工业机器人工装系统设计 课件 项目3、4 码垛工作站工装设计、焊接工作站工装设计

工业机器人工装系统设计码垛在工业生产现场十分常见，主要应用于物流、化肥、食品加工等批量生产行业。码垛机器人工作站是一种集成化系统，可与生产系统相连接形成一个完整的集成化码垛生产线。码垛机器人完成一项码垛任务，除需要码垛机器人（机器人和码垛设备）外，还需要一些辅助外围设备。同时，合理的工位布局对于工作站的实际应用也尤为重要。学习目标知识目标熟悉码垛工作站的类型。掌握码垛工作站的结构。掌握箱体零件码垛工作站的整体设计。掌握末端执行器、产品输送线的设计。能力目标能够对零件码垛方案进行整体设计。能够对零件的末端执行器行设计。能够对产品输送线进行设计。学习内容在当前工业机器人的应用中，搬运、码垛是最大的应用领域。工业机器人码垛工作站，即以工业机器人为核心装备，配以工装系统，遂行码垛作业。码垛作业的特点是物料相对单一、重复性大、属于生产流程的一部分，在进行码垛工作站工装系统设计时，要充分考察码垛工作站的特点，进行科学设计。本任务即通过认识码垛工作站，熟悉其工作特点，找到共性的工装设备，逐项设计，最后完成码垛工作站的工装系统设计，主要包括码垛工作站的布局、末端执行器、输送线设计及相关计算等。任务1码垛工作站基本知识

1.码垛工作站整体认识1．码垛机器人的码垛能力高；2．结构简单，故障率低，易于保养及维修；3．主要构成零配件少，维持费用很低；4．电源消耗低。5．工业机器人可以设置在狭窄的空间，场地使用效率高，应用灵活，码垛机器人形式如图3-1所示。6．全部操作可在控制柜屏幕上手触式完成，操作非常简单。7．一台工业机器人可以同时处理多条生产线的不同产品。产品更新时，只须输入新数据，重新计算后即可进行运行，不需要硬件、设备上的改造与设置。8.垛型及码垛层数可任意设置，垛型整齐，方便储存及运输。3.1.1码垛工作站应用

2.码垛工作站的分类工业机器人码垛的工作内容基本一致，主要是应用行业的分类，不同的应用行业，物料的属性不同，表现为机器人负载大小、工装夹具的设计形式、安全环保的要求不同。饲料/化肥行业食品/药品/烟草行业码垛工作站包括码垛机器人系统、末端执行系统及码垛外围系统。（1）码垛机器人系统3.1.2码垛工作站结构

1：机器人控制柜

2：示教器

3：气体发生装置

4：真空发生装置

5：机器人本体

6：夹板式手爪

7：底座（2）末端执行器（末端工具）吸附式手爪抓取式手爪组合式手爪3.码垛工作站外围设备传送带是自动化码垛生产线上必不可少的一个环节，针对不同的条件，可以选择多种形式的传送带。4.码垛工位布局（1）全面式码垛（2）集中式码垛对箱体类零件进行码垛，是码垛机器人工作站应用较广泛的一种。码垛机器人把垛A拆垛后，用吸盘将工件放到物料输送装置上，由物料输送装置将工件输送到靠近垛B的一端，再由码垛机器人堆垛成垛B；垛B堆好后，再用相同的办法，把垛B拆垛，堆垛成垛A。任务2箱体码垛工作站设计

3.2.1方案布局

码垛工作站布局效果图码垛工作站工作流程：⑴按启动按钮，系统运行，机器人启动。⑵码垛机把垛A拆垛，用吸盘将工件搬运至物料输送装置上。⑶物料输送装置将工件输送到靠近垛B的一端。⑷B侧精确定位装置对工件进行定位，定位完成后，向机器人发送定位完成信号。⑸机器人收到信号后将工件搬运至垛B区进行码垛。⑹码垛完成后机器人返回垛A区进行下次拆垛直到垛A拆完为止；⑺当垛A拆垛完成后，系统停止运行并报警提示“垛A拆垛完成”；⑻在触摸屏上，单击“码垛方向”按钮，系统用相同的方法法，把垛B拆垛，堆垛成垛A。机器人机械系统是指机械本体结构，本任务中选择埃夫特ER20-C10机器人，机械本体由底座部分、大臂、小臂部分、手腕部件和本体管线包部分组成，共有6个电动机可以驱动6个关节的运动实现不同的运动形式。3.2.2码垛机器人机械系统

