1、认识工业机器人认识工业机器人任务任务2 2 工业机器人操作基础工业机器人操作基础【任务实施】【任务实施】本任务主要对工业机器人的操作基础，帮助读者系统地建立工业机器人的整体概念。并在此基础上进一步熟悉操作注意事项，为实际操作打下基础。【任务目标】【任务目标】1、了解工业机器人的系统组成 2、理解工业机器人的操作基础 【知识链接】【知识链接】一、认识工业机器人的系统组成一、认识工业机器人的系统组成 工业机器人一般来说，由三大部分6个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。6个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人环境交互系统、人机交互系统和控制系统。具体而言，机械部分是
2、机器人所需要的操作机械，例如机械手腕、机械臂部、行走设备等，这是构成机器人运行的主体。大多数工业机器人有36个运动自由度，其中腕部通常有13个运动自由度。传感部分主要功能是将计算机控制命令转化成为机械语言，进而实现该命令。控制部分是按照输入流程，对驱动程序、执行机构发出指令信息，并对其进行信息控制。如图1-8所示是工业机器人组成框图。图1-8 从机械结构来看，工业机器人总体上分为串联机器人和并联机器人。串联机器人的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，如图1-9所示是串联机器人，而并联机器人一个轴运动则不会改变另一个轴的坐标原点，如图1-10所示是并联机器人。图1-9图1-10 早期的工
3、业机器人都是采用串联机构。并联机构定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构有两个构成部分，分别是手腕和手臂。手臂活动区域对活动空间有很大的影响，而手腕是工具和主体的连接部分。与串联机器人相比较，并联机器人具有刚度大、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动负荷小的优点。在位置求解上，串联机器人的正解容易，但反解十分困难；而并联机器人则相反，其正解困难，反解却非常容易。驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。根据动力源不同，驱动系统的传动方式分为液压式、气压式、电气式和机械式4种。早期的工业机器人采用液压驱动。由于液
4、压系统存在泄露、噪声和低速不稳定等问题，并且功率单元笨重和昂贵，目前只有大型重载机器人、并联加工机器人和一些特殊应用场合使用液压驱动的工业机器人。气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是气压装置的工作压强低，不易精确定位，一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。气动手抓、旋转气缸和气动吸盘作为末端执行器可用于中、小负荷的工件抓取和装配。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机，目前也有采用直接驱动电机，但是造价较高，控制也较为复杂，和电机相配的减速
5、器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。由于并联机器人中有大量的直线驱动需求，直线电机在并联机器人领域已经得到了广泛应用。机器人感知系统把机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据和信息，除了需要感知与自身工作状态相关的机械量，如位移、速度和力等，视觉感知技术是工业机器人感知的一个重要方面。视觉伺服系统将视觉信息作为反馈信号，用于控制调整机器人的位置和姿态。机器视觉系统还在质量检测、识别工件、食品分拣、包装的各个方面得到了广泛应用。感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平
6、。机器人环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然也可以是多台机器人集成为一个去执行复杂任务的功能单元。人机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置。例如：计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信号报警器等。控制系统的任务是根据机器人的作业指令以及从传感器反馈回来的信号，支配机器 人的执行机构去完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的
