T-01-O-O-511 工业机器人分类及应用 教材 - logo

1、5.1.1 工业机器人分类及应用在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷涂机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。由于机器人对生产环境和作业要求具有很强的适应性，用来完成不同生产作业的工业机器人的种类愈来愈多（例如抛光机器人、打毛刺机器人、激光切割机器人等等），工业将实现高度自动化。机器人将成为人类社会生产活动的“主劳力”，人类将从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来。让机器人替人类干那些人不愿干、干不了、干不好的工作 。机器人的工业应用可分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。材料加工往往是最简单的；零件制造包括锻造、焊接、捣碎和铸造等；产品检

2、验包括显式检验（在加工过程中或加工后检验产品表面质量和几何形状、零件和尺寸的完整性）和隐式检验（在加工过程中检验零件质量或表面的完整性）两种；装配是最复杂的应用领域，因为它可能包含材料加工、在线检验、零件供给、配套、挤压和紧固等工序。一、认识工业机器人工业机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者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。工业机器人的应用广泛，首先适于在高温、有毒、高粉尘及存在放射性物质等恶劣的作业环境下或在一些人所不能到达的范围内使用，同时，也用于完成如装饰、搬运等重复性的枯燥、繁重的任务, 其中应用最多的行业是汽车制造业。如燃油箱焊接。

3、 图1 焊接机器人工业机器人是指在工业环境中应用的机器人，是一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，用来完成各种作业。因此，工业机器人也被称为“铁领工人”。目前，工业机器人是技术上最成熟、应用最广泛的机器人。焊接机器人、搬运机器人、喷涂机器人和装配机器人是工业中最常用的机器人类型。工业机器人，在焊接、搬运、装配和喷漆等工作上表现不俗；不过，它只能机械地按照规定的指令工作，并不领会外界条件和环境的变化。（1）工业机器人发展过程中的重大事件1） 1959 年，美国造出了世界上第一台工业机器人 Unimate ，可实现回转、伸缩 、俯仰等动作。2） 2005 年，

4、YASKAWA 推出可代替人完成组装或搬运机器人 MOTOMAN-DA20和 MOTOMAN-IA20 。3） 2010 年意大利柯马（ COMAU ）推出 SMART5 PAL 机器人，可实现装载 、 卸载 、多产品拾取、堆垛等。4）KUKA 公司推出 KR 5 arc HW （ Hollow Wrist ），其机械臂和机械手上有一个50 mm 宽的通孔，可以保护机械臂上的整套保护气体软管的敷设。 5） FANUC 推出的 Robot M-3iA 装配机器人采用四轴或六轴模式，具有独特的平 行连接结构，具备轻巧便携的特点，承重范围可达 6 kg 。 （a）Unimate （b）MOTOMAN

5、-DA20 （c）SMART5 PAL KR 5 arc HW Robot M-3iA （d） （e）图2 不同时期的工业机器人（2）工业机器人的发展趋势2010年前全世界目前已经销售230万台，已经进行装备使用的是190万台，这个量已经非常可观。机器人研发水平最高的是日本、美国与欧洲。日本发展处于首位，成为机器人的王国；美国发展迅速，目前在新安装的台数方面已经超过了日本；国产机器人与进口机器人尚存一定差距，中国的工业机器人近期发展较快，开始进入产业化的阶段，已经研制出多种工业机器人样机，已有小批量在生产中使用。工业机器人技术基本沿着两个方向在发展:1）模仿人的手臂，实现多维运动，典型应用为点

6、焊、弧焊机器人；2）模仿人的下肢运动 ，实现物料输送、传递等搬运功能，如搬运机器人 。2011 年，富士康 CEO 郭台铭表示，希望到 2012 年底装配 30 万台机器人，到 2014 年装配 100 万台，要在 5 到 10 年来看到首批完全自动化的工厂，并在数年内通过自动化消除简单重复性的工序。“机器换人”计划，“人口红利”转化为“人才红利”。中国制造转型为中国智造，我们充满期待。（3）工业机器人对现代工业的贡献ABB 公司给出十大投资机器人的理由：1）降低运营成本；2）提升产品质量与一致性；3）改善员工的工作环境；4）扩大产能；5）增强生产的柔性；6）减少原料浪费，提高成品率；7）满足

