自动涂胶机械手工作站

自动涂胶机械手工作站
南华大学机械工程学院毕业设计(论文)
自动涂胶机械手工作站
摘要:本文对机器人在汽车玻璃自动涂胶系统的应用进行了阐述～对机器人工作站中的主要组合部件设计和功能进行了详细的说明。

自动涂胶工作站更加优越于手工涂胶。

手工涂胶难以保证涂胶的一致性～自动涂胶站保证了涂胶的均匀性、一致性、准确的涂敷位置以及优良的生产质量。

本文对工作站中的机械布局和定位夹紧原理进行了分析。

从机器人挡风玻璃涂胶系统的生产实际需要出发～提出了一套玻璃自动对中识别装置～可以对不同规格型号的玻璃进行自动对中识别～提高了生产的柔性。

根据设计经验简单论述了此套系统的工作节拍。

重点论述了装夹定位和六自由度问题。

关键词:汽车, 自动涂胶, 机械手
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Automatic coating robot workstation
Abstract: In this paper, the robot automatically in the auto glass adhesive application system, a set of robotic workstations in the main mix design and function of components described in detail. Automatic adhesive coating station is more superior to manual. Manual adhesive is difficult to guarantee the consistency of glue, automatic adhesive coating station ensures the uniformity, consistency, accuracy of the coating location and excellent production quality. In this paper, workstation layout and positioning of mechanical clamping principle is
analyzed. Robot windshield adhesive from the actual needs of production system, a set of automatic glass on the identification device can be of different types of glass specifications automatically identify and improve production flexibility. Discussed according to the design experience, this set of simple systems work the beat. Focuses on the issue of clamping position and six degrees of freedom.
Key words:automotive;automatic potting;mechanical hand
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目录
1 绪论 (1)
1.1 背景 (2)
1.2 机器人的定义及分类 (3)
1.3 涂胶机器人的发展与应用 (9)
1.4 课题的提出、目的及意义 (9)
1.5 主要研究内容 (10)
2 自动涂胶机械手工作站的总体设计方案 (11)
2.1 涂胶机器人整体设计方案解析 (11)
2.2 涂胶机器人结构方案设计 (12)
2.3本章小结 (20)
3 涂胶机械手工作站机械系统的设计 (21)
3.1 设计原则 (21)
3.2 涂胶机方案的确定 (21)
3.3 机器人涂胶工作站的总体布局 (21)
3.4 系统的工作节拍 (27)
3.5 控制系统 (28)
3.6 本章小结 (28)
4 涂胶机械手工作站控制系统的设计 (29)
4.1控制系统简介 (29)
4.2 控制系统方案介绍 (30)
参考文献 (31)
谢辞 (32)
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附录 (33)
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毕业设计作为大学里的最后一次设计任务，是一次对自己专业知识系统学习的总结与检验，旨在培养自己综合运用所学基础知识、专业知识去分析和解决实际生产中所遇到的问题的能力，树立正确的设计思想，学会运用正确的设计方法进行设计，通过运用设计标准、设计规范、手册、图册以及查阅技术资料来指导自己的设计，锻炼自己的动手能力，绘图能力，通过设计去发现问题，找到问题，解决问题，为今后走向社会打下坚实的基础。

本文是对此次设计的一个总结与说明，设计的课题为:“某型号汽车前挡风玻
璃涂胶机械手工作站设计”,是针对涂胶机械手工作站在机械设计方面展开的。

本次设计研究了涂胶机械手工作站的结构、功能，提出了设计自动涂胶机械手工作站的整体方案及功能要求。

考虑到我国工业机器人行业与国际同行有很大的差距，为
了缩小这种差距，我们必须尽心地学习、研究国际技术潮流。

本次设计正是在这样一个思想的指导下进行的。

整个设计过程中，在刘琼老师指导和同学们的大力帮助和支持下克服种种困难完成了本次设计，在学习与设计的同时也增强了自己的集体荣誉感，在此，我衷心地表示深深的感谢。

当然，由于自己知识以及能力上的欠缺，本次设计还存在一些问题和不足之处，望指导老师批评指正。

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1 绪论
1.1 背景
随着人类文明的发展和生活水平的提高，人们逐渐从体力劳动中解脱出来，集中精力于脑力劳动成为科学技术发展的主旋律。

