1.2
认识机器人工作站和生产线

机器人工作站是以一台或多台机器人为主，配以相应的周边设备，如变位机、输送机、工装夹具等，完成相对独立的作业或工序的一组设备组合。机器人工作站的设计流程如下：

（1）整体方案设计 整体方案设计包括对产品进行需求分析、工艺分析，机器人初步选型，制作设计流程图，设计动力系统，以及辅助设备、安全设备等其他设备选型，并初步完成工作站的造价。

（2）布局设计 机器人工作站布局设计主要包括机器人选用、配套设备位置确定、HMI系统配置、被加工件路径规划、电液气系统走线，以及维护修理和安全设施配置等。

（3）配套设备选用和设计 机器人工作站配套设备选用和设计主要包括非标设备的设计、标准件的选用、土建安装设计、电气系统设计等。

（4）安全装置选用和设计 机器人工作站安全装置选用和设计主要包括围栏、安全门、安全光栅等安全装置的选用和设计，以及对现有安全装置的改造等。

（5）控制系统设计 机器人工作站控制系统设计主要包括系统的标准控制类型与追加性能选定，系统工作顺序与方法确定，液压、气动、电气、电子设备及备用设备的试验，设计电气控制线路、机器人线路及整个系统线路等。

（6）支持系统设计 机器人工作站支持系统设计主要包括故障排除与修复方法、停机时的对策与准备、备用机器的筹备及意外情况下的救急措施等。

（7）工程施工设计 机器人工作站工程施工设计主要包括编写工作系统说明书、机器人性能和规格说明书、接收检查文本、标准件说明书、绘制工程制图、编写图纸清单等。

本书主要以武汉商学院机器人产学研中心的教学用汽车模型自动化生产线、冲压机器人工作站及焊接机器人工作站作为典型的机器人工作站应用案例，剖析机器人工作站机械设计、电气设计及仿真设计过程；以扫地机器人、图书分拣机器人设计为典型案例，剖析机器人机械结构的优化设计过程。

1.2.1 汽车模型自动化生产线

在产品自动化生产线中，自动上、下料装置是一个非常重要的组成部分，传统的生产线需要通过人力将下料台上的待加工产品取下后放置在加工设备上进行加工，加工结束后也需手动将零件产品再次放置在放料台上，手动上、下料不仅耗费人力，而且难以保证上、下料的位置精度。

武汉商学院机器人产学研中心教学用的汽车模型自动化生产线，利用直角坐标机械手实现了汽车模型零件自动化出库、加工、钻孔、检测、喷涂、装配及入库等工序，较为真实地模拟了汽车零部件的生产加工过程，汽车模型自动化生产线示意如图1-3所示。

汽车模型自动化生产线主要是利用3D打印的小车模型零部件，模拟汽车生产过程中的加工、钻孔、检测、喷涂及装配等主要工序。自动化生产线机械系统由3台机器人和6套三轴模组构成的7个单体工作站组成，电气控制系统采用7台西门子S7-1200 PLC独立控制，采用1台S7-1200 PLC负责总线控制设计，每个单体工作站和总控都配置了人机交互界面（HMI）。

本书结合教学及工程实践情况，针对汽车模型自动化生产线在教学实践中的问题，利用“工程制图”“机械设计基础”“CAD/CAE”及“工业机器人仿真技术”等专业课程知识，通过理论分析、实践对比研究，对汽车模型自动化生产线中各工作站单元及传送装置进行机械结构和电气系统的优化再设计，解决生产线中机械手对汽车模型自动上、下料的问题，更真实地模拟汽车零部件生产加工过程，实现实践教学与工程实践的有机结合，以满足课程实践教学需求。

1.2.2 传统焊接机器人工作站

传统人工焊接是一项对准确率、精细度要求较高，且较为繁重的工作。机器人自动化焊接的诞生使人的双手得到很大程度解放。如今，多数汽车生产制造企业都采用焊接机器人来代替人工进行车身、底盘等重要零部件的焊接加工，在提高生产率、压缩生产成本的同时，也提高了汽车零部件的焊接质量，使产品具有良好的互换性，获得了较高的经济和社会效益。

焊接机器人工作站的硬件部分主要包括ABB焊接机器人、焊机、送丝机构、控制柜、变位机、底座和下机架等，如图1-4所示。焊接机器人工作站的软件部分包括机器人作业程序和整个控制系统的PLC控制程序。焊接机器人工作站的软件主要承担与工作环境元素的数据交流与控制，焊接设备的自动化作业、变位机焊装夹具自动化的协调控制，以及安全防护等。采用模块化的、面向对象的编程方法来完成工件焊接、焊丝进给、变位机旋转等PLC编程任务。焊接机器人工作站的总体布局如图1-4所示。

