工业基础技术 5

工业机器人技术及应用(第3版)第2章

工业机器人的机械结构认识工业机器人技术的复杂性和精密性，培养细节的敬畏之心。了解并思考技术的应用性，激发自身探索精神。01价值塑造02知识传授03能力培养掌握工业机器人的常见分类及其特点。理解基本组成及其功能。掌握末端执行器、关节及驱动装置的设计与应用。掌握工业机器人机械结构的设计原理和分析方法。明确性能评估的方法，具备实践选型的能力。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter201````01工业机器人的常见分类020304工业机器人末端执行器工业机器人的基本组成工业机器人关节及驱动基本构型驱动装置传动装置`05工业机器人的性能指标操作机控制器示教盒国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评知识地图学习目标Chapter202工具型末端执行器夹持器

轴数

位姿准确度及位姿重复性最大单关节（轴）/路径速度

额定负载

工作空间

工业机器人：超级工程之中国公路建设的“机械师”

发展展望:我国工程师们攻坚克难，打造贯穿纵横的中国高速公路系统，使得中国公路四通八达

我国交通基建发展迅猛，现已建成完备的海陆空综合交通网络，规模位居世界前列，为经济社会发展筑牢支撑。交通基础设施建设成就雅西高速公路应用蒙华铁路中条山隧道应用智能焊接机器人依托精密传感与自动控制系统，高效完成焊接作业，保障路桥结构安全。爬行机器人、凿岩机器人等工业机器人多任务协同作业，提高效率和可行性。知识讲解典型案例拓展阅读知识测评学习目标国之重器知识地图Chapter2032.1工业机器人的常见分类典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器智能程度维度计算智能机器人以编程、微机计算为主，主要被应用在精度要求不高的搬运作业场合。感知智能机器人通过各种传感技术的应用，提高其自身对外部环境的适应性。认知智能机器人除具备完善的感知能力，还可以“自主”规划任务和运动轨迹。应用领域维度工业机器人搬运机器人焊接机器人涂装机器人加工机器人装配机器人洁净机器人其他机器人Chapter2

此处配套数字教学资源，详细使用方法见PPT第二页使用指南042.2工业机器人的基本组成工业机器人１—机器人控制器

２—示教盒３—操作机（机器人本体）机构模块控制模块相应的连接电缆操作机控制器示教盒用于机器人运动的传递和运动形式的转换，由驱动机构直接或间接驱动关节模块和连杆模块执行用于记录机器人的当前运行状态，实现机器人传感、交互、控制、协作、决策等功能05典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.2工业机器人的基本组成操作机操作机是机器人执行任务的机械主体，主要由关节和连杆构成串联式机器人①—腰关节（J1—轴）②—肩关节（J2—轴）③—肘关节

（

J3—轴

）

④、⑤、⑥—腕关节（J4—轴/J5—轴/J6—轴）机器人的每个活动关节都包含一根以上可独立转动（旋转）或移动的运动轴，机器人腰、肩、肘三轴定义为主关节轴，用于承载手腕并确定其空间位置；腕部运动轴定义为副关节轴，用以支承末端执行器，调控其空间位姿。并联式机器人①—运动支链１②—运动支链２③—运动支链３并联机器人本体由动平台、定平台及对称同向运动支链组成，支链含主动臂与平行四边形从动臂，依靠伺服电机驱动实现三维平动。其多杆支撑结构搭配轻质碳纤维杆件，相较串联机器人动力性能更优，运动速度与加速度表现更佳。机器人本体主要由关节模块和连杆模块构成，并由定位机构（手臂）连接定向机构（手腕），手腕端部末端执行器的位姿调整可以通过主、副关节的多轴协同运动合成。机器人本体主要由关节模块和连杆模块构成，并由定位机构（手臂）连接定向机构（手腕），手腕端部末端执行器的位姿调整可以通过主、副关节的多轴协同运动合成。06典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.2工业机器人的基本组成控制器07控制器

（controller）可看作工业机器人的“大脑”，是实现机器人传感、交互、控制、协作和决策等功能的硬件以及若干应用软件的集合，是机器人“智力”的集中体现。控制器应用软件控制传感工艺通信用户可借助内嵌于机器人控制器中的应用软件快速建立机器人系统（下列以Fanuc为例）。硬件决定机器人性能边界，软件挖掘硬件潜能并定义运行逻辑，依托软件革新驱动机器人产业升级已成行业主流。在工程实际中，控制器的主要任务是根据任务程序指令以及传感器反馈信息支配操作机完成规定的动作和功能，并协调机器人与周边辅助设备的通信。典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.2工业机器人的基本组成示教盒08示教盒

