智能制造应用基础 课件 第9-11章 智能制造的质量管理系统、智能制造的工业机器人系统、智能制造系统的其他关键技术

——建设方案《智能制造应用基础》高等教育出版社第9章智能制造的质量管理系统

9.19.29.3智能制造的产品质量管理产品质量智能控制策略智能控制与诊断的硬件结构与软件设计9.4控制系统硬件简介9.1节智能制造的产品质量管理第9章

智能制造质量管理9.1智能制造的产品质量管理产品质量管理使得车间进入最佳的工作状态，从而实现产能最大化，同时能过及时的发现与监督生产过程中出现的质量问题，并得到有效反馈和处理，形成生产——管理——生产联动机制，这要求生产车间及时向有关部门反馈加工过程的产品质量相关信息，依据此信息对原材料、生产工艺、设备状况等环节做出调整，从而最小化产品质量损失。9.1智能制造的产品质量管理-QMS的建立分析

一种针对智能制造系统建立统一信息平台下的质量管理系统。能够解决质量监控过程的时效性问题，及时有效反映车间生产质量情况，协助质量管理人员对生产质量信息进行多角度多层面的统计和分析，全局掌握质量控制全过程并有效实施职责范围内的监督管理职能。定义传统的人工管理：

实时掌握产品质量状态难、质量信息时效性准确性差、时间跨度长导致数据冗长，难以进行分析、应用，达到提升产品整体质量水平的目的。9.1智能制造的产品质量管理-QMS的功能模块设计QMS包括产品质量检验、产品质量分析和产品质量控制三个主要环节，细分为六个功能模块。9.1智能制造的产品质量管理-MES系统中的质量模块简介MES是企业信息化系统的重要组成部分，主要用于生产过程的监控和管理，以提高生产执行的效率和质量。

质量模块是MES系统中的一个关键模块，用于实时监控生产过程中的质量问题，并及时采取措施进行纠正和预防。9.1智能制造的产品质量管理-MES系统中的质量模块简介MES质量模块主要功能主要特点质量数据采集和分析实时性质量问题追溯可视化不良品管理信息集成质量控制计划的制定和执行灵活性质量文档管理可扩展性9.2节产品质量智能控制策略第9章智能制造质量管理9.1产品质量智能控制策略智能制造作为现阶段制造业的关键发展方向，已经深度渗透和改变了传统的制造模式。在智能制造环境下，产品质量控制是企业不可或缺的重要环节。智能制造环境下的产品质量控制策略是当前制造业发展的核心问题。具体针对产品质量的智能控制主要有三种：反馈控制、直接数字控制和最有控制。9.1产品质量智能控制策略-反馈控制反馈控制是指在某一行动和任务完成之后，将实际结果进行比较，从而对下一步行动的进行产生影响，起到控制的作用。

其特点是：对计划决策在实施过程中的每一步骤所引起的客观效果，能够及时做出反应，并据此调整、修改下一步的实施方案，使计划决策的实施与原计划本身在动态中达到协调。9.2产品质量智能控制策略-反馈控制反馈控制是指在某一行动和任务完成之后，将实际结果进行比较，从而对下一步行动的进行产生影响，起到控制的作用。

优点：抑制任何内、外扰动，控制精度高。缺点：引入反馈支路后可能导致系统出现不稳定。9.2产品质量智能控制策略-直接数字控制直接数字控制（DirectDigitControl，简称为DDC系统），是用一台计算机对被控参数进行检测，根据设定值和控制算法进行运算，机的输出直接作用于控制对象。直接式数字控制系统9.2产品质量智能控制策略-最优控制对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。最优控制是指在给定的约束条件下，寻求一个控制，使给定的系统性能指标达到极大值（或极小值）。它反映了系统有序结构向更高水平发展的必然要求。它属于最优化的范畴，与最优化有着共同的性质和理论基础。对于给定初始状态的系统，如果控制因素是时间的函数，没有系统状态反馈，称为开环最优控制，如果控制信号为系统状态及系统参数或其环境的函数，称为自适应控制。9.2产品质量智能控制策略-最优控制解决最优化控制问题的常见方法：（1）局部参数最优化和整体最优化设计方法;（2）预测控制中的滚动优化算法;（3）稳态递阶控制;（4）系统优化和参数估计的集成研究方法.9.3节智能控制与诊断的硬件结构与软件设计第9章智能制造质量管理9.3智能控制与诊断的硬件结构与软件设计

智能控制：由智能机器自主地实现其目标的过程，是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制，实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。

智能诊断系统：智能诊断系统是基于知识的系统，它以知识处理为研究内容，以基于知识寻求提高系统智能化程度和诊断准确率为目标。智能诊断技术是以计算机和人工智能技术为基础，集多学科于一体的综合性技术，它的出现为提高现代复杂工程技术系统的可靠性开辟了一条新途径。9.3智能控制与诊断的硬件结构与软件设计-系统的硬件结构智能监视与诊断系统的体系结构形式，主要由其核心部件——微型计算机硬件及各种输入输出通道组成。

对于普通要求的比较小的应用系统可采用单机系统；对于高可靠性系统，即使系统规模不大，但为了可靠，也常采用双机系统；

对于规模较小，但系统各部分相对比较集中时，则常采用中、小型微机搭配构成的主从式集散控制系统；

对于规模大，且分散在各地的系统应采用多微处理机分散控制系统或分布式数据采集处理系统。9.3智能控制与诊断的硬件结构与软件设计-系统的软件设计系统软件不论是通用机还是专用机都必须包含两大部件：系统监控软件（或者是操作系统）和系统应用软件。（1）操作系统监控软件监控程序属于小系统（或单机系统）低级管理程序（常固化在EPROM中），而操作系统是较大的系统或多机的高级系统管理软件，它们都是用来自动化管理内部硬件系统及外设的工具。（2）系统应用软件的结构设计系统的应用软件设计应尽量使用成熟的功能软件包，如数据处理系统软件包、控制系统软件包及某些应用生成软件等，以帮助软件开发。9.4节控制系统硬件简介第9章智能制造质量管理9.4控制系统硬件简介-传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。几种典型传感器9.4控制系统硬件简介-传感器传感器的特点：微型化、数字化、智能化等。

传感器的分类：热敏元件、光敏元件、气敏元件、磁敏元件、等十大类。

传感器的组成：一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。传感器的组成9.4控制系统硬件简介-传感器传感器的发展与智能传感器一阶段

始于20世纪50年代，结构型传感器出现二阶段

始于20世纪70年代，固体型传感器逐渐发展三阶段

由20世纪末开始，智能型传感器出现并快速发展智能传感器是计算机技术与检测技术相结合的产物，能够对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是当前传感器的主流。智能传感器结构9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路信号变换是将信号从一种形式转换成另一形式的过程，通常依靠转换元件和转换电路来实现的。转换元件是将敏感元件输出的非电物理量转换为电学量。转换电路是将敏感元件或转换元件输出的电路参数量转换成便于测量的电量，或将非标准的电压、电流转换成统一的电流、电压信号。

