机器人系统设计
Kok-Meng Lee
对于制造业所关注的类似形式的生产或更广泛的部分的生产方式，, 组装线/大规模生产方法通常是不符合成本效益。它通常需要将设备单元组合成工作单元，以便对产品进行一个完整体系的相关操作。半成品进入工作单元，执行几个功能操作，然后离开该工作单元。 用于工作单元中（用于处理和材料处理）的单个设备单元包括手动，半自动，和全自动设备组合。然而，在本文中，“工作单元”是指机器人的组合和其周边设备用于在很少或没有人的控制下，由电子设计数据驱动，组装种类繁多的产品。一个装配机器人是一种比较简单的机构，其功能是使零件和工具在其工作空间准确定位。这是一个相对来说低成本，高精度，，高可靠性的设备。然而，他的简易使之不会具有手工操作的特性，例如辨别形状而且它的抓握工具相对于人手的自由度还有很远的差距。如果我们承认装配机器人决对不能与人类在个复杂的任务上竞争，那我们也必须承认，装配机器人能够以一贯的高精度执行单调的任务，从而提高的质量产品。它也可以无限地保持快速的生产线。认识人类和机器人之间的这种差异对于机器人系统的设计是至关重要的。
本节的其余部分安排如下。首先提出一套设计一个装配机器人工作单元的设计想法。然后讨论典型的机器人工作单元的结构。迄今为止的经验表明，在大多数情况下，设计是失败在工作单元，而不是机器人。设计方法必须在设计工作单元时慎重考虑，并在最后讨论。 工作单元的设计和布局
设计注意事项
涉及产品组装的复杂性以及生产量，装配系统可以大致分为手动的，固定的，可拆装的系统，如图14.9.1。可拆装的机器人工作单元通常用于低产量或中产量的比较不复杂的产品，而为了提高产品的复杂性，设计用于单一用途的单元组装到装配线。除了产量和复杂性，所述机器人工作单元的设计也取决于若干因素，如：元件属性，臂端的工具交换，以及产品设计。
元件属性。一个典型的工作单元包括一个机器人及其由说明书，送料机，输送机和臂端模具组成的外围设备。对于小部分的零件，一部分传递到机器人上。由于这些占用空间，只有有限数量的零件可被输送到一台机器人。在机械装配通常最多五到六不同零件可以以这种方式被传递。
为了扩展机器人对大量零件的使用性，机械化元件供给系统可以安装在分散在机器人周围的数控转盘上，每个都带有一个机器手爪能够到的固定分配的点位。转盘可容纳几百个可以附加杂志，磁带，或其它模块化分配系统的位置。带有多个可编程旋转的圆盘，机器人可以访问几千个不同的部分。当只有数以千计的样式要被使用时机械化转盘的应用是值得的。其他替代方案是：（1）成套工具，其中所有部件被成套组装在一个松散托盘格栅结构部件，并使用传感器来警醒更精确的定位; （2）利用准确的货箱进行自动操作。
装配系统图14.9.1分类
臂端模具交换。许多系统使用不同的夹具交换系统，以便应付用不同的部分。工具交换通常被认为是“非工作单位”，因为它们对组装工作没有贡献。交换工具被串联到组装工具上。这意味着由于执行工具的取放以及在臂端刀具箱和工作坐标之间的运动所需的额外时间，工作周期被延长了。为了减少由于夹持器而损失的时间，交换应尽量减少和/或与其它活动并行，而且接机点和集合点之间的距离应该是非常短的。如果前提是空间，重量和回转头的成本不构成问题。使用一个快速旋转的抓头可避免此问题。另外，托盘运载一批专用设备，如夹具，固定装置，和臂端工具，可以以类似的方式作为一部分被传递给机器人上的输送机。
产品设计。为可拆装的自动化单元产品设计包括以下标准：基于能够组装这些产品系列的变种的可拆装装配单元的任务操作能够使用编程语言，来实现从一个产品到另一个产品的快速切换，然后回复到标准状态来进行新的装配任务。
除了产品的复杂性和体积，另外两个标准应该在建造可拆装装配单元的时候被考虑进来。首先，由于只有少数产品通常适用于完全自动装配，手动工作流程在大产量的时候是必不可少的。可拆装装配单元必须设计的便于手工作业台能够符合人体工程学地安装进来。第二，由于与产品待加工的部分的数量有关的类型特定外设的成本将增加，为了工作单元的经济运用特定零件的数量必须减少。
