工业机器人工装系统设计 课件 项目1、2 工业机器人工作站工装系统概述、机床上下料工作站工装设计

工业机器人工装系统设计工业机器人的应用与普及是实现自动化生产、提高社会效率、推动生产力发展的有效手段。机器人在进行某项作业时，必须在机器人手腕的端部安装末端执行器（俗称手爪）来完成作业任务，而对于一些工作任务来说，仅仅具有末端执行器是不够的，还需要与其配合的附件，包括像手爪弹性装置等辅助机构、工件夹紧装置等，这些都可统称为机器人工装。机器人工装系统对于扩展机器人的作业功能、应用范围和提高工作效率都有影响。项目1工业机器人工作站工装系统概述

学习目标知识目标了解机器人工作站工装系统的内容。掌握工件定位的原理及方式。掌握工件夹紧的形式及夹紧力的确定。掌握工装系统的设计步骤。掌握工装系统的功能要求。能力目标能够运用6点定位规则对工件进行正确定位。能够对不同工件进行正确的夹紧方案制订。能够运用工装系统的设计步骤进行工件的工装系统设计分析。学习内容

在现代工业领域中，机器人越来越多的被运用于各行各业。机器人工作站或生产线自动化加工，离不开末端执行器的充分应用。要满足机器人的自动化生产，除需要末端执行器外，还要有相应的附件等协同工作，即工业机器人工装系统。本任务是认识机器人工装系统，明确工件定位的定位原理及方式、夹紧的原理及夹紧力的确定。任务1工装系统基本知识

对于制造行业，工装是工艺装备的简称。工艺装备就是将零组件加工至设计图样要求所要具备的基本加工条件和手段。工艺装备包含加工设备、夹具、检具、辅具和刀具等，是制造过程中所用的各种工具的总称。1.1.1初识工装系统

机器人夹持作业机器人焊接作业工装设计在传统产品开发流程中位置机器人工装设计在自动化流程中的位置1.6点定位规则1.1.2工件的定位

长方体定位时支承点的分布示例2.工件的定位形式完全定位不完全定位欠定位过定位3.定位副当工件以回转面（圆柱面、圆锥面、球面）与定位元件接触（或配合）时，工件上的回转面称为定位基准，其轴线称为定位基准。如图所示，工件以圆孔在心轴上定位，工件的内孔面称为定位基面，它的轴线称为定位基准。与此对应，心轴的圆柱面称为限位基面，心轴的轴线称为限位基准。1.1.3工件的夹紧夹紧是工件装夹过程中的重要组成部分。工件定位以后，必须通过一定的机构产生夹紧力把它固定，使工件保持准确的定位位置，以保证在加工、运送过程中不产生位移或振动。这种产生夹紧力的机构称为夹紧装置。夹紧装置的结构形式很多，但一般都由力源装置和夹紧机构两大部分组成。1.力源装置力源装置产生夹紧力，夹紧力来源于机械或电力的，则该力源装置称为夹具的动力装置。常见的有气压装置、液压装置、电动装置等。而力源来源于人力的，则称为手动夹紧装置。2.夹紧机构在工件夹紧过程中，将力源装置产生的夹紧力作用在工件上的机构称为夹紧机构。一般夹紧机构又包括中间力的传递机构和夹紧元件两个部分。（1）中间传力机构中间传力机构将力源装置产生的夹紧力传递给夹紧元件，以便对工件实施夹紧。根据需要，中间传力机构可以改变夹紧作用力的大小和方向，并具有一定的自锁性能。（2）夹紧元件夹紧元件是夹紧装置的最终执行元件，和工件直接接触而完成夹紧作用。1.1.4夹紧力的确定在进行夹紧机构设计时，首先要确定夹紧力的作用方向、作用点和作用力的大小等3个因素。在进行这项工作时，应充分分析工件的结构特点、加工要求以及外力作用在工件上的情况。同时，还应分析夹具定位装置的结构形式和布置方式等。FK=K×F