9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路常见的变换方式：

（1）简单直接变换

该变换的误差是各个环节相对误差之和，故该种计分表精度较低。当仪表的某个环节非线性，则整个仪表就存在非线性，信息能量传输效率较低，转换电路与检测元件间需考虑阻抗匹配，具有结构沿反方向变化的物理量，其优点是简单、结果可靠、价格便宜。

9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路常见的变换方式：

（2）差动式变换该方式采用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换两个性质相同的信号。差动式变换亦称补偿式变换，目的是消除环境条件变化对敏感元件的影响。

9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路常见的变换方式：

（3）平衡式变换亦称反馈式变换，指信号变换环节为闭环式结构。根据平衡时比较器的输入信号和反馈信号之间是否有差值，平衡式变换可分为有差随动式变换和无差随动式变换。9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路常见的变换方式：

（4）数字式变送器检测单元能够完成被测过程参数的信号输入，并且直接与各种传感器连接。数字式变送器的核心是微处理器，因而各种信号在变送器内部进行交换和处理时均采用数字信号方式。9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路接口是CPU和外设之间的连接设备，用于缓存和转发数据，接口电路主要实现以下功能：1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合以及通信联络问题；2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换以及匹配问题；3）解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题9.4控制系统硬件简介-信号变换与接口电路接口电路还可实现端口的可编程功能以及错误检测功能，一个端口通过软件设置既可作为输入口又可作为输出口，或者作为控制口，使用非常灵活方便。同时，多数用于串行通信的可编程接口芯片都具有传输错误检测功能，如可进行奇/偶校验、冗余校验等。接口硬件包含基本逻辑电路、端口地址译码电路以及供选电路。其中基本逻辑电路包括命令寄存器、状态寄存器以及数据缓冲寄存器；端口地址译码电路根据地址总线上的信号确定是否选中该接口的某个寄存器（端口）；供选电路是接口电路与其它部件的连接电路，如与中断控制器连接以实现中断方式的数据传送。9.4控制系统硬件简介-显示与记录设备对于数据采集、处理或测控系统，其数据输出与记录工具在系统中也占据相当重要的位置，它涉及被检测的信息能否重现输出的中间或最后结果并以清晰、精确、可靠的形式表达和保存起来。常用的显示设备有各类字符管、灯示管、CRT、存储式示波器、图示仪及模拟式或数字式万用表等。常用的记录装置，按记录介质的不同又分为硬拷贝和软拷贝，所谓硬拷贝就是以能用人眼直接观察、直接理解的信息形式记录下来的，如X-Y记录仪、点阵打印机等。而软拷贝的特点是以间接的方式，不能直接理解的形式记录存储信息，必须进行某种变换处理后才能直读。常用的软拷贝即是软磁盘、硬盘、磁带等，大都是以数字数据形式保存。9.4控制系统硬件简介-可编程控制器可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PC或PLC），是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入（I）和输出（O）接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程逻辑控制器9.4控制系统硬件简介-可编程控制器可编程控制器的主要功能：（1）顺序逻辑控制（2）运动控制（3）定时控制（4）计数控制（5）步进控制（6）数据处理（7）模、数和数、模转换（8）通信及联网——建设方案

本章结束！《智能制造应用基础》课程组——建设方案《智能制造应用基础》高等教育出版社第10章

智能制造的工业机器人系统

10.110.210.310.4概述工业机器人定义、组成与技术原理工业机器人系统的智能运维工业机器人在智能制造系统中的应用10.5工业机器人的安全注意事项10.1节概述第10章

智能制造的工业机器人系统10.1概述

10.1.1机器人发展历史我国对机器人的需求和实践可以追溯到久远的古代。西周时期，能工巧匠偃师研制的能歌善舞伶人。春秋末期，木匠鲁班制造的木鸟。后汉三国，丞相诸葛亮创造的“木牛流马”。机器人(Robot)一词是1920年由捷克作家KarelCapek在他的讽刺剧“罗莎姆的万能机器人”中首先提出的。剧中描述了一个与人类相似，但能不知疲倦工作的机器奴仆Robota(捷克语)。从那时起，Robot(英文)或机器人(中文)开始出现在人们的生活和生产中。10.1概述-机器人发展历史

1942年美国科幻作家IsaacAsimov在他的科幻小说《我是机器人》中提出了“机器人三定律”。1954年，美国戴沃尔(GeorgeDevol)制造出世界上第一台可编程的机械手。1959年，戴沃尔与美国发明家英格伯格（Engerberge）联手制造出第一台工业机器人。成立了世界上第一家机器人制造工厂—Unimation公司---Unimate机器人，见下图10-1。由此英格伯格---被称为“工业机器人之父”。图10-1

第一台机器人10.1概述-机器人发展历史

1962年，美国AMF公司生产出万能搬运(Verstran)，与Unimation公司生产的万能伙伴(Unimate)一样成为真正商业化的工业机器人。1967年，日本川崎重工公司引进---Unimate；日本丰田公司引进---Versatran。日本从此开始了对机器人的研究和制造热潮。在20世纪60年代后期，喷漆弧焊机器人问世并逐步开始应用于工业生产。1973年，世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3，见图10-2。图10-2

机器人T310.1概述-机器人发展历史

1979年，美国Unimation公司推出仿人手臂的通用工业机器人PUMA(图10-3)，应用于通用公司汽车装配线，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线，许多机器人技术的研究都以该机器人为模型和对象。

(a)结构示意图

(b)实物图10-3

PUMA(ProgrammableUniversalMachineforAssembly)机器人10.1概述-机器人发展历史

1979年，日本山梨大学牧野洋发明了水平多关节型SCARA机器人，在此后的装配作业中得到了广泛应用，如图10-4为所示。1985年，法国Clavel博士发明了并联结构的Delta机械手，因其结构像倒三角的希腊字母△而命名。Delta机械手具有刚度大、精度高、运动速度快的特点，在电子、轻工、食品等行业的物品分拣、抓取、搬运中得到了广泛应用。

图10-4

SCARA机器人10.1概述-机器人发展历史

1996年，本田公司推出仿人型机器人P2，使双足行走机器人的研究达到了一个新的水平。随后许多国际著名企业争相研制代表自己公司形象的仿人型机器人，以展示公司的科研实力。图10-5为本田仿人机器人ASIMO。

(a)下楼梯

(b)端菜图10-5本田仿人机器人ASIMO10.1概述-机器人发展历史

1998年，丹麦Lego公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年，日本索尼公司推出机器人狗爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐、宠物机器人成为机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年，美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba(如图10-6所示)。图10-6吸尘器机器人Roomba10.1概述-机器人发展历史