7、形式可分为点位控制和连续轨迹控制。二、工业机器人的操作基础二、工业机器人的操作基础 机器人是由两部分组成：机器人本体和机器人控制器（柜），如图1-11所示。图1-11 机器人本体也可以称为机械人或操作机，是工业机器人的机械主体，是用来完成规定任务的执行机构，主要由机械臂、驱动装置、传动装置和内部传感器组成。对于六轴垂直多关节机器人来说，机械臂则包括了基座、腰部、手臂（大臂和小臂）、手腕和手部。如图1-12所示，左边部分是六轴垂直多关节机器人机械臂各部分名称，那么水平多关节机器人机械臂的各部分名称，如图1-12所示。图1-12 （1）基座是机器人的支撑基础，整个执行机构和驱动传动装置都安装在基座
8、上。作业过程中，基座还要能够承受起外部作用力，臂部的运动越多基座的受力越复杂。工业机器人基座安装方式主要有两种一种是直接固定在地面上；一种是安装在移动装置上。（2）腰部一般是与基座相连接的回转机构，可以与基座做成一个整体。有时为了扩大工作空间，也可以通过导杆和导槽在基座上移动。腰部是机器人整个手臂的支撑部分，还带动手臂、手腕和末端执行器在空间回转，同时决定了它们所能到达的回转角度范围。（3）手臂是连接手臂和手腕的部分，由操作机的动力关节和连接杆等组成。它又称为主轴，是执行机构中的重要运动部件，作用是改变手腕和未端执行器的空间位置，以满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到基座。（4）手腕是连接
9、末端执行器和手臂的部分，将作业载荷传递到臂部，也称为次轴，它的作用是支撑腕部和调整或改变末端执行器的空间位姿，因此它具有独立的自由度，从而使末端执行器完成复杂的动作。机器人手腕运动一般分为回转手腕和摆动手腕，如图1-13所示，回转手腕又称R腕是一种回转关节，摆动手腕又称B腕是一种摆动关节。图1-13 通常六轴垂直多关节机器人的手腕自由度是3，这样能够使末端执行器处于空间任意姿态，如图1-14所示。图1-14 手腕由R腕和B腕组合而成。常用手腕结构形式有RBR型和3R型，其结构如图1-15所示。两种手腕结构的运用各不相同，常用的是RBR型，而喷涂行业一般采用3R型。图1-15 （5）机器人本体轴
10、可分为两类：基本轴（又称主轴），用于保证末端执行器达到工作空间的任意位置。腕部轴（又称次轴），用于实现末端执行器的任意空间姿态。六轴垂直多关节机器人的机械臂有6个可活动关节，对应6个机器人本体轴。四大机器人家族对其本体轴（六轴）的定义如图1-16所示，本体轴的类型如表1-2所示。图1-16四大四大家族家族基本轴（主轴基本轴（主轴腕部轴（次轴）腕部轴（次轴）第1轴第2轴第3轴第4轴第5轴第6轴ABB轴1轴2轴3轴4轴5轴6KUKAA1A2A3A4A5A6YASKAWAS轴L轴U轴R轴B轴T轴FANUCJ1J2J3J4J5J6表1-2 机器人控制器系统主要由主计算机板、机器人计算机板、快速硬盘、网
11、络通信计算机、示教器、驱动单元、通信单元和电力版组成。变压器、主计算机、轴计算机、驱动板、串口测量和编码器组成伺服驱动系统，对位置、速度和电机电流进行数字化调整。如图1-17所示，是工业机器人控制器框图。图1-17 机器人的控制器相当于人类的大脑，工业机器人的控制器主要包括两个部分第一是控制柜，控制柜中包含了多个PLC控制模块，用于控制机器人六轴或N轴的运动。第二就是示教器，示教器是人机掌控的连接器，可用于编程和发送控制命令给控制柜以命令机器人运动。工业机器人的控制器是由控制器硬件与控制器软件组成的，其中控制器的软件部分就相当于机器人的“心脏”。如图1-18所示，是操作机器人本体结构图。图1-
12、18认识工业机器人任务任务3 3 认识工业机器人性能和技术参数认识工业机器人性能和技术参数【任务描述】【任务描述】本任务主要讲述了工业机器人的性能特征、主要技术参数和IRB120机器人的特点、控制器、相关参数等内容。IRB120是 ABB工业机器人的典型产品，近几年已经使用于学校、培训机构等教育教学中。【任务目标】【任务目标】1、了解工业机器人的性能特征、主要技术参数 2、理解IRB120工业机器人的控制器面板、示教器、以及相关参数【知识链接】【知识链接】一、工业机器人的性能特征一、工业机器人的性能特征 相比于传统的工业设备，工业机器人有众多的优势，如易用性、智能化水平高、生产效率、安全性高、
