工业机器人集成系统终PPT学习课件

1、工业机器人系统组成与产业化应用 -工业机器人集成控制系统 序 人类文明进步和发展的标志： 1、工具机器人；2、文字信息技术。 20世纪是计算机的时代； 21世纪是机器人的时代。 比尔盖茨 机器人=自动化装置 （Automatic Device） 1 工业机器人概论工业机器人概论 工业机器人系统就是把工业机器人本体（机械）、机器人控制器（硬件）、控制软件和应用软件 （软件）与机器人周边设备结合起来，应用于焊接、搬运、插装、喷涂、机床上下料等工业自动化领域。 1.1 1.1 工业机器人简介工业机器人简介 焊接机器人焊接机器人喷涂机器人喷涂机器人 码垛机器人码垛机器人装配机器人装配机器人 工业机器人

2、分类工业机器人分类 工业机器人组成工业机器人组成 消除枯燥无味的工作，降低工人的劳动强度；消除枯燥无味的工作，降低工人的劳动强度； 增强工作场所健康安全性，从事特殊环境下的操作，减少劳资纠纷；增强工作场所健康安全性，从事特殊环境下的操作，减少劳资纠纷； 提高自动化程度，减少工艺过程中停顿的时间；提高自动化程度，减少工艺过程中停顿的时间； 提高对零部件的处理能力，保证产品质量，提高成品率；提高对零部件的处理能力，保证产品质量，提高成品率； 提高自动化生产效率，便于调整生产能力，实现柔性制造。提高自动化生产效率，便于调整生产能力，实现柔性制造。 工业机器人作用和优点 工业机器人在工业生产中能代替人

3、做某些单调、频繁和重复的长时间作业或是危险、恶劣工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业或是危险、恶劣 环境下的作业，例如在焊接、涂装、机械加工和装配等工序上，以及完成对人体有害物料环境下的作业，例如在焊接、涂装、机械加工和装配等工序上，以及完成对人体有害物料 的搬运或工艺操作。工业机器人能够提升生产的效率和产品的质量，是企业补充和替代劳的搬运或工艺操作。工业机器人能够提升生产的效率和产品的质量，是企业补充和替代劳 动力的有效方案。动力的有效方案。 作 用 优 点 应用行业应用行业应用类型应用类型 汽车产业汽车产业弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、切割弧焊、点焊、装配、搬运

4、、喷漆、切割 电子电器电子电器搬运、洁净装配、自动传输、打磨、真空封装、拾取搬运、洁净装配、自动传输、打磨、真空封装、拾取 化工纺织化工纺织搬运、包装、码垛、称重、检测、切割、研磨、装配搬运、包装、码垛、称重、检测、切割、研磨、装配 食品饮料食品饮料普通包装、搬运、真空包装普通包装、搬运、真空包装 塑料轮胎塑料轮胎上下料、去毛边上下料、去毛边 冶金钢铁冶金钢铁搬运、码垛、铸件去毛刺、浇口切割搬运、码垛、铸件去毛刺、浇口切割 家具家电家具家电装配、搬运、打磨、喷漆、切割、雕刻装配、搬运、打磨、喷漆、切割、雕刻 海洋勘探海洋勘探维修、建造、拆卸维修、建造、拆卸 工业机器人应用 全球机器人发展全球机

5、器人发展 状况状况 发展历程发展历程 行业发展行业发展 机器人机器人 市场格局市场格局 机器人机器人 竞争格局竞争格局 研发趋势研发趋势 第五阶段（第五阶段（21世纪及未来）世纪及未来） 智能化时期新技术不断发展 第四阶段（第四阶段（20世纪世纪90年代到年代到21世纪）世纪） 产业发展期机器人产品多样化，市场趋于成熟 第三阶段（第三阶段（20世纪世纪70-80年代）年代） 产业形成期大批量生产 第二阶段（第二阶段（20世纪世纪60年代）年代） 产业孕育期 小批量生产形成 第一阶段（第一阶段（20世纪世纪50-60年代初年代初） 技术准备期第一台工业机器人在美诞生 1.2.1 1.2.1 全球

