第1章 KUKA工業機器人實訓平臺概述

1.1 KUKA工業機器人實訓平臺組成

相關知識

1.1.1 工業機器人概述

1.什么是工業機器人

1987年，國際標準化組織對工業機器人進行了定義：“工業機器人是一種具有自動控制的操作與移動功能，能夠完成各種作業的可編程序操作機。”工業機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間中完成各種作業的機電一體化的自動化生產設備。

2.工業機器人的應用

制造業中應用工業機器人最廣泛的領域是汽車及其零部件制造。主要應用如下：

（1）工業機器人碼垛 許多自動化工作站需要使用工業機器人進行上下料、搬運以及碼垛等操作。通過編程控制，可實現多臺碼垛機器人配合不同工序協同工作，可大大減輕工人繁重的體力勞動。

（2）工業機器人裝配 裝配機器人是柔性自動化裝配系統的核心設備，主要用于各種電器、小型電動機、汽車及其部件、計算機、玩具、機電產品及其組件的制造裝配等工作。

（3）工業機器人焊接 焊接機器人是在工業機器人終端的法蘭上安裝焊鉗或焊槍，從事焊接工作的工業機器人。其特點是具有柔性，可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，適用于產品變化大、焊縫短而多、形狀復雜的焊接產品。

（4）工業機器人拋光 拋光機器人主要應用于工件表面打磨、棱邊去飛邊、焊接打磨、內腔孔去飛邊等工作。

（5）工業機器人噴涂 噴涂機器人適用于生產量大、產品型號多、表面形狀不規則的工件外表面涂裝。利用工業機器人靈活、穩定、高效的特點，工業機器人噴涂工作站被廣泛應用于汽車、汽車零配件、鐵路、家電、建材、機械等行業中。

3.工業機器人的組成

工業機器人是一種機電一體化設備。從控制觀點來看，工業機器人由三大部分組成：機械部分、傳感部分和控制部分。

（1）機械部分 工業機器人機械部分包括本體執行機構、驅動系統和傳動系統。

本體執行機構通常由手部、腕部、小臂部、大臂部、腰部和基座構成。其中，工業機器人的手部大致可分成夾持手部、吸附手部及專用工具（如焊槍噴嘴、電磨頭等）三類。圖1-1為工業機器人本體執行機構。

工業機器人常用的驅動方式有電動機驅動、氣壓驅動和氣動驅動三種，其中電動機驅動包括直流伺服電動機驅動、交流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。工業機器人常用交流伺服電動機驅動，交流伺服電動機內部的轉子是永磁鐵，轉子在定子旋轉磁場的作用下轉動，同時電動機自帶的編碼器將信號反饋給驅動器，驅動器對反饋值與目標值進行比較，調整轉子的角度。圖1-2為工業機器人驅動系統。

工業機器人的傳動系統是連接動力源和執行機構的中間裝置，是保證工業機器人精確到達目標位置的核心部件。主要作用是減速的同時提高轉矩。工業機器人傳動系統常采用齒輪傳動、諧波傳動、RV減速傳動、蝸桿傳動、鏈傳動、同步帶傳動、鋼絲傳動、連桿傳動、滾珠絲杠傳動、齒輪齒條傳動等。圖1-3是工業機器人傳動系統示意圖。

（2）傳感部分 一般來說，根據工業機器人與傳感器檢測信息的相對關系不同，將工業機器人傳感部分分為內部信息傳感器和外部信息傳感器兩類。內部信息傳感器是用來測量工業機器人自身狀態參數（如手臂之間的角度）的功能元件。這類傳感器一般安裝在工業機器人內部。外部信息傳感器主要用來采集和測量工業機器人作業相關的外部信息，這些信息通常與工業機器人的目標識別、作業安全等相關，如與物體之間的距離、抓取對象的形狀、空間位置、有無障礙物、物體是否滑落等。圖1-4為工業機器人傳感元器件。

（3）控制部分 工業機器人控制部分的控制過程包括示教、計算與控制、伺服驅動、傳感與檢測四個步驟。示教主要是告訴工業機器人去做什么，給工業機器人發出指令；計算與控制負責工業機器人系統的管理、信息獲取及處理、控制策略制定、作業軌跡規劃等任務，是工業機器人控制系統的核心部分；伺服驅動是根據不同的控制算法，將工業機器人的控制策略轉化為驅動信號，驅動伺服電動機轉動，進而完成制定的作業；通過傳感與檢測的反饋，保證工業機器人正確地完成指定作業，同時也將各種姿態信息反饋到工業機器人的控制系統中，以便實施監控整個系統的運動情況。圖1-5為工業機器人控制部分連接示意圖。

1.1.2 KUKA工業機器人實訓平臺工作站

KUKA工業機器人實訓平臺如圖1-6所示，主要由繪圖工作站、碼垛工作站、裝配工作站、噴涂工作站四個工作站組成。

下面對實訓平臺的各主要組成做簡單介紹。

1.六自由度工業機器人

本實訓平臺采用的工業機器人是KUKA KR 6 R700 sixx C六自由度工業機器人，主要任務是夾持繪筆繪圖、抓取工件進行搬運和碼垛、夾持裝配夾具進行裝配和夾持噴槍進行噴涂等。

2.夾具系統

本實訓平臺的夾具系統主要包括繪圖和噴涂夾具、裝配夾具、碼垛夾具三種。其中，繪圖和噴涂夾具用于模擬繪筆和噴槍、裝配夾具用于裝配杯體和杯蓋、碼垛夾具用于抓取工件。圖1-7為該實訓平臺夾具系統。

3.繪圖工作站

繪圖工作站主要用來繪制各種形狀的圖形軌跡。如圖1-8所示，繪圖工作站由六自由度工業機器人、繪圖夾具、繪圖板等組成。

4.碼垛工作站

碼垛工作站主要用來將傳送帶上的工件根據材質和顏色不同進行分類并碼垛。首先，氣缸將工件從料井推出到傳送帶上，傳送帶將工件傳輸到位后，工業機器人開始抓取工件并檢測工件顏色，黃色工件碼垛到前面托盤，藍色工件碼垛到后面托盤。如圖1-9所示，碼垛工作站由六自由度工業機器人、碼垛夾具、執行器和傳感器等組成。執行器包括直流電動機和氣缸，傳感器按照功能分為辨別材質的傳感器、檢測是否有料和是否到位的傳感器和辨別顏色的傳感器等。

5.裝配工作站

裝配工作站主要用來將杯體和杯蓋進行裝配。如圖1-10所示，裝配工作站主要由工業機器人、裝配夾具、杯體倉、杯蓋倉和裝配單元組成。裝配單元內部有傳感器和定位銷，傳感器的作用是裝配時調整杯體和杯蓋的角度，定位銷的作用是裝配時阻止杯體旋轉。裝配時，工業機器人將杯體調整至合適角度后放到定位銷上，然后再抓取杯蓋進行裝配。

6.噴涂工作站

噴涂工作站主要用來對小車車身各面進行噴涂。如圖1-11所示，噴涂工作站由六自由度工業機器人、噴涂夾具和定位臺組成。工作站運行時，定位臺的兩個旋轉軸開始回原點，回原點完成后，將小車自動旋轉到噴涂位置，工業機器人開始噴涂，全部噴涂完成后回到安全位置。