工作单元布局
在一个灵活的自动化系统中的工作单元的设计和布局依靠制造过程的性质，产品的设计，材料处理系统作为一个整体。制造系统被分类为电动产品装配，电气和机械部件的子组件，以及配套的用于大规模生产的单元。
电子产品装配。可拆装工作单元通常用于集成电路板组装（PCB ），其中的可更换进给机构的组合用于给机器人传递零件。由于大多数涉及的过程都在直线，垂直平面进行，SCARA 机器人或门架结构的机器人是最适合于这些装配任务。所述工作单元包括一个机器人及其由进给机构，进料机，输送机，和臂端工具组成的外围单元。
图14.9.2是一个加工作为在线元件插入，检查，修理和流水线的一部分的电路板组件的工作单元的结构。电路板被组装固定在面板上并通过在输送机上的工作单元。每个电路板都有一个特定的条形码，允许其进行产品跟踪，数据收集，并通过组装测试。装配板定位在工作
区中的升降机构上。该机构支撑平台并用平台上的定位孔来定位。两个数字信号通过传感器来控制工作单元-一个信号命令工作台准备装配，另一个信号控制输送机把平台输送到下一个工作单元。部件是通过使用送料器输送到机器人。送料器挑出组件到传送带上，通过切割，矫直，验证检查然后再放上机器人拾取的定位点。机器人和其外围设备的运动由一个主机来协调。该工作单元由主机监控和设置。通过主机，操作者输入指令来控制工作单元进行组装，送料和进给。
图14.9.2工作单元的电子组装
机电组件装配。与印刷电路板组装不同，小机电元件的组装和设计一般都是非标准化的。因此，自动化可拆装装配单元的问题出在零件的输送而且小元件的组装灵活度往往涉及产品设计和布局。
图14.9.3是一个用来组装圆形分度表小机械构件的自动可拆装装配工作单元。模块化的零件给料设备，如振动给料机和特制的托盘被放置在分度台周围来输送和定位小元件到机器人。典型的机械操作，例如铆接，螺纹连接，焊接，插入，加压等是通过机械臂末端的快速转换工具来实现的。圆形分度工作台装置有利于臂端工具加工处理不同的零件，臂端的工具加工变化是必要的处理不同的部分。它使臂端工具的更换能和其他的操作同时进行。
对于复杂的产品，在一个简单的可拆装装配工作单元中装配并不总是可行的。在这种情况下，一个可拆装装配线可以设计成能够连接独立工作单元（图14.9.3），以便它们在如果需要适应产品型号的变化的时候能够互相连接或者分离。另外，标准载体或托盘可以用于输送大量不同种类的部件到机器人。每个托盘带有大量的相同的部分，无朝向但右面朝上，放置在平坦板。用标准的传感器来检测所述零件的方向。
图14.9.3典型的单一用途的工作单元。
大规模制造的配套单元。在大规模制造的领域，如汽车制造，发动机组件和加工工艺，每步设置的工作时间通常都是过量的，工作一般都被分配到几个步骤。举个例子，实际的切削时间（生产时间）代表包括非工作时间如工件的装夹，设置，检查的只有机器5-20%的利用率的部分。
为了避免由于恒定的工具转换造成高程度的磨损和撕裂，该循环区通常分成各个可以串并联的或者进行互连的操作单元。一个典型的工作单元（图14.9.3）由一个机器人，送料器，臂端模具以及制造过程。这些部分包含在一个规则间隔的托盘，通过自动搬运车（AGV ）或输送到输送盘来运送，并反馈由机器人来处理。在自动化部分最常用的机器装载方法是利用特别设计的货盘以维持足够的位置精度来让完全编程的机器人取用
在组装的情况下，购买的部件和要处理的零件定位在托盘的一个位置。整理是把他们从材料中分离开然后把它们放在一个已经分类好的托盘上。集合材料输送系统和它对一个区域的控制是分类单元的主要好处。除了通过在每个装配单元消除重复设备来有效地利用地面空间， 进料器和模具是通用的——所有的部分都在用相同的的设备，从而最大限度地提高利用率，同时减少资本支出。材料输送设备的装配周期时间被消除。此外，保持其所有的零部件组装 在载体上使之可以在机器停机或堵塞时改变工艺路线。