2006年，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。2009年，丹麦优傲机器人(UniversalRobot)公司推出第一台轻量型的UR5系列工业机器人，即轻量臂(见图10-7)。轻量臂特点：6轴串联，自重18kg，负载高达5kg，工作半径为85cm，适合中小企业选用。UR5型机器人拥有轻便灵活、易于编程、高效节能、低成本和投资回报快等特点。无需安全围栏即可直接与人协同工作。一旦人与机器人接触并产生150N的力，机器人就自动停止工作。10-7优傲UR5型机器人

10.1概述-机器人发展历史

2012年，多家机器人著名厂商开发出双臂协作机器人。如ABB公司开发的YuMi双手臂工业机器人(如图10-8所示)，能够满足电子消费品行业对柔性和灵活制造的需求，未来也将逐渐应用于更多市场领域。

图10-8机器人YuMi10.1概述-机器人发展历史

2014年Kuka第一款7轴轻型灵敏机器人LBRiiwa，如图10-9所示。2017年新松公司推出了高科技轻量、柔性机械臂，如图10-10所示。

图10-9Kukaiiwa机器人

图10-10新松公司推出的国内首台七轴柔性机械臂10.1概述-机器人发展历史

2016年3月，AlphaGo战胜李世石，谷歌的人工智能程序AlphaGo以4:1战胜围棋九段李世石，标志着人工智能在复杂游戏领域的突破。2019年11月，波士顿动力正式发布四足机器人Spot，具备自主导航和多种应用场景，开启商业化销售。2021年6月，特斯拉CEO埃隆·马斯克宣布公司正在研发名为Optimus的人形机器人，计划用于执行日常任务。

10.1概述-机器人发展历史

2022年3月，日本推出新型护理机器人，旨在解决老龄化社会中护理人员短缺的问题，提高护理效率。2023年2月，研究预测到2033年，机器人将承担近40%的家务劳动，显示出家用机器人市场的巨大潜力。2024年1月，多家医疗机构开始使用机器人进行手术和护理，提升医疗服务质量和效率。

10.1概述-发展机器人的意义

在不违背“机器人三原则”的前提下，发展工业机器人的主要目的是让机器人协助或替代人类干那些人不愿干、干不了、干不好的工作，把人类从劳动强度大、工作环境恶劣、危险性高的低水平工作中解放出来，实现生产自动化和柔性化。我国机器人产业正处于爆发的临界点，人工成本的逐年上升，机器人购置与维护成本的逐年下降(图10-11)，都将给“数字化劳动力”带来广阔的市场发展空间。

图10-11使用机器人与普工的年均成本比较10.2节工业机器人定义、组成与技术原理第10章

智能制造的工业机器人系统10.2工业机器人定义、组成与技术原理-机器人及工业机器人定义

至今还没有对机器人的统一定义。要给机器人下个合适的和为人们普遍接受的定义是很难的，因公众对机器人的想象以及科学幻想小说、电影和电视中对机器人形状的描绘而变得更为困难。为了规定技术、开发机器人新的工作能力和比较不同国家和公司的成果,需要对机器人这一术语有某些共同的理解。现在,世界上对机器人还没有统一的定义，各国有自己的定义，专家们也采用不同的方法来定义这个术语,这些定义之间差别较大。产生这种差别的部分原因是很难区别简单的机器人与其密切相关的运送材料的“刚性自动化”技术装置。关于机器人的定义，国际上主要有如下几种:貌似人的自动机，是具有智力的、顺从于人的但不具有人格的机器。@《牛津简明英语词典》10.2工业机器人定义、组成与技术原理-机器人及工业机器人定义

一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。@美国机器人协会一种装备有记纪装置和末增执行器的、能够转动并通过自动化运作来代替人类劳动的通用机器。@日本工业机器人协会一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。@美国国家标淮和技术研究所一种自动的、位置可控的,具有编程能力的多功能机械手,这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行种种任务。@国际标准化组织10.2工业机器人定义、组成与技术原理-机器人及工业机器人定义

随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。能灵活地完成特定的操作和运动任务，并可再编程序的多功能操作器。@《中国大百科全书》(第一版)机器人是一种自动化的机器，具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、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。@我国科学家10.2工业机器人定义、组成与技术原理-机器人及工业机器人定义

上述各种定义有共同之处，即认为机器人像人或人的上肢，并能模仿人的动作；具有智力或感觉与识别能力；是人造的机器或机械电子装置。随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要重新定义。机器人的范畴不但要包括“由人类制造的像人一样的机器”，还应包括“由人类制造的生物”。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成从模块角度，工业机器人系统主要由机器人本体、机器人控制器、示教器和周边设备等组成。如图10-12所示，机器人工作站是指以一台或多台机器人为主，配以相应的周边设备，由机器人及其控制系统、辅助设备以及其他周边设备等组成。图10-12

机器人工作站10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成机器人本体由伺服电机驱动的轴和手腕的机构部件组成，如图10-13所示，以埃夫特ER3AC10六轴机器人为例，六轴机器人本体的基本结构类似于人的手臂，共包含六个关节。六个关节共有六个自由度，可以使机器人的末端工具（末端执行器，如焊枪、夹具、吸盘等）以固定的姿态到达空间中的任一点。一轴、二轴、三轴称为基本轴，用于确定机器人末端执行器的位置；四轴、五轴、六轴称为手腕轴，用于确定机器人末端执行器的姿态。图10-13六轴机器人10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成从系统角度，工业机器人系统由控制部分、机械部分和传感部分三大部分组成，如图10-14所示。控制部分控制机器人的运动，分为人机交互系统和控制系统。机械部分是机器人的主体，分为驱动系统和机械结构系统。传感部分使机器人能感受外部环境状况，保证机器人工作的精确性，分为感知(传感)系统、机器人-环境交互系统。我们通常将工业机器人系统概括为三大部分、六大系统组成。图10-14

