现代制造技术电子课件第5章-工业机器人

第5章工业机器人

5.1工业机器人的概述5.2工业机器人的机械结构5.3工业机器人的控制与驱动5.4工业机器人的编程语言5.5工业机器人的应用5.1工业机器人的概述5.1.1工业机器人的定义及特点5.1.2工业机器人的发展状况及发展方向5.1.3机器人的分类 5.1.4工业机器人的组成 5.1.1工业机器人的定义及特点

机器人（Robot）是1920年由捷克作家KarelCapek在剧本《罗萨姆的万能机器人》中塑造的一个具有人的外表、特征和功能，愿意为人类服务的机器人奴仆“Robota”一词衍生出来的。工业机器人（IndustrialRobot）是在工业生产上应用的机器人。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成。如图5-1所示图5-1工业机器人系统的基本结构（一）工业机器人的定义

ISO的定义：工业机器人是一种具有自动操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。

我国的定义：一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。

（二）工业机器人的特点（1）可编程生产自动化的进一步发展是柔性自动化，工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程。（2）拟人化工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。（3）通用性除了专门设计的专用的工业机器人外,一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。（4）机电一体化工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。

5.1.2

工业机器人的发展状况及发展方向

（一）工业机器人的发展状况机器人技术是在控制工程、计算机科学、人工智能和机构学等多种学科基础上发展起来的一种综合性技术。第一台工业机器人诞生于1956年，是英格尔博格（J.Engelberger）将数字控制技术与机械臂相结合的产物。1958年美国的Consolidated公司制作了第一台工业机器人。作为机器人产品出售的最早的实用机型是1962年美国UNINATION公司推出的第一台数控机械手，它的主要特征是一种具有记忆存贮功能的示教再现式机器人，被称为第一代机器人。

20世纪70年代，出现了配备有感觉传感器的第二代工业机器人，它最主要的特征是带有传感系统，可以离线编程，这种传感系统使得机器人具有视觉、触觉等功能，可以完成最精密的元件检测、装配、物料的装卸等。具有智能功能的第三代机器人是20世纪80年代开始研制的，这一代机器人在具有二代机器人所以技术的基础上，还具有灵活的思维功能和自治能力。现在广泛应用的为第一代和第二代机器人。

美国的机器人技术一直处于世界领先水平。由于美国机器人协会、制造工程师协会积极主动地进行机器人技术推广工作，且美国为了高效生产，适应市场变化的需要，以机器人为核心的柔性自动化生产线恰好满足这些需求，所以机器人技术得以迅猛发展。

日本机器人的发展经过了20世纪60年代的摇篮期，70年代的实用化时期以及80年代的普及、提高期三个基本阶段。

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年的发展大致经历了三个阶段：70年代的萌发期，80年代的开发期和90年代适用化期。从20世纪90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈出了一大步，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人的腾飞奠定了基础。

（二）工业机器人的发展方向工业机器人技术从它诞生到现在也得到了迅速的发展和提高，总的发展趋势可概括如下几个方面：（1）提高运动速度和动作精度，减轻重量和减少安装占用空间，继续推广机器人功能部件的标准化和模块组合化，以降低成本和提高可靠性。（2）研究开发新型的机器人结构，例如开发新型微动作机构保证动作精度；开发多关节、多自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构等以适应复杂作业的需要。（3）在多品种小批量生产的柔性制造自动化技术中，特别是机器人自动装配技术中，要求工业机器人对外部环境和对象物体具有自适应能力，即具有一定“智能”。（4）大力开发机器人仿真技术和计算机软件系统，作业任务采用计算机语言以“离线编程”方式进行。采用计算机仿真技术可经济地校核机器人在完成某个操作过程的可行性。5.1.3

机器人的分类

1.按系统功能分类（1）专用机器人这种机器人在固定地点以固定程序工作，无独立的控制系统，具有工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉的特点。比较适用于大批量生产系统中使用，如图5-2所示的自动换刀机械手。

图5-2

自动换刀机械手（2）通用机器人

这种机器人具有独立的控制系统，工作程序可变，动作灵活多样，以适应不同的工作对象，如图5-3。它的机构较为复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统。

图5-3通用机器人（3）示教再现机器人

机器人具有记忆功能，可完成复杂动作，适用于多工位和经常变换工作路线的作业，如图5-4。它在由人示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。

图5-4可识别语音指令的示教再现机器人（4）智能机器人

机器人具有各种感觉功能和识别功能，能做出决策并自动进行反馈纠正，如图智能机器人。它采用计算机控制，依赖于识别、学习、推理和适应环境等智能，决定其动作或作业。表演舞蹈的智能机器人2.按驱动方式分类（1）液压式机器人