式中，FK——实际需要的夹紧力；F——由静力平衡计算出的夹紧力；K——安全系数，根据工艺系统和工况确定。工装系统要满足产品的自动化生产需求，要充分收集信息资料，遵循一定的步骤进行工装设计，本任务是熟悉工装设计的一般步骤，并掌握工装系统的功能需求，这是在设计中要满足的条件。在这个基础上，熟悉机器人手爪的研究内容，熟悉研究的发展方向及新产品及新技术应用。任务2工装系统设计概要

在工装系统的设计过程中，必须充分地收集设计资料，明确设计任务，优选设计方案。在整个设计过程中，大体可分下列几个阶段进行。1.设计准备这一阶段主要是收集原始资料，并根据设计任务对资料进行分析。2.整体设计工装夹具的整体设计阶段包括从拟订结构方案，绘制草图，必要的分析计算，到总装配图设计的全部过程。3.零件设计工装夹具中的非标准零件要分别绘制零件图。零件图要表达出实际零件的全部结构、标注出全部尺寸、表面粗糙度、尺寸和形位公差、材料及热处理和技术要求。1.2.1工装系统设计步骤

机器人在完成作业的过程中，为保证作业的可靠性，工装系统要满足自动化的需求，相比传统的工装夹具，其功能要求要有所提高，具体如下：1满足运动范围要求2满足定位要求（1）工件以平面定位（2）工件以孔定位（3）工件以外圆表面定位3满足工件位置检测要求4满足工件清洁要求5安全要求1.2.2工装系统功能要求

机器人手爪分为拟人和非拟人两种，其中，拟人的多指灵巧手是通用手爪的一个重要的研究方向。人类与动物相比，除了拥有理性的思维、准确的语言表达外，还拥有一双灵巧的双手。人手是经过世世代代劳动的演变进化而成，结构小巧紧凑，抓取操作灵活稳定，给人类创造了巨大的财富。让机器人也拥有一双灵巧的“手”成了许多科研人员的梦想。1.手爪驱动和传动系统（1）腱传动方式（2）连杆传动方式（3）其他传动方式（4）人工肌肉的驱动方式（5）欠驱动方式1.2.3机器人手爪研究内容

2.手爪智能感知系统（1）传感器的研制传感器是空间机器人手爪获取内部和外部环境信息的主要手段，丰富的感知是提高机器人作业水平和自主能力的必要条件。研究内容包括传感器的选择与配置，新型传感器设计，多传感器集成和信息融合。手爪上配置的传感器包括力觉和视觉传感器，另外还有接近觉传感器，距离传感器等。视觉和力觉是空间机器人手爪最重要的信息。（2）信息融合和处理如今，智能机器人在发展中面临的一个重要问题是所处的非结构化环境以及自身模型的不精确性所带来的不确定性。解决这种不确定性的关键就是要发展智能传感系统。同时，增强机器人在复杂环境下的感知能力也是提高机器人自主能力和适应性的主要方法。而对传感信息的处理是实现机器人自主功能中最为重要的条件之一。3.抓取控制和决策系统（1）抓取稳定性研究研究机器人手爪多指抓取的目的是通过探索人类的抓取机理，最终开发出一种能够抓取任意形状物体，操作和使用工具，完成多种抓取任务，模拟人手抓取行为的拟人手。（2）规划和决策系统自主抓取规划是手爪根据各种传感器的信息，不需要和主机进行通信，自主进行规划和决策。（3）抓取控制阻抗控制、力控制和阻尼控制、位置控制等。1.小型化，集成化技术的发展2.仿生技术的发展3.主动信息获取技术的发展4.其他方面1.2.4工装系统发展趋势