工业机器人基本组成10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(1)人机交互系统人机交互(Human-MachineInterfac，HMI)系统指人通过人机界面控制机器人的装置。例如，汽车中的方向盘和离合器，当转动方向盘或离合器时，汽车就会转动方向或改变速度，也可以通过输入的程序、鼠标、触摸屏、语音或手势来改变方向或速度。人机交互系统可以分为指令给定装置和信息显示装置。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(2)控制系统控制系统的任务是根据接收到人机交互系统发出的作业指令以及传感器反馈的信号，控制机器人各部分完成运动。每个机器人都有一种反馈控制系统。它不断从传感器读取数据并更新执行器的命令，以实现机器人所需的行为。反馈分为闭环控制系统和开环控制系统，输出量对系统有影响的称为闭环系统，没有影响的称为开环系统。按控制运动形式分为点位控制系统和连续路径控制系统两种基本类型。点位控制是通过控制机器人末端操作器在特定位置的运动。这个过程中让机器人在特定的两点间快速、准确运动，对两点间的运动方式没有特殊要求。轨迹控制方式是连续的控制末端操作器的位置，按规定的精度和轨迹运动，并且速度要能实时控制，确保平稳地完成运动工作任务。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成如图10-15所示，人发出指令语言或通过面板输入指令，也可以通过键盘输入计算机程序指令，这些操作指令通过人机接口传递给机器人；机器人开始解释分析操作指令，将其转化为一个个小任务来实现操作任务；机器人再将每个任务进行分析转化为相应动作，这些动的设计与实施均按照预期的轨迹进行，这一过程即为轨迹规划。轨迹规划的最底层是伺服控制，将传感器输入的位置和速度等信号与轨迹规划生成的输出控制量进行比较，最后得出指令值控制电动机转动；伺服系统发出电流指令到电流/电压控制模块，监视通过电动机的电流大小。图10-15控制系统组成及功能10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成工业机器人控制系统的所要达到的功能：1)记忆功能。存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。2)示教功能。可实现离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。3)与外围设备联系功能。具有输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。4)坐标设置功能。具有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。5)传感器接口。可进行位置检测并具有视觉、触觉等。6)位置伺服功能。实现机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。7)故障诊断安全保护功能。运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(3)驱动系统驱动系统为机械结构系统提供动力，控制各个关节的动作。常用的驱动系统有电气驱动系统、机械驱动系统、液压驱动系统和气压驱动系统等。电气驱动系统常用直流伺服电机或直流步进电机，具有较好的准确性和可重复性，适用于高功率的工业机器人和小型机器人和精密应用，是使用的最多的一种驱动系统。机械驱动系统采样机械传动机构进行驱动，一般用凸轮连杆机构附属到工作主机上，适用于一些动作固定的场合。液压驱动系统通过缸体和活塞杆的相对运动实现直线运动，从而提供动力输出。减速装置不需要与被驱动的杆件相连，结构紧凑、刚度高、响应快速并具有较高的精度，用于特大功率的机器人系统。气压驱动系统的结构简单、无污染、灵敏度高并具有缓冲作用。但功率较小、噪音大、速度不易控制，多用于精度不高的点位控制机器人。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(4)机械结构机械结构分为机械部分和传动部分。机械部分分为机身、手臂、末端操作器。机身直接连接传动手臂和支承以及行走机构，由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件等组成。手臂部件是主要执行部件，支撑带动腕部和手部运动，由臂杆和与屈伸、自转或伸缩等运动相关的构件组成，如驱动装置、传动机构、支撑联接和导向定位装置等。按运动和布局可分为：伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，其他专用的机械传动臂部结构。末端执行器是装在末端法兰上抓握工件或执行作业的部件，分为手爪（部）和专用操作器两类。手爪的功能是抓住工件和握持、释放工件。专用操作器指用于某种特定作业的专用工具，如机器人焊接用焊枪。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统组成(5)机器人-环境交互系统机器人与外部环境设备相互协调的系统被称为机器人-环境交互系统，该系统可以是机器人与外部设备集成为一个功能单元，如焊接单元；也可以是多台机床或设备、多个零件存储装置集成去执行任务的功能单元。(6)感知系统感知系统由外部传感器模块和内部传感器模块组成，用以感知内部和外部环境状态中的信息，前文已对传感器进行过详细介绍，这里不再赘述。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统的技术原理工业机器人的工作原理基于其核心技术。包括传感器、控制系统和执行器等关键组件。(1)传感器：工业机器人通常搭载各种传感器，如视觉传感器、力量传感器、接触传感器等。这些传感器用于感知周围环境和工件的位置、形状、力量等信息。(2)控制系统：工业机器人的控制系统是其大脑，通常由计算机和软件组成。控制系统接收传感器提供的数据，并根据预先设定的程序和算法进行计算和决策，控制机器人的各个动作。(3)执行器：执行器是工业机器人实现各种动作的关键部件，包括电动机、液压装置、气压装置等。执行器接收控制系统发出的指令，通过产生力或转动力矩，将机器人的关节或未端执行器移动到指定位置，实现各种操作任务。10.2工业机器人定义、组成与技术原理-工业机器人系统的技术原理工业机器人的工作原理可以简单概括为感知-计算-执行的闭环过程。机器人首先通过传感器感知工作环境和工件的状态，然后将感知到的信息传输给控制系统。控制系统根据预先设定的程序和算法对感知信息进行处理和分析，并做出相应的决策与控制指令。执行器根据控制指令产生相应的动力输出，将机器人移动到指定位置，完成各种操作任务。总的来说，工业机器人的工作原理依赖于传感器的感知、控制系统的计算和决策，以及执行器的动力输出，通过这些组件的协作实现机器人的复杂操作。10.3节工业机器人系统的智能运维第10章

智能制造的工业机器人系统10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统运维

工业机器人设备及数据采集采样单点使能模式，所有设备独立使用，因此制造商维修响应慢、运维成本高。另外，若工业机器人使用单位在应用过程中遭遇非计划停机事件，将严重影响排产计划，设备备件损耗高。因此，工业机器人系统的运维具有重大意义。工业机器人系统运维工业机器人系统运维是指对工业机器人系统的运行和维护。工业机器人系统运维的主要内容包括：(1)对工业机器人本体、末端执行器、周边装置等机械系统进行常规性检查、诊断。(2)对工业机器人的控制系统、驱动系统、电源及线路等电气系统进行常规性检查、诊断。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统运维

(3)根据维护保养手册，对工业机器人、工业机器人工作站或系统进行零位校准、防尘、更换电池、更换润滑油等维护保养。(4)使用测量设备采集工业机器人、工业机器人工作站或系统运行参数、工作状态等数据，并对这些数据进行监测。(5)对工业机器人工作站或系统的故障进行分析、诊断与维修。(6)编制工业机器人系统运行维护、维修报告。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试ABBRobotics是机器人、机器自动化和数字服务的先驱，为从汽车到电子再到物流等各行各业提供创新的解决方案。ABB机器人是工业机器人行业的标杆，它有不同的种类的工业机器人，可为各种需求提供具有成本效益的优化解决方案。以ABB码垛工业机器人的安装调试过程为例进行介绍。(1)现场安装机器人本体和控制柜小心地用吊带吊起机器人，将机器人本体和机器人控制柜移动至合适位置。(2)机器人本体和控制柜之间的电缆连接10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试如图10-16所示为控制柜，

其中：A——附加轴，电源电缆连接器；B——示教器连接器；C——I/O连接器；D——安全连接器；E——电源电缆连接器；F——电源输入连接器；G——电源连接器；H——总线连接器；I、J——信号电缆连接器；K——轴选择器连接器；L——附加轴，信号电缆连接器。将上述接口与机器人机器人本体一对应连接即可。图10-16