自动化技术是主旋律中举足轻重的方面，起到了决定性的推动作用。

为此，1986年3月，由四位科学家倡议的“国家863高科技计划”中，把自动化技术列为五大主题之一。

以电子技术为基础的计算机技术的进步推动了自动化的进程，而自动化的产物是以机器人为核心的一整套生产、作业、服务及管理的系统。

在这些系统中，机器人作为自动化思想的最终执行者，是自动化思想的具体化身。

无疑机器人是自动化实现过程中的主角，它的发展程度可直接反映出自动化
技术发展的程度。

反过来自动化技术的不断积累也对机器人技术的进步起了积极的推动作用，它们是相辅相成，相互依托，密不可分的。

因此，世界各国在发展自动化进程中，均把目光投向了机器人，并以机器人的应用水平和普及程度作为衡量自动化程度的重要指标之一。

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、能在三维空间完成各种作业的机电
一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

现代化汽车的车速越来越高，对车窗玻璃安装安全性的要求也日益增加。

为了提高汽车的安全性，保障乘员的安全，防止在高速行进中急刹车或撞车时因车第 6 页共 48 页
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窗玻璃装配不牢而使乘客受到伤害，国内外均采用了车窗玻璃直接粘接工艺。

这种装配工艺使得车窗玻璃与车身结合成为一个整体，大大加强了车体的刚性，玻璃与车身结合力增加。

同时由于粘接剂直接密封，提高了车窗的密封效果。

机器人自动涂胶正是在此前提下发展起来的，机器人涂胶系统具有生产节拍快、工艺参数稳定、产品的一致性好、生产柔性大等优点。

其一般结构包括两大部分:机器人涂胶工作站、胶液供给系统。

自动涂胶机是用于大型零件平面自动涂胶的专用设备，广泛适用于汽车、摩托车、工程农机及相关零部件生产领域的平面密封和曲面空间密封粘接。

例如，大型柴油机油底壳或多种工件在一台机器上进行自动涂胶作业、汽车前后挡风窗玻璃涂
胶粘接等。

采用自动涂胶机可以快速准确、经济、清洁地完成涂胶工艺，提高产品质量，降低生产成本。

该自动涂胶机由X，Y，Z三轴数控工作台、工装夹具台、计量供胶系统和控制系统组成。

供胶系统采用气动柱塞泵对胶进行加压，输送到计量泵，计量泵对输胶量进行控制并输送到自动涂胶枪，涂胶枪通过X，Y两个伺服轴按设定轨迹和速度移动，实现在平面轨迹内的均匀涂胶Z轴用于涂胶枪的上下快速移动。

1.2 机器人的定义及分类
“现实世界里的机器人并不像文艺作品中描述的那样神通广大、与真人形似到真假难分的地步。

就目前的水平而言，机器人一般不具有人的形态。

机器人是一个通用的自动化装置。

对于机器人，国际学术界至今也没有做出统一的、公认的、文字严格的定义。

不同的专家往往给以各有侧重的说法，不同的国家也往往沿用各自习惯的解释。

有针对不同型式的机器人分别给以具体解释的定义，而认为机器人则是一种总称。

例如，日本工业机器人协会(JIRA)就列举了六种型式的机器人:手动操纵器、固定程序机器人、可变程序机器人、示教再现机器人、数控机器人、智能机器人。

英国“机器人协会”所下的定义是:机器人是一种能完成一连串复杂运动的可编程的设备。

1984年12月国际标准化组织(ISO)中的工业自动化系统委员会(TC184)所属工业用机器人分会(SC2)做出的定义是:机器人是一种自动控制下通过编程可第 7 页共 48 页
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完成某些操作或移动作业的机器。

由上可见，对于“机器人”的定义是仁者见仁，智者见智，但被国际普遍接受的是由美国“机器人工业协会”(RIA)的一批科学家于1979年提出的定义:一种可
改编程序的多功能操作机构，用以按照预先编制的能完成多种作业的动作程序运送材料、零件、工具或专用设备。

正像机器人的定义没有统一的说法一样，目前也尚未有统一的分类方法。

从不同的角度看机器人，就会有不同的分类方法。

通常，我们可以从以下几方面进行分类。

1.按照机器人从低级到高级的发展程度，可分为三代机器人。

第一代机器人主要指只能以“示教——再现”方式工作的机器人。

示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。

第二代机器人具有一定的感觉装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人做出一定的推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。