工业机器人工装系统设计机床上下料工作站是在自动化生产线上常被应用的模块，它主要包含了工业机器人系统、数控机床系统、逻辑编程控制系统、输送线、在线检测单元、仓储单元等部分构成。实际工厂生产会根据自动化生产线的需求进行各个模块的安排和组合，实现自动化生产的功能性、连续性、稳定性等特点。机床上下料工作站工装系统主要是实现零件抓取的手爪及满足定位需求的辅助机构。学习目标知识目标熟悉机床上下料工作站的类型。掌握机床上下料工作站的结构。掌握轴盘类零件末端执行器的设计。掌握零件自动化方案的整体设计。能力目标能够对轴盘类零件的末端执行器进行设计。能够对零件的自动化方案进行设计。能够进行工装系统的相关设计。学习内容工业机器人机床上下料工作站主要是进行工件加工、检测、运输等内容。工件的上下料主要是通过工业机器人来完成，而数控机床则主要进行工件的加工，物料输送线则主要进行工件的输送，然后加工完毕的成品或者半成品都会通过定位检测装置进行零件合格率的检测验证。通常合格的零部件或产品则会输送到仓库进行编码储存，而不合格的产品则通常会直接放入废品区。本任务以工业机器人机床上下料工作站为例，介绍工业机器人机床上下料的不同类型、结构及特点，通过本任务的学习，使读者熟悉和了解系统的基本结构。任务1机床上下料工作站基本知识

对于特别复杂的零件，往往需要多个工序的加工，甚至还要增加一些检测、清洗、试漏、压装和去毛刺等辅助工序，还有可能和锻造、齿轮加工、旋压、热处理和磨削等工序的设备连接起来，就需要组成一个完成复杂零件全部加工内容的自动化生产线。因为自动化生产线会有不同种类的设备，所以通过桁架式的机械手、关节机器人和自动物流等自动化方式组合起来，从而实现从毛坯进去一直到成品工件出来的全自动化加工。2.1.1机床上下料工作站应用

1.桁架式机械手1Z轴组件2X轴组件

3Y轴组件

4立柱5手爪2.关节式机器人主要的组成部分包括工业机器人、数控机床、工件或夹具手爪、外围设备及系统控制器等。2.1.2机床上下料工作站结构

数控机床在实际生产中具有下列优点：（1）具有高度的柔性；（2）加工精度高；（3）加工质量稳定，可靠；（4）生产效率高；（5）能够改善工人的工作条件；（6）能够实现现代化的系统集成等。数控机床机器人末端执行器在机床上下料工作站当中，加工件通常可能是柱状或者平板状，因此通常末端执行器可能会采用气动机械式的结构进行设计，然后安装到工业机器人的末端位置。电气控制柜在工业系统组态的过程中，可以通过逻辑控制器（PLC）来作为系统的大脑，进行整体的系统化组态与通信。电气控制柜中，通常包含了电源、断路器、中间继电器、交流接触器、逻辑控制器、通信模块、模拟量模块、变压器等。上下料输送线上下料输送线在机床上下料工作站当中的功能是将载有待加工的工件的托盘运输到上料工位。工业机器人将托盘中的物料通过末端执行器搬运到数控机床上进行加工。最终加工检测合格后的工件再放到物料输送带上输送到仓储区域进行编码存储。由此可见，在生产线的基本结构当中，输送带扮演着不可或缺的角色。橡胶带输送机网带输送机三坐标检测仪三坐标检测是运用三坐标测量机对工件进行形位公差的检验和测量，判断该工件的误差是不是在公差范围之内，也称为三坐标测量。随着现代汽车工业和航空航天事业以及机械加工业的突飞猛进，三坐标检测已经成为常规的检测手段。行走轴直线模组发展至今，已经被广泛应用到各种各样的设备当中。为我国的设备制造发展贡献了不可缺少的功劳，减少对外成套设备进口的依赖，为热衷于设备研发和制造的工程师带来了更多的机会。直线模组已普遍运用于测量、激光焊接、激光切割、数控机床、雕刻机、移载机、分类机、试验机及适用教育等场所。直线弧线复合式行走轴工装系统要满足产品的自动化生产需求，要充分收集信息资料，遵循一定的步骤进行工装设计，本任务是熟悉工装设计的一般步骤，并掌握工装系统的功能需求，这是在设计中要满足的条件。在这个基础上，熟悉机器人手爪的研究内容，熟悉研究的发展方向及新产品及新技术应用。任务2活塞零件末端执行器设计

在工装系统的设计过程中，必须充分地收集设计资料，明确设计任务，优选设计方案。在整个设计过程中，大体可分下列几个阶段进行。1零件信息加工工件类型为发动机活塞，工件重量为0.5kg-3kg，工件尺寸为直径90mm-110mm，高度90mm-110mm。2.2.1活塞零件自动化方案