机器人采用液压传动，传动平稳、结构紧凑、动作灵敏，使用较为广泛。（2）气动式机器人

机器人以一种压缩空气来驱动执行机构的运动，具有动作迅速、结构简单、成本低的特点。适用于在高速轻载、高温和粉尘大的环境中作业。

（3）电力式机器人

机器人由交、直流伺服电动机、直线电动机或功率步进电动机驱动，不需要中间转换机构，故机械结构简单。近年来，机械制造业大部分采用这种电力式机器人。3.按结构形式分类直角坐标机器人圆柱坐标机器人球坐标机器人关节机器人4.按使用行业、部门和用途分类军事机器人医疗机器人海底采矿机器人焊接机器人5.1.4工业机器人的组成

如图5-9所示，工业机器人由三大部分六个子系统组成。图5-9机器人系统组成1．驱动系统

机器人的驱动单元由驱动器、减速器、检测元件等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。目前驱动方式主要有气动、液压和电动三种。2．机械结构系统

工业机器人的机械结构系统由机身、手臂（包括腕部）、末端操作器三大部分组成，如图5-10所示。图5-10工业机器人机械结构（1）机身它是工业机器人机构中相对固定并承受相应力的基础部件。（2）手臂它由操作机的动力关节、连接杆件和腕部等构成，是用于支承和调整末端执行器位置的部件。（3）末端操作器它是操作机直接执行工作的装置，直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。如图5-11所示。图5-11机器人手爪实物图3．感受系统

它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。内部传感器用于检测各关节的位置、速度等变量，如图5-12所示常用的内部传感器：光电码盘，也有采用电位计、旋转变压器、测速发电机的。

外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况的，用于机器人引导和物体识别及处理，如图5-13所示。图5-13外部传感器模块图5-12内部传感器模块简单介绍触须传感器的工作原理（如图5-14）：图5-14触须传感器（a）结构简图（b）应用实例4．机器人—环境交互系统

工业机器人的机器人—环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。5.人—机交互系统（如图5-15）人—机交互系统是使操作人员参与机器人控制，与机器人进行联系的装置。归纳起来为可分两大类：指令给定装置和信息显示装置。图5-15人机交互系统6．控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。5.2工业机器人的机械结构5.2.1工业机器人的臂部结构5.2.2工业机器人的腕部结构5.2.3工业机器人的手部结构 5.2.4机器人的基本参数和性能特征 5.2.1工业机器人的臂部结构

机器人的臂部由大臂和小臂组成，大臂完成回转、升降或上下摆运动，小臂完成伸缩运动。臂部结构刚度要求高、导向性要好、重量要轻、运动要平稳、定位精度要高。根据手臂的结构形式区分，手臂有单臂和双臂等形式；根据手臂的运动形式区分，手臂有直线运动和回转运动两种运动形式。1．手臂直线运动机构机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。活塞油（气）缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等实现直线运动。2．手臂回转运动机构

实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。图5-16所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图，简要介绍一下其工作原理。图5-16双臂机器人的手臂结构1-铰接活塞油缸2-连杆(即活塞杆)3-手臂(即曲柄)4-支承架5、6-定位螺钉5.2.2工业机器人的腕部结构

工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起到支承手部的作用。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度。通常也把手腕的翻转叫做Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫做Pitch，用P表示；把手腕的偏转叫做Yaw，用Y表示。

手腕按自由度数目来分，可分为单自由度手腕、二自由度手腕及三自由度手腕。（1）单自由度手腕，如图5-17所示。图5-17单自由度手腕（2）二自由度手腕，如图5-18所示。图5-18二自由度手腕（3）三自由度手腕，如图5-19所示。（a）BBR手腕（b）BRR手腕（c）BBB手腕（d）RRR手腕手腕的具体示例：MOTOMANSV3机器人的手腕结构（如图5-21所示）图5-21MOTOMANSV3机器人的手腕结构5.2.3工业机器人的手部结构

机器人的手部（末端执行器）是用来握持工件或工具的部件。大部分的手部机构都是根据特定的工件要求而专门设计的，各种手部的工作原理不同，故其结构形态各异。

常见的机器人末端执行器有夹持式、勾托式、吸附式和拟手指式等几种形式。图5-22为一种夹持式末端执行器，由手爪、驱动机构、传动机构及连接与支撑元件组成，通过手爪的开、合动作实现对物体的夹持。图5-22夹持式末端执行器1-手爪；2-传动机构；3-驱动机构；4-支架；5-工件