第三代机器人指具有高度适应性的自治机器人。

2.按照机器人所完成的主要功能，可以分为四类:
操作机器人这是目前工业应用最为广泛的机器人。

绝大多数工业机器人属于这一类。

其特点是模仿人手和手臂的动作，完成搬运、焊接、喷漆、打磨、抛光、检测、装配等工艺操作。

移动机器人在工业生产中轮式机器人、履带式机器人及步行机器人常用来完成运输及上、下料等任务。

比如管道机器人、水下机器人、采掘机器人等等。

这种机器人多半都装有操作手和摄像系统，以完成操作并对现场进行远距离监视。

信息机器人这是指以计算机系统为基础的智能行为模拟装置。

广义地说，这类机器人包括专家系统、翻译机、作曲机、图像识别系统、指纹识别机以及信息决策系统等。

人机机器人这类机器人和人之间存在双向闭环联系。

包括联肢机械手，装在人腿上的助行机械足，生物电控或声控假肢等。

3.按照机器人开发内容和目的区分，可以分为工业机器人、操纵型机器人、智能机器人和特种机器人四类。

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工业机器人(Industrial Robot)
工业机器人的本体主要是一只机械手臂，它直接操作的对象是末端执行器，它随操作对象的形状和材料不同而制成各种各样。

一般又从以下几方面来进行分类: 按坐标系分类:
直角坐标型如图1.1(a)所示，三个关节直线运动方向互相垂直，运动范围的图形为立方体。

优点是结构简单、定位精度高，缺点是占地面积大、操作灵活性差。

圆柱坐标型如图1.1(b)所示，可以在水平面内转动，垂直方向移动及水平方向伸缩，运动范围的图形为一个圆柱体。

优点是速度快、占地面积小，缺点是定位精度低。

极坐标型如图1.1(c)所示，这种形式的工业机器人的臂部由一个伸缩、一个俯仰和一个回转运动组成，运动范围为一个球体。

优点是运动灵活、占地面积小，缺点是结构复杂、定位精度低。

关节型如图1.1(d)所示，这种运动形式的工业机器人的臂部类似人的手臂可作几个方向的转动。

目前中小型机器人多采用这种结构。

优点是占地面积小、操作灵活性好，缺点是难于获得高精度运动。

按各关节的运动方式分:
直线运动如图1.2(a)所示，这种基本运动方式用L表示。

伸缩运动如图1.2(b)所示，这种基本运动方式用E表示。

摆角运动如图1.2(c)所示，这种基本运动方式用R表示。

扭角运动如图1.2(d)所示，这种基本运动方式用T表示。

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图1.1 按坐标系分类
图1.2 按关节的运动方式分类
按用途分类:
搬运机器人这种机器人除了搬运有毒、射性等材料外，包括为机床服务、下第 10 页共 48 页
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工件以及为自动线服务，不同流向的自动线上转运工件等。