6、工业机器人发展历程 类型类型发展发展模式模式特点特点 日本模式日本模式产业链分工发展产业链分工发展 机器人制造厂以开发新型机器人的批量生产优质产品机器人制造厂以开发新型机器人的批量生产优质产品 为主要目标，并由其子公司或社会上的集成工程公司为主要目标，并由其子公司或社会上的集成工程公司 来设计制造各行业所需要的机器人成套系统来设计制造各行业所需要的机器人成套系统 欧洲模式欧洲模式交钥匙工程交钥匙工程 机器人的生产和用户所需要的系统机器人的生产和用户所需要的系统的的设计制造全部由设计制造全部由 机器人制造厂商自己完成机器人制造厂商自己完成 美国模式美国模式 集成应用，采购与成套集成应用，采购与成

7、套 设计相结合设计相结合 美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要 机器人通常由工程公司进口，再自行设计机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套制造配套 的外围设备的外围设备 美美、日日、欧欧盟工业盟工业机器人产业发展已经完成了前四个阶段并形成了各自的产业机器人产业发展已经完成了前四个阶段并形成了各自的产业 模式模式。 服务机器人市场，代表性企业有专注于医疗 机器人的直觉外科公司、制造军用和家用机 器人的IROBOT公司等 工业机器人本体市场，四大企业占比超过 50% 工业机器人集成市场除了四大企业外还工业机器人集成市场除了四大企业外还

8、 有德国的杜尔、莱斯、意大利的柯马等有德国的杜尔、莱斯、意大利的柯马等 主要国家机器人技术优势领域比较 机器人类型机器人类型日本日本韩国韩国欧盟欧盟美国美国 工业机器人极为突出一般很突出一般 仿人型机器人极为突出很突出一般一般 家用机器人极为突出很突出一般一般 服务机器人突出很突出突出突出 生物医疗机器人一般一般很突出很突出 航空机器人一般不突出突出极为突出 （万台） （年） （台/万人） 1机器人操作机结构的优化设计技术：机构向模块化、可重构方向发展； 2机器人控制技术：重点研究开放式、模块化控制系统； 3多传感系统融合技术：研究热点在于多传感器融合算法； 4机器人遥控及监控技术：机器人半自

9、主和自主控制技术，多机器人和 操作者之间的协调控制技术； 5多智能体控制技术：主要对多智能体的群体体系结构、群体行为控制等 方面进行研究； 6微型和微小机器人技术：研究主要在系统结构、运动方式、控制方法、 传感技术、通信技术以及行走技术等方面。 中国工业中国工业 机器人机器人 发展现状发展现状竞争格局竞争格局研发趋势研发趋势 与全球机器人发与全球机器人发 展差距展差距 上海中国国际机器人展（上海中国国际机器人展（CIROS2015 ） -新松机器人新松机器人 上海中国国际机器人展上海中国国际机器人展（CIROS2015 ） -埃夫特机器人埃夫特机器人 上海中国国际机器人展上海中国国际机器人展（

10、CIROS2015 ）-广州数控机器人广州数控机器人 截止2014年中国工业机器人保有量17.5万台，预计2015年增至 23.5万台 国内工业机器人保有量 （年） （万台） 中国工业机器人不同领域需求 中国工业中国工业 机器人竞机器人竞 争格局争格局 技术领先实技术领先实 力雄厚力雄厚 实力雄厚研实力雄厚研 发实力突出发实力突出 创新不足技创新不足技 术受限术受限 川崎、现代、柯马、 不二越、松下 新松、博实、 首钢莫托曼、 埃夫特 库卡、发那科、ABB 2013年中国工业机器人销量年中国工业机器人销量36560 台，其中本土品牌机器人销量台，其中本土品牌机器人销量9500 台台 2014年