机器人控制柜10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试(3)示教器与控制柜连接示教器与控制柜之间通常通过电缆线进行连接。如图10-17所示，将1接口和2接口用缆线连接。(4)设置语言可通过示教器上的开始菜单设置用户需求的语言。(5)校准ABB机器人每个关节轴都有一个机械原点的位置。遇到下列情况时，需要对机械原点的位置进行转数计数器的更新操作：①更新伺服电动机转数计数器电池后。②当转数计数器发生故障，修复后。③转数计数器与测量板之间断开过以后。④断电后，机器人关节轴发生了移动后。⑤当系统警报提示“10036转数计数器未更新”后。图10-17控制柜与示教器连接10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试(6)系统I/O配置及接线按照操作手册配置I/O单元，等所有的信号全部配置完成以后，就将对应的信号线接入通信板。(7)检查信号通过示教器对I/O信号进行监控。0表示没信号，1表示有信号。检查配置的信号与实际信号是否对应正确。之后检测机器人两个夹具状态，强制进行夹具松开、闭合的操作，查看电磁阀接线是否错误。(8)导入程序通过示教器加载所需要的程序模块，模块通常存放在PROGMOD文件夹下，可以用记事本打开。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试(9)工件坐标系设定设定工件坐标是进行示教的前提，所有的示教点都在必须在对应的工件坐标中建立。(10)较准基准点根据操作手册，通过示教器完成基准点校准工作。(11)调整参数若新进纸箱有些许变化而影响码垛效果，或纸箱装箱效果不是很好时，需要进行参数调整工作。(12)自动运行调试完成无误后才能自动运行，且前期一定要将机器人设置为较低的速度。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人的安装调试(9)工件坐标系设定设定工件坐标是进行示教的前提，所有的示教点都在必须在对应的工件坐标中建立。(10)较准基准点根据操作手册，通过示教器完成基准点校准工作。(11)调整参数若新进纸箱有些许变化而影响码垛效果，或纸箱装箱效果不是很好时，需要进行参数调整工作。(12)自动运行调试完成无误后才能自动运行，且前期一定要将机器人设置为较低的速度。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制工业机器人作为一项机电一体化的高新技术，在工业领域中得到了全面普及和应用，对提升生产效率，保证生产质量，增加经济效益，改善生产方式等起到了一定的效果。而把PLC控制技术运用到工业机器人系统中，能够引导工业化稳定发展。因此，PLC控制在工业机器人系统中实现了广泛应用，并取得良好的应用效果。国际电工委员会对PLC做了如下定义：可编程控制器（PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制(1)PLC的组成如图10-18所示，PLC主要是由CPU模块、输出单元、输入单元和外部设备等组成。1)中央处理器(CPU)CPU是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成数学运算、逻辑运算、协调系统内部各部分工作等任务。图10-18

PLC的组成及部件功能10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制2)存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。可编程控制器的存储器可分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)两大类，ROM是用来存放永久保存的系统程序，RAM一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。可编程控制器的存储器区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。3)输入输出单元输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。4)外部设备1)编程器。不仅有编程功能，还具有调试及监控功能。2)盒式磁带机。用以记录程序或信息。3)打印机。用以打印程序或制表。4)EPROM写入器。用以将程序写入到用户EPROM中。5)图形监控系统。用以显示或监视有关部分的运行状态。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制(2)PLC在工业机械手上的应用西门子S7-200PLC系统采用晶体管输出型CPU224模块，可同时输出两路脉冲到步进电动机驱动器，控制步进电动机的运行。它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及命令功能强大等优点，可以近乎完美地满足小规模的控制要求。图10-19系统原理1)PLC控制器与步进电动机驱动器的连接PLC控制步进电动机驱动系统原理如图10-19所示。时钟脉冲发生电路用以产生步进脉冲信号，其频率按步进电动机进给速度的要求设计，步进量采用步进脉冲计数法进行控制。具体做法为：PLC的调整脉冲输人端和调整脉冲计数器对进给脉冲计数，按脉冲的个数控制进给量。由于采用了硬件的时钟脉冲信号发生器，工作频率较高，可在数控装置中做多轴插补控制，可方便地用于各种机械装置的驱动。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制PLC控制器与步进电动机驱动器工作原理如图10-20所示。驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用＋24V供电，需加1.5kQ限流电阻。驱动器输人端为低电平有效。图10-20

PLC控制器与步进电动机驱动器工作原理10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制2)工业机械手PLC控制系统的控制要求对工业机械手PLC控制系统的控制要求为：实现把放在A地的物体拿到B地。并实现对机械手各个动作的顺序控制。机械手传送工件系统如图10-21所示。图10-21机械手传送工件系统10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制具体控制过程如下：以机械手复位点为原点O(0，0，0)，建立坐标系，单位为mm，如图10-22所示。A地的坐标是(80，50，0)，B地的坐标为(80，50，30)。根据控制要求，逻辑流程可以分为15个部分。系统启动时，程序运行复位，各映像寄存器清零，气夹、基座、X轴(横轴)、Y轴(竖轴)复位。各部位复位完成后，延时2s。当有工件放在工作台A上时，启动条件允许，则机械手横轴开始前伸80mm。当前伸到位时停止前伸，机械手气夹旋转，旋转到位后，手张开。然后机械手竖轴下降，下降50mm后停止。图10-22