（TeachPendant)是与机器人控制系统相连，用于机器人手动操作、任务编程、诊断控制以及状态确认的手持式人机交互装置。作为选配件，用户可通过计算机或平板电脑替代示教盒进行机器人运动控制和程序编辑等操作。由于国际上暂无统一标准，目前已投入市场的示教盒多属于品牌专用。典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.3工业机器人末端执行器09末端执行器（EndEffector）是为使机器人完成其任务而专门设计并安装在操作机末端（机器人手腕端部）机械接口处的装置，它是机器人与作业对象、周边环境交互的前端。在GB/T19400—2003《工业机器人抓握型夹持器物体搬运词汇和特性表示》中，将末端执行器分为工具型末端执行器和夹持器两种类型。本身能进行实际工作，但由机器人手臂移动或定位的末端执行器。夹持器├─

抓握型夹持器│

├─

外抓握（外卡式）│

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内抓握（内胀式）└─

非抓握型夹持器

├─

气吸附式

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粘接式

└─

托铲式工具型末端执行器夹持器夹持器是一种抓取和握持物体或物料的末端执行器。按照夹持原理的不同，可将夹持器分为抓握型夹持器和非抓握型夹持器两种类型前者用一个或多个手指搬运物体，后者是以铲、钩、穿刺和黏着，或以真空/磁性/静电等悬浮方式搬运物体。典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.4工业机器人关节及驱动广义上的机器人本体也可以视为一种空间开式或闭式运动链杆件机构，所以机器人需三轴定位、三轴调姿，依作业需求选配自由度组合。夹持器├─

抓握型夹持器│

├─

外抓握（外卡式）│

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内抓握（内胀式）└─

非抓握型夹持器

├─

气吸附式

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粘接式

└─

托铲式关节的基本构型工业机器人本体是由一系列杆件和连接它们的转动或移动关节

（运动副）构成。常见的

１～３自由度工业机器人的关节

（运动副），包括移动副、转动副、螺旋副、圆柱副、球销副和球面副等。搬运码垛上下料类作业仅需物料点位转运，工业机器人通常具备三自由度，同等自由度也可搭配多种关节构型。典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter2

此处配套数字教学资源，详细使用方法见PPT第二页使用指南102.4工业机器人关节及驱动11为让机器人的执行机构———操作机能够产生动作，需要给机器人本体的每个关节

（轴）安装动力驱动装置。按动力源的类型划分，工业机器人关节的驱动方式主要分为液压驱动、气压驱动和电动驱动三种。夹持器├─

抓握型夹持器│

├─

外抓握（外卡式）│

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内抓握（内胀式）└─

非抓握型夹持器

├─

气吸附式

├─

粘接式

└─

托铲式关节的驱动装置随着机构驱动技术的进步，近年来直接驱动解决方案可以获得更高的负载加速、更低的功耗，同时降低系统惯量。直接驱动技术的概念，涉及替换耦合到传统伺服电动机的某种形式的机械传动装置，如齿轮箱、同步带和带轮。电动驱动器(包括步进电动机和直流/交流伺服电动机)是现代工业机器人的一种主流驱动方式，且大都采用一个关节轴一个驱动器。直流无框力矩电动机典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.4工业机器人关节及驱动12工业机器人各关节的受控运动可由力矩电动机直接驱动

（如协作机器人），或是通过同步带、钢丝绳、滚珠丝杠、平行连杆、行星轮系等机械传动装置进行间接驱动。关节的传动装置采用电动驱动的工业机器人动力传动核心部件是精密减速器，它是利用齿轮的速度转换器，将电动机的转动数减速到所要的转动数，并得到较大转矩的动力传达装置，相当于人的肌肉。概括来讲，传统工业机器人普遍采用的精密减速器主要是RV摆线针轮减速器和谐波齿轮减速器。从实际安装位置来看，一般将RY摆线针轮减速器安置在肩关节和肘关节等承载能力较大的部位(20kg以上),而将谐波齿轮减速器安置在腕关节等承载能力较小的部位(20kg以下)。典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.5工业机器人的性能指标13不同的应用领域，工业机器人的技术性能和参数不尽相同，但关键性能指标均包括：轴数、额定负载、工作空间、位姿准确度及位姿重复性、最大单关节(轴)/路径速度。轴数轴数是对工业机器人动作灵活性的度量。一般来说，轴数越多，工业机器人的动作越灵活，相应的机械结构和运动控制也会变得更加复杂，所以轴数的选择应视机器人应用而定。需要注意的是，垂直关节型工业机器人本体的各关节轴通常仅有