11、年47500台，本土品牌台，本土品牌16900台台 中国工业机器人销售情况 1.现代精密加工以及装配技术的研究； 2.精密减速器、伺服电机性能及可靠性技术； 3.工业机器人新型控制器技术： 研发具有自主知识产权的先进工业机器人控制器。研究具有高 实时性、多处理器并行工作的控制器硬件系统；设计基于高性 能、低成本总线技术的控制和驱动模式；深入研究先进控制方 法，提高系统高速、重载、高跟踪精度等动态性能。 高精度机器人减速机： 基本依赖进口 伺服电机和驱动器： 大多需要进口 机器人控制器： 性能与国外差距较大 5/1/2021 谐波、谐波、RV减速器减速器 精度不够精度不够 精密减速机、 交流伺服

12、电机、 控制器是机器人的关键 核心部件 全球机器人行业，75%的精密减 速机被日本的Nabtesco和Harm onic Drive垄断，日本的 Nabtesco在工业机器人关节领域 拥有60%的市场占有率 交流伺服电机及控制器基本上被 日本、德国、美国垄断，日本的 安川、松下，德国西门子，美国 Delta Tau公司的PMAC 趋势趋势 趋势之一：趋势之一： 重载、高速、高精度重载、高速、高精度 趋势之二：趋势之二： 智能化智能化 趋势之三：趋势之三： 信息化、网络化信息化、网络化 趋势之一：重载、高速、高精度 M-2000iA系列是世界上最大的可搬 运超重物体的机器人，一次可举起 1200

13、公斤重，重复精度达0.3 mm， 能够做到更快、更稳、更精确地移 动大型部件。 M-2000iA/1200配备有摄像机和高灵 敏度的“手指”。 趋势之二：趋势之二：智能化智能化 NEXTAGE可以自由移动，更加智能化。 NEXTAGE的功能主要体现在上半身，身高 730mm，肩宽576mm，体重20kg，有15个电 机（头部2个、腰部1个、两支手臂各有6 个），单臂最大有效载荷为1.5kg。 NEXTAGE头部装有视觉传感器，能够定位 识别自己的位置，通过CAN总线与控制系统 通信。 趋势之三：趋势之三：信息化、网络化信息化、网络化 机器人 1 服务工程师 机器人 2机器人 3 视频 监视 服

14、务器服务器 PC工作站 客户工程师 无线局域网诊断用笔记本 电脑 ISDN 调制解调器 互联网 远程网 无线局域网 局域网 视频 监视 视频 监视 视频 监视 ISDN 调制解调器 互联网 PC工作站 PC-控制 PC-控制PC-控制 1 1、集中控制系统、集中控制系统 用一台计算机实现全部的控制功能，充分利用了PC资源开放性；多种控制卡、传感 器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。易于实 现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。系统 控制缺乏灵活性，系统实时性差，可靠性低。 机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统，按照控制

15、方式可以分为以 下三种控制系统： 3、分散控制系统 按系统的性质和方式将系统分成几个模块，每一个模块有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可是主从关系， 也可是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方 式。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统 的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以又称为集散控制系统或分散控 制系统。 2、主从控制系统 采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所

16、有关节的动作控制。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。 机器人集成系统优势： 机器人普及为系统集成企业带来发展机遇机器人普及为系统集成企业带来发展机遇 设备自给化率高的系统集成企业受益更大设备自给化率高的系统集成企业受益更大 看好汽车、电子、物流与仓储领域的需求空间看好汽车、电子、物流与仓储领域的需求空间 基于基于PMAC 运动控制卡的机器人控制系统，采用运动控制卡的机器人控制系统，采用IPC+DSP 的结构来实现机器人的控制的结构来实现机器人的控制 PMAC是program multiple axis controller 可编程 多轴运动控制卡