13、易于管理、经济效益显著以及可以在高危环境下进行作业等。1、工业机器人的易用性：在我国，工业机器人广泛应用于制造业，不仅仅应用于汽车制造业，大到航天飞机的生产，军用装备，高铁的开发，小到圆珠笔的生产都有广泛的应用。并且已经从较为成熟的行业延伸到食品，医疗等领域。由于机器人技术发展迅速，与传统工业设备相比，不仅产品的价格差距越来越小，而且产品的个性化程度高，因此在一些工艺复杂的产品制造过程中，可以让工业机器人替代传统设备，这样就可以在很大程度上提高经济效率。2、工业机器人的智能化水平高：随着计算机控制技术的不断进步，工业机器人将逐渐能够明白人类的语言，同时工业机器人可以完成产品的组件，这样就可以让
14、工人免除复杂的操作。工业生产中焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制，可以满足技术产品复杂的焊接工艺及其焊接质量、效率的迫切要求。另外随着人类探索空间的扩展，在极端环境如太空、深水以及核环境下，工业机器人也能利用其智能将任务顺利完成。3、工业机器人的生产效率及安全性高：机械手，顾名思义，通过仿照人类的手型而生产出来的机械手，它生产一件产品耗时是固定的。同样的生存周期内，使用机械手的产量也是固定的，不会忽高忽低。并且每一模的产品生产时间是固定化，产品的成品率也高，使用机器人生产更符合老板利益。工厂采用工业机器人生产，是可以解决很多安全生
15、产方面的问题。对于由于个人原因，如不熟悉工作流程、工作疏忽、疲劳工作等导致安全生产隐患，统统都可以避免了。4、工业机器人易于管理，经济效益显著：企业可以很清晰的知道自己每天的生产量，根据自己所能够达到的产能去接收订单和生产商品。而不会去盲目预估产量或是生产过多产品产生浪费的现象。而工厂每天对工业机器人的管理，也会比管理员工简单得多。工业机器人可以24小时循环工作，能够做到生产线的最大产量，并且无需给予加班的工时费用。对于企业来说，还能够避免员工长期高强度工作后产生的疲劳、生病带来的请假等误工的情况。生产线换用工业机器人生产后，企业生产只需要留下少数能够操作维护工业机器人的员工对工业机器人进行维
16、护作业就可以了。经济效益非常的显著。二、工业机器人主要技术参数二、工业机器人主要技术参数 工业机器人的主要技术参数包括：自由度、工作范围、工作精度、承载能力、最大工作速度等。（1）自由度，是描述物体运动所需要的独立坐标轴的数目。自由物体在空间有6个自由度，即3个移动自由度和3个转动自由度。如果机器人是一个开式连杆系统，而每个关节运动又只有一个自由度，那么机器人的自由度数就等于它的关节数。目前生产中应用的机器人通常具有46个自由度。如图1-19所示，是IRB120机器人六轴6个自由度。图1-19 （2）工作范围，机器人的工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心运动时所能到达的所有点的集合，也叫工作区
17、域。因为末端执行器形状和尺寸多种多样，工作范围一般指不安装末端执行器时的工作区域。工作范围的形状和大小十分重要，机器人在执行作业时可能会因为手部不能到达作业死区不能完成任务。如图1-20所示，是 IRB120工业机器人的作业范围（单位：mm），其中阴影部分是其可以到达范围。图1-20 (3)工作精度，工业机器人的工作精度主要指定位精度和重复定位精度。定位精度是指工业机器人末端执行器的实际到达位置与目标位置之间的偏差。重复定位精度（又称为重复精度）是指工业机器人在同一环境、同一条件、同一目标动作及同一命令下，工业机器人连续运动若干次重复定位至同一目标位置的能力。(4)承载能力，工业机器人的承载能
18、力又称为有效负载，指机器人在工作时臂端可能搬运的物体质量或所能承受的力。当关节型机器人的臂杆处于不同位姿时，其负载能力是不同的。机器人的额定负载能力是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部所能搬运的最大质量。如表1-3所示，不同类型机器人所承载的能力。表1-3 (5)最大工作速度，机器人的最大工作速度是指机器人主要关节上最大的稳定速度或手臂末端最大的合成速度，因生产厂家不同而标注不同，一般都会在技术参数中加以说明。工作速度越高，工作效率越高，但是，工作速度越高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对机器人最大加速度的要求更高。三、三、IRB120工业机器人工业机器人 1、IRB120工业机器人
19、的控制器工业机器人的控制器 IRB120工业机器人的控制器，采用IRC5 Compact控制柜，如图1-21所示，是IRC5 Compact控制柜前面板，如表1-4所示，是IRC5 Compact控制柜前面板说明。图1-21表1-42、IRB120机器人的特点机器人的特点 IRB120是ABB新型第四代机器人家族的最新成员，也是迄今为止ABB制造的最小机器人，IRB120具有以下特点：（1）紧凑轻量。IRB120在紧凑空间内凝聚了ABB产品系列的全部功能与技术。其重量减至仅25Kg，结构设计紧凑，几乎可安装在任何地方，比如工作站内部，机械设备上方，或生产线上其他机器人的近旁。（2）易于集成。I