图5-25为一种三指手爪的外形图，每个手指是独立驱动的。这种三指手爪与二指手爪相比可以抓取像立方体、圆柱体、球体等不同形状的物体。图5-25三指手爪5.2.4机器人的基本参数和性能特征

机器人的基本参数和性能特征影响机器人的工作效率和可靠性，通常应考虑如下几方面：1.运动自由度

如图5-26所示的球坐标机器人，6个基本运动中，3个是臂部和机身的，3个是腕部的。图5-26工业机器人典型的六个自由度2.工作空间

工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。3.承载能力

承载能力是指机器人在工作范围内的位姿上所能承受的最大重量。4.运动速度

运动速度影响机器人的运动周期和工作效率，它与机器人所提取的重量和位置都有密切的关系。5.位置精度位置精度是衡量机器人工作质量的又一项重要指标。位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重量和运动速度等因素有密切的关系。5.3工业机器人的控制与驱动5.3.1工业机器人的控制5.3.2工业机器人的驱动5.3.1工业机器人的控制

控制系统是工业机器人的主要组成部分，它的机能类似于人脑。工业机器人的控制系统可分为两大部分：一部分是对其自身运动的控制，另一部分是工业机器人与周边设备的控制。如图5-27工业机器人控制系统构成要素。图5-27工业机器人控制系统构成要素1.工业机器人控制系统的特点

工业机器人的控制系统一般以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统。因此，其控制系统与普通的控制系统相比要复杂得多，工业机器人控制系统有如下特点：1）传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统更看重本体与操作对象的关系。2）把多个独立的伺服系统有机的协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智能”。这个任务只能由计算机来完成。3）工业机器人控制系统本质上是一个非线性系统。4）工业机器人的运动描述复杂。5）工业机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个“最优”的问题。6）工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。2.工业机器人控制系统的分类

机器人控制系统从基本工作原理和系统结构可以分成非伺服型控制系统和伺服型控制系统两类。

非伺服型控制系统适用于作业相对固定、作业程序简单、运动精度要求不高的场合，它具有费用省，操作、安装、维护简单的特点。

闭环伺服控制系统的特点是系统中采用检测传感器连续测量关节位置、速度等关节参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服系统。3.工业机器人控制系统的控制方式工业机器人的控制方式多种多样，根据作业任务的不同，主要分为：（1）点位控制方式（2）连续轨迹控制方式（3）力（力矩）控制方式（4）智能控制方式。5.3.2工业机器人的驱动

1．工业机器人的驱动方法

驱动装置是带动臂部到达指定位置的动力源，是使机器人各个关节运行起来的传动装置。通常动力是直接或经电缆、齿轮箱或其他方法送至臂部。机器人的驱动方法一般有三种：液压驱动、气压驱动及电动驱动。（1）液压驱动

液压驱动以高压油作为工作介质，驱动机构可以是闭环或者是开环的，可以是直线的或者是旋转的。（2）气压驱动

在所有的驱动方式中，气动驱动是最简单的，在工业上应用很广，气动控制阀简单、便宜，而且工作压力也低得多。（3）电动驱动

电动驱动是在工业机器人中用的最多的一种。目前交流伺服电机（AC）得到了广泛应用。交流伺服电机具有坚固耐用、经济可靠且动态相应性好、输出功率大等优点，因此交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。2．工业机器人的驱动机构（1）直线驱动机构

机器人采用的直线驱动方式包括直角坐标结构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及极坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以由以下几种方式来实现。①齿轮齿条装置，如图5-32所示。图5-32齿轮齿条装置②普通丝杠普通丝杠驱动是由旋转的精密丝杠驱动螺母沿丝杠轴向移动。③滚珠丝杠滚珠丝杠因其摩擦力很小且运动响应速度快，在机器人上得到广泛应用。如图5-33所示，滚珠丝杠里的滚珠从钢套管中出来，进入经过研磨的导槽，转动2~3圈以后，返回钢套管。图5-33滚球丝杠副1-螺母；2-滚珠；3-回程引导装置；4-丝杠④液压驱动

液压驱动是由高精度的缸体和活塞一起完成的。美国公司生产的Unimation型机器人采用了直线液压缸作为径向驱动源（如图5-34所示），Versatran机器人也使用直线液压缸作为圆柱坐标式机器人的垂直驱动源和径向驱动源。图5-34Unimation机器人⑤气压驱动