机械手坐标系10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制这时手开始夹紧工件，同时启动延时0.5s定时器。之后竖轴开始上升50mm，上升到位后停止上升。机械手横轴开始缩回80mm，当前伸到后后停止缩回。这时基座开始旋转，并产生一个VPP为24V的方波信号，每旋转3°编码器发出一个脉冲，用于机械手的定位控制。旋转到位后，横轴开始前伸80mm，当前伸到位后停止前伸。手开始旋转，旋转到位后，竖轴开始下降50mm，当下降到低位时，停止下降。机械手在低位时开始松开工件，同时启动延时0.5s定时器。待延时时间到，竖轴又开始上升。并通过程序实现机械手软件复位。机械手等待A地工作台再次有物块时，进行下一周期操作。根据机械手的控制要求，可以总结出基本的程序流程如图10-23所示。10-23程序流程10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制3)关键问题解决通过高速脉冲输出指令PTO产生脉冲串，来控制步进电动机。通过设定控制字、周期、脉冲数，可以实现横轴和竖轴的定位控制。本设计中，取周期为500us，频率为2000Hz。细分倍数设定为8，即1600步数/圈，步距角为0.225°，螺距为5mm，传动速比约为1。根据控制要求，横轴移动80mm，竖轴移动50mm。要实现基座定位的精确控制，需要首先构建闭环控制系统模型，并对基座定位系统的执行机构进行输出监控。在使用PLC作为主控单元的控制系统中，可以利用PLC的高速计数功能读取和电动机同步的光电码盘发出的高速脉冲信号，并对之进行计数。通过对比预定脉冲数和实际脉冲数的情况，具有高速脉冲输出功能的PLC能向步进电动机发出相应的脉冲信号，从而实现电动机的闭环控制。PLC的高速计数模块在加减计数器中，可进行多个设定值区域的多段设定。进行计数时，计数值和设定值比较，在允许中断的状态下，当设定值和计数值一致时，则中断当前处理转去执行中断程序，中断程序执行完，则返回被中断处继续往下执行。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制本设计中，基座每旋转3°，码盘发出一个脉冲。根据控制要求，基座旋转60°，所以可以用加计数器进行计数，当计到20时基座停止旋转。西门子S7-200PLC中设置了256个顺序控制继电器，通过顺序控制指令来编制顺序控制程序。编制顺序控制程序的步骤如下：1)首先启动相关的特殊标志位和状态位。在同一程序中，各程序的状态位不能相同。每一个顺序控制程序都是以LSCR开始，启动状态位。以SCRT进行状态转换，结束前一个程序步后启动后一个程序步，则以SCRE结束。3)在程序开始，使输出位置位。本设计采用状态继电器编程。状态继电器是专门为顺序控制设计提供的，在编制顺序控制程序时应与步进指令一起使用。要使用状态继电器编程必须把握两个关键词，即状态和转移条件。状态指的是每一状态应完成相应的动作；转移条件即是从上一个状态转移到下一个状态所应满足的条件。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制这里所说的状态即是：从原位开始，前伸、下降、夹紧、上升、缩回、旋转、前伸、下降、放松、上升、复位；这里所谓的转移条件即是：前伸、缩回、上升、下降到位和夹紧、放松的延时时间。先使各标志位和状态位都清零，再采用M0.1～M0.7，M1.0～M1.7，M2.0～M2.5，M3.0～M3.3等26个中间继电器，使机械手按控制流程图顺序动作。程序结束时，使输出位复位。以上几个关键问题解决后，将程序输入PLC，经过多次调试和修改，直至机械手按要求动作。到此，就达到了机械手控制系统的设计要求。PLC控制器与步进电动机驱动器连接工作可实现机械手的定位精准，最终可实现机械手在空间中的准确定位并抓放物体。系统可以根据机械手的不同作业要求，设计不一样的程序来实现预期的动作，并且方便了用户调试。PLC系统功能灵活、可实现动作多样、调试方便、定位快速，并可以根据用户相关控制需要调整参数，实现人机智能化。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制(3)PLC技术在工业机器人中的具体应用开关量控制。将PLC技术应用于开关量控制的目的在于根据现存与历史开关量的输入状况从而决定系统所需的开关量输出，让系统能够依指定顺序开始工作。而要实现此目的前提是编写相应的程序，此程序的编写可采取两种方式：①逻辑处理法。此方法是利用组合或时序逻辑综合的方法变换输入与输出；②工程设计法，此方法是利用具体的要求命令来控制输出。工程设计方法，可实现以下三种控制方式：①分散控制。分散控制是利用分散信号来实现的，控制输出就如同发命A令，命令的内容与发出的时间均由分散动作反馈信号的完成情况来决定。分散控制的最大特征在于可采样反馈机制，系统在未收到反馈信号的前提下是不会发出后续命令的，这样就使得整个系统能安全运行。因此，PLC控制技术还可应用于利用伺服电机进行控制的工业机器人上。②集中控制。利用集中控制器实现控制，此控制器即是基于PLC程序的顺序输出命令。为此，可将PLC控制技术应用于基于步进电机的工业机器人上。③混合控制。混合控制系统是指那些由实时决策子系统和实时数值反馈子系统组成的系统，这类系统的特点是事件变量和时间变量的演化在不同子系统内并行进行。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制2)模拟量控制。一般地，过程控制都需要利用到模拟量，包括电流、电压、压力、温度等。若要利用PLC对模拟量进行处理，首先要将模拟量进行数字化与离散化转换，并将其进行锁存后再进行模拟输出。因此，进行模拟量控制还需安装A/D模块，以实现模拟量的数字化与离散化；然后再利用D/A模块将其进行锁存并进行模拟输出。引入PLC技术对模拟量进行控制的目的在于根据当前的模拟量输出情况，产生系统运行所需的模拟量输出，使系统能够依指定要求执行任务。过程控制的类型有很多，其中最为常用的是闭环控制与开环控制。闭环控制通过传感器监测调节量，并将所接收到的调节量传送至A/D模块，将模拟量进行数字化与离散化的转换；接着PLC程序会按要求进行相应处理，并将处理结果传送至D/A模块，通过执行器最终传达到被控对象上。关节角度和电机的运动速度是工业机器人控制的重点，其中关节角度即是一种模拟量。若系统电机为伺服电机，那么对关节角度应采取闭环控制。在开环控制中传感器监测扰动量，然后PLC程序会依扰动量与调节量之间的关系产生控制量，通过输出模块和执行器最终作用于被控制对象上。其目的在于使扰动量与控制量同时作用于系统，以抵御干扰给系统带来的不良影响。工业机器人通常可采取开环控制方式，不过此时电机多数为步进电机。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人PLC编程控制3)脉冲量控制。脉冲量是指工作对象的位置、速度、加速度等，通过控制脉冲量可使工作对象作直线运动或是角度变换运动，并且还可同时对多个对象进行控制，而实现此功能的前提是协调各对象间的运动情况。基于此，在利用PLC控制技术对脉冲量进行控制时，可选择闭环控制或开环控制两种方式，从而对工业机器人实施闭环或开环控制。4)信息控制。信息控制即人们常说的数据处理，包括采集、存储、检索、变换、传输、数表处理等操作。在工业机器人中应用PLC控制技术，可对工业机器人进行信息控制，将工业机器人的内部与外部参数进行采集、处理或记录，并将其显示于数据显示屏上。与计算机相连后，还可将其传送至计算机上，再利用计算机对数据进行进一步处理。5)远程控制。远程控制是指针对系统的远程部分行为与效果进行检测与控制。基于PLC程序的PLC控制技术拥有多种类型的通讯接口，可与网络进行连接，具备良好的联网与通讯能力，且其会伴随网络的发展而不断出现联网新模块与结构。所以，在工业机器人上利用PLC控制技术可取得良好的远程控制效果，有利提高工业生产的效率。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统的日常维护工业机器人在长期运行过程中，由于机件磨损等原因，技术性能将有所下降，如长期缺乏必要的维护，不仅会缩短工业机器人本身的寿命，还会成为影响生产安全和产品质量的一大隐患。因此要严格按照工业机器人设备的运转规律，科学维护工业机器人完好率，提高生产效率。下面以ABB工业机器人的维护为例进行介绍。(1)日常维护在每天运行系统时，操作人员要对工业机器人的各个部位进行日常清洁和维护工作，并检查各部位有无裂缝或损坏情形。通电前，应检查各关节的油封是否存在渗油现象。受动作条件和周围环境，油封的油唇外侧会有油分渗出(微量附着)，这些油分可能会逐渐累积而呈水滴状时，之后可能根据机器人动作情况而滴下。为避免油分积累，应在运转前清扫油封油唇外侧的油分。此外，频繁的反转动作和高温环境中使用时，电机将会成为高温部件，导致润滑脂和油槽内压在某些情况下上升。因此，在工业机器人运转刚结束后，应开启排脂口、排油口，以恢复内压。注意，打开排脂口、排油口时，应避免润滑脂或润滑油的飞散。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统的日常维护通电后，应检查工业机器人是否存在振动、异常声音及电机发热情况，确保各轴在没有异常振动及声响的情况下平滑运动，并且电动机的温度无异常增高。此外，还需检查工业机器人是否与上次再生位置偏离，停止位置是否出现偏差等。确认基于工业机器人、外围设备发出的指令动作是否确切；断开电源后，还需确认末端执行器安装面的落下量在0.5mm以内。(2)机械人本体的一般维护1)清洗机械手应定期清洗机械手底座和手臂，使用清洗溶剂时需谨慎操作，并且应避免使用丙酮等强溶剂。可使用高压清洗设备，但应避免直接向机械手喷射。若机械手涂有油脂膜等保护，按要求彻底清除。2)检查基础固定螺钉将机械手固定于基础上的紧固螺钉和固定夹必须保持清洁，不可接触水、酸碱溶液等腐蚀性液体，以避免紧固件腐蚀。如果镀锌层或涂料等防腐蚀保护层受损，需清洁相关零件并涂以防腐蚀涂料。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统的日常维护3)更换工业机器人电池更换工业机器人电池的步骤为：机器人运行回零，断开主电源；打开本体底座后盖板；找到电池安装板；拔出连接到电池上的电线；更换新的电池；重新固定底座后盖板；机器人执行回零操作。(3)示教器清洁从实际需要出发按适当的频度清洁示教器，同时注意避免示教器接触丙酮等强溶剂，以防止腐蚀。(4)维护系统控制柜1)检查控制柜散热情况严禁控制器上覆盖物体；控制柜后面和侧面留出足够间隔(>120mm)；严禁将控制柜放置在热源附近；严禁控制柜顶部放有杂物；避免控制柜过脏；避免一台或多台冷却风扇不工作；避免风扇进口或出口堵塞；避免空气滤布过脏；控制柜内不执行作业时，其前门必须保持关闭。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统的日常维护2)清洗控制柜内部应根据环境条件按适当间隔清洁控制柜内部，如每年一次；须特别注意冷却风扇和进风口/出风口清洁。清洁时使用除尘刷，并用吸尘器吸去刷下的灰尘。请勿用吸尘器直接清洁各部件，否则会导致静电放电，进而损坏部件；清洁控制柜内部前，须切断电源。3)清洗或更换滤布需在加有清洁剂的30-40℃水中清洗滤布，清洗3-4次。不得拧干滤布，可放置在平坦表面晾干。还可以用洁净的压缩空气将滤布吹干。4)定期更换电池必须定期更换电池。5)检查冷却器冷却回路采用免维护密闭系统设计，需按要求定期检查和清洁外部空气回路的各个部件；当环境湿度较大时，需检查排水口是否定期排水。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统智能运维九物互联网科技有限公司先后对五大机器人品牌的十几款工业机器人，开发了“工业机器人在线检测平台”工业App，在工业机器人设备上加装传感器，采集关节轴末端坐标、关节轴电流等运行参数，利用九物互联风暴系列智能边缘网关，对传感器数据进行采集及预处理，并传送至九物云平台。通过平台为机器人制造商和使用商提供设备台账管理、运行工况监测、关节轴电流异常报警、故障维修维护等功能。围绕工业机器人的运行状态、设备故障率及整体生产率等数据，与历史数据、同型号产品数据进行对比，建立综合分析模型，建立设备健康度模型等。工业机器人作为智能制造高端的、可管理的设备，接入数据包含工业机器人实时监控数据、告警和维保数据，采集和分析其运行状态、扭矩、轴电流、故障信号、振动、噪声等，使设备的空机率降低20%，设备的生产力和利用率提升约15%，缩短设备维护时间30%～40%。10.3工业机器人系统的智能运维-工业机器人系统智能运维随着机器人产业发展相关政策的落实推进，工业机器人的应用将从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业等各种非制造行业。在低端产能行业，工业机器人的应用也会加速扩张，如陶瓷卫浴、家具制造、食品饮料、快消食品、服饰鞋帽等，并逐渐进入到货币银行、仪器仪表、生物制药等新兴领域。10.4节工业机器人在智能制造系统中的应用第10章

