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

XXXXX學(xué)院?jiǎn)卧虒W(xué)設(shè)計(jì)XXXX—XXX學(xué)年第X學(xué)期課程名稱：授課班級(jí)：任課教師：所在系部及教研室：

本單元標(biāo)題工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)線集成概述教學(xué)目的讓學(xué)生了解工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)線構(gòu)成，為后續(xù)產(chǎn)線的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。教學(xué)目標(biāo)能力（技能）目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)（1）能正確區(qū)分工業(yè)機(jī)器人各組成部分。（2）能正確說(shuō)明現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人集成產(chǎn)線組成部分。（1）掌握工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用分類。（2）掌握工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成。（3）掌握工業(yè)機(jī)器人集成產(chǎn)線組成。重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法重難點(diǎn)：解決方法：參考資料[1]汪勵(lì),陳小艷.工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2014.[2]李志謙.精通FANUC機(jī)器人編程、維護(hù)與外圍集成[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2020[3]陳曉明,霍永紅,項(xiàng)萬(wàn)明.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程(FANUC)初級(jí)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2022.[4]王哲祿,何紅軍.工工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程與集成技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2022.[5]廖常初.S7-1200PLC應(yīng)用教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2020.[6]鄉(xiāng)碧云.自動(dòng)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(jī)械工業(yè)出版社,2023.單元教學(xué)設(shè)計(jì)第一部分：復(fù)習(xí)上次課主要內(nèi)容第二部分：新課導(dǎo)入及學(xué)習(xí)新內(nèi)容（時(shí)間：45分鐘理論）【步驟一】新課導(dǎo)入引導(dǎo)問(wèn)題什么是機(jī)器人？在生活中你都見(jiàn)過(guò)哪些機(jī)器人？所見(jiàn)過(guò)的機(jī)器人中都包含有哪些典型結(jié)構(gòu)？請(qǐng)同學(xué)根據(jù)所學(xué)所識(shí)積極思考，踴躍發(fā)言【步驟二】新知識(shí)的講授一、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域（簡(jiǎn)單介紹）（一）碼垛應(yīng)用在各類工廠的碼垛方面，自動(dòng)化極高的機(jī)器人被廣泛應(yīng)用，人工碼垛工作強(qiáng)度大，耗費(fèi)人力，員工不僅需要承受巨大的壓力，而且工作效率低。搬運(yùn)機(jī)器人能夠根據(jù)搬運(yùn)物件的特點(diǎn)，以及搬運(yùn)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(jìn)行高效的分類搬運(yùn)，使得裝箱設(shè)備每小時(shí)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(yùn)等方面發(fā)揮及其重要的作用。（二）焊接應(yīng)用焊接機(jī)器人主要承擔(dān)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(jiàn)的焊接機(jī)器人有點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、激光機(jī)器人等。汽車制造行業(yè)是焊接機(jī)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。、（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(dòng)力，曾經(jīng)的人力裝配因?yàn)槌鲥e(cuò)率高，效率低而逐漸被工業(yè)機(jī)器人代替。裝配機(jī)器人的研發(fā)，結(jié)合了多種技術(shù)，包括通訊技術(shù)、自動(dòng)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(jī)器人的最大特點(diǎn)，就是安裝精度高、靈活性大、耐用程度高。因?yàn)檠b配工作復(fù)雜精細(xì)，所以我們選用裝配機(jī)器人來(lái)進(jìn)行電子零件，汽車精細(xì)部件的安裝。（四）其他應(yīng)用機(jī)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(jìn)行探測(cè)。還有人類無(wú)法具體到達(dá)的地方，如病人患病部位的探測(cè)、工業(yè)瑕疵的探測(cè)、在地震救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的生命探測(cè)等均有建樹(shù)。2、PMC原理結(jié)構(gòu)二、工業(yè)機(jī)器人基本組成（一）機(jī)械部分工業(yè)機(jī)器人的組成機(jī)械部分是工業(yè)機(jī)器人的“血肉"組成部分，也就是我們常說(shuō)的工業(yè)機(jī)器人本體部分。這部分主要可以分為兩個(gè)系統(tǒng)。1、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)，需要各個(gè)關(guān)節(jié)安裝傳感裝置和傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它的作用是提供機(jī)器人各部分、各關(guān)節(jié)動(dòng)作的原動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)部分可以是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，或者是幾種系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)的綜合傳動(dòng)系統(tǒng)。