图14.9.4是分类工具单元的布局。悬挂式台架抓取零件箱并把零件倒入相应的进料口（图14.9.4中为F1，... F7表示）。通道开始被填满然后不断的有成套的零件补充进去。这些零件停留在进料通道尾部的栏子里。在这里，传感器验证零件是否正确，执行一些质量检查， 并且为机器人抓取确定的位置和方向。如果发现零件不适合，篮子会倒掉这个零件然后送入一个新的零件继续进行检查。使用快速转换夹具，多个部件整合到托盘上。一旦所有的部分都在整合托盘上，托盘会被输送到检查站来验证所有部件放置是否正确。机器人最终完成检查然后把托盘放在装配输送带上送到一个空闲的终端，等待AGV 取走。
零件的进入和输送
术语“零件输入”这里指的是托盘上的送料工件通过已编程的机器人进行后续处理，
例如机
械加工或组装。为了可拆卸制造系统组装的机器人的进料零件的成本（FMS ）经常被低估，其可以包括高达总体投资的的三分之二，通常来源于停工和缺陷。现有的机械部分的输料结构的一般综述可以在LEE(1991)中找到。
进料结构的基本种类可归类如下：（1）设计用于专用零件输送和定向的进料机构，（2）设计用于保持零件组合的位置方向的专有尺寸的托盘，（3）传感器
图14.9.4组装单元原理图
机械进料机
常用的机械进料机有碗式进料机，振动进料机，和可编程的皮带进料机。对于大批量制造，
使用专用机械部件供给装置可能是合理的。然而，机械喂料器消耗了大量工作单元周围的空间，常因干扰失败，以及最明显的是，一般在工件变形或磨损造成干扰时需要重新更换。
振动进料机。振动进料机（布思罗伊德和杜赫斯特，1985）是最常用的机械供料器。一个碗进料器的基本组成部分包括一个振动碗，旋转盘，和一个定向的轨道。进入机构的零件被分为一个单列移动到进料口。这些供料器，在一般情况下，不设计成容易转化为适应新零件的类型。振动进料器的成本大致可分为两部分：专用设备成本和通用设备成本。通常情况下，切换将涉及更换盘，取向轨道，进料轨道，和擒纵机构，对该特殊用途的设备成本作出贡献。只有振动驱动装置可重复使用。这种进料机的通用零件大约是送料器成本的30％。
机器人系统设计
Kok-Meng Lee
对于制造业所关注的类似形式的生产或更广泛的部分的生产方式，, 组装线/大规模生产方法通常是不符合成本效益。它通常需要将设备单元组合成工作单元，以便对产品进行一个完整体系的相关操作。半成品进入工作单元，执行几个功能操作，然后离开该工作单元。 用于工作单元中（用于处理和材料处理）的单个设备单元包括手动，半自动，和全自动设备组合。然而，在本文中，“工作单元”是指机器人的组合和其周边设备用于在很少或没有人的控制下，由电子设计数据驱动，组装种类繁多的产品。一个装配机器人是一种比较简单的机构，其功能是使零件和工具在其工作空间准确定位。这是一个相对来说低成本，高精度，，高可靠性的设备。然而，他的简易使之不会具有手工操作的特性，例如辨别形状而且它的抓握工具相对于人手的自由度还有很远的差距。如果我们承认装配机器人决对不能与人类在个复杂的任务上竞争，那我们也必须承认，装配机器人能够以一贯的高精度执行单调的任务，从而提高的质量产品。它也可以无限地保持快速的生产线。认识人类和机器人之间的这种差异对于机器人系统的设计是至关重要的。
本节的其余部分安排如下。首先提出一套设计一个装配机器人工作单元的设计想法。然后讨论典型的机器人工作单元的结构。迄今为止的经验表明，在大多数情况下，设计是失败在工作单元，而不是机器人。设计方法必须在设计工作单元时慎重考虑，并在最后讨论。 工作单元的设计和布局
设计注意事项
涉及产品组装的复杂性以及生产量，装配系统可以大致分为手动的，固定的，可拆装的系统，如图14.9.1。可拆装的机器人工作单元通常用于低产量或中产量的比较不复杂的产品，而为了提高产品的复杂性，设计用于单一用途的单元组装到装配线。除了产量和复杂性，所述机器人工作单元的设计也取决于若干因素，如：元件属性，臂端的工具交换，以及产品设计。
元件属性。一个典型的工作单元包括一个机器人及其由说明书，送料机，输送机和臂端模具组成的外围设备。对于小部分的零件，一部分传递到机器人上。由于这些占用空间，只有有限数量的零件可被输送到一台机器人。在机械装配通常最多五到六不同零件可以以这种方式被传递。
