《工业机器人（操作员）岗位能力培养及应用》课件-1.工业机器人基础认知

工业机器人岗位能力培养及应用1.1

工业机器人的基础知识21.1

工业机器人的基础知识工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。广义地说：工业机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，它具有四个基本特征：①特定的机械机构②通用性③不同程度的智能④独立性31.1

工业机器人的基础知识工业机器人是如何发展起来的呢？1.1

工业机器人的基础知识4一、工业机器人的发展历程（一）最早的机械装置指南车是古书中记载的一种机械装置，利用齿轮传动来指明方向。从三国时开始，历代史书几乎都有指南车的记载。它的原理是，靠人力带动指南车行走，从而带动车内的木制齿轮转动，来传递转向时两个车轮的差动，这时车上的指向木人与车转向的方向相反角度相同，不论车子转向何方，木人的手始终指向指南车出发时设置木人指示的方向。“车虽回运而手常指南”。1.1

工业机器人的基础知识5一、工业机器人的发展历程（二）Robot一词的由来1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是苦力的意思，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。1.1

工业机器人的基础知识6一、工业机器人的发展历程（三）主从机械手系统出现1947年，为了搬运和处理核燃料，美国橡树岭国家实验室研发了世界上第一台遥控机器人，这是一种主从型控制系统。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。1.1

工业机器人的基础知识7一、工业机器人的发展历程（四）第一台机械手1954年美国人乔治·戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1.1

工业机器人的基础知识8一、工业机器人的发展历程（五）第一台工业机器人1959年美国通用汽车公司(GM)公司使用全球第一台机器人Unimate，这标志着第一代工业机器人的诞生。1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。1.1

工业机器人的基础知识9一、工业机器人的发展历程（六）工业机器人的发展阶段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、顺序和速度重复作业，示教可由操作员手把手进行或通过示教器完成。示教器示教

手把手示教比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作。1.1

工业机器人的基础知识10一、工业机器人的发展历程（六）工业机器人的发展阶段感知机器人第二代工业机器人程具有环境感知装置，能在一定度上适应环境的变化，目前已经进入应用阶段。

配备视觉系统的工业机器人这种机器人拥有类似人在某种功能的感觉，如力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉等，它能够通过感觉来感受和识别工件的形状、大小、颜色。1.1

工业机器人的基础知识11一、工业机器人的发展历程（六）工业机器人的发展阶段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的能力。高级智能机器人和初级智能机器人一样，具有感觉，识别，推理和判断能力，同样可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修改程序。所不同的是，修改程序的原则不是由人规定的，而是机器人自己通过学习，总结经验来获得修改程序的原则。所以它的智能高出初级智能机器人。这种机器人已拥有一定的自动规划能力，能够自己安排自己的工作。这种机器人可以不要人的照料，完全独立的工作。1.1

工业机器人的基础知识12一、工业机器人的发展历程工业机器人十大品牌标牌发那科（FANUC）库卡（KUKA）那智不二越(NACHI)川崎机器人(Kawasaki)ABB机器人史陶比尔(Stäubli)柯马（COMAU）爱普生机器人（EPSON）日本安川（Yaskawa）新松机器人（SIASUN）131.1

工业机器人的基础知识二、工业机器人的运动形式2、工业机器人的运动形式直角坐标型柱面坐标型球面坐标型多关节坐标型工业机器人按臂部的运动形式分为四种：1、直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动;2、圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作;3、球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩;4、关节型的臂部有多个转动关节。141.1

工业机器人的基础知识y工业机器人的运动形式z直角坐标型x柱面坐标型球面坐标型多关节坐标型直角坐标机器人具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。

二、工业机器人的运动形式151.1

工业机器人的基础知识θr工业机器人的运动形式x直角坐标型柱面坐标型球面坐标型多关节坐标型柱面坐标机器人主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。二、工业机器人的运动形式161.1

工业机器人的基础知识β工业机器人的运动形式rθ直角坐标系柱面坐标系球面坐标系多关节坐标系球面坐标机器人空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。二、工业机器人的运动形式171.1

工业机器人的基础知识α工业机器人的运动形式φ直角坐标系θ柱面坐标系球面坐标系多关节坐标系垂直多关节机器人

模拟人手臂功能，由垂直于地面的腰部旋转轴、带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等组成，手腕通常有2~3个自由度，其动作空间近似一个球体。

二、工业机器人的运动形式181.1

工业机器人的基础知识zω2ω1工业机器人的运动形式ω3直角坐标系柱面坐标系球面坐标系多关节坐标系水平多关节机器人结构上具有串联配置的两个能够在水平面内旋转的手臂，自由度可依据用途选择2~4个，动作空间为一圆柱体。

