工业机器人集成系统(终)

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（AutomaticDevice）第一页，共74页。第一页，共74页。

目录1、工业机器人概论2、工业机器人集成控制系统3、工业机器人发展展望第二页，共74页。第二页，共74页。1.1工业机器人简介1.2工业机器人全球发展状况1.3工业机器人国内发展状况1.4工业机器人总体应用趋势1工业机器人概论第三页，共74页。第三页，共74页。

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工业机器人简介1、工业机器人概论第四页，共74页。第四页，共74页。焊接机器人喷涂机器人1、工业机器人概论码垛机器人装配机器人第五页，共74页。第五页，共74页。工业机器人分类1.1工业机器人简介第六页，共74页。第六页，共74页。工业机器人组成1.1工业机器人简介第七页，共74页。第七页，共74页。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；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。作用优点1.1工业机器人简介第八页，共74页。第八页，共74页。应用行业应用类型汽车产业弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、切割电子电器搬运、洁净装配、自动传输、打磨、真空封装、拾取化工纺织搬运、包装、码垛、称重、检测、切割、研磨、装配食品饮料普通包装、搬运、真空包装塑料轮胎上下料、去毛边冶金钢铁搬运、码垛、铸件去毛刺、浇口切割家具家电装配、搬运、打磨、喷漆、切割、雕刻海洋勘探维修、建造、拆卸工业机器人应用1.1工业机器人简介第九页，共74页。第九页，共74页。1.2工业机器人全球发展状况第十页，共74页。第十页，共74页。1.2.1全球工业机器人发展历程第十一页，共74页。第十一页，共74页。类型发展模式特点日本模式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欧洲模式交钥匙工程机器人的生产和用户所需要的系统的设计制造全部由机器人制造厂商自己完成美国模式集成应用，采购与成套设计相结合美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备1.2.1全球工业机器人发展历程美、日、欧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模式。第十二页，共74页。第十二页，共74页。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%1.2.2工业机器人全球发展市场格局工业机器人集成市场除了四大企业外还有德国的杜尔、莱斯、意大利的柯马等第十三页，共74页。第十三页，共74页。主要国家机器人技术优势领域比较1.2.2工业机器人全球发展市场格局机器人类型日本韩国欧盟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第十四页，共74页。第十四页，共74页。1.2.3工业机器人全球竞争格局（万台）（年）第十五页，共74页。第十五页，共74页。（台/万人）1.2.3工业机器人全球竞争格局第十六页，共74页。第十六页，共74页。

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；1.2.4工业机器人国外研发趋势

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。第十七页，共74页。第十七页，共74页。1.3工业机器人国内发展状况第十八页，共74页。第十八页，共74页。1.3工业机器人国内发展状况上海中国国际机器人展（CIROS2015

）--新松机器人第十九页，共74页。第十九页，共74页。上海中国国际机器人展（CIROS2015）--埃夫特机器人1.3工业机器人国内发展状况第二十页，共74页。第二十页，共74页。上海中国国际机器人展（CIROS2015）--广州数控机器人1.3工业机器人国内发展状况第二十一页，共74页。第二十一页，共74页。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1.3.1工业机器人国内市场规模（年）（万台）第二十二页，共74页。第二十二页，共74页。中国工业机器人不同领域需求1.3.1工业机器人国内市场规模第二十三页，共74页。第二十三页，共74页。川崎、现代、柯马、不二越、松下新松、博实、首钢莫托曼、埃夫特1.3.2工业机器人国内竞争格局库卡、发那科、ABB第二十四页，共74页。第二十四页，共74页。

2013年中国工业机器人销量36560台，其中本土品牌机器人销量9500台2014年47500台，本土品牌16900台中国工业机器人销售情况1.3.2工业机器人国内竞争格局第二十五页，共74页。第二十五页，共74页。

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。1.3.3工业机器人国内研发趋势第二十六页，共74页。第二十六页，共74页。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

1.3.4中国工业机器人与世界水平差距第二十七页，共74页。第二十七页，共74页。4/18/2023谐波、RV减速器精度不够

1.3.4中国工业机器人与世界水平差距第二十八页，共74页。第二十八页，共74页。精密减速机、交流伺服电机、控制器是机器人的关键核心部件

1.3.4中国工业机器人与世界水平差距第二十九页，共74页。第二十九页，共74页。

趋势趋势之一：重载、高速、高精度趋势之二：智能化趋势之三：信息化、网络化

1.4工业机器人总体应用趋势第三十页，共74页。第三十页，共74页。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公斤重，重复精度达±0.3mm，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”。

1.4工业机器人总体应用趋势第三十一页，共74页。第三十一页，共74页。

趋势之二：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。

1.4工业机器人总体应用趋势第三十二页，共74页。第三十二页，共74页。趋势之三：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