为了扩展机器人对大量零件的使用性，机械化元件供给系统可以安装在分散在机器人周围的数控转盘上，每个都带有一个机器手爪能够到的固定分配的点位。转盘可容纳几百个可以附加杂志，磁带，或其它模块化分配系统的位置。带有多个可编程旋转的圆盘，机器人可以访问几千个不同的部分。当只有数以千计的样式要被使用时机械化转盘的应用是值得的。其他替代方案是：（1）成套工具，其中所有部件被成套组装在一个松散托盘格栅结构部件，并使用传感器来警醒更精确的定位; （2）利用准确的货箱进行自动操作。
装配系统图14.9.1分类
臂端模具交换。许多系统使用不同的夹具交换系统，以便应付用不同的部分。工具交换通常被认为是“非工作单位”，因为它们对组装工作没有贡献。交换工具被串联到组装工具上。这意味着由于执行工具的取放以及在臂端刀具箱和工作坐标之间的运动所需的额外时间，工作周期被延长了。为了减少由于夹持器而损失的时间，交换应尽量减少和/或与其它活动并行，而且接机点和集合点之间的距离应该是非常短的。如果前提是空间，重量和回转头的成本不构成问题。使用一个快速旋转的抓头可避免此问题。另外，托盘运载一批专用设备，如夹具，固定装置，和臂端工具，可以以类似的方式作为一部分被传递给机器人上的输送机。
产品设计。为可拆装的自动化单元产品设计包括以下标准：基于能够组装这些产品系列的变种的可拆装装配单元的任务操作能够使用编程语言，来实现从一个产品到另一个产品的快速切换，然后回复到标准状态来进行新的装配任务。
除了产品的复杂性和体积，另外两个标准应该在建造可拆装装配单元的时候被考虑进来。首先，由于只有少数产品通常适用于完全自动装配，手动工作流程在大产量的时候是必不可少的。可拆装装配单元必须设计的便于手工作业台能够符合人体工程学地安装进来。第二，由于与产品待加工的部分的数量有关的类型特定外设的成本将增加，为了工作单元的经济运用特定零件的数量必须减少。
工作单元布局
在一个灵活的自动化系统中的工作单元的设计和布局依靠制造过程的性质，产品的设计，材料处理系统作为一个整体。制造系统被分类为电动产品装配，电气和机械部件的子组件，以及配套的用于大规模生产的单元。
电子产品装配。可拆装工作单元通常用于集成电路板组装（PCB ），其中的可更换进给机构的组合用于给机器人传递零件。由于大多数涉及的过程都在直线，垂直平面进行，SCARA 机器人或门架结构的机器人是最适合于这些装配任务。所述工作单元包括一个机器人及其由进给机构，进料机，输送机，和臂端工具组成的外围单元。
图14.9.2是一个加工作为在线元件插入，检查，修理和流水线的一部分的电路板组件的工作单元的结构。电路板被组装固定在面板上并通过在输送机上的工作单元。每个电路板都有一个特定的条形码，允许其进行产品跟踪，数据收集，并通过组装测试。装配板定位在工作
区中的升降机构上。该机构支撑平台并用平台上的定位孔来定位。两个数字信号通过传感器来控制工作单元-一个信号命令工作台准备装配，另一个信号控制输送机把平台输送到下一个工作单元。部件是通过使用送料器输送到机器人。送料器挑出组件到传送带上，通过切割，矫直，验证检查然后再放上机器人拾取的定位点。机器人和其外围设备的运动由一个主机来协调。该工作单元由主机监控和设置。通过主机，操作者输入指令来控制工作单元进行组装，送料和进给。
图14.9.2工作单元的电子组装
机电组件装配。与印刷电路板组装不同，小机电元件的组装和设计一般都是非标准化的。因此，自动化可拆装装配单元的问题出在零件的输送而且小元件的组装灵活度往往涉及产品设计和布局。
图14.9.3是一个用来组装圆形分度表小机械构件的自动可拆装装配工作单元。模块化的零件给料设备，如振动给料机和特制的托盘被放置在分度台周围来输送和定位小元件到机器人。典型的机械操作，例如铆接，螺纹连接，焊接，插入，加压等是通过机械臂末端的快速转换工具来实现的。圆形分度工作台装置有利于臂端工具加工处理不同的零件，臂端的工具加工变化是必要的处理不同的部分。它使臂端工具的更换能和其他的操作同时进行。
