(shè)備有供料、送料設(shè)備，搬運、安裝部分，機器視覺系統(tǒng)，控制與操作部分，倉儲系統(tǒng)，專用機器以及現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)等。（一）供料、送料設(shè)備供料、送料設(shè)備一般是指傳送帶、儲料箱、貨盤和供料機等為機器人工作站供應(yīng)、傳送物料的設(shè)備。傳送帶是最常見的供料設(shè)備之一，分為滾輪傳送和帶傳送兩種。其中，滾輪傳送一般在包裝箱等傳送的場合使用，可傳送重量比較大的物體、傳送速度較快；帶傳送一般在貨盤、小盒子等傳送的場合使用，可傳送不能振動的物品和容易翻倒物品。（二）搬運、安裝部分對于機器人工作站的不同作業(yè)對象，需要相應(yīng)的機器人抓手。因此，抓手的選擇在很大程度上體現(xiàn)了工業(yè)機器人的功能，反映了機器人工作站的主要工作任務(wù)。抓手的種類多種多樣，在某些場合，為了提高工業(yè)機器人的利用效率，根據(jù)需要，也可選用復(fù)合抓手。許多工業(yè)機器人安裝了導(dǎo)軌，可增加機器人的作業(yè)空間，或在機器人作業(yè)區(qū)內(nèi)移動工件，如對多臺設(shè)備或輔助工裝、從貨盤架中進行貨品組合作業(yè)以及在大型部件上作業(yè)等。多線性滑軌的控制裝置是作為附加耦合軸集成到機器人控制系統(tǒng)中的，這樣就無需其他控制裝置了。（三）機器視覺系統(tǒng)的功能是用機器代替人眼來做測量和判斷。通過機器視覺系統(tǒng)，產(chǎn)品將被攝取并轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。機器視覺系統(tǒng)的特點是可提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合人工作業(yè)的危險工作環(huán)境中，常用機器視覺來替代人工視覺在生產(chǎn)線上對產(chǎn)品進行測量、引導(dǎo)、檢測和識別，并能保質(zhì)保量地完成生產(chǎn)任務(wù)。（四）倉儲系統(tǒng)比較常見的倉儲系統(tǒng)是自動化立體倉庫。利用立體倉庫設(shè)備可實現(xiàn)倉庫高層貨物管理合理化、存取自動化以及操作簡便化。自動化立體倉庫是當前技術(shù)水平較高的形式。它的主體由貨架、巷道式堆垛起重機、人（出）庫工作臺、自動運進（出）及操作控制系統(tǒng)組成。貨架是鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物或結(jié)構(gòu)體，貨架內(nèi)是標準尺寸的貨位空間。巷道式堆垛起重機穿行于貨架之間的巷道中，完成存、取貨的工作。管理上常采用計算機及條形碼、磁條、光學(xué)字符或射頻等識別技術(shù)。（五）現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)4.0離不開現(xiàn)場總線和人工智能（Al），現(xiàn)場總線把工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行器等的信息用一組通信線進行集成并進行數(shù)字通信，現(xiàn)場設(shè)備之間可以方便地進行數(shù)據(jù)交換，讓整個控制系統(tǒng)更加可靠?，F(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享，現(xiàn)場總線體現(xiàn)了分布、開放、互聯(lián)、高可靠性的特點。與DCS（集散控制系統(tǒng)）相比，DCS通常是一對一單獨傳送信號，其所采用的模擬信號精度低，易受干擾，而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）則采取一對多雙向傳輸信號，采用的數(shù)字信號精度高、可靠性強，設(shè)備始終處于操作員的遠程監(jiān)控狀態(tài)，智能儀表具有通信、控制和運算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個智能儀表中，控制風險得到降低?，F(xiàn)場總線是工業(yè)以太網(wǎng)的一部分，工業(yè)以太網(wǎng)把現(xiàn)場設(shè)備用工業(yè)交換機連接在一起，相互高速通信。當前的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議并沒有形成統(tǒng)一的標準。Lonworks現(xiàn)場總線、CAN總線、Profibus現(xiàn)場總線、DeviceNet現(xiàn)場總線、ControlNet現(xiàn)場總線是主流的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線。當前的工業(yè)機器人控制柜都集成了不同協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)接口，與外界設(shè)備的通信連接在同一個局域網(wǎng)中完成，非常方便。四、工業(yè)機器人參數(shù)（技術(shù)指標）機器人的技術(shù)參數(shù)反映了機器人的工作能力。企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)置不同集成產(chǎn)線，對照不同品牌的機器人進行對比選擇，因此學(xué)會看機器人的技術(shù)參數(shù)是技術(shù)人員的一項基本技能。機器人的技術(shù)指標一般有自由度、承重量、工作精度、最大運轉(zhuǎn)速度等。表4-1是FANUC機器人M-20iA的技術(shù)參數(shù)表。機器人的手腕部最大負載重量是第六軸法蘭可以帶的負載或工具的重量，一般此參數(shù)越大，機器人越貴。表中所列動作范圍和最大速度是“軟”性的，可以通過示教器更改指定值，但要符合機器人安全工作范圍。表4-1FANUC機器人M-20iA的技術(shù)參數(shù)表型號M-20iA機構(gòu)多關(guān)節(jié)型機器人控制軸數(shù)6軸（J1,J2,J3,J4,J5,J6）可達半徑1811mm安裝方式地面安裝、傾斜安裝、倒吊安裝動作范圍（最高速度）J1340o/370o(190o/s)J2260o(175o/s)J3458o(180o/s)J4400o(360o/s)J5360o(360o/s)J6900o(550o/s)手腕部最高運動速度2000mm/s手腕部最大負載20kgJ3手臂部最大負載12kg手腕允許負載轉(zhuǎn)矩J444NmJ544NmJ622Nm手腕允許負載慣量J41.04kgm2J51.04kgm2J60.28kgm2驅(qū)動方式交流伺服電機驅(qū)動重復(fù)定位精度±0.08mm機器人質(zhì)量250kg輸入電源功率3kVA（1kW）安裝條件環(huán)境溫度：0-45℃；環(huán)境濕度：通常在75%RH一下（無結(jié)露現(xiàn)象）；振動加速度：4.9m/s2（0.5G）