二、工业机器人的运动形式191.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人分为三类：制造环境下的工业机器人、非制造环境下的服务与仿人型机器人、网络机器人。写字工业机器人倒咖啡201.1

工业机器人的基础知识1.网络机器人网络机器人有两类机器人，一类是把标准通信协议和标准人-机接口作为基本设施,再将它们与有实际观测操作技术的机器人融合在一起，即可实现无论何时何地，无论是谁都能使用的远程环境观测操作系统，这就是网络机器人。另一类网络机器人是一种特殊的机器人，其“特殊”在于网络机器人没有固定的“身体”，网络机器人本质是网络自动程序，它存在于网络程序中。网络机器人三、工业机器人的应用（一）机器人的应用环境211.1

工业机器人的基础知识2.林业机器人六足伐木机器人3.农业机器人采摘草莓的机器人三、工业机器人的应用（一）机器人的应用环境221.1

工业机器人的基础知识4.军事机器人(1)地面军用机器人(2)空中军用机器人广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。排爆地面军用机器人无人驾驶飞机三、工业机器人的应用（一）机器人的应用环境231.1

工业机器人的基础知识(3)水下机器人无人遥控潜水器，也称水下机器人。(4)空间军用机器人从广义上讲，一切航天器都可以成为空间机器人，如宇宙飞船、航天飞机、人造卫星、空间站等。“水下龙虾”机器人空间机器人正在维修人造卫星美国的火星探测器空间三、工业机器人的应用（一）机器人的应用环境241.1

工业机器人的基础知识(5)服务机器人服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义。消防机器人三、工业机器人的应用（一）机器人的应用环境251.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域1.喷漆机器人喷涂机器人能在恶劣环境下连续工作，并具有工作灵活、工作精度高等特点。喷漆机器人261.1

工业机器人的基础知识2.焊接机器人用于焊接的机器人一般分为点焊机器人和弧焊机器人两种。FanucS-420点焊机器人弧焊机器人三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域271.1

工业机器人的基础知识3.上下料机器人为提高工作效率，降低成本，并使生产线发展为柔性生产系统，应现代机械行业自动化生产的要求，越来越多的企业已经开始利用工业机器人进行上下料了。数控机床用上下料机器人三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域281.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域4.装配机器人与一般工业机器人比较，它具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点。a)装配机器人b)装配工业机器人的应用装配工业机器人291.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域5.搬运机器人搬运机器人机械手301.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域6.码垛工业机器人码垛工业机器人主要用于工业码垛。码垛工业机器人311.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域7.包装机器人计算机、通信和消费性电子行业(3C行业)和化工、食品、饮料、药品工业是包装机器人的主要应用领域。包装机器人321.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域8.喷涂机器人喷涂机器人比人工清理效率高出10倍以上，而且工人可以避开污浊、嘈噪的工作环境。a)机器人b)喷涂机器人的应用喷涂机器人331.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域9.吹玻璃机器人法国赛博格拉斯公司开发了两种6轴工业机器人，应用于“采集”（搬运）和“吹制”玻璃两项工作。10.核工业中的机器人核工业机器人主要用于以核工业为背景的危险、恶劣场所，特别针对核电站、核燃料后处理厂及三废处理厂等放射性环境现场。核工业中的机器人341.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域11.机械加工工业机器人激光切割机器人工作站去毛刺机器人工作站351.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（二）工业机器人的应用领域轻型加工机器人工作站雕刻工业机器人雕刻工业机器人的刀库361.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（三）工业机器人的应用案例1.各种工业机器人在汽车制造中的应用(1)机器人搬运(2)机器人点焊(3)机器人弧焊(4)机器人激光焊接(5)机器人螺栓焊接(6)机器人TOX压铆连接(7)机器人测量打孔(8)机器人涂胶系统激光焊接机器人系统及焊接成形371.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（三）工业机器人的应用案例2.焊接机器人工作站的常见形式(1)简易焊接机器人工作站(2)焊接机器人+变位机组合的工作站（非协同作业）简易焊接机器人工作站回转工作台+焊接机器人工作站381.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（三）工业机器人的应用案例旋转-倾斜变位机+焊接机器人工作站翻转变位机+焊接机器人工作站龙门架+焊接机器人工作站轨道式焊接机器人工作站391.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（三）工业机器人的应用案例3.焊接机器人在轿车白车身焊装线的应用(1)点焊机器人系统案例点焊机器人系统案例401.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（三）工业机器人的应用案例(2)点焊机器人生产指标1)生产指标2)生产效率和焊接质量(3)焊接节拍与产能计算(4)机器人及焊钳类型的选择(5)机器人工作周期的优化分析车体打点分配示意图411.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（四）柔性生产线1.点焊机器人柔性工作站(1)轿车悬架横梁点焊机器人系统(2)轿车前梁总成点焊机器人系统点焊机器人工作站布置图轿车前梁总成点焊机器人系统工作站场地布置421.1