对于复杂的产品，在一个简单的可拆装装配工作单元中装配并不总是可行的。在这种情况下，一个可拆装装配线可以设计成能够连接独立工作单元（图14.9.3），以便它们在如果需要适应产品型号的变化的时候能够互相连接或者分离。另外，标准载体或托盘可以用于输送大量不同种类的部件到机器人。每个托盘带有大量的相同的部分，无朝向但右面朝上，放置在平坦板。用标准的传感器来检测所述零件的方向。
图14.9.3典型的单一用途的工作单元。
大规模制造的配套单元。在大规模制造的领域，如汽车制造，发动机组件和加工工艺，每步设置的工作时间通常都是过量的，工作一般都被分配到几个步骤。举个例子，实际的切削时间（生产时间）代表包括非工作时间如工件的装夹，设置，检查的只有机器5-20%的利用率的部分。
为了避免由于恒定的工具转换造成高程度的磨损和撕裂，该循环区通常分成各个可以串并联的或者进行互连的操作单元。一个典型的工作单元（图14.9.3）由一个机器人，送料器，臂端模具以及制造过程。这些部分包含在一个规则间隔的托盘，通过自动搬运车（AGV ）或输送到输送盘来运送，并反馈由机器人来处理。在自动化部分最常用的机器装载方法是利用特别设计的货盘以维持足够的位置精度来让完全编程的机器人取用
在组装的情况下，购买的部件和要处理的零件定位在托盘的一个位置。整理是把他们从材料中分离开然后把它们放在一个已经分类好的托盘上。集合材料输送系统和它对一个区域的控制是分类单元的主要好处。除了通过在每个装配单元消除重复设备来有效地利用地面空间， 进料器和模具是通用的——所有的部分都在用相同的的设备，从而最大限度地提高利用率，同时减少资本支出。材料输送设备的装配周期时间被消除。此外，保持其所有的零部件组装 在载体上使之可以在机器停机或堵塞时改变工艺路线。
图14.9.4是分类工具单元的布局。悬挂式台架抓取零件箱并把零件倒入相应的进料口（图14.9.4中为F1，... F7表示）。通道开始被填满然后不断的有成套的零件补充进去。这些零件停留在进料通道尾部的栏子里。在这里，传感器验证零件是否正确，执行一些质量检查， 并且为机器人抓取确定的位置和方向。如果发现零件不适合，篮子会倒掉这个零件然后送入一个新的零件继续进行检查。使用快速转换夹具，多个部件整合到托盘上。一旦所有的部分都在整合托盘上，托盘会被输送到检查站来验证所有部件放置是否正确。机器人最终完成检查然后把托盘放在装配输送带上送到一个空闲的终端，等待AGV 取走。
零件的进入和输送
术语“零件输入”这里指的是托盘上的送料工件通过已编程的机器人进行后续处理，
例如机
械加工或组装。为了可拆卸制造系统组装的机器人的进料零件的成本（FMS ）经常被低估，其可以包括高达总体投资的的三分之二，通常来源于停工和缺陷。现有的机械部分的输料结构的一般综述可以在LEE(1991)中找到。
进料结构的基本种类可归类如下：（1）设计用于专用零件输送和定向的进料机构，（2）设计用于保持零件组合的位置方向的专有尺寸的托盘，（3）传感器
图14.9.4组装单元原理图
机械进料机
常用的机械进料机有碗式进料机，振动进料机，和可编程的皮带进料机。对于大批量制造，
使用专用机械部件供给装置可能是合理的。然而，机械喂料器消耗了大量工作单元周围的空间，常因干扰失败，以及最明显的是，一般在工件变形或磨损造成干扰时需要重新更换。
振动进料机。振动进料机（布思罗伊德和杜赫斯特，1985）是最常用的机械供料器。一个碗进料器的基本组成部分包括一个振动碗，旋转盘，和一个定向的轨道。进入机构的零件被分为一个单列移动到进料口。这些供料器，在一般情况下，不设计成容易转化为适应新零件的类型。振动进料器的成本大致可分为两部分：专用设备成本和通用设备成本。通常情况下，切换将涉及更换盘，取向轨道，进料轨道，和擒纵机构，对该特殊用途的设备成本作出贡献。只有振动驱动装置可重复使用。这种进料机的通用零件大约是送料器成本的30％。