1.3.1.1　搬运机器人工作站的定义

搬运机器人（transfer robot）是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在美国，1960年Versatran 和Unimate 两种机器人首次用于搬运作业。

搬运作业是指用一种设备握持工件，从一个加工位置移到另一个加工位置的过程。如果采用工业机器人来完成这个任务，整个搬运系统则构成了工业机器人搬运工作站。给搬运机器人安装不同类型的末端执行器，可以完成不同形态和状态的工件搬运工作。

目前世界上使用的搬运机器人逾10 万台，被广泛应用于机床上下料冲压机自动化生产线自动装配流水线码垛搬运集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。

1.3.1.2　搬运机器人工作站的特点

（1）应有物品的传送装置，其形式要根据物品的特点选用或设计；

（2）可使物品准确地定位，以便于机器人抓取；

（3）多数情况下设有物品托板，或机动或自动地交换托板；

（4）有些物品在传送过程中还要经过整型，以保证码垛质量；

（5）要根据被搬运物品设计专用末端执行器；

（6）应选用适合于搬运作业的机器人。

1.3.1.3　搬运机器人工作站的组成

工业机器人搬运工作站是一种集成化的系统，由工业机器人系统PLC 控制柜机器人安装底座输送线系统平面仓库操作按钮盒等组成，并与生产控制系统相连接，以形成一个完整的集成化的搬运系统。整体布置如图1－1所示。

1.搬运机器人及控制柜

如图1－2所示安川MH6 机器人是通用型工业机器人，既可以用于弧焊又可以用于搬运。搬运工作站选用安川MH6 机器人，完成工件的搬运工作。

MH6 机器人系统包括MH6 机器人本体、DX100 控制柜以及示教编程器。DX100 控制柜通过供电电缆和编码器电缆与机器人连接。

如图1－3所示为安川DX100 控制柜，该控制柜集成了机器人的控制系统，是整个机器人系统的神经中枢。它由计算机硬件软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件机器人专用语言机器人运动学及动力学软件机器人控制软件机器人自诊断及保护软件等。控制器负责处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。

机器人示教编程器是操作者与机器人间的主要交流界面。操作者通过示教编程器对机器人进行各种操作示教编制程序，并可直接移动机器人。机器人的各种信息状态通过示教编程器显示给操作者。此外，还可通过示教编程器对机器人进行各种设置。

由于搬运的工件是平面板材，所以可以采用真空吸盘来夹持工件。故在安川MH6 机器人本体上安装了电磁阀组真空发生器真空吸盘等装置。

图1－1　搬运机器人工作站组成

图1－2　安川MH6 机器人本体

图1－3　安川DX100 控制柜

2.输送线系统

输送线系统的主要功能是把上料位置处的工件传送到输送线的末端落料台上，以便于机器人搬运。

上料位置处装有光电传感器，用于检测是否有工件，若有工件，将启动输送线，输送工件。输送线的末端落料台也装有光电传感器，用于检测落料台上是否有工件，若有工件，将启动机器人来搬运。

输送线由三相交流电动机拖动，变频器调速控制。示例图如图1－4所示。

图1－4　输送线系统

3.平面仓库

平面仓库用于存储工件。平面仓库有一个反射式光纤传感器用于检测仓库是否已满，若仓库已满将不允许机器人向仓库中搬运工件。示例图如图1－5所示。

图1－5　平面仓库

4.PLC 控制柜

PLC 控制柜用来安装断路器PLC变频器中间继电器变压器等元器件，其中PLC是机器人搬运工作站的控制核心。搬运机器人的启动与停止输送线的运行等，均由PLC实现，如图1－6所示。

图1－6　PLC 控制柜

5.机器人末端执行器

如图1－7所示为工业机器人的末端执行器，也叫作机器人手爪，它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。

图1－7　机器人末端执行器

1）末端执行器的分类

（1）按用途分类。

①手爪。

具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，释放工件。

抓住——在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件在手爪内必须具有可靠的定位，保持工件与手爪之间准确的相对位置，以保证机器人后续作业的准确性。