焊接机器人用于焊接的包括点焊、弧焊、压焊、锡焊、激光焊等，它用途广，历史长。

喷漆机器人在这个领域大量应用了机器人是因为喷漆工序中雾状漆料对人体危害严重，且喷漆环境各方面条件都很差。

另外还可以提高产品质量和产品的产量，降低成本。

装配机器人这类机器人是在触觉及视觉系统不断完善的情况下出现的，可以对大规模集成电路板、发动机、电动机等进行装配。

铸造、锻压机器人等。

按驱动系统的传动方式分类:
液压式其驱动系统由油缸、电磁阀、油泵和油箱组成，由压力油借助于油缸等传动。

其特点是操作力大而体积小，动作平稳、耐冲击耐振动。

但漏油对系统的工作性能影响大。

气压式其驱动系统由气缸、气阀、气压缩机(或由气压站直接供给)和储气罐等组成。

其特点是气源方便、维修简单、易于获得高速度、成本低、防火防爆、漏气对环境无影响。

但操作力小、体积大，速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击。

电气式其驱动系统一般是由电机驱动。

优点是电源方便，信号传递运算容易、响应快、驱动力较大，适用于中小型工业机器人。

但是必须使用减速机构(如齿轮减速器、谐波齿轮减速器等)。

机械式其驱动系统由电机、凸轮、齿轮齿条、连杆等机械装置组成，传动可靠，适用于专一简单的机械手。

这种方式结构比较庞大。

按控制方式分类:
点位控制主要控制空间两点或有限多个点的空间位置，而对其运动路径没有要求。

连续轨迹控制是用连续的信息对运动轨迹的任意位置进行控制，其运动路径是连续的。

对运动轨迹有要求的工业机器人需要连续轨迹控制，如电弧焊、切割、喷涂等。

操纵型机器人
操纵型机器人是一类由人操纵进行工作的机器人，由操纵人员在工作中不停地向机器人发送操作指令，在智能和适应能力方面辅助机器人完成复杂的作业，机器人把操作对象和作业环境的状态直接地或间接地(通过监视装置)反馈给操第 11 页共 48 页
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纵人员，作为操纵人员控制机器人行为的根据。

操纵型机器人大体上可以分为以下两种类型:
能力扩大式机器人:
这种机器人用以扩大人的体力和活动范围，或弥补人的肢体功能等，例如装着式机器人和各种假肢等。

遥控机器人:
遥控机器人一般用于特殊的作业环境，例如:放射性物质、真空、有毒气体等隔离工作情况;造船、铁塔、建筑等危险工作条件;特别是宇宙开发、海洋开发用的探查工作环境。

苏联1970年向月球发送了“月球探测器1号”机器人，美国建造的“可控水下回收装置”Curv和“海洋机器人”Mobot等都是典型的遥控机器人。

智能机器人:
智能机器人是指本身能认识工作环境、工作对象及其状态，能根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立地决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。

这种机器人也就是第三代机器人，它的控制方式是一种“认知——适应”的方式。

就目前的情况来讲，能够完全自治的智能机器人还没有研制出来，但装备有许多传感装置，能感知环境的变化并能做出一定的反映的机器人确已存在。

早在60年代，美国斯坦福研究所(Stanford Research Institute，即SRI)就已研制出Shakey机器人，它是一种典型的“眼——车”系统。

特种机器人:
这一类机器人是专门为完成某一项或几项任务而制造的，大多数不具有通用性。

开发这种机器人，可着眼于基础研究的立场和面向实用化的立场。

由上可见，对于机器人的分类是没有严格界限的，所以对于不同的需要，就可以按相应的标准进行分类。

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1.3 涂胶机器人的发展与应用
涂胶机是随着汽车工业中密封工艺的改进而产生和发展的，最初变速箱、发动机壳体等密封采用纸垫，随着对密封性能要求的提高，密封工艺的改进，在密封结合面上直接涂胶代替纸垫。

同时，挡风玻璃、灯具等也需要密封涂胶。

涂胶的好坏直接影响密封的质量，人工涂胶是最原始的方法，一致性很难保证。

国外的机器人生产厂商各自推出了涂胶机器人，如日本莫托曼机器人、安川机器人、美国ABB机器人等。

我国机器人发展较晚，有北京机械工业自动化研究所工业机器人与应用技术工程研究中心的“自动化涂胶工作站”，济南未来之路信息工程有限公司的“金未来自动涂胶机”。

另外，还有与国外合资的公司也推出相应的产品。

以上涂胶机器人产品都是在机器人的基础上进行二次开发的，即用机器人作为轨迹控制，附加供胶系统。

从机器人销售情况来看，喷漆及涂胶机器人的比例基本稳定在10,或略少些。

我国涂胶机器人的比例更少，许多工厂还在人工涂胶。

1.4 课题的提出、目的及意义
目前，我国的工业机器人应用水平还很低，直接参与生产的工业机器人的数量很有限。

由于我国劳动力资源丰富、自动化普及程度相当低，厂家很难接受昂贵的自动化设备。

因此，研究与推广经济型的工业机器人已迫在眉睫。

所谓经济型就是低成本、高工作节拍、性能优良的生产设备，引进这样的设备才能使企业做到投资少，见效快。

国外的机器人在各方面的性能都已经达到相当高的水平，但价格也比较昂贵。

因此，这就要求我们设计、研制、开发自己的经济型机器人。

然而，经济性与性能是一对难以调和的矛盾，在进行工业机器人的开发过程中始终遵循经济性的基本原则，那么在机器人的零、部件及配件的选择上就势必选用一些价格比较低廉的产品。

由于零、部件的性能较差，这就给机器人的性能保证带来了较大的困难，如何选配零部件以充分发挥各部件的性能，从而得到较高的整体性能价格比，是摆在我们面前的一个重要课题。