机器人工作空间1.末端执行器选型机器人末端执行器也就是常说的“手爪”，本设计采用真空吸盘机构，通过电磁阀控制真空发生器抽真空，吸取上表面平整零件。这个机构由坚固的铝材制作，采用了NBR海绵密封胶条，使接触端贴面可承受横向力并对机器人抓取起到缓冲作用。3.2.3末端执行器设计

海绵吸盘手爪这个机构对抓取的工件具有极高的安全可靠性保障，具体体现在：①NBR海绵层可以缓解吸盘与工件接触瞬间产生的冲击并保证吸盘机构的密封；②若系统突然断电或者紧急停止时，恰好机器人已抓取工件，这个末端执行器机构可以保证机器人保持抓取动作，不会将工件“放手”，即这个结构具有断电保持功能，确保工件不会发生跌落和损坏，直至空气压缩机的气罐中的压缩空气消耗至无法触动系统中的真空发生器抽真空，这保证了操作人员有足够长的时间来取下机器人“手”中的工件，大大提高了系统的安全性和可靠性。2.气动原理图当机器人发出吸取指令时，1YA通电，压缩空气经过三联体3、换向阀5进入真空发生器6，压缩空气（正压）通过真空发生器产生负压，负压经过换向阀8进入真空吸盘A，产生吸取动作，工件被吸取。当机器人发出释放命令时，1YA断电，2YA、3YA通电，压缩空气经过三联体3、换向阀5、节流阀7、换向阀8进入真空吸盘A，真空吸盘先前形成的真空环境被破坏，工件被释放。气动系统清单滚筒输送机有无动力自由转动和有动力之分，传动方式一般采用链条，在输送重量较轻的场合还可以采用0形传送带以及片基带来实现单元输送。由于自制成本偏高，生产加工及装配要求较高，通常向专业制造商配套订购滚筒输送线。1.滚筒输送线的产品特点及应用范围滚筒输送线主要由：辊子、机架、支架、驱动部分等组成，依靠转动着的辊子和物品间的摩擦使物品向前移动。按其驱动形式可分为：无动力滚筒输送线、动力滚筒输送线。线体形式有：直线型、弯道式、斜坡式、立体式、伸缩式及叉道形式等。3.2.4滚筒输送线设计

1)产品特点结构紧凑，操作简便，维护方便。滚简输送线之间易于衔接过渡，可用多条滚筒线及其他输送设备或专机组成复杂的物流输送系统。输送量大，速度快，运转轻快，能够实现多品种共线分流输送。2）应用范围这种输送设备被广泛应用于物件的检测、分流、包装等系统。适用于各类箱、包、托盘等件货的输送，散料、小件物品或不规则的物品需放在托盘上或周转箱内输送。2.滚筒输送线选型注意事项决定滚筒输送线的类型有很多方面，如输送物的状态、重量、输送速度、工作环境等。所以用户在选择辊筒输送机时需要有针对性。（1)滚筒输送线的辊筒材质根据实际需要选用碳钢镀锌、镀铬、镀镍、铸胶(包胶)或不锈钢、钢制塑钢等不同材质；（2）碳钢机身表面处理可根据实际要求选择喷涂、喷塑、烤漆等，不锈钢机身可选择镜面抛光、亚光、喷沙、拉丝等处理；（3）有速度调节要求的用户可选择变频调速或采用无级变速的减速电动机。3.滚筒输送线辊筒的选型与设计辊筒是滚筒输送线中不可缺少的输送机配件，具有结构合理、精度高、噪声低、转动灵活、承载范围大、外形美观等显著优点。辊筒选型步骤辊筒规格选择辊筒的分类（1)根据有无动力：辊筒可分为无动力辊筒和动力辊筒两大类，都含有直辊和锥辊类型。（2）根据驱动效果：动力辊筒可分为确动式和积放式两类。（3）根据驱动形式：动力辊可分为圆带驱动(带槽）、平带驱动（摩擦带）和链条驱动（带链轮)三大类。（4）根据轴承品种：分为专用精密轴承辊筒和专用冲压轴承辊筒，轴承座包含钢质座和工程塑料座。（5)根据筒体材质：采用多种材料，实现多种表面处理，从而满足各种不同使用环境下物料输送的需要。（6)根据安装方式：分为轴心弹簧装入式和固定装入式。辊筒选型代号5）常用辊筒结构设计