工业机器人的基础知识三、工业机器人的应用（四）柔性生产线2.柔性化焊接生产线(1)各类汽车焊接生产线的作业特点比较(2)机器人是实现焊接生产线柔性化的关键(3)焊接生产线上机器人的类型(4)焊接机器人的选用方法(5)点焊机器人的系统控制(6)柔性生产线的生产过程点焊系统框图工业机器人岗位能力培养及应用1.2

工业机器人的系统组成441.2工业机器人的系统组成同学们印象当中的工业机器人图示只是工业机器人的一部分451.2工业机器人的系统组成人体VS工业机器人？？完整的工业机器人系统是什么样子的？461.2工业机器人的系统组成示教器是机器人的人机交互接口，操作者可通过它对机器人进行编程或手动操纵机器人移动。

操作机控制器是完成机器人控制功能的结构实现，是决定机器人功能和水平的关键部分。用于完成各种作业任务的机械主体，主要包含机械臂、驱动装置、传动单元以及内部传感器等部分。

工业机器人的系统组成操作机控制器示教器第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。下面，我们以应用最广泛的第一代工业机器人为例，分析工业机器人的系统组成。471.2工业机器人的系统组成伺服电机减速器腕关节小臂肘关节手腕大臂连接法兰皮带传动腰部肩关节腰关节基座▲机器人操作机的每个关节均采用1个交流伺服马达驱动1.机器人的机械机构上有什么样的特点?操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。一、操作机481.2工业机器人的系统组成基座腰部臂部手腕机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕4部分。一、操作机（一）机械臂491.2工业机器人的系统组成基座基座是机器人的基础部分，起支撑作用。整个执行机构和驱动装置都安装在基座上。固定式机器人直接安装在地面基础上；移动式机器人，则安装在移动机构上，可分为有轨和无轨两种。腰部

腰部是机器人手臂的支撑部分。根据执行机构坐标系的不同，腰部可以在基座上转动，也可以和基座制成一体。有时腰部也可以通过导杆或导槽在基座上移动，从而增大工作空间。臂部

有大臂和小臂，手臂是连接机身和手腕的部分，由机械臂的动力关节和连接杆件等构成，是执行结构中的主要运动部件，也称主轴，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置。手腕