握持——确保工件在搬运过程中或零件在装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。

释放——在指定点上除去手爪和工件之间的约束关系。

②工具。

工具是进行某种作业的专用工具，如喷漆枪焊具等。

（2）按夹持原理分类。

如图1－8所示，按手爪的夹持原理分为机械类磁力类和真空类三种。

图1－8　手爪类型

机械类手爪包括靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪，后者是无指手爪。产生夹紧力的驱动源可以有气动液动电动电磁。磁力类手爪主要是磁力吸盘，有电磁吸盘和永磁吸盘两种。真空类手爪是真空式吸盘，根据形成真空的原理可分为真空吸盘、气流负压吸盘挤气负压吸盘三种。磁力类手爪及真空类手爪是无指手爪。

（3）按手指或吸盘数目分类。

机械手爪可分为：二指手爪多指手爪。

机械手爪按手指关节分为：单关节手指手爪多关节手指手爪。

吸盘式手爪按吸盘数目分为：单吸盘式手爪多吸盘式手爪。

（4）按智能化分类。

①普通式手爪：手爪不具备传感器。

②智能化手爪：手爪具备一种或多种传感器，如力传感器触觉传感器滑觉传感器等，手爪与传感器集成为智能化手爪。

2）末端执行器设计和选用的要求

手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求，具体来说要从下面几个方面进行考虑。

（1）被抓握的对象。

手爪设计和选用首先要考虑的是什么样的工件要被抓握，因此，必须充分了解工件的几何形状机械特性。

（2）物料的馈送器或储存装置。

与机器人配合工作的零件馈送器或储存装置对手爪必需的最小和最大爪钳之间的距离以及必需的夹紧力都有要求，同时，还应了解其他可能的不确定因素对手爪工作的影响。

（3）手爪和机器人匹配。

手爪一般用法兰式机械接口与手腕相连接，手爪自重也增加了机械臂的载荷，这两个问题必须给予仔细考虑。手爪是可以更换的，手爪形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同，这就是接口匹配。手爪自重不能太大，机器人能抓取工件的重量是机器人承载能力减去手爪重量。手爪自重要与机器人承载能力匹配。

（4）环境条件。

在作业区域内的环境状况很重要，比如高温水油等环境会影响手爪工作。一个锻压机械手要从高温炉内取出红热的锻件坯必须保证手爪的开合驱动在高温环境中均能正常工作。

3）不同末端执行器的应用场合

（1）机械式手爪。

机械式手爪通常采用气动液动电动和电磁来驱动手指的开合。气动手爪目前得到广泛的应用，因为气动手爪有许多突出的优点：结构简单成本低容易维修，而且开合迅速，重量轻。其缺点是空气介质的可压缩性，使爪钳位置控制比较复杂。液压驱动手爪成本稍高一些。电动手爪的优点是手指开合电动机的控制与机器人控制可以共用一个系统，但是夹紧力比气动手爪液压手爪小开合时间比它们长。电磁力手爪控制信号简单，但是夹紧的电磁力与爪钳行程有关，因此，只用在开合距离小的场合。

（2）磁力吸盘。

磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘是在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。电磁吸盘只能吸住铁磁材料制成的工件（如钢铁件），吸不住有色金属和非金属材料的工件。磁力吸盘的缺点是被吸取工件有剩磁，吸盘上常会吸附一些铁屑，致使不能可靠地吸住工件，而且只适用于工件要求不高或有剩磁也无妨的场合。对于不准有剩磁的工件，如钟表零件及仪表零件，不能选用磁力吸盘，可用真空吸盘。另外钢铁等具有磁性的物质在温度为723 ℃以上时磁性就会消失，故高温条件下不宜使用磁力吸盘。磁力吸盘要求工件表面清洁平整干燥，以保证吸附可靠。