本书首先采用Solidworks 2016软件对焊接机器人工作站及其非标零部件进行结构设计；其次，对焊接机器人工作站进行电气设计，完成电气原理图的设计，列出I/O地址分配表；最后，利用RobotStudio软件对机器人进行离线编程和虚拟仿真，完成焊接机器人工作的运动动画，为焊接机器人工作站的设计与研究提供一定的理论参考。

1.2.3 冲压机器人工作站

在国内冲压行业中，利用现代计算机技术和制造技术对冲压产业进行升级改造，将单一压力机生产升级为自动化冲压生产线，进而提高冲压工件的质量和生产率，实现企业的技术升级和转型是大势所趋。企业在进行冲压自动化生产线升级改造时，为减少改造成本，主要考虑对现有的冲压设备进行自动化升级改造，尽量避免购置新的冲压设备，起到事半功倍的效果。冲压自动化生产线利用机器人自身的控制性和通用性，结合计算机辅助控制技术将单一的冲压设备，改造组合为自动化生产线。机器人替代传统冲压生产的人工操作，不仅节约了大量的人力和物力，而且提高了生产率和生产安全性。

冲压机器人工作站指在压力机工作中，利用机器人完成卸料、运输、堆垛等任务，实现冲压工艺的自动化，并可以在无人参与的情况下长时间工作。

典型冲压机器人工作站的主要组成有压力机、废料箱、人机交互界面、转盘机、夹具库、底座、电控柜、机器人等，其总体布局如图1-5所示。

下料装置为双工位旋转台，分别为人工下料工位和机器人下料工位，可实现连续进料。下料双工位旋转台上安装下料工装托盘，当产品换型时，可实现托盘快速更换。

清洗机中配置了无声气枪，可通过气枪中喷出的高压空气对产品的铝屑进行清洗，并集中收集，过滤回收。在清洗机两侧装有检测传感器，可以对机器人抓取异常进行检测。

为适应不同型号产品的抓放，机器人夹手设计成可快换夹手，为每种产品都设计一套专用夹手，存放于夹具库内。机器人夹手用于完成毛坯料及产品的抓放，机器人可自动更换夹手以适应不同型号的工件。

冲压机器人工作站采用压力机自动下料和机器人码垛协同工作的生产工艺，主要包括下料、清洗、码垛等工艺流程。冲压机器人工作站采用PLC控制实现互联互通、自动化生产。此外，配置的人机交互界面能够便于产品信息的追溯管理。

1.2.4 服务机器人

服务机器人广泛应用于医疗、教育、餐饮、交通、旅游及工业等领域。近年，我国服务机器人产业快速增长，医疗服务机器人在医疗救治中发挥了重要作用。我国服务机器人市场发展潜力巨大，呈现出规模化、智能化和专业化趋势，预计2023年市场规模将达7518亿元。规模化指除商业化水平较高的扫地机器人和无人机外，娱乐机器人、教育机器人、商用机器人等更多类型的服务机器人将迎来量产阶段。智能化指随着人工智能技术和硬件制造水平的提高，服务机器人的智能化水平不断提高，逐步实现目前仍无法完全满足人们服务需求的功能。专业化指水下机器人、消防机器人、医疗机器人等特殊应用场景下的服务机器人将具有更强的专业性、适应性和实用性。

（1）扫地机器人 扫地机器人的设计要考虑家庭和办公场所等环境，家中主要有床、沙发、桌椅等各种家具，办公场所主要有办公座椅、文件柜等。因此，扫地机器人应具备运动灵活、机动性强的特点。基于这些考虑，设计扫地机器人时，首先应考虑清扫效率，其次考虑体积及尺寸参数，在满足使用条件的前提下尽可能减小体积、减轻质量，提升运动灵活性及机动性。扫地机器人配备了清扫刷、风机与垃圾仓等工作装置，用于完成地面垃圾的清扫。

扫地机器人的技术指标主要包括外形尺寸、净重、速度、爬坡能力、电动机最大功率/最大功率转速等。作者指导设计的一款扫地机器人的三维结构示意如图1-6所示。

（2）图书分拣机器人 根据图书分拣机器人在图书馆工作环境中的运行情况，分析机器人正常运行的可行性，拟定合理的图书分拣工作路线及图书分拣方案，以此开展图书分拣机器人的结构设计。当设计的图书分拣机器人需要满足一定的作业空间要求时，应进行尺寸优化设计，选择最小的臂杆尺寸，这样既能提高操作机构的刚度，又能进一步降低运动惯量。机械手本身的大臂、小臂、手腕及基座，都起负载作用，选用质量轻、强度高的材料，其主要目的是减轻机器人本体重量。

作者指导设计的图书分拣机器人分为循迹移动底盘、夹取机械臂及人机交互系统三个结构模块。循迹移动底盘的主要功能是实现机器人大范围空间内运动；夹取机械臂的主要功能是实现图书的夹取；人机交互系统的主要功能是实现对图书分拣机器人的精准控制，其三维总体结构示意如图1-7所示。