手腕是连接末端执行器和手臂的部分，将作业载荷传递到臂部，也称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。一、操作机（一）机械臂501.2工业机器人的系统组成伺服电机减速器腕关节小臂肘关节手腕大臂连接法兰皮带传动腰部肩关节腰关节基座▲机器人操作机的每个关节均采用1个交流伺服马达驱动2.操作者可以控制机器人每一个轴单独旋转，那么这里的旋转动作是如何实现的呢？操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。一、操作机511.2工业机器人的系统组成驱动方式液压驱动电气驱动气压驱动机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种。多用于精度要求不高、重负载、有防爆要求的机器人。工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。驱动装置是驱使工业机器人机械臂运动的机构。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。一、操作机（二）驱动装置521.2工业机器人的系统组成液压驱动一艘货轮顺利通过了三峡大坝永久船闸，船闸运行、调度良好有序。三峡双线五级船闸，规模举世无双，是世界上第二大的船闸。2018年3月，中国自主研发出口海外的超大直径盾构机，终结了欧美垄断。德国盾构机5000万元，国产盾构机2500-5000万左右。液压支架举高喷射消防车一、操作机（二）驱动装置531.2工业机器人的系统组成气压驱动气动手指摆动气缸直线气缸三坐标测量仪，三轴均有气源制动开关及微动装置，可实现单轴的精密传动，采用高性能数据采集系统。一、操作机（二）驱动装置541.2工业机器人的系统组成电气驱动高效电机，工信部和国家质检总局2013年推出《电机能效提升计划》，大力推广高效电机，淘汰在用低效电机，实施电机系统节能技改。随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频电机的使用也日益广泛起来。国产化高压变频装置的社会效益及经济效益均十分显著。电气驱动广泛应用于工业生产,日常生活当中。一、操作机（二）驱动装置551.2工业机器人的系统组成特点驱动方式输出力控制性能维修使用结构体积使用范围制造成本液压驱动压力高,可获得大的输出力油液不可压缩,压力、流量均容易控制,可无级调速,反应灵敏,可实现连续轨迹控制维修方便,液体对温度变化敏感,油液泄漏易着火在输出力相同的情况下,体积比气压驱动方式小中、小型及重型机器人液压元件成本较高,油路比较复杂气压驱动气体压力低,输出力较小,如需输出力大时,其结构尺寸过大可高速,冲击较严重,精确定位困难。气体压缩性大,阻尼效果差,低速不易控制,不易与CPU连接维修简单,能在高温、粉尘等恶劣环境中使用,泄露无影响体积较大中、小型机器人结构简单,能源方便,成本低电气驱动输出力较小或较大易与CPU连接,控制性能好,响应快,可精确定位,但控制系统复杂维修使用较复杂需要减速装置,体积较小高性能、运动轨迹要求严格成本较高一、操作机（二）驱动装置561.2工业机器人的系统组成驱动装置的受控运动必须通过传动单元带动机械臂产生运动，以精确的保证末端执行器所要求的位置、姿态和实现其运动。谐波减速器RV减速器皮带传动目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器。应用在关节型机器人上的减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。一、操作机（三）传动单元571.2工业机器人的系统组成针齿2级减速1级减速行星轮太阳轮Z2输入Z1Z4输出Z3摆线轮转臂输出轴针齿壳RV减速器柔轮波发生器刚轮谐波减速器一般将RV减速器放置在基座、腰部、大臂等重负载的位置(主要用于20kg以上的机器人关节)；将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部等轻负载的位置(主要用于20kg以下的机器关节)。一、操作机（三）传动单元581.2工业机器人的系统组成内部传感器装在操作机上，包括位移、速度、加速度等传感器，用来检测机器人操作机内部状态，在伺服控制系统中作为反馈信号。一、操作机（四）内部传感器591.2工业机器人的系统组成二、控制器机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，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。它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣，从机器人控制算法的处理方式来看，可分为集中式控制和分布式控制两种方式。601.2工业机器人的系统组成二、控制器(1)集中式控制器优点：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，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。缺点：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；系统连线复杂，会降低系统的可靠性。驱动器1机器人关节1运动接口卡1驱动器1机器人关节1多轴驱动器2机器人关节2运动控制卡1……运动接口卡2驱动器2机器人关节2机器人关节n驱动器n………机器人控制计算机机器人控制计算机多轴驱动器n+1机器人关节n+1运动接口卡n驱动器n机器人关节n运动控制卡2驱动器n+2机器人关节n+2a)单独接口卡驱动b)多轴运动控制卡驱动集中式机器人控制器结构611.2工业机器人的系统组成二、控制器(2)分布式控制器主要思想为“分散控制，集中管理”，为一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。优点：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。关节控制器1（下位机）驱动器1机器人关节1关节控制器2（下位机）驱动器2机器人关节2通讯总线………关节控制器n机器人主控制器（下位机）（上位机）驱动器n机器人关节n分布式机器人控制器结构621.2工业机器人的系统组成三、示教器示教器简称TP，它是用户与机器人之间相互交流的重要装置。用户可以通过操作示教器来移动工业机器人、编写工业机器人程序、试运行程序、操作执行、查看工业机器人状态（I/O设置、位置信息等）。631.2工业机器人的系统组成三、示教器彩色示教器641.2工业机器人的系统组成三、示教器651.2工业机器人的系统组成三、示教器单色示教器661.2工业机器人的系统组成1.工业机器人通常由操作机、控制器和示教器三部分组成。2.操作机是机器人赖以完成各种作业的主体部分，一般由机械臂、驱动装置、传动单元以及内部传感器等组成。3.机械臂部分，手臂用于改变手腕和末端执行器的空间位置，手腕用于改变末端执行器的空间姿态。4.工业机器人使用最广泛的驱动方式是电气驱动。工业机器人岗位能力培养及应用1.3工业机器人的技术指标681.3工业机器人的技术指标新冠疫情前期，国内外口罩都进入了脱销状态，作为一位口罩生产厂家的老板，你希望通过使用工业机器人来扩大企业产能。那么该如何选择你所需要的工业机器人呢？品牌用途691.3工业机器人的技术指标工业机器人的技术指标，反映了机器人的使用范围和工作性能，可以用来筛选我们所需要的工业机器人。701.3工业机器人的技术指标额定负载工作精度工作空间自由度技术指标最大工作速度各厂商提供的技术指标不尽相同，但一般都包括了自由度、额定负载、工作精度、工作空间和最大工作速度等。711.3工业机器人的技术指标自由度指物体能够对坐标系进行独立运动的数目。沿