(1)辊筒的外观尺寸。(2)辊筒壳设计。(3)辊筒轴设计。(4)辊筒端盖设计。滚筒式弯道输送机6）辊筒的表面处理方法（1）镀锌。（2）镀装饰铬。（3）包胶处理。（4）镀硬铬。输送机定位装置本项目以实际的工业机器人码垛项目为载体，讲解进行码垛工作站的应用。该工作站主要包括一台KR100PA搬运机器人，一套气动抓具，一个机器底座和一套机器人控制电气操作盘。任务3码垛工作站其他应用

3.3.1袋装码垛工作站

夹钳式结构手爪KR100-2PA搬运机器人KUKA机器人由肘节式结构的机器人本体，KRC2控制柜、示教控制器KCP组成；铝合金机器人本体、高速运动曲线的动态模型优化，使得KUKA机器人的加速性能比其他普通机器人高出25%，有利于提高系统寿命、优化工作节拍。KRC2控制器KUKA示教器在自动机械设计中，需要大量使用皮带输送线，对于大型的皮带输送线通常向专业制造商配套订购，而用于自动化专机上的小型皮带输送机构通常则需要自行设计制造。皮带输送机构属于自动机械的基础结构，而且在其设计中还包括了电动机的选型与计算这个重要内容。3.3.2皮带输送线1.皮带输送线的特点和工程应用1)皮带输送线的主要特点制造成本低廉。使用灵活方便。结构标准化。2)皮带输送与皮带传动的区别皮带传动。皮带输送：①皮带输送系统中的皮带是根据皮带传动的原理直接通过与皮带接触的皮带轮来驱动的，皮带轮与皮带之间的摩擦力牵引皮带运行。②皮带轮的驱动有可能通过皮带传动来实现。3）皮带输送线主要的工程应用电子、通信、电器、轻工、食品等行业的手工装配流水线及自动化生产线。负载较大的特殊场合，如矿山、建筑、粮食、码头、电广、冶金等行业，用于散装物料的自动化输送。大型皮带输送线小型皮带输送线2.皮带输送线的结构原理与实例1)皮带输送线结构原理输送皮带。(2)主动轮。(3)从动轮。(4)托板或托辊。此外：定位挡板张紧机构电动机驱动系统皮带输送线结构直接连接皮带输送线2）皮带输送线典型结构实例皮带输送系统整体结构主动轮及其驱动机构齿轮传动主动轮结构从动轮结构张紧机构张紧轮结构实例3.皮带输送线设计要点1）皮带速度皮带输送线中皮带的速度一般为1.5~6m/min，可以根据生产线或机器生产节拍的需要通过速度调节装置进行灵活调节。2）皮带材料与厚度输送皮带是专业化制造的产品，需要根据使用负载的情况选用标准的厚度，最常用的皮带厚度为1~6mm。3）皮带的连接与接头对于橡胶皮带及塑料皮带，工程上通常采用硫化连接接头，对于内部含有钢绳芯的皮带则通常采用机械式连接接头。4)托辊（或托板)在输送带的下方设置托辊（或托板），将输送带的下垂量控制在可以接受的范围内。5）辊轮在小型的皮带输送装置中，为了简化结构，节省空间，经常将从动轮与张紧轮合二为一，直接采用两个辊轮即可。6)包角与摩擦系数由于皮带传动在原理上属于摩擦传动，电动机是通过主动轮与皮带内侧之间的摩擦力来驱动皮带及皮带上的负载的，因此主动轮与皮带内侧之间的摩擦力是非常重要的因素，直接决定了整个输送系统的输送能力。主动轮与皮带内侧之间的摩擦力取决于下列因素：皮带的拉力、动轮与皮带之间的包角、主动轮与皮带内侧表面之间的相对摩擦系数。7）合理的张紧轮位置及张紧调节方向张紧轮不仅可以调节输送皮带的张紧力，还可以同时达到增大皮带包角的目的。在皮带输送系统的设计中，如果皮带的包角太小而且又是不能改变的，则这种设计就是一个有缺陷的设计，可能会出现后面要介绍的皮带打滑现象。8）皮带长度设计计算皮带的订购参数包括：材料种类、皮带的长度、宽度、颜色。其中，皮带的宽度根据所需要输送工件的宽度尺寸来设计；皮带的材料种类主要根据输送物料的类型、使用环境温度来选取；颜色则根据需要的外观效果来选取。设张紧轮处于皮带最紧和最松张紧位置时，所需要的皮带最小理论长度、最大理论长度分别为L1、L2，则理论上皮带长度的最大允许调节量为为了保证皮带仍然具有一定的调节范围，皮带长度