2零件工艺方案3整体方案设计机器人针对机床上下料行业的应用项目主要由机器人系统、机器人末端抓具、上下料道结构设计（包含上料道的工件精定位装置设计）、及机器人外围安全防护设备等组成。根据客户现场需求的不同，机器人服务机床上下料的形式有机器人对应单台机床上下料、机器人对应2台机床上下料或机器人对应3台或多台机床上下料的作业等。在这个项目中，该系统包含机器人4套、手爪4套、上料道1套、中间料道3套、视觉系统1套、全围栏1套、系统集成等设备。在完成机器人作业的过程中，为保证作业可靠性，工装系统应满足自动化的需要。相比于传统的工装夹具，本任务对工装系统功能的要求更高，具体如下。1.结构方案设计手爪抓取的工件质量m=20kg，从手抓上顶边到工件几何中心的距离L=200mm，重力加速度g=9.81m/s2，机器人手爪运动时的加速度a=5m/s2，机器人手爪夹持面与工件之间的摩擦系数为μ，夹持工件时的安全系数通常取S=2，机器人手爪夹持工件时所需夹紧力为F（N）。2.2.2活塞零件末端执行器设计

2.几种夹持形式（1）只考虑摩擦系数作用（2）使用对应抓取物品形状的手爪（3）使用菱形手爪抓取物品两指手爪

三指手爪2.3.1冲压自动化工作站在钣金件制造生产过程中，自动冲压线作为主要的生产设备，对生产质量与效率有着重要的影响，机器人就是在该生产过程中发挥着重要作用。机器人冲压自动化生产线的出现是行业发展的趋势，也是制造企业的实际需求，如图2-18所示。机器人冲压自动化生产线相比于传统的生产线在安全、质量、效率、可靠性等方面具有极大的优势，而且为制造行业的生产自动化、智能化与现代化等方面发挥着重要作用。任务3机床上下料工作站其他应用

1.结构机器人冲压自动化生产线在实际应用中主要是由机器人、电控系统、安全防护系统、板料清洗机等构成。2.冲压机器人冲压机器人在应用中不但能够满足基本的荷载要求，还能在运行过程中确保运行的准确性与可靠性。3.拆垛系统（1）专用拆垛机专用拆垛机在实际应用中主要是在可以移动的升降机上放置垛料，而且在光电传感器与液压系统的应用下，对垛料进行控制。（2）机器人+拆垛小车机器人组合拆垛小车在运行中具有良好的效果，主要体现在，在可以移动的拆垛小车上将垛料进行放置，而且在对机器人的吸料高度进行自动识别时能对拆垛进行有效控制。（3）桁架式机械手+拆垛小车桁架式机械手+拆垛小车在实际应用中，也能在可以移动的拆垛上对垛料进行堆放，而且对机械手吸料的高度需要在板料的厚度基础上进行计算。在拆垛小车上将磁力分张器支架进行安装，而且在对垛料进行调节时是在多个自由旋转的可移动支架基础上完成的。在真空吸盘与双料检测传感器的应用下进行拆垛，并将垛料拆为单张板料，传输需要在可伸缩过渡皮带上完成。4.可伸缩皮带机在完成对单张板料的传输之后，可伸缩皮带机还能为清洗机提供移动速度。在皮带机的设计中，一般是由变频对皮带机的速度进行控制，这样就能确保涂油机由与清洗机保持同步运行。当清洗机在离线状态下，皮带的长度能够对离线时的空间进行填补。5.板料清洗机这些年在人们生活品质不断提升的背景下，对机械工程行业提出更高的要求，这就使得制造行业对零件表面的质量制造质量、美观性的要求更高。目前在对冲压成形以前，对覆盖板料进行清洗时大多数制造厂采用的标准工艺。板料清洗一般可以分为在线与离线两种状态。板料清洗机6板料涂油机板料涂油机主要由油雾收集单元、喷枪单元、输送单元等组成。在板料输送机的带动下，板材从喷嘴中通过。喷嘴在开启时，需要按照电气控制系统的工艺需求进行开启，并进行油雾的喷射作