（3）真空式吸盘。

真空式吸盘主要用在搬运体积大重量轻的如冰箱壳体汽车壳体等零件，也广泛用于需要小心搬运的，如显像管平板玻璃等物件。真空式吸盘对工件表面要求平整光滑、干燥清洁。

根据真空产生的原理，真空式吸盘可分为：

①真空吸盘。

如图1－9所示为产生负压的真空吸盘控制系统。吸盘吸力在理论上决定于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内外压差，实际上与工件表面状态有十分密切的关系，它影响负压的泄漏。真空泵的采用，能保证吸盘内持续产生负压，所以这种吸盘比其他形式吸盘吸力大。

图1－9　真空吸盘

1—电动机；2—真空泵；3，4—电磁阀；5—吸盘；6—通大气

②气流负压吸盘。

气流负压吸盘的工作原理如图1－10所示，压缩空气进入喷嘴后利用伯努利效应使橡胶皮腕内产生负压。在工厂一般都有空压机站或空压机，空压机气源比较容易解决，不需专为机器人配置真空泵，所以气流负压吸盘在工厂使用方便。

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图1－10　气流负压吸盘

③挤气负压吸盘。

如图1－11所示为挤气负压吸盘的结构。当吸盘压向工件表面时，将吸盘内空气挤出；松开时，去除压力，吸盘恢复弹性变形使吸盘内腔形成负压，将工件牢牢吸住，机械手即可进行工件搬运，到达目标位置后，用碰撞力p 或用电磁力使压盖2 动作，破坏吸盘腔内的负压，释放工件。此种挤气负压吸盘既不需真空泵系统也不需压缩空气气源，是比较经济方便的，但可靠性比真空吸盘和气流负压吸盘差。

目前有两种真空吸盘的新设计。

①自适应性吸盘。

如图1－12所示，该吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化，这种自适应性吸盘在实际应用上获得良好的效果。

②异形吸盘。

如图1－13所示，是异形吸盘中的一种。通常吸盘只能吸附一般平整工件，而该异形吸盘可用来吸附鸡蛋锥颈瓶等物件，扩大了真空吸盘在工业机器人上的应用范围。

图1－11　挤气负压吸盘

1—吸盘架；2—压盖；3—密封垫；4—吸盘；5—工件

图1－12　自适应性吸盘

图1－13　异形吸盘

4）末端执行器的特点

（1）手部与手腕相连处可拆卸。

手部与手腕有机械接口，也可能有电气液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。

（2）手部是工业机器人末端执行器。

它可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，如装在机器人手腕上的喷漆枪焊接工具等。

（3）手部的通用性比较差。

工业机器人手部通常是专用的装置，如一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状尺寸重量等方面相近似的工件，一种工具只能执行一种作业任务。

（4）手部是一个独立的部件。

假如把手腕归属于手臂，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身手臂和手部（末端执行器）。手部对于整个工业机器人来说是决定完成作业好坏作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的智能化手爪的出现，增加了工业机器人作业的灵活性和可靠性。

5）末端执行器的设计原则

（1）末端执行器要根据机器人作业的要求来设计，尽量选用已定型的标准基础件，如气缸油缸传感器等，配以恰当的机构连接件组合成适于生产作业要求的末端执行器。一种新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。

（2）末端执行器的重量要尽可能轻，并力求结构紧凑。

（3）正确对待末端执行器的万能性与专用性。万能的末端执行器在结构上相当复杂，几乎不可能实现。目前在实际应用中，仍是那些结构简单万能性不强的末端执行器最为适用，因此要着重开发各种各样专用的高效率的末端执行器，加上末端执行器的快速更换装置，从而实现机器人的多种作业功能。