20、RB120仅重25kg，出色的便携性与集成性，使其成为同类产品中的佼佼者。该机器人的安装角度不受任何限制。机身表面光洁，便于清洗；空气管线与用户信号线缆从底脚至手腕全部嵌入机身内部，易于机器人集成。（3）优化工作范围。除水平工作范围达580mm以外，IRB120还具有一流的工作行程，底座下方拾取距离为112mm。IRB120采用对称结构，第2轴无外凸，回转半径极小，可靠近其他设备安装，纤细的手腕进一步增强了手臂的可达性。（4）快速、精准、敏捷。IRB120配备轻型铝合金马达,结构轻巧、功率强劲，可实现机器人高加速运行，在任何应用中都能确保优异的精准度与敏捷性。（5）紧凑型控制器。ABB新推出的
21、这款紧凑型控制器高度浓缩了IRC5的顶尖功能，将以往大型设备“专享”的精度与运动控制引入了更广阔的应用空间。除节省空间之外，新型控制器还通过设置单相电源输入、外置式信号接头（全部信号）及内置式可扩展16路O系统，简化了调试步骤。离线编程软件 Robotstudio可用于生产工作站模拟，为机器人设定最佳位置，还可执行离线编程，避免发生代价高昂的生产中断或延误。小型机器人的最佳“拍档”。（6）缩小占地面积。紧凑化、轻量化的IRB120机器人与IRC5紧凑型控制器这两种新产品的完美结合，显著缩小了占地面积，最适合空间紧张的应用场合。（7）用途广泛。IRB120广泛适用于电子、食品饮料、机械、太阳能、
22、制药、医疗、研究等领域，进一步增强了ABB新型第四代机器人家族的实力。这款6轴机器人最高荷重3kg（手腕（五轴）垂直向下时为4kg），工作范围达580mm,能通过柔性（非刚性）自动化解决方案执行一系列作业。IRB120是实现高成本效益生产的完美之选，在有限的生产空间其优势尤为明显。3、IRB120工业机器人参数工业机器人参数 IRB120工业机器人已被用于学校教育教学和企业实践培训等，因此可以通过使用手册进行查找此机器人的使用说明和技术参数。如下表所示是ABB IRB120工业机器人参数示例表。规格规格型号型号IRB120-3/0.6IRB120-3/0.6工作范围580mm有效载荷3kg（4
23、kg）手臂载荷0.3kg特性集成信号源手腕设10路信号集成气源手腕设4路空气（5bar）重复定位精度0.01mm机器人安装任意角度防护等级IP30控制器IRC5紧凑型/IRC5单柜型运动范围轴1旋转工作范围：+165-165；最大速度250/s轴2手臂工作范围：+110-110；最大速度250/s轴3手臂工作范围：+70-90；最大速度250/s轴4手腕工作范围：+160-160；最大速度320/s轴5弯曲工作范围：+120-120；最大速度320/s轴6翻转工作范围：+400-400；最大速度420/s电气连接电源电压200600V，50/60Hz变压器额定功率3.0kVA功耗0.25kW物
24、理特性机器人底座尺寸180mmX180mm机器人高度700mm质量25Kg认识工业机器人任务任务4 4 工业机器人关键技术、安装与调试工业机器人关键技术、安装与调试【任务描述】【任务描述】本任务主要对工业机器人的关键技术以及安装与调试方法进行介绍，读者要在理解工业机器人关键技术的基础上，了解其安装与调试方法。同时，特别注意对安全注意事项学习，为实际操作打下基础，树立安全意识。【任务目标】【任务目标】1、理解工业机器人的关键技术 2、了解工业机器人的安装过程 3、了解工业机器人的调试 方法【知识链接】【知识链接】一、工业机器人的关键技术一、工业机器人的关键技术1、本体设计关键技术、本体设计关键技
25、术 （1）传动结构设计。拟定总体方案，确定机器人的结构形式，并据此进行初步的传动结构设计，零件结构设计，三维建模。要求设计者对机器人常见的结构形式，常见的传动原理和传动结构，减速器的类型和特点非常的熟悉和了解，要有较强的结构设计能力和经验。（2）减速器选型。要对减速器的结构类型，性能参数的含义有深刻理解，会对减速器进行选型和计算校核。要会对减速器进行检测、测试，检测的内容主要包括噪音、抖动、输出扭矩、扭转刚度、背隙、重复定位精度和定位精度等。减速器的振动会引起机器人末端的抖动，降低机器人的轨迹精度。减速器振动有多种原因，其中共振是共性的问题，机器人企业必须掌握抑制或者避免出现共振的方法。（3）
