第1章 KUKA工业机器人实训平台概述

1.1 KUKA工业机器人实训平台组成

相关知识

1.1.1 工业机器人概述

1.什么是工业机器人

1987年，国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作与移动功能，能够完成各种作业的可编程序操作机。”工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间中完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备。

2.工业机器人的应用

制造业中应用工业机器人最广泛的领域是汽车及其零部件制造。主要应用如下：

（1）工业机器人码垛 许多自动化工作站需要使用工业机器人进行上下料、搬运以及码垛等操作。通过编程控制，可实现多台码垛机器人配合不同工序协同工作，可大大减轻工人繁重的体力劳动。

（2）工业机器人装配 装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，主要用于各种电器、小型电动机、汽车及其部件、计算机、玩具、机电产品及其组件的制造装配等工作。

（3）工业机器人焊接 焊接机器人是在工业机器人终端的法兰上安装焊钳或焊枪，从事焊接工作的工业机器人。其特点是具有柔性，可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，适用于产品变化大、焊缝短而多、形状复杂的焊接产品。

（4）工业机器人抛光 抛光机器人主要应用于工件表面打磨、棱边去飞边、焊接打磨、内腔孔去飞边等工作。

（5）工业机器人喷涂 喷涂机器人适用于生产量大、产品型号多、表面形状不规则的工件外表面涂装。利用工业机器人灵活、稳定、高效的特点，工业机器人喷涂工作站被广泛应用于汽车、汽车零配件、铁路、家电、建材、机械等行业中。

3.工业机器人的组成

工业机器人是一种机电一体化设备。从控制观点来看，工业机器人由三大部分组成：机械部分、传感部分和控制部分。

（1）机械部分 工业机器人机械部分包括本体执行机构、驱动系统和传动系统。

本体执行机构通常由手部、腕部、小臂部、大臂部、腰部和基座构成。其中，工业机器人的手部大致可分成夹持手部、吸附手部及专用工具（如焊枪喷嘴、电磨头等）三类。图1-1为工业机器人本体执行机构。

工业机器人常用的驱动方式有电动机驱动、气压驱动和气动驱动三种，其中电动机驱动包括直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。工业机器人常用交流伺服电动机驱动，交流伺服电动机内部的转子是永磁铁，转子在定子旋转磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器将信号反馈给驱动器，驱动器对反馈值与目标值进行比较，调整转子的角度。图1-2为工业机器人驱动系统。

工业机器人的传动系统是连接动力源和执行机构的中间装置，是保证工业机器人精确到达目标位置的核心部件。主要作用是减速的同时提高转矩。工业机器人传动系统常采用齿轮传动、谐波传动、RV减速传动、蜗杆传动、链传动、同步带传动、钢丝传动、连杆传动、滚珠丝杠传动、齿轮齿条传动等。图1-3是工业机器人传动系统示意图。

（2）传感部分 一般来说，根据工业机器人与传感器检测信息的相对关系不同，将工业机器人传感部分分为内部信息传感器和外部信息传感器两类。内部信息传感器是用来测量工业机器人自身状态参数（如手臂之间的角度）的功能元件。这类传感器一般安装在工业机器人内部。外部信息传感器主要用来采集和测量工业机器人作业相关的外部信息，这些信息通常与工业机器人的目标识别、作业安全等相关，如与物体之间的距离、抓取对象的形状、空间位置、有无障碍物、物体是否滑落等。图1-4为工业机器人传感元器件。

（3）控制部分 工业机器人控制部分的控制过程包括示教、计算与控制、伺服驱动、传感与检测四个步骤。示教主要是告诉工业机器人去做什么，给工业机器人发出指令；计算与控制负责工业机器人系统的管理、信息获取及处理、控制策略制定、作业轨迹规划等任务，是工业机器人控制系统的核心部分；伺服驱动是根据不同的控制算法，将工业机器人的控制策略转化为驱动信号，驱动伺服电动机转动，进而完成制定的作业；通过传感与检测的反馈，保证工业机器人正确地完成指定作业，同时也将各种姿态信息反馈到工业机器人的控制系统中，以便实施监控整个系统的运动情况。图1-5为工业机器人控制部分连接示意图。

1.1.2 KUKA工业机器人实训平台工作站

KUKA工业机器人实训平台如图1-6所示，主要由绘图工作站、码垛工作站、装配工作站、喷涂工作站四个工作站组成。

下面对实训平台的各主要组成做简单介绍。

1.六自由度工业机器人

本实训平台采用的工业机器人是KUKA KR 6 R700 sixx C六自由度工业机器人，主要任务是夹持绘笔绘图、抓取工件进行搬运和码垛、夹持装配夹具进行装配和夹持喷枪进行喷涂等。

2.夹具系统

本实训平台的夹具系统主要包括绘图和喷涂夹具、装配夹具、码垛夹具三种。其中，绘图和喷涂夹具用于模拟绘笔和喷枪、装配夹具用于装配杯体和杯盖、码垛夹具用于抓取工件。图1-7为该实训平台夹具系统。

3.绘图工作站

绘图工作站主要用来绘制各种形状的图形轨迹。如图1-8所示，绘图工作站由六自由度工业机器人、绘图夹具、绘图板等组成。

4.码垛工作站

码垛工作站主要用来将传送带上的工件根据材质和颜色不同进行分类并码垛。首先，气缸将工件从料井推出到传送带上，传送带将工件传输到位后，工业机器人开始抓取工件并检测工件颜色，黄色工件码垛到前面托盘，蓝色工件码垛到后面托盘。如图1-9所示，码垛工作站由六自由度工业机器人、码垛夹具、执行器和传感器等组成。执行器包括直流电动机和气缸，传感器按照功能分为辨别材质的传感器、检测是否有料和是否到位的传感器和辨别颜色的传感器等。

5.装配工作站

装配工作站主要用来将杯体和杯盖进行装配。如图1-10所示，装配工作站主要由工业机器人、装配夹具、杯体仓、杯盖仓和装配单元组成。装配单元内部有传感器和定位销，传感器的作用是装配时调整杯体和杯盖的角度，定位销的作用是装配时阻止杯体旋转。装配时，工业机器人将杯体调整至合适角度后放到定位销上，然后再抓取杯盖进行装配。

6.喷涂工作站

喷涂工作站主要用来对小车车身各面进行喷涂。如图1-11所示，喷涂工作站由六自由度工业机器人、喷涂夹具和定位台组成。工作站运行时，定位台的两个旋转轴开始回原点，回原点完成后，将小车自动旋转到喷涂位置，工业机器人开始喷涂，全部喷涂完成后回到安全位置。