L一般为9)皮带宽度与厚度皮带宽度根据实际需要输送的工件宽度尺寸来设计，对于小型皮带输送线通常情况下皮带宽度必须比工件宽度加大10～15mm。皮带的厚度则根据皮带上同时输送工件的总质量来进行强度计算校核，而且所选定的皮带材料及厚度能够在所设计的最小辊轮条件下满足最小弯曲半径的需要，然后从制造商已有的厚度规格中选取确定。10)皮带输送线上工件的导向与定位通常选取导向板或导向杆之间的空间宽度比工件宽度加大3~5mm，也就是工件与导向板之间的单边间隙取为1.5~2.5mm。11)皮带输送线的省空间设计（1）电动机与减速器一体化安装。（2)减速器附带中空轴或实心轴，可以非常方使地使减速器写辊轮直接连接安装，省略了齿轮、同步带或链条、链轮等传动装置。（3）电动机安装非常灵活，甚至可以将电动机安装在皮带输送线的内部，将皮带输送系统占用的空间减到最小。4.皮带输送线负载能力分析1)皮带输送线负载能力分析为了更深入地了解皮带输送系统的结构，需要对皮带输送系统的负载能力进行定量分析，从而掌握怎么进行电动机的设计选型，以及在设计皮带输送系统时需要注意哪些要点。2)提高皮带输送线负载能力的方法在输送带宽度及输送带速度一定的条件下，皮带输送系统主动轮的负载能力主要由下列决定因素如下。①主动轮输出侧皮带张紧力To。②主动轮与皮带间的摩擦系数Mo。③皮带与主动轮之间的包角a。提高皮带输送线负载能力的有效途径：①增大主动轮输出侧皮带张紧力To。②增大主动轮与皮带间的摩擦系数uo。③增大皮带与主动轮之间的包角a。④增加皮带宽度。通常可以采取下列措施来提高主动轮与皮带表面间的摩擦系数：将主动轮的表面设计加工成网纹表面，同时进行加硬处理；改变主动轮与皮带间的材料配对。例如将主动轮的外表面镇嵌一层橡胶也是很常用的处理措施。5.皮带输送线的调整与使用维护1)皮带打滑与跑偏（1）打滑①皮带的初始张紧力不够。②主动轮与皮带之间的包角太小。解决办法：仔细观察主动轮表面是否过于光滑，否则就采用滚花结构或能散一层橡胶后再试验。（2）跑偏①安装误差。②运行中引起。解决办法：调整托辊，调整辊轮位置皮带跑偏调整2）皮带输送线的日常检查与维护在皮带输送系统的安装和使用过程中，需要注意皮带的安装、点带的张紧调节，皮带的地偏调节、皮带的更换、传动润滑、安全等环节。工业机器人工装系统设计焊接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。焊接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。焊接技术的发展，对于产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。在焊接生产中，采用自动化的机器人焊接工作站是现代化生产的主要标注，采用机器人进行焊接作业可以极大地提高经济效益。一般而言，采用机器人焊接比同样用人工焊接效率可提高2～4倍，焊接质量优良且稳定。项目4焊接工作站工装设计

学习目标知识目标熟悉焊接工作站的类型。掌握焊接工作站的结构。掌握弧焊焊接工作站的整体设计。掌握焊接设备的选型设计。能力目标能够对焊接方案进行整体设计。能够对焊接设备进行选型设计。学习内容1.机器人焊接工作站应用焊接机器人是一种高度自动化的焊接设备．采用机器人代替手工焊接作业是焊接制造业的发展趋势，是提高焊接质量、降低成本、改善工作环境的重要手段。机器人焊接作为现代制造技术发展的重要标志己被国内许多工厂所接受，而且越来越多的企业首选焊接机器人作为技术改造的方案。任务1焊接工作站基本知识

4.1.1焊接工作站应用

汽车焊接焊接生产线2.机器人焊接的特点A.自动焊接，提高质量和效率B.焊接条件具有重复性C.降低生产成本D.容易管理焊接机器人系统主要包括焊接电源、机器人控制柜、机器人本体、示教器、送丝机、焊枪、丝盘箱以及之间的连接线、工作台、固定架等。另外有一些附属设备，如气源、烟尘净化器、清枪机构等。除焊接机器人系统外，工作站还需设置安全围栏、安全门等防护设备，惰性气体放置于安全位置，同时配备电脑桌等外围设备。4.1.2焊接工作站结构