26、电机选型。必须要对电机的工作特性非常了解，并会对电机扭矩、功率、惯量进行计算和校核。（4）仿真分析。进行静力学和动力学的仿真分析，对电机、减速器的选型校核，对本体零部件进行强度、刚度校核，降低本体重量，提高机器人工作效率，降低成本。对三维模型进行模态分析，计算出固有频率，有助于进行共振抑制。（5）可靠性设计。结构设计采用最简化设计原则；本体铸铁件采用综合性能较好的球墨铸铁材料，铸铝件采用流动性好的铸造材料，采用金属模铸造；装配要有详细的装配工艺指导书，装配过程中有部件和单轴的测试；装配完后要有整机性能测试和耐久拷机测试；提高整机的防护等级设计，提高电柜的抗干扰能力，以适用不同工作环境的使用。2
27、、电机伺服关键技术、电机伺服关键技术 （1）电机。轻量化。对机器人来说，电机的尺寸和重量非常敏感，通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究，提高伺服电机的效率，减小电机空间尺寸和降低电机重量，是机器人电机的关键技术之一。高速。在减速比不能较大调整的情况，电机的最高转速则直接影响着机器人的末端速度和工作节拍；而且速比太低会影响电机的惯量匹配，因此提高电机的最高转速也是机器人电机的关键技术之一。直驱、中空。随着协作机器人的不断成熟和推广，机器人结构的轻量化、紧凑化要求提高，发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机也是未来的趋势。（2）伺服。快速响应，精确定位。伺
28、服的响应时间直接影响到机器人的快速起停效果，影响机器人的工作效率和节拍。无传感器方式实现弹性碰撞。安全性是衡量机器人性能的一个重要指标。加入力或力矩传感器会使结构更复杂，成本更高，基于编码器、电机电流耦合关系的无传感弹性碰撞技术，可以在不改变本体结构，不增加本体成本的条件下，在一定程度上提高机器人的安全性。驱动多合一、驱控一体。驱动多合一，多核CPU多轴驱控一体化集成技术，提高系统性能，降低驱动体积与成本。在线自适应抖振抑制。工业机器人悬臂结构极易在多轴联动、重载及快速起停时引起抖动。机器人本体刚度要与电机伺服刚度参数相匹配，刚度过高，会造成振动，刚度过低会造成起停反应缓慢。机器人在不同的位置
29、和姿态，以及在不同的工装负载下刚度都不一样，很难通过提前设置伺服刚度值能满足所有工况的需求。在线自适应抖振抑制技术，提出免参数调试的智能控制策略，同时兼顾刚度匹配、抖振抑制的需求，可以抑制机器人末端抖动，提高末端定位精度。3、控制关键技术、控制关键技术 （1）运动解算及轨迹规划。运动求解，最佳路径规划，提高机器人的运动精度和工作效率。（2）动力学补偿。一般工业机器人是一个串联悬臂式结构，刚性弱，运动复杂，容易发生变形和抖动，是一个需要运动学和动力学相结合的课题。为了改善机器人的动态性能和提高运动精度，机器人控制系统必须建立动力学模型，进行动力学补偿。补偿的内容主要包括重力补偿、惯量补偿、摩擦补
30、偿、耦合补偿等。（3）标定补偿。机器人机械本体由于加工误差和装配误差的原因，难以避免会和理论数学模型存在偏差，会降低机器人TCP精度和轨迹精度，如在焊接和离线编程使用时会受到严重影响。通过检测和算法标定补偿机器人的模型参数，可以较好地解决此问题。（4）工艺包完善。控制系统要与实际工程应用相结合，系统除不断升级，功能更加强大外，还要根据行业应用的需求不断开发和完善工艺包，有利于积累行业工艺经验，对客户来说使用更方便，操作更简单，效率更高。二、工业机器人的安装二、工业机器人的安装 结合工作实际经验，在工业机器人安装过程中，必须要做好以下三个方面的工作。（1）了解程序。在实际安装前，相关人员要对工业
31、机器人的工作程序有详细的了解，明确工业机器人设备零部件之间有哪些关系，哪些设备之间的尺寸位置要做到丝毫不差，而哪些可以适当放宽标准。此外还需对安装图纸进行细化分析，要掌握工业机器人的工作原理和功能结构，并在安装前寻找适当的工具和设备，这样才能更好地为安装效果提供保障。（2）制定方案。要结合现场的实际生产情况，对每台工业机器人安装制定详细的方案，同时还应该制定相关的应急方案，确保面面俱到，放矢有度。此外在实际安装前，还应该制定相关的作业指导书，要在作业指导书中明确具体的操作规程、操作要点、需要人员和自检要求等，从而为工业机器人设备安全提供统一依据。同时作业指导书一式多份，如生产公司、监理部门、安
32、装调试部门、现场安装部门等，都应该各自保留一份，这样若是今后出现相关问题，才能有责可追，避免相互扯皮的问题发生。（3）认知执行。主要是指每安装完一条工业机器人设备，都需要进行详细的复查，如在安装完工业机器人的连接设备时，就需要对已经安装好的零部件进行关键尺寸的详细复查，这样可以避免因尺寸变化而造成整体返工的问题出现。而在所有的工业机器人设备全部安装结束后，还应该进行一次全面的自检，要尽量在后期调试之前，及时发现问题，并针对性地做出解决，从而达到安装验收一次性合格的高标准，从而为工业机器人设备安装进度提供保障，确保工业机器人设备安装可以在规定的工期内完成。三、工业机器人的调试三、工业机器人的调试