2、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人機(jī)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(gè)部分具有若干的自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。末端操作器是直接安裝在手腕上的一個(gè)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(jī)器人的主要執(zhí)行部件。手臂連接手部和基座，用來(lái)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(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。根據(jù)手臂的運(yùn)動(dòng)和布局、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)和導(dǎo)向裝置的不同可分為：伸縮型臂部、轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部、屈伸型臂部結(jié)構(gòu)，以及其他專用的機(jī)械傳動(dòng)臂部結(jié)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人的基座是整個(gè)機(jī)器人的支持部分，用于機(jī)器人的安裝和固定，也是工業(yè)機(jī)器人的電線電纜、氣管油管的輸入連接部位。固定式機(jī)器人的基座一般固定在地面上，移動(dòng)式機(jī)器人的基座安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人為固定式。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)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(jī)器人工作提供感覺(jué)，使工業(yè)機(jī)器人工作過(guò)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(lái)確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置，是完成移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人本身相對(duì)其周圍環(huán)境的定位，負(fù)責(zé)檢測(cè)距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機(jī)器人的引導(dǎo)及物體的識(shí)別和處理。按照機(jī)器人作業(yè)的內(nèi)容，傳感器通常安裝在機(jī)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(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化水平。對(duì)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(dāng)于工業(yè)機(jī)器人的大腦，可以直接或者通過(guò)人工對(duì)工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)主要是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式，控制系統(tǒng)可以分為點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)和軌跡控制系統(tǒng)兩大類。三、工業(yè)機(jī)器人集成產(chǎn)線組成工業(yè)機(jī)器人集成產(chǎn)線又稱為工業(yè)機(jī)器人工作站，是指使用一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)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(dú)立產(chǎn)線系統(tǒng)。它主要由工業(yè)機(jī)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(jī)器人本體已在上節(jié)中進(jìn)行說(shuō)明，本節(jié)不再贅述?？刂乒?。機(jī)器人的控制柜集成的是機(jī)器人的電氣控制系統(tǒng)，它是機(jī)器人的“大腦"和“心臟”，指揮著機(jī)器人的運(yùn)行。機(jī)器人的控制柜一般包含以下功能：（一）機(jī)器人的1/0接口：機(jī)器人本體的運(yùn)行信息和機(jī)器人與外圍設(shè)備連接的端口，（二）控制系統(tǒng)：機(jī)器人的操作系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)集成在控制柜內(nèi)，機(jī)器人的動(dòng)作記憶、示教、坐標(biāo)標(biāo)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(hù)：包括信號(hào)傳人的短路保護(hù)和電壓保護(hù)，控制柜設(shè)有多路的熔斷機(jī)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(jī)界面設(shè)備，常被用作構(gòu)建機(jī)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(chǎng)合和工件特點(diǎn)的不同存在較大差異。例如，焊接機(jī)器人工作站的外圍系統(tǒng)包括焊槍、焊機(jī)、變位機(jī)和清槍機(jī)構(gòu)等，如下圖所示；搬運(yùn)機(jī)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(jī)器人工作站的常見(jiàn)周邊設(shè)備有供料、送料設(shè)備，搬運(yùn)、安裝部分，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，控制與操作部分，倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，專用機(jī)器以及現(xiàn)場(chǎng)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?jìng)魉蛶?、?chǔ)料箱、貨盤和供料機(jī)等為機(jī)器人工作站供應(yīng)、傳送物料的設(shè)備。傳送帶是最常見(jiàn)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(chǎng)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(chǎng)合使用，可傳送不能振動(dòng)的物品和容易翻倒物品。（二）搬運(yùn)、安裝部分對(duì)于機(jī)器人工作站的不同作業(yè)對(duì)象，需要相應(yīng)的機(jī)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(jī)器人的功能，反映了機(jī)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(chǎng)合，為了提高工業(yè)機(jī)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(jī)器人安裝了導(dǎo)軌，可增加機(jī)器人的作業(yè)空間，或在機(jī)器人作業(yè)區(qū)內(nèi)移動(dòng)工件，如對(duì)多臺(tái)設(shè)備或輔助工裝、從貨盤架中進(jìn)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(jī)器人控制系統(tǒng)中的，這樣就無(wú)需其他控制裝置了。