7、安全法规，改善生产安全条件；8）减少人员流动，缓解招聘技术工人的压力；9）降低投资成本，提高生产效率；10）节约宝贵的生产空间。二、工业机器人分类工业机器人在工业生产中都已被大量采用，如弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷涂机器人及搬运机器人等。由于机器人对生产环境和作业要求具有很强的适应性，用来完成不同生产作业的工业机器人的种类愈来愈多（例如抛光机器人、打毛刺机器人、激光切割机器人等等），工业将实现高度自动化。关于工业机器人分类，国际上没有制定统一的标准，可按负载重量、控制方式、自由度、结构、应用领域、结构坐标系特点方式分类。 （a）直角坐标型 （b）圆柱坐标型 （c）球面坐标型 （d）多

8、关节坐标型图3 工业机器人按结构坐标系分类（1）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，其动作空间为长方体。（2）圆柱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。（3）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。（4）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 23 个自由度，其动作空间近似一个球体。2.按本体机械结构分类按其本体机械结构分为平面关

9、节型、平行杆型和多关节型等。 （a）平面关节型 （b）平行杆型 （c）多关节型（d）多关节型机器人图4 工业机器人本体机械结构分类1-关节2电动机 2-关节3电动机 3-大臂 4-关节1电动机 5-小臂定位夹板 6-小臂 7-气动阀 8-立柱 9-直齿轮 10-中间齿轮 11-基座 12-主齿轮 13-管形连接轴 14-手腕 （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。 图5 手把手示教 图6 示教器示教（2） 感知机器人 第二代工业机器人具有环境感知装置，能在一定度上适应环境的变化，目前已经进入应用阶段

10、。（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 题的能力，尚处于实验研究阶段。 图7 配备视觉系统的工业机器人 图8 智能机器人按作业任务分类，工业机器人可分为搬运、码垛、焊接、涂装、装配机器人。（1）机器人搬运 被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。结构形式上看，搬运机器人可分为龙门式搬运机器人、悬臂式搬运机器人、侧壁式搬运机器人、摆臂式搬运机器人和关节式搬运机器人。常见的搬运机器人末端执行器有吸附式、夹钳式和仿人式等。 吸附式末端执行器依据吸力不同可分为气吸附和磁吸附。（2）机器人码垛 被广泛应用于化工、饮料、食品、

11、塑料、啤酒等生产企业，对纸箱、袋装、罐装、啤酒箱等多种形式的包装成品都适用。码垛机器人与搬运机器人在本体结构上没有过多区别，通常可认为码垛机器人本体较搬运机器人大，在实际生产当中码垛机器人多为四轴且多数带有辅助连杆，连杆主要起到增加力矩和平衡的作用，码垛机器人多不能进行横向或纵向移动，安装在物流线末端，常见的码垛机器人结构多为关节式码垛机器人、摆臂式码垛机器人和龙门式码垛机器人。常见码垛机器人的末端执行器有吸附式、夹板式、抓取式、组合式 。 图9 机器人搬运 图10 机器人码垛 （3）机器人焊接 开拓柔性自动化生产方式，在一条焊装机器人生产线上同时焊接多件。世界各国生产的焊接用机器人基本上都属

12、关节型机器人，绝大部分有6个轴，目前焊接机器人应用中比较普遍的主要有 3 种：点焊机器人、弧焊机器人和激光焊接机器人。弧焊机器人的组成与点焊机器人基本相同，主要由是由操作机、控制系统、弧焊系统和安全设备等组成。 弧焊机器人多采用气体保护焊方法（ CO2 、 MIG 、 MAG 和 TIG焊）。（4）机器人涂装 被广泛应用于汽车、汽车零部件、铁路、家电、建材、机械等行业。国内外的涂装机器人大多数从构型上仍采取与通用工业机器人相似的 5 或 6 自由度串联关节式机器人，在其末端加装自动喷枪，按照手腕构型划分，涂装机器人主要有：球型手腕涂装机器人和非球型手腕涂装机器人。典型的涂装机器人工作站主要由涂装机器人、机器人控制系统、供漆系统、 自动喷枪 / 旋杯、喷房、防爆吹扫系统等组成 。 （5）机器人装配 被广泛应用于各种电器的制造行业及流水线产品的组装作业，高效、精