被焊工件名称：标准节，如图4-4所示。被焊工件尺寸范围：1508mmX726mmX726mm。被焊工件焊缝形式：对接角焊缝。被焊工件材质：Q235、Q345。任务2标准节零件焊接工作站工装设计

4.2.1焊接工作站整体布局

标准节零件工件装卸方式：由于工件体积偏大，工件装卸采用吊装。焊接工艺：焊接时采用单丝气体保护焊。焊接时，人工先将组对好的工件装夹在焊接变位机上，然后启动机器人进行焊接。焊接质量能够通过买方质量检验部门按照中国的国家标准或者买方的企业标准进行的检测。机器人配置FANUC电缆外置型机器人，焊接电源配置OTC数字电源进行焊接。机器人工作站动作流程将点固好的工件在双轴变位机上装夹好→启动机器人→弧焊机器人开始起弧焊接→焊接完毕→将焊接好的工件吊装到单轴变位机上点焊好→启动机器人焊接，依次类推，焊接完整个工件后，进行下一循环。（焊接同时变位机与机器人相协调。）机器人工作站效果图1.弧焊机器人的性能要求1．

焊接规范的设定。2．

摆动功能。3．

焊接传感器。4．

焊枪防碰功能。5．

多层焊功能。6．

再引弧功能。7．

焊枪校正功能。8．

粘丝自动解除功能。9．

断弧再启动功能。4.2.2焊接机器人选型

2.FANUCRobotM-10iA弧焊机器人1）机器人本体安装方式：地装关节方式：6轴关节型

最大负荷：10kg运输方式：利用叉车或吊车2）R-30iA控制柜- 基本配置：B型箱体- 电源输入：380V/3Φ＋E- FlashROM模块容量：32MB- DRAM模块容量：32MB- CMOSRAM模块容量：3MB- USB存储功能- CF卡存储功能- 机器人控制电缆7m（非柔性）- 示教盘电缆10m- 备件(保险丝，后备电池)3）软件- 基本字库：中英文- 焊接专用软件（ARCTool）- M-10iA机器人控制软件等等机器人运动范围3.点焊机器人的性能要求1）机器人的结构类型的确定2）手腕的容许载荷3）动作范围的确定1.选择机器人焊枪4.2.3焊枪组件

机器人焊枪防撞传感器2.确定机器人法兰盘的尺寸3.确定机器人法兰盘和焊枪的连接焊枪支枪臂连接法兰焊枪支枪臂连接法兰安装送丝机的焊丝连接焊枪，用导丝管支撑。为了避免送丝机与机器人的动作发生干涉，将送丝机安装在机器人的4轴上，通过安装支架，调整安装位置，使送丝机出口正对焊枪。丝盘箱安装在1轴上，跟随送丝机动作，为避免焊丝过度弯折，在丝盘箱安装支架上设置导向板，调整焊丝的姿态。4.2.4送丝机组件

焊接变位机的主要作用是实现焊接过程中将工件进行翻转变位，以便获得最佳的焊接位置，可很好地满足焊接质量及外观要求。变位机基座采用优质型材及钢板焊接而成，经过退火处理，质量精度可靠。翻转采用伺服电动机驱动，减速机采用高精度减速机，精度可靠，速度可调，可与机器人实现联动。4.2.5变位机组件

1.焊接变位机的分类（1）伸臂式焊接变位机（2）座式焊接变位机（3）双座式焊接变位机双座式焊接变位机典型结构2.焊件变位机械类型焊接翻转机、焊接回转台、焊接滚轮架、焊接变位器。3.焊接变位机的应用场合焊接变位机主要用于机架、机座、机壳、法兰、封头等非长型焊件的翻转变位。4.结构件焊接变位机的选型①根据焊接结构件的结构特点选择合适的焊接变位机。②根据手工焊接作业的情况，所选的焊接变位机能把被焊工件的任意一条焊缝转到平焊或船焊位置，避免立焊和仰焊，保证焊接质量。③选择开敞性好、容易操作、结构紧凑占地面积小的焊接变位机，工人操作高度尽量低，安全可靠。工装设计要考虑工件装卡简单方便。④工程机械大