（三）機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的功能是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，產(chǎn)品將被攝取并轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是可提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境中，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)在生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量、引導(dǎo)、檢測(cè)和識(shí)別，并能保質(zhì)保量地完成生產(chǎn)任務(wù)。（四）倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)比較常見(jiàn)的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。利用立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)高層貨物管理合理化、存取自動(dòng)化以及操作簡(jiǎn)便化。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是當(dāng)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(jī)、人（出）庫(kù)工作臺(tái)、自動(dòng)運(yùn)進(jìn)（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(biāo)準(zhǔn)尺寸的貨位空間。巷道式堆垛起重機(jī)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(jì)算機(jī)及條形碼、磁條、光學(xué)字符或射頻等識(shí)別技術(shù)。（五）現(xiàn)場(chǎng)總線及工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)4.0離不開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)總線和人工智能（Al），現(xiàn)場(chǎng)總線把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行集成并進(jìn)行數(shù)字通信，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，讓整個(gè)控制系統(tǒng)更加可靠?，F(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的共享，現(xiàn)場(chǎng)總線體現(xiàn)了分布、開(kāi)放、互聯(lián)、高可靠性的特點(diǎn)。與DCS（集散控制系統(tǒng)）相比，DCS通常是一對(duì)一單獨(dú)傳送信號(hào)，其所采用的模擬信號(hào)精度低，易受干擾，而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）則采取一對(duì)多雙向傳輸信號(hào)，采用的數(shù)字信號(hào)精度高、可靠性強(qiáng)，設(shè)備始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)，智能儀表具有通信、控制和運(yùn)算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個(gè)智能儀表中，控制風(fēng)險(xiǎn)得到降低。現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備用工業(yè)交換機(jī)連接在一起，相互高速通信。當(dāng)前的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN總線、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線、ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線是主流的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線。當(dāng)前的工業(yè)機(jī)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(gè)局域網(wǎng)中完成，非常方便。四、工業(yè)機(jī)器人參數(shù)（技術(shù)指標(biāo)）機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)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(duì)照不同品牌的機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比選擇，因此學(xué)會(huì)看機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是技術(shù)人員的一項(xiàng)基本技能。機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)一般有自由度、承重量、工作精度、最大運(yùn)轉(zhuǎn)速度等。表4-1是FANUC機(jī)器人M-20iA的技術(shù)參數(shù)表。機(jī)器人的手腕部最大負(fù)載重量是第六軸法蘭可以帶的負(fù)載或工具的重量，一般此參數(shù)越大，機(jī)器人越貴。表中所列動(dòng)作范圍和最大速度是“軟”性的，可以通過(guò)示教器更改指定值，但要符合機(jī)器人安全工作范圍。表4-1FANUC機(jī)器人M-20iA的技術(shù)參數(shù)表型號(hào)M-20iA機(jī)構(gòu)多關(guān)節(jié)型機(jī)器人控制軸數(shù)6軸（J1,J2,J3,J4,J5,J6）可達(dá)半徑1811mm安裝方式地面安裝、傾斜安裝、倒吊安裝動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度2000mm/s手腕部最大負(fù)載20kgJ3手臂部最大負(fù)載12kg手腕允許負(fù)載轉(zhuǎn)矩J444NmJ544NmJ622Nm手腕允許負(fù)載慣量J41.04kgm2J51.04kgm2J60.28kgm2驅(qū)動(dòng)方式交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)重復(fù)定位精度±0.08mm機(jī)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(wú)結(jié)露現(xiàn)象）；振動(dòng)加速度：4.9m/s2（0.5G）