1.4工业机器人总体应用趋势PC-控制PC-控制PC-控制第三十三页，共74页。第三十三页，共74页。2工业机器人集成控制系统2.1机器人控制系统分类2.2PMAC控制系统2.3工业PC集成控制系统2.4开放式集成控制系统2.5机器人集成控制系统举例第三十四页，共74页。第三十四页，共74页。2.1机器人控制系统分类机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统，按照控制方式可以分为以下三种控制系统：第三十五页，共74页。第三十五页，共74页。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。2.1机器人控制系统分类第三十六页，共74页。第三十六页，共74页。机器人集成系统优势：2.1机器人控制系统分类第三十七页，共74页。第三十七页，共74页。基于PMAC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

2.1

PMAC集成控制系统PMAC是programmultipleaxiscontroller可编程多轴运动控制卡，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第三十八页，共74页。第三十八页，共74页。2.1

PMAC集成控制系统PMAC集成控制系统示例PMACPC/HMI用户界面放大器机械输入/输出USBEthernetSerialPCIVME总线LocalGeneralPurposeI/Os/Built-inAnalog/digital/Fieldbus±10VPWMPFMSinusoidalFieldbusBrushBrushlessInductionStepper通讯:机械I/O:命令输出:电机类型:AquadB,Sinusoidal,Serial,Resolver,Incremental,Absolute反馈:电机/编码器第三十九页，共74页。第三十九页，共74页。2.1

PMAC集成控制系统第四十页，共74页。第四十页，共74页。2.2工业PC集成控制系统扫描仪电话上网打印机ProfibusInterbusCANopenDeviceNetLightbusSercosEthernet

DOS/WindowsXP/CEI/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

SystemManagerPLC

NCPTPI/OServerPLCServerNCPTPServer

实时核扩展用户模式VGA显示器ModemRS232C并行口局域网软盘硬盘第四十一页，共74页。第四十一页，共74页。2.2工业PC集成控制系统

工业PC控制与传统控制方式的比较传统控制组成

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:WindowsCE操作系统,PLC,NCPTP,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第四十二页，共74页。第四十二页，共74页。2.2工业PC集成控制系统

工业PC控制与传统控制方式的比较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第四十三页，共74页。第四十三页，共74页。2.2工业PC集成控制系统

工业PC控制技术—信息技术与自动化技术完美结合机器1服务工程师机器2机器3PC-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工作站第四十四页，共74页。第四十四页，共74页。2.2工业PC集成控制系统分为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管理层服务器生产模型PC-控制PC-控制PC用作传统PLCPC工作站

主控系统:

基于WinCE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第四十五页，共74页。第四十五页，共74页。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。2.3开放式集成控制系统第四十六页，共74页。第四十六页，共74页。2.3开放式集成控制系统第四十七页，共74页。第四十七页，共74页。开放式集成控制系统具有的特性：2.3开放式集成控制系统第四十八页，共74页。第四十八页，共74页。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。Soft型开放式运动控制器开发以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。2.3开放式集成控制系统第四十九页，共74页。第四十九页，共74页。2.4.1焊接机器人系统2.4.2工业机器人研究成果2.4机器人集成控制系统举例

第五十页，共74页。第五十页，共74页。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。2.4.1焊接机器人系统第五十一页，共74页。第五十一页，共74页。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。2.4.1焊接机器人系统第五十二页，共74页。第五十二页，共74页。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2.4.1焊接机器人系统第五十三页，共74页。第五十三页，共74页。

弧焊机器人控制部分2.4.1焊接机器人系统第五十四页，共74页。第五十四页，共74页。

弧焊机器人焊接传感器及系统安全保护部分2.4.1焊接机器人系统第五十五页，共74页。第五十五页，共74页。

弧焊机器人周边设备2.4.1焊接机器人系统第五十六页，共74页。第五十六页，共74页。在汽车消声器生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。2.4.1焊接机器人系统第五十七页，共74页。第五十七页，共74页。滑移平台：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。2.4.1焊接机器人系统第五十八页，共74页。第五十八页，共74页。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2.4.1焊接机器人系统第五十九页，共74页。第五十九页，共74页。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。2.4.1焊接机器人系统第六十页，共74页。第六十页，共74页。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装备研制（与北京中电华强公司合作，北京市科委项目（Z1111）2.4.1焊接机器人系统第六十一页，共74页。第六十一页，共74页。码垛机器人（863-512-9418-04-01，863-512-9502-01（1994年-今））2.4.2工业机器人研究成果第六十二页，共74页。第六十二页，共74页。机器人磨削抛光加工系统（2007AA04Z2443，2012AA041304（2005年-今）2.4.2工业机器人研究成果第六十三页，共74页。第六十三页，共74页。2.4.2工业机器人研究成果第六十四页，共74页。第六十四页，共74页。机器人焊接加工系统（863-512-9804-02，863-512-9802-05（1999-2002年）；Z1111（2012-2013年））2.4.2工业机器人研究成果第六十五页，共74页。第六十五页，共74页。大型复杂曲面钢板水火成型机器人（863-512-9921-02，2001AA421200-02（1998-2005年））2.4.2工业机器人研究成果第六十六页，共74页。第六十六页，共74页。3工业机器人发展展望第六十七页，共74页。第六十七页，共74页。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量超过16900台；

工业机器人国内发展势态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