33、 在工业机器人安装结束后，投入实际生产工作前，进行现场调试校准就显得至为重要，具体而言，调试工作主要包括以下两个方面。（1）对工业机器人各轴进行归零调试。机器人在安装出厂后，工业机器人各轴未必是归零的，这样的机器人若是直接投入生产使用，各轴的重心可能没有准确的固定在支撑点上，生产过程中就有可能导致倾斜，这不仅会对正常的工业生产造成影响，同时可能还会危及工作人员的生命安全，因此对工业机器人各轴进行归零调试是十分必要的。通常情况下，工业机器人的各个轴臂上会留下回零点的标志，只需操作各轴回到该位置，就表示各轴调试归零，另外在机器人的底座上也会贴有各轴原点6个轴对应的角度，这都是调试中的重要参考依据。
34、但具体的调试还需根据现场环境和需要完成相关的调试人员可以特定规划出一条合理的归零“路线”，再通过示教器依次将机器人移动到各个点，然后对相关数据进行记录，最后调试人员结合自身的校对经验反复实验，将工业机器人各轴按照实际生产作业要求进行归零调试。（2）对工业机器人进行信号处理调试。现代该改良版的工业机器人可按照人工智能的方式，根据指定的原则纲领自动化操作，如可根据接收到的信号，完成信号指令规定的运行轨迹，从而快速适应新的环境。而工业机器人系统并不是单独使用的，在工业机器人投入生产的过程中，必须要与其他外围设备联系在一起，而这些外围设备上的信号必须要通过CC-link和工业生产机器人系统信号联系在一
35、起。因此在机器人安装出厂后，投入实际生产使用前，对工业机器人进行信号处理调试是十分必要的一个环节。具体而言，调试的过的任务做出特定的分析，如在这个过程中，程中，需要对CC-link进行设置，但需要注意的是，调试人员设置的CC-ling信号必须要与PCC的型号、主站、从站、站信息保持一致，同时在信号设置结束后，还需要对所有信号进行列表化处理，并且在PLC编程时进行注释，要经过这样的信号调试后，工业机器人才能正式投入生产使用。【单元导读】【单元导读】随着时代的发展和科技的进步,机器人已经广泛应用于多个领域。在日常生活中,机器人给我们带来了很多方便和快乐;在工业领域,机器人的应用早已非常普遍,实现了
36、办公作业高度自动化,推动着各行各业快速发展。现在,在工业全球化理念的驱使下,各个国家和地区的工业市场竞争非常激烈。我国在2015年提出“中国制造2025”这一宏大计划,将机器人列为十大重点发展领域之一。2016年12月,工业和信息化部制定了工业机器人行业规范条件,旨在加强工业机器人产品质量管理,从综合条件、企业规模、质量要求、研发创新能力、人才实力等方面对工业机器人本体生产企业和工业机器人集成应用企业提出要求,并且得到了国家和地方在政策上的大力支持。可见,国家非常重视和支持工业机器人领域的教育与发展,工业机器人应用前景广阔。本单元共4个任务,主要讲述了工业机器人的发展、分类、应用、操作基础,以
37、工业机器人的性能、技术参数、安装调试等,有助于读者对工业机器人有一个综合性的认识。任务任务1 1 工业机器人的发展、分类和应用工业机器人的发展、分类和应用【任务实施】【任务实施】本任务首先对工业机器人的基本概念和发展情况做一介绍,使读者对工业机器人有个初步的认识,然后讲解工业机器人的分类和应用,使读者对工业机器人的实际应用情况有一个形象的认识。【任务目标】【任务目标】1、了解工业机器人的概念和发展趋势 2、了解工业机器人的分类和应用 【知识链接】【知识链接】一、工业机器人的概念一、工业机器人的概念 工业机器人是指应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,通常由机械结构、伺服电动机、减速
38、机和控制系统组成,能自动执行工作,是一种靠自身动力和控制能力来实现多种功能的机器。它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行，现代工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则和纲领行动。如图1-1所示，为典型的工业机器人。图1-1 各组织及群体对工业机器人的定义如下表所示。组织及群体组织及群体定义定义美国机器人协会一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务的，并具有编程能力的多功能操作机日本机器人协会一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动我国科学家一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似智能能力，如感知