17、，是集运动轴控制和PLC控制以 及数据采集的多功能的运动控制产品 2.1 PMAC 集成控制系统 PMAC PMAC 集成控制系统示例集成控制系统示例 PMAC PC/HMI 用用户户界面界面放大器放大器 机械输入机械输入/ /输出输出 USB Ethernet Serial PCI VME总线总线 Local General Purpose I/Os / Built-in Analog / digital / Fieldbus 10V PWM PFM Sinusoidal Fieldbus Brush Brushless Induction Stepper 通讯通讯: : 机械机械 I/O:

18、I/O: 命令输出命令输出: : 电机类型电机类型: : A quad B, Sinusoidal, Serial, Resolver, Incremental, Absolute 反馈反馈: 电机电机/ /编码器编码器 机器人控制系统 上位机程序 人机 界面 轨迹 规划 正运动学和 逆运动学运 算 PTPCP 三维 仿真 示教 再现 与下位机通 讯 运动 状态 监控 控制 指令 下载 下位机程序 伺服 控制 伺服 终端 伺服 插补 与上位机通 讯 上传 关节 信息 获取 指令 信息 扫描仪电话上网打印机 ProfibusInterbusCANopenDeviceNetLightbus Ser

19、cos Ethernet DOS / WindowsXP/ CE I/O 映射 应用程序平台 操作员界面 Windows 应用程序 程序开发平台 System Manager PLC NC PTP I/O Server PLC Server NC PTP Server 实时核扩展 用户模式用户模式 VGA 显示器 ModemRS 232 C并行口局域网软 盘硬盘 传统控制组成 硬件: 可视化 PC, PLC, NC/CNC 模块, 微处理器系 统 软件: 多个操作系统, 编程语言, 编程系统 接口: 在硬件设备之间, 在软件系统之间, 集中式配 电柜 成本 100% 40% 传统PCC 复杂性

20、 传统 100% 60% PCC 降低 - 40% 降低 - 60% PC 控制组成 硬件: PC 和现场总线, 支持所有标准 软件: Windows CE 操作系统, PLC, NC PTP, TwinCAT 应用程序: Windows 软件产品和 C, C+, VB, Delphi 接口: 标准化软件接口, 分布式配电柜 优点： 成本低 减少了组件： 可靠性增加, 改善了互换性 降低复杂性： 减少工程量, 把较多的时间 用于过程的优化上 系统比较 PC 硬件是标准化的和可互换的 现场总线 I/O 通过现场总线实现标准化，因此可互换 因特处理器系列和微软操作系统保持了连续性 PC 控制提供了

21、 PLC，NC，闭环控，. ，在标准硬件上完成项目应用 独立于硬件供应商 独立于硬件供应商 对软件和专项技术的投资得到长期保护 某一厂家的所有设备采用同一个标准的硬件平台 机器 1 服务工程师 机器 2机器 3 PC-控制 视频 监视 服务器服务器 PC 工作站 客户工程师 无线局域网诊断用笔记本 电脑 ISDN 调制解调器 互联网 远程网 无线局域网 局域网 视频 监视 视频 监视 视频 监视 ISDN 调制解调器 互联网 PC-控制PC-控制 PC 工作站 分为 4- IT 系统: 基于PC 并采用 NT 技术的系统: 管理层 过程管理 过程监视 过程控制 局域网 IT 管理层 服务器服务

22、器生产模型生产模型 PC-控制控制PC- 控制控制PC用作传统PLC PC 工作站工作站 主控系统: 基于Win CE的 PC 控制 PC 技术 I/O: 开放的现场总线系统 工业PC控制技术信息技术与自动化技术完美结合 开放式结构的机器 人控制系统, 需要 建立一个开放的、 标准的、经济的、 可靠的软硬件平台。 基于标准总 线结构, 具 有可伸缩性 具有必要的 实时计算能 力 要求硬件系 统模块化, 便于添加或 更换各种接 口、传感器 等 低成本 硬件 可移植性, 便于升级和 软件复用 交互性和分 布性 效率 软件 可扩展性(Extensibility )：系统可以灵活地增加硬件设备控制接口