智能制造的工业机器人系统10.4工业机器人在智能制造系统中的应用

工业机器人在我国广泛应用于制造业，上到航天飞机、小到圆珠笔的生产，都可以见到工业机器人的身影，并且食品，医疗等领域都已经有工业机器人的参与其中。工业机器人与传统的工业设备所生产的产品的价格差距越来越小，而且工业机器人产品的个性化程度更高，因此在一些工艺复杂的产品制造过程中，工业机器人开始逐渐替代传统设备。如图10-24所示机械手机器人进行搬运作业，图10-25所示为焊接机器人进行焊接作业，图10-26所示为自动上下料工业机器人。

图10-24机械手机器人

图10-25焊接机器

图10-26

自动上下料工业机器人10.4工业机器人在智能制造系统中的应用-工业机器人智能焊接

在中国，50％的工业机器人应用于汽车制造业，而焊接机器人在汽车制造业中占50％以上。焊接是一种劳动条件差，热辐射较大，危险性较强的职业。此时，使用焊接机器人，来代替手工焊接，不仅可以降低焊工的劳动强度，还可以保证焊接的效率与质量。焊接机器人的使用是我国焊接实现自动化的重要标志，焊接机器人可以天工作满足生产需求，焊接机器人的使用降低了工人的工作强度、解放了大量生产力、同时减少了焊接带来的危害。焊接机器人具有接触传感、电弧跟踪、电弧重起、防碰撞等功能，很大程度地提高了焊接质量。焊接是一个复杂的过程，往往需要耗费很大精力，也存在-定危险。焊接机器人的应用不仅带来了焊接技术的革新，而且也推动了其他工业的快速发展。10.4工业机器人在智能制造系统中的应用-工业机器人智能装配

装配指的是将相关零部件产品依照相应的技术要求进行组装，同时经过调试、检验等一系列工作流程使之成为合格的工业产品。如图10-27所示，装配机器人用于替代人工或者辅助人工协同进行工件的装配工作。主要执行工件的夹取或吸取、放置、按压、螺丝或螺母的拧紧等工作。与人工相比，装配机器人更加适应自动化规模生产，保证产品一致性；可24小时连续生产，提高生产率；并且可在有害环境下长期工作等。

(a)笔筒自动装配

(b)汽车自动装配图10-27

装配过程自动化机器人10.4工业机器人在智能制造系统中的应用-工业机器人智能码垛

码垛机器人可以集成在任何生产线中，实现码垛工作的智能化、机器人化、网络化。码垛机的自动运行分为自动进箱、转箱、分排、成堆、移堆、提堆、进托、下堆、出垛等步骤。为了提高自动化程度和生产效率，制造企业通常需要快速高效的物流线来贯穿整个产品的生产及包装的过程。例如物流方面，京东的“亚洲一号"无人仓，如图10-28所示，使用了自动化码垛机器人系统，使其无论是订单处理能力，还是自动化设备的综合匹配能力，都处于行业领先水平。