１个自由度，即机器人的自由度等于它的轴数，但不超过

６自由度。额定负载额定负载是在正常操作条件下作用于工业机器人手腕端部机械接口，且不会使工业机器人性能降低的最大负载。机器人选型应以额定负载为基本参考，并增加10%～20%的可扩展余量作为额定负载的估算数据。需要注意的是，附加负载则多作用于机械臂身，并非腕部接口。典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.5工业机器人的性能指标14工作空间工作空间是对机器人运动范围或动作可达性的度量，它是指机器人手腕参考点所能掠过的空间，不包括末端执行器和工件运动时所掠过的空间，一般用图形表示。显而易见，垂直关节型工业机器人能以最小的连杆参数获取最大的工作空间，凭借该优势在制造业应用广泛。位姿准确度及位姿重复性位姿准确度为指令位姿与实际平均位姿偏差，位姿重复性体现多次定位的离散程度；路径准确度是指令路径与实际平均路径差值，路径重复性反映多次行走路径的重合精度。工业机器人位姿准确度偏低，重复性精度更高，二者相差１～２个数量级，故厂商参数多仅标注位姿重复性,通常用“±”表示。典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter22.5工业机器人的性能指标单关节(轴)速度是单个关节(轴)运动时指定点所产生的速度[单位为(°)/s表示];路径(合成)速度是在各轴联动的情况下，工具中心点沿路径每单位时间内位置的变化(单位为mm/s、cm/min)。工业机器人的运行速度是影响生产率或企业产能的重要指标，机器人制造商提供的产品性能参数表中基本都会列出最大单关节(轴)速度。只是不同的客户对于速度的要求也不一样，这取决于完成任务所需的循环时间。最大单关节(轴)/路径速度综上所述，当选择工业机器人的型号时，应根据客户的要求以及客户对机器人品牌的熟悉程度，再综合上述工业机器人的关键性能指标进行筛选，以便选择一款性价比合适的机器人产品。典型案例拓展阅读知识测评学习目标知识地图知识讲解国之重器Chapter215拓展阅读知识测评学习目标知识地图国之重器Chapter2典型案例知识讲解焊接机器人系统随着工业领域智能化、绿色化进程的不断深入，实现焊接产品制造自动化与柔性化已成为提高焊接质量和生产率的必然趋势。作为一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成几乎所有焊接位置的先进制造装备，焊接机器人具有保证焊接质量的稳定性和一致性、提高生产率、改善工作条件等优点，成为焊接技术升级的主要标志。策略分析：焊接领域机器人应用，是执行系统与焊接工艺系统的深度融合。机器人搭载焊枪完成轨迹作业，焊接系统提供焊接热源，辅助设备优化作业工况，传感系统实时感知纠偏，协同保障焊接精准稳定。由此，从焊接机器人、焊接系统、工艺辅助设备和传感系统四个维度即可全面认知焊接机器人系统构成。案例作用：明晰机器人系统构成与功能，加深对应用体系认知，掌握编程特性，夯实实操应用基础。

此处配套数字教学资源，详细使用方法见PPT第二页使用指南1617智能协作机器人焊接智能制造蓬勃发展，智能机器人已成产业主流发展方向。人机协作融合新兴技术，依托协作机器人释放广阔发展潜能。智能制造蓬勃发展，智能机器人已成产业主流发展方向。人机协作融合新兴技术，依托协作机器人释放广阔发展潜能。制造业人机协作应用日趋普及，高精度复杂焊接场景对协作机器人提出更高要求。针对焊接行业高门槛、高成本、高场地需求难题，Fanuc联合Lincoln推出智能协作机器人焊接系统，由协作机器人、焊接电源与送丝机构组成。该设备占地小巧、移动灵活，支持拖拽示教与简易编程，人机协同作业效率高，适配多类焊接生产、维保修复及教学实训场景。人机协作并不局限于在工业领域为智能制造服务。事实上，人机协作在军事、安防、农林、医疗、餐饮等专业服务领域也同样迎来了快速的发展，具备人机交互和融合功能的智能协作机器人也势必走进更为广阔的应用领域。知识测评学习目标知识地图国之重器知识讲解拓展阅读典型案例Chapter21.填空题（１）工业机器人按智能程度划分，第一代工业机器人是

，其基本工作原理是

。第二代工业机器人被称为

，它们通过各种传感技术的应用，提高了机器人对外部环境的适应性。（２）串联机器人的本体结构主要由机座、肩部、手臂（包括大臂和小臂）和

等部件构成。（３）工业机器人的末端执行器分为工具型末端执行器和

两种类型。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例知识测评拓展阅读18计算智能机器人示教-再现感知智能机器人手腕夹持器Chapter22.选择题（１）工业机器人的“大脑”指的是

（

）。Ａ.操作机

Ｂ.控制器

Ｃ.末端执行器

Ｄ.传感器（２）关于工业机器人的关节，（

）的说法是正确的。Ａ.所有工业机器人关节都是垂直关节型Ｂ.直角坐标型机器人由三个轴线相互垂直的单自由度移动副构成Ｃ.圆柱坐标型机器人由两个单自由度转动副和一个单自由度移动副构成Ｄ.球坐标型机器人只有两个自由度BB19学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例知识测评拓展阅读Chapter22.选择题（３）工业机器人的谐波齿轮减速器主要用于

（

）。Ａ