23、来实现功能 的拓展和性能的提高； 互操作性(Interoperability)：控制器的核心部分对外界应该表现成为一个符合 一定标准的计算机，它能与外界的一个或多个计算机交换信息； 可移植性(Portability )：机器人的应用软件可以在不同环境下互相移植； 可增减性(Scalability )：机器人系统的性能和功能可以根据实用需求很方便地 增减。 软件设计任务包括 PC 端控制软件设计；控制软件包括 GUI 设计、核心控制算法设 计、通信控制软件设计。 以EtherCAT开发为例，开发一般都是采用TwinCAT 作为主站。 TwinCAT提供了强大的EtherCAT主站功能，包括XML

24、文件、EEPROM配 置文件的读取/下载、EtherCAT从站设备的扫描查看等。使用TwinCAT查 看EtherCAT从站设备的结果。由于TwinCAT软件是基于Windows风格， 有着良好的人机界面，并且功能强大，非常便于从站设备的开发。 2.4 机器人集成控制系统举例 焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。 主要由机器人本体、控制系统、焊接系统、 焊接传感器及系统安全保护部分、周边设备 组成。智能机器人还应有传感系统，如激光 或摄像传感器及其控制装置等。 机械本体： 采用6自由度的关节机器人，前 3个自由度（1、2、3轴）用于 控制焊枪端部的空间位置，后3 个自

25、由度（4、5、6轴）用于控 制焊枪的空间姿态。 弧焊机器人机械本体弧焊机器人机械本体 本体控制部分本体控制部分 实现机器人本体的基 本控制 焊接控制部分焊接控制部分 负责对焊接电源进行 控制，发出焊接开始 指令，自动控制和调 整焊接参数（如电流、 电压、时间），控制 焊接电源动作 弧焊机器人控制部分弧焊机器人控制部分 机器人的末端焊枪上装有力传感器或者接近传感器，可 以使机器人在过分接近工件或者发生碰撞时停止工作。 传感 部分 安全保护部分是弧焊机器人系统安全运行的重要保障， 起到防止机器人伤人或者保护周边设备的作用。 主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断 电保护、超速自断电保护、机

26、器人系统工作空间干涉 自断电保护和人工急停断电保护等。 安全保 护部分 焊接变位机焊接变位机 移动滑台移动滑台 焊枪清理装置焊枪清理装置 自动换枪装置自动换枪装置 在汽车消声器生在汽车消声器生 产线的应用产线的应用 焊接变位机是通过倾斜和回转动作，将工件置于便于实施焊接作业位置的机械或机器。焊接变位机与 机器人连用可增大机器人工作空间，缩短辅助时间，提高劳动生产率，改善焊接质量。 ：主要是安置机器人或焊丝支架，特别是在焊接大型工件时，移 动滑台加大了机器人的工作空间。 清枪装置: 焊枪自动清枪站主要包括焊枪清洗 机、喷化器和焊丝剪断装置3部分。 机器人在焊接过程中焊钳的电极头 氧化磨损、焊枪喷

27、嘴内外残留的焊 渣以及焊丝伸长的变化严重影响了 产品的焊接质量。 清枪效果图清枪效果图 换枪装置： 在机器人焊接作业过程中，焊枪用于不同填充材料的自动焊接，自动换枪装置可 适应改变焊接方法的自动焊接。 多层多道相贯曲线簇焊接效果图 中厚板空间轨迹焊接机器人工作站中厚板空间轨迹焊接机器人工作站 中厚板空间轨迹焊接机器人装备研制（与北京中电华强公司合作，北京中厚板空间轨迹焊接机器人装备研制（与北京中电华强公司合作，北京 市科委项目（市科委项目（Z111104059111003） 码垛机器人（码垛机器人（863-512-9418-04-01，863-512-9502-01（1994年年-今）今） ）