图10-28“亚洲一号”无人仓10.4工业机器人在智能制造系统中的应用-工业机器人智能激光切割

如图10-29所示，激光切割机器人能够自由、灵活的实现各种复杂三维曲线轨迹的加工，而且运动路径不受限制。随着汽车、重工及军工等行业的快速发展，这些行业中的三维钣金零部件和特殊型材的切割加工呈现小批量化、多样化、高精度化的发展趋势。相对于传统的加工方法，机器人激光切割在满足精确性要求的同时，还能提高激光切割系统的柔性，占用空间更少，具有更高的经济性和竞争力。图10-29激光切割机器人10.4工业机器人在智能制造系统中的应用-工业机器人智能喷涂

喷涂机器人又叫喷漆机器人，是一种可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，常用于汽车、车类配件、家电、电力等行业。如图10-30所示为喷涂机器人正在为罐体的表面进行涂装。图10-30

大型罐体喷涂机器人10.4工业机器人在智能制造系统中的应用-工业机器人智能冲压

冲压成型是一种高效、耗材低、操作技术要求并不高的一种加工手段。对于重复、危险、节拍高的加工行业，若由人工在各个冲压工位上进行物料冲压、搬运、上下料等工作，其安全得不到保障，所以目前冲压车间里面大多采用冲压机器人完成冲压工作，冲压机器人是可以实现传递、搬运、上下料的自动化装置。如图10-31所示，首先坯料被自动送入压机，冲压完成后搬运机器人将其搬走，最后进行码垛，完成冲压流程。图10-31

冲压机器人10.4工业机器人在智能制造系统中的应用-工业机器人智能冲压

图10-32为两台4轴机器人实现某弹簧扣冷锻成型自动化上下料。前部机器人实现油压成型工序的上料，后部机器人实现油压成型工序的下料和冲压去飞边工序的上料。图10-32

弹簧扣冷锻成型过程自动上下料工业机器人10.4工业机器人在智能制造系统中的应用-工业机器人智能搬运

为了提高自动化程度和生产效率，制造企业通常需要快速高效的物流线来贯穿整个产品的生产及包装的过程，搬运机器人在物流线中发挥着举足轻重的作用。用于搬运的串联机器人一般为六轴机器人和四轴机器人。伴随着智能制造技术的深入发展，传统的搬运机器人已不能满足制造要求，基于此，大量的创新型搬运机器人被开发出来，部分创新型搬运机器人被应用了大量先进的科学技术，如大家熟知的六轴搬运机器人。如图10-33所示的工位终端搬运机器人，它是化工、饲料、食品、医药、白色家电等行业进行物料搬运的专用机器人。该机器人负载为130公斤，采用独特的圆柱坐标平行四边形四自由度结构，四个自由度运动完全解耦，运动简单、灵活、高效。机器人小臂采用高强度铝合金材料，并进行轻量化设计，保障了机器人较高的动态运动性能。图10-33

工位终端搬运机器人10.5节工业机器人的安全注意事项第10章

智能制造的工业机器人系统10.5工业机器人的安全注意事项

随着工业化进程的不断深化，工人安全问题越来越受到重视，因此工业机器人被广泛地应用于制造业等诸多部门，代替人们在具有危险性的场所从事繁重的工作。但是，工业机器人在将人们从繁重的危险性劳动中解放出来的同时，也带来了一定的安全隐患。由于工业机器人故障所造成的人身伤害事故时有发生。例如，目前中国的仓储机器人正处于高速发展期领域，但其实整个行业仍处于早期阶段，机器人的稳定性和智能化程度还不够高。其中基本参数设置、功能性实现、性能表现及机械电气安全等问题比较突出。此外，因产品控制系统和上位机软件的设计问题，很多机器人产品存在障碍物检测盲区。这些问题对于仓库作业安全有着非常严重的影响。机器人运行不稳定可能引发货架倾覆，电池管理不当则易导致的机器人失火，在突发事件发生时，若机器人缺乏灵敏反应机制将极大地影响工人安全，以上问题对工人的生命安全构成了潜在威胁。

10.5工业机器人的安全注意事项-系统安全工业机器人的安全问题主要由两个要素构成：一是工业机器人操作人员的安全教育，二是避免工业机器人本身造成危险事故。因此，工人操作工业机器人之前，需要接受与与安全性相关的教育与培训。系统安全由于工业机器人系统复杂而且危险性大，在工作期间，对机器人进行任何操作时都必须注意安全。无论什么时候进入机器人工作范围都可能导致严重的伤害，只有经过培训认证的人员才可以进入该区域。以下的安全守则必须遵守：(1)发生火灾时必须使用二氧化碳灭火器。(2)不允许短接急停开关。(3)机器人处于自动模式时，严禁任何人员进入其可能的运动区域范围。

10.5工业机器人的安全注意事项-系统安全(4)在任何情况下，切勿使用机器人的原始启动盘，应使用复制盘。(5)机器人停机时，夹具上应保持空置。(6)机器人在发生意外或运行不正常等情况下，均可使用急停开关，迅速中断其运行。(7)机器人在自动状态下，即使运行速度非常低，其动量仍很大，所以在进行编程、测试及维修等工作时，必须将机器人置于手动模式。(8)气路系统中的压力可达0.6MPa，进行任何相关检修都要切断气源。(9)在手动模式下调试机器人时，若无需移动机器人，则必须及时释放使能器。(10)调试人员进入机器人工作区域时，必须随身携带示教器，以防他人误操作。(11)在接到停电通知时，要预先关断机器人的主电源及气源。(12)遭遇突然停电时，应迅速关闭机器人的主电源开关，并及时取下夹具上的工件。(13)维修人员必须保管好机器人钥匙，严禁非授权人员在手动模式下进入机器人软件系统，随意翻阅或修改程序及参数。

10.5工业机器人的安全注意事项-工业机器人安全操作(1)安全围栏必须足够牢固，并且固定不动，防止操作人员轻易打破或拆除。同时，安全围栏自身应没有锐边和尖角，不能有潜在的危险部件。(2)安全围栏外部必须清楚地标示当前机器人处于什么状态(示教、运行、维修)。以免有人通过示教器、人机界面等误操作机器人及周边设备。(3)应在地面上用油漆标明危险区域，包括机器人和周边设备的运动范围。另外，在周围留出足够的安全空间，并安装安全防护装置，以供在异常操作或紧急情况时操作人员躲避。(4)操作机器人前，首先确认“紧急停止”按钮的功能是否正常。检查所有与机器人操作必须的开关、显示以及信号的名称及其功能。(5)操作机器人前，要先确认机器人原点是否正确，各轴动作是否正常。在操作过程中，操作人员应保持始终从正面看机器人。

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