6）搬运工作站机器人末端执行器的设计

例如，搬运工作站机器人搬运的工件是平面板材，尺寸为380mm×270mm×5mm，质量≤1 kg。所以采用真空吸盘来夹持工件，且断电后吸紧的工件不会掉落。

末端执行器的相关组件，如电磁阀组真空发生器真空吸盘等装置安装在MH6 机器人本体上。

末端执行器气动控制回路如图1－14所示（图中只画出了一组真空吸盘的控制气路，共两组）。

图1－14　末端执行器气动控制回路

气动控制回路工作原理：当YV1 电磁阀线圈得电时，真空吸盘吸工件；当YV2 电磁阀线圈得电时，真空吸盘释放工件；当YV1YV2 电磁阀线圈都不得电时，保持原来的状态。电磁阀不能同时得电。

（1）电磁阀选型。

①形式选择。

根据使用要求与使用条件，选择阀的形式：直动式或先导式。

②控制方式选择。

根据使用的控制要求，选择阀的形式：气控电控人控或机械控制。

③阀的机能选择。

按工作要求选择阀的机能：两位两通两位三通两位五通三位五通，或是中封式、中泄式中间加压式等。阀的机能如表1－1所示。

表1－1　阀的机能

续表

④型号规格选择。

根据使用的流量要求选择阀的型号规格。

⑤安装方式选择。

根据阀的安装要求选择安装放式：管接式集装式。

⑥电气参数选择。

根据实际使用要求选择阀的电气规格，如表1－2所示，电压功率出线形式。

表1－2　阀的电气规格

如机器人搬运工作站选择的电磁阀型号是亚德客公司的4V120－M5，两位五通，双电控电磁阀，阀的具体规格电气性能参数如表1－3所示。

表1－3　4V120－M5 电气性能参数

末端执行器用了2 个两位五通的双电控电磁阀。这2 个电磁阀带有手动换向和加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2 个位置。加锁钮在LOCK 位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。只有在PUSH 位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制。

2 个电磁阀是集中安装在汇流板上的。汇流板中2 个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减小压缩空气向大气排放时的噪声。这种将多个阀与消声器汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组，而每个阀的功能是彼此独立的。

阀组的结构如图1－15所示。

图1－15　阀组的结构

（2）真空吸盘的选择。

选择真空吸盘应从以下几个方面考虑：

①了解所吸工件的重量，确定吸盘的盘径；

②了解工件的面积，确定吸盘的盘径和用几个吸盘来吸；

③了解工件的材质和形状，确定用什么材质的吸盘和什么款式的吸盘。

真空吸盘有三种基本形状：扁平吸盘波纹吸盘具有特殊工作原理的吸盘。

如机器人搬运工作站选择的真空吸盘为SMC 的ZPT25US－A6，盘径为25mm，扁平型，硅橡胶，外螺纹M6×1。

真空吸盘如图1－16所示。

（3）真空发生器选型。

真空发生器就是利用正压气源产生负压的一种新型高效清洁经济小型的真空元器件，这使得在有压缩空气的地方，或在一个气动系统中同时需要正负压的地方获得负压变得十分容易和方便。

真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动。在卷吸作用下，喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度。

选择真空发生器应从吸盘的直径吸盘的个数、吸附物是否有泄漏性等几个方面考虑。

机器人搬运工作站真空发生器选择费斯托的VAD－1／8，主要技术参数如表1－4所示。

图1－16　真空吸盘

（a）实物；（b）符号

表1－4　费斯托VAD－1／8 真空发生器主要技术参数

① 1 bar ＝0.1 MPa。

真空发生器如图1－17所示。

图1－17　真空发生器

（a）实物；（b）符号

6.搬运工作站的工作过程

（1）按启动按钮，系统运行，机器人启动；

（2）当输送线上料检测传感器检测到工件时启动变频器，将工件传送到落料台上，工件到达落料台时变频器停止运行，并通知机器人搬运；

（3）机器人收到命令后将工件搬运到平面仓库，搬运完成后机器人回到作业原点，等待下次的搬运请求；

（4）当平面仓库码垛了7 个工件，机器人停止搬运，输送线停止输送。清空仓库后，按复位按钮，系统继续运行。