28、 机器人磨削抛光加工系统（机器人磨削抛光加工系统（2007AA04Z2443，2012AA041304（2005年年-今）今） 机器人焊接加工系统（机器人焊接加工系统（863-512-9804-02， 863-512-9802-05（1999-2002年）；年）；Z111104059111003 （2012-2013年）年） 大型复杂曲面钢板水火成型机器人（大型复杂曲面钢板水火成型机器人（863-512-9921-02，2001AA421200-02（1998-2005年）年） 3 工业机器人发展展望 1、国内企业发展势头良好 据中国机器人产业联盟统计，2014年国内企业在我国销售工业机器人总

29、量超过16900台； 2、中国连续两年成为全球第一大工业机器人市场 2014年中国市场共销售工业机器人5.7万台，较上年增长55%，约占全球市场总销量的四分之一，连续两 年成为全球第一大工业机器人市场； 3、多关节机器人市场需求广泛，国产坐标机器人竞争力强 从机械结构看，多关节机器人是中国市场上的主力机型，销量占国产工业机器人总销量的比重超过50。 3、工业机器人发展展望 年份年份部门部门政策法规政策法规目的目的 2012国务院 “十二五”国家战略 性新兴产业发展规划 突破新型传感器与智能仪器仪表、自动控制系统、工业机器人等感知、控 制装置及其伺服、执行、传动零部件等核心关键技术，提高成套系统

30、集成 能力 2012工信部 高端装备制造业“十 二五”发展规划 智能制造装备中提出重点开发智能控制系统、伺服控制机构、工业机器人 和专业机器人等八大类典型的智能测控装置和部件并实现产业化 2012科技部 智能制造科技发展 “十二五”专项规划 攻克工业机器人本体、精密减速器、伺服驱动器和电机、控制器等核心部 件的共性技术，自主研发工业机器人工程化产品，实现工业机器人及其核 心部件的技术突破和产业化 2012财政部财政补贴 财政部公示2012年智能制造装备项目拟支持名单，用以支持包括软控股份 和赛轮股份的轮胎行业工业机器人产业化、海大集团的面向包装物流领域 的搬运机器人等工业机器人项目和智能制造系

31、统集成应用 2013 成立中国机器人产业联 盟 推动我国机器人的产、学、研、用，加速机器人技术与产品在各行业中的 普及应用 国家政策国家政策 国内工业机器人市场驱动因素分析 经济结构转型 人工替代 政策扶持 国产机器人发展成功路径 伺服系统及伺服系统及 控制器控制器 核心算法核心算法 精密减速器精密减速器 应用和集成应用和集成 技术技术 现阶段国内机器人厂商在高端 领域不能直接与国外企业竞争， 国内机器人的成功之道在于打 通上下游产业链，生产经济型 机器人本体，尤其要突破减速 机等关键零部件。 3、工业机器人发展展望 国内机器人企业突破关键零部件的两种思路 走关键零部件自主研发路线：南京 埃斯

32、顿、广州数控等企业利用原来 在机床数控系统和伺服系统方面的 经验，自主研发机器人控制器和伺 服系统 走深度合作路线：打通机器人产业上下游， 联合上游关键零部件厂商，如固高、南通 振康等，共同突破减速机等关键零部件 3、工业机器人发展展望 模块化与可重构化是现阶段机械架构发展的 主要动向； PC机的开放型控制器是机器人体系发展的一 个主要方向，目的就是为了完善机器人，使 其逐渐走向网络化和标准化； 传感器在机器人中发挥重要的作用，不仅运 用传统的速度传感器、位置传感器等，同时 也引进先进的视觉传感器、触觉传感器和听 觉传感器，促使机器人逐渐向智能化方向发 展和推进； 装配、焊接等机械产品逐渐向模块化、标准 化及系列化方向推进和发展，及系统动态的 仿真等。 机器人的发展 现状与动态 谢谢 Thanks 贠 超 教授 北京航空航天大学机器人研究所 手机/p>