39、能力，规划能力，动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器国际标准化组织一种仿生的、具有自动控制能力的、可重复编程的多功能、多自由度的操作机械二、工业机器人的显著特点：二、工业机器人的显著特点：（1）可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2）拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感
40、器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。（3）通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。（4）综合性。工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发
41、展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。三、工业机器人的发展三、工业机器人的发展1 1、工业机器人在美国的发展工业机器人在美国的发展 1959年美国乔治.德沃尔与发明家约瑟夫.英格伯格联手制造出世界上第一台工业机器人，随后第一个工业机器人公司Unimation在美国诞生，公司名字是“universal”和“animation”缩写，意思是“万能自动”，开创了机器人发展的新纪元。2 2、工业机器人在日本的发展工业机器人在日本的发展 1965年MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构
42、研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，之后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。3 3、工业机器人在德国的发展工业机器人在德国的发展 德国工业机器人的数量占世界第三，仅次于 日本和美国，其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。目前在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人经推广应用成为主流安装机型，而第三代智能机器人已占有一定比重并成为发展的方向。德国的KUKA Roboter Gmbh公司是世界上几家顶级工业机器人制造商之一。1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。4 4、工业机器人在瑞典的发展、工业机器人在瑞典的发展
43、瑞典的ABB公司（全名是Asea Brown Boveri译为艾波比集团公司）是世界上最大机器人制造公司之一。1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。1975年生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，其机器人产品趋于完备。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。世界上的机器人供应商分为日系和欧系。5 5、工业机器人在我国的发展、工业机器人在我国的发展 我国工业机器人起步于上世纪70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期；80年代的开发期；90
44、年代的实用化期。中国科学院沈阳自动化研究所，是我国最早研制机器人与人工智能的科研单位。1979年，沈阳自动化研究所在全国率先提出了研制机器人的方案，并付诸行动。1982年4月，我国第一台示教再现工业机器人样机研制成功，可重复再现通过人工编程存储起来的作业程序。十八大以来，我国机器人市场进入高速增长期，2014年，我国首创了重载双移动机器人系统，能让两个40吨的重载AGV（自动导引车）协同工作；2017年，我国首台拥有自主知识产权的真空机器人研制成功，可以在真空环境下水平移动重达16公斤的半导体材料。我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器