与液压驱动相比，气压驱动的特点是：压缩空气粘度小，容易达到高速；利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。（2）旋转驱动机构

多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。运动的传递和转换可以选择下列方式：①齿轮传动

齿轮传动（如图5-35）是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。图5-35齿轮传动②同步带传动

同步带传动（如图5-36）类似于工厂的风扇皮带和其他传动皮带，所不同的是这种皮带上具有许多型齿，它们和同样具有型齿的同步皮带轮齿相啮合。图5-36同步带传动③谐波齿轮，如图5-37所示。虽然谐波齿轮已问世多年，但直到最近才得到广泛的应用。图5-37谐波齿轮传动5.4工业机器人的编程语言5.4.1机器人的编程语言的分类5.4.2几种工业机器人编程语言简介

机器人编程必然涉及到机器人语言。机器人语言是使用符号来描述机器人动作的方法。它通过对机器人动作的描述，使机器人按照编程者的意图进行各种操作。机器人语言的产生和发展是机器人技术的发展以及计算机编程语言的发展紧密相关的。图5-38机器人语言系统5.4.1机器人编程语言的分类

机器人编程语言是方法、算法和编程技巧的结合，由于机器人的类型、作业要求、控制装置、传感信息种类等多种多样，所以编程语言也是各种各样，功能、风格差别都很大。目前流行有多种机器人编程语言，如果按照编程功能，可将之分为如下几个不同的级别：1.面向点位控制的编程语言2．面向运动的编程语言3．结构化编程语言4．面向任务的编程语言5.4.2

几种工业机器人编程语言简介

机器人编程语言最早是在20世纪70年代初期出现的，到目前为止，已经有多种机器语言问世，其中有的是研究室里的实验语言，有的是实用的机器人语言。

下面简要介绍几种不同应用范围的机器人编程语言。1．AL语言

AL语言是由斯坦年福大学1974年开发的一种高级程序设计系统，描述诸如装配一类的任务。2．AML语言是由IBM公司开发的一种交互式面向任务的编程语言，专门用于控制制造过程（包括机器人）。3．MCL

是由美国麦道飞机公司为工作单元离线编程而开发的一种机器人语言。4．SERF是由日本三协精机制作所开发的控制SKILAM机器人的语言。5．SIGLA

是由意大利Olivetti公司开发的一种面向装配的语言，其主要特点是为用户提供了定义机器人任务的能力。6．AUTOPASS语言AUTOPASS语言是一种对象级语言。对象级语言是靠对象物状态的变化给出大概的描述，把机器人的工作程序化的一种语言。5.5工业机器人的应用5.5.1焊接机器人

5.5.2喷漆机器人

5.5.3装配机器人5.5.4机器人柔性装配系统5.5.5机器人在FMS中的应用5.5.6恶劣工作环境及危险工作

工业机器人最早应用于汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前，工业机器人主要用于以下几个方面：（1）恶劣工作环境及危险工作（2）特殊作业场合和极限作业（3）自动化生产领域5.5.1焊接机器人1．点焊机器人

工业机器人首先应用于汽车的点焊作业，点焊机器人广泛应用于焊接车体薄板材料。图为点焊机器人总图，它是一种用于地面安装的工业机器人。

点焊机器人主要性能要求：安装面积小，工件空间大；快速完成小节距的多点定位；定位精度高（0.25mm），以确保焊接质量；持重大（490~980N），以便携带内装变压器的焊钳；示教简单，节省工时。点焊机器人2．弧焊机器人

弧焊机器人应用于焊接金属连续结合的焊缝工艺，绝大多数可以完成自动送丝、熔化电极和气体保护下进行焊接工作。弧焊机器人应用范围很广，除汽车行业外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。图为弧焊机器人。

弧焊机器人5.5.2喷漆机器人

喷漆机器人广泛应用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷漆作业。喷漆机器人在使用环境和动作要求上有如下特点：（1）工作环境包括易爆的喷漆剂蒸汽；（2）沿轨迹高速运动，途经各点均为作业点；（3）多数被喷漆部件都搭载在传送带上，边移动边喷漆。图为喷漆机器人。喷漆机器人5.5.3装配机器人

装配在现代工业生产中占有十分重要的地位。有关资料统计表明，装配占产品生产劳动量的50﹪~60﹪，在有些场合，这一比例甚至更高。例如，在电子厂的芯片装配、电路板的生产中，装配工作占劳动量的70﹪~80﹪。因此，用机器人来实现自动化装配作业是十分重要的。装配机器人如图所示。装配机器