涂胶机器人特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

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1.5 主要研究内容
涂胶机器人工作站整体方案的设计，分析交换工作台结构方案。

涂胶机器人工作站机械系统总体布局的设计，并研究各个部分的功能要求。

基于可编程序控制器
(PLC)的机电一体化自动控制系统的设计。

设计某型号汽车前挡风玻璃涂胶机械手工作站。

对前挡风玻璃进行自动涂胶。

交换工作台结构方案:1. 左右交换式工作台。

2. 旋转交换式工作台结构。

3. 上下交换式工作台结构。

三自由度的机器人结构的两种框架类型:一种是龙门式结构，工作台固定，导
轨安装在工作台两侧，横梁固定在可沿导轨移动的立柱上。

另一种是高架桥式结构:工作台固定，采用双墙式结构支撑横梁，导轨固定在高架桥上表面，横梁在导轨上运动。

电气控制系统由三个部分组成，即机器人控制、工作站控制和供胶系统控制。

机器人控制柜除控制机器人的六个电机外，还携带两个外部轴，分别控制转台和翻转机的交流伺服电机工作站控制柜是主控柜，除负责机器人外围设备的信号处理和动作控制外，还要完成三个系统之间的信号协调和控制胶液供给的控制系统相对独立、自成体系，完成压胶泵、定量泵、胶枪、清枪器、温度调节等的控制和协调。

工件定心和夹紧装置中的多个运动采用气压驱动，气缸由开关阀、三联件、电磁换向阀、单向节流阀等控制，用于夹紧的真空吸盘由组合的真空发生器控制。

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2 自动涂胶机械手工作站的总体设计方案
2.1 涂胶机器人整体设计方案解析
2.1.1 设计要求的提出
设计要求:
设计某型号汽车前挡风玻璃涂胶机械手工作站。

对前挡风玻璃进行自动涂胶。

2.1.2系统构成
具有玻璃自动对中功能的双工位转台:1个手工上料工位，1个机器人涂胶工作位
机器人:KUKA VKR 30/2
具有加热功能的供胶系统:2只200升胶桶，自动切换
系统控制器:机箱，操作面板，CANBUS/PROFIBUS总线接口单元，SIEMENS PLC S7，电气元器件
手工上料玻璃夹持器
胶枪夹持器
自动清枪器:机器人控制，用于每个工作循环后的自动清理胶枪喷嘴机械单元安全系统:安全围栏，维护用安全门，电控门锁
2.1.3工作循环:
手工上料完成后，按下“循环启动”按钮，转台旋转180度，工件转入机器人涂胶工作位:转台到位后，机器人自动开始前/后风挡玻璃的涂胶;涂胶完成后，机器人回到原点，转台自动反向旋转180度，人工下料。

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2.1.4主要技术指标
节拍:1.41 min
电压范围:三相380V?10%, 频率50Hz?1%
可靠性:大约98%
压缩空气:?0.5Mpa
环境温度:0-30?
相对湿度: 90%
2.2 涂胶机器人结构方案设计
交换工作台结构方案选择对于交换工作台的结构，提出三种方案，分别如下。

1.左右交换式工作台
左右交换式工作台中间为涂胶工位，左侧工作台和右侧工作台轮流送进的结构。

结构简图如图2.1所示。

图2.1左右交换式工作台结构简图
1-左侧机架;2-涂胶机架;3-右侧机架;4-右侧驱动机构;5-右侧准备工位;
6-工件?;7-涂胶工位;8-工件?;9-左侧准备工位;10-左侧驱动机构
基本原理如下:当左侧工作台进入涂胶工位时，右侧工作台更换涂胶工件，并做好准备;待涂胶工位的工件涂胶完毕之后，左侧驱动机构驱动左侧工作台左行，离开涂胶工位，同时右侧工作台在右侧驱动机构作用下，左行进入涂胶工位，第 16 页共 48 页
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开始涂胶;此时左侧工作台卸掉工件，并做好下一个工件的准备工作;当右侧工作台涂胶完毕之后，右行让出涂胶工位;左侧工作台右行，进入涂胶工位。

如此重复，实现左侧工作台和右侧工作台的交换。

这种方案所需交换时间短，由于左侧工作台和右侧工作台分布在涂胶工位的两侧，占地面积大。

准备工位在两侧，需要两组操作工人，不适合较大尺寸工件和较小场地的加工生产。