45、人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。四、工业机器人的技术趋势四、工业机器人的技术趋势 目前,工业机器人技术正朝着模糊控制、智能化、通用化、标准化、模块化、高精化、网络化及自我完善和修复能力等方向发展。第一,模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。第二,工业机器人的组件及构件实现通
46、用化、标准化、模块化是降低成本的重要途径之。第三,随着制造业对机器人要求的提高,开发高精度工业机器人是必然的发展趋势。第四,目前应用的机器人大多仅实现了简单的网络通信和控制功能.如何使机器人由独立的系统向群体系统发展,实现远距离监控、维护及遥控是目前机器人研究的热点之一。第五,机器人应该具有自我修复的能力,这样才能更好地避免因为突发状况而导致的生产停顿。当出现错误指令时应能够自行报警或调试;当元器件损坏时可以自行修复。五、工业机器人的分类五、工业机器人的分类1 1、按照技术等级分类可分、按照技术等级分类可分3 3种：种：（1）示教再现机器人：第一代工业机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺
47、序和速度重复作业。示教分为两种形式：一种可由操作员手把手示教，即操作人员握住机器人上的喷枪，沿喷漆路线示范一遍，机器人动作中记住这一连串运动，工作中自动重复这些运动，从而完成给定位置的涂装工作。另外一种通过示教器示教，即操作人员利用示教器上的开关或按键来控制机器人一步一步运动，机器人自动记录，然后重复。（2）感知机器人：第二代工业机器人程具有环境感知装置，对外界环境有一定感知能力，并且具有听觉、视觉、触觉等功能。工作时根据感觉器官（传感器）获得信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作，目前已经进入应用阶段。（3）智能机器人：第三代工业机器人具有发现问题,并且能自主地解决问题
48、的能力,尚处于实验研究阶段。2 2、按照结构坐标特点分类可分、按照结构坐标特点分类可分4 4种：种：（1）直角坐标机器人：机器人的手部在空间3个相互垂直的X、Y、Z方向移动，构成一个直角坐标系，运动是独立的（有3个独立自由度），其动作空间为一长方体。如图1-3所示，其特点是控制简单、运动直观性强、易达到高精度,但操作灵活性差、运动的速度较低、操作范围较小而占据的空间相对较大。（2）圆柱坐标机器人：机器人机座上具有一个可水平旋转基座，在基座上装有互相垂直的立柱和水平臂，水平臂能上下移动和前后伸缩，并能绕基座旋转,在空间构成部分圆柱面（具有一个回转和两个平移自由度），如图1-4所示，其特点是其工作
49、范围较大、运动速度较高但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。图1-2图1-3 （3）极坐标机器人（球坐标型）：机器人工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴做俯仰运动，且能沿手臂轴线做伸缩运动（其空间位置分别有旋转、摆动和平移3个自由度）如图1-5所示，著名的Unimate机器人就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和圆柱坐标机器人，但仍大于多关节坐标机器人，操作比圆柱坐标机器人更为灵活。（4）多关节坐标机器人：机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。其特点是操作灵活性好、运动速度髙、操作范围大，对喷涂、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广
50、。摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。目前世界工业界装机最多的多关节机器人是串联关节垂直六轴机器人，如图1-6所示，和SCARA型四轴机器人。图1-4 图1-5 垂直多关节机器人：操作机由多个关节连接的机座、大臂、小臂和手腕等构成,大、小臂既可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动。模拟了人类的手臂功能，手腕通常由2-3个自由度构成。其动作空间近似一个球体，所以也称为多关节球面机器人。其优点是可以自由地实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状的轨迹。水平多关节机器人：在结构上具有串联配置的两个能够在水平面内旋转的手臂，自
