项目1 工业机器人集成系统概述

项目1机器人工作站概述《机器人工作站设计与仿真》【学习目标】知识目标（1）了解机器人的定义、分类、发展历程和常见品牌；（2）熟悉工业机器人工作站的常用周边设备；（3）了解工业机器人工作站的应用领域和发展趋势；（4）了解数字孪生的基本概念和常用软件工具；（5）熟悉1+X工业机器人应用编程职业技能等级标准、考核内容等。能力目标（1）掌握工业机器人的基本结构；（2）掌握工业机器人系统集成的需求分析和选型设计；（3）掌握基于数字孪生的工业机器人工作站设计和仿真流程；（4）掌握工业机器人应用编程1+X考证平台的基本结构。素质目标（1）具有良好的职业道德、扎实的实践能力、较强的创新能力；（2）能够完成工业机器人系统集成工程师的职业发展规划。1.1.1机器人的定义LOGO

机器人（Robot）是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如移动或作业等任务的自动化机器。所不同的是这种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类人机器。1.1.1机器人的定义5从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，因此，机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的机器。机器人是一种计算机控制的可编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。1.1.1机器人的定义机器人的特点：有类人的功能：作业功能；感知功能；行走功能；能完成各种动作。根据人的编程能自动的工作，通过编程改变它的工作、动作、工作的对象和要求。是人造的机器或机械电子装置，仍然是个机器。机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。

机器人学是一门不断发展的科学，上世纪60年代，可实用机械机器人被称为工业机器人；上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展。因此，对机器人的定义也随其发展而变化。1.1.1机器人的定义谢

谢LOGO1.1.2机器人的发展史1.2机器人的发展史

机器人的英文单词“Robot”源于斯拉夫语中意为奴隶的单词“Robota”。1920年，它第一次被捷克剧作家卡雷尔恰佩克（KarelCapek）用在其剧目“罗萨姆的万能机器人”（Rossum’sUniversalRobots）中。

1940年，美籍俄裔作家艾萨克阿西莫夫（IsaacAsimov）在他的科幻小说《Runaround》中提出了人类与机器人之间往来的道德准则，即著名的“机器人三原则”：（1）机器人不应伤害人类，且在人类受到伤害时不可袖手旁观；（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。1.2机器人的发展史

1954年美国人乔治德沃尔（GeorgeDevol）制造了世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格（JosephFEngelberger）联手制造出第一台工业机器人Unimate（见图1-1），随后成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司，开创了机器人发展的新纪元。图1-1第一台工业机器人Unimate1.2机器人的发展史

20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室，开始研究带传感器，“有感觉”的机器人。1965年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast移动机器人（见图1-2）。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置，自动寻找插座，进行插入和充电。图1-2移动机器人Beast1.2机器人的发展史

1968年美国斯坦福研究所公布了研发成功的智能机器人Shakey（见图1-3）。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人。图1-3智能机器人Shakey1.2机器人的发展史

1970年，日本早稻田大学建造了类人机器人Wabot-1（见图1-4）。它由肢体控制系统、视觉系统和会话系统组成，可以自行导航和自由移动，它甚至可以测量物体之间的距离。它的手具有触觉传感器，这意味着它能抓住和运输物体。它的智力与18个月大的幼童相当，标志着人形机器人技术的重大突破。图1-4拟人机器人Wabot-11.2机器人的发展史

20世纪70年代中期开始，随着计算机和自动控制技术的发展，机器人进入了实用化时代。1974年，ASEA公司（ABB前身）推出了第一台微型计算机控制的工业机器人IRB-6，可以进行连续的路径移动，被迅速推广应用到汽车制造中。图1-5通用工业机器人PUMA1.2机器人的发展史

20世纪80年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的自动化机器。工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子行业大量应用。1983年，哈尔滨工业大学设立机器人研究所，这是国内最早开展机器人技术研究的单位之一。1985年，哈工大蔡鹤皋教授等人，研制出我国第一台弧焊机器人“华宇-Ⅰ”焊接机器人（见图1-6）。1.2机器人的发展史

1989年，麻省理工学院的研究人员制造出六足机器人Genghis（见图1-7），它有12个伺服电机和22个传感器，可以穿越多岩石的地形。由于其体积小，材料便宜，Genghis被认为缩短了生产时间，降低了空间机器人设计的成本。

此外，随着OmniBot2000（见图1-8）、R.O.B等机器人玩具的出现，机器人正式进入了家庭消费市场。图1-7六足机器人Genghis图1-8OmniBot2000机器人1.2机器人的发展史

20世纪90年代，机器人的生产与需求进入了高潮期，机器人的应用领域也从工业领域向医疗、航天、农业等领域不断延伸。1994年，斯坦福大学神经学教授约翰阿德勒（JohnR.Adler）开发了射波刀（CyberKnife）手术机器人（见图1-9），可以通过外科手术治疗肿瘤，机器人开始进入医疗手术领域。1996年，Sojourner成为第一个被送到火星的探测机器人（见图1-10）。这台小巧轻便的机器人被送到火星上，并于1997年7月成功着陆。图1-9射波刀手术机器人图1-10火星探测机器人Sojourner1.2机器人的发展史

1996年瑞典家电巨头伊莱克斯（Electrolux）制造了世界上第一台量产型扫地机器人的原型——“三叶虫”（见图1-11），具备了现在智能扫地机器人的部分元素，它通过超声波探测避障并构建房间地图，实现了扫地机器人产品上的突破。图1-11智能扫地机器人1.2机器人的发展史

1998年，ABB公司开发出4自由度的并联机器人（FlexPicke）机器人，它是当时世界上速度最快的采摘机器人。1.2机器人的发展史

21世纪，机器人进入了商品化和实用化阶段，特别是随着人工智能技术的发展，智能机器人的发展越来越成熟。2000年，本田推出人工智能仿人机器人Asimo（见图1-12），它大约4英尺3英寸高，能够像人一样快速行走。这个机器人可以在餐厅为顾客送托盘，与人手牵着手一起行走，识别物体，解释手势，辨别声音，上下楼梯，踢足球等。图1-12仿人机器人Asimo1.2机器人的发展史

2005年，波士顿动力公司推出了一款四足机器人BigDog，它被设计成一种军用负重机器人，其身体上有50个传感器。BigDog不使用轮子，而是使用四条腿进行运动，从而使它可以在难以通行的复杂地形移动。随后，波士顿动力发布了仿人机器人Atlas、四足机器人Spot等智能机器人（见图1-13）。图1-13波士顿动力智能机器人谢谢1.1.3机器人的分类LOGO1.按机械结构分类

按照机械结构的不同，机器人可分为直角坐标机器人、关节机器人、并联机器人、协作机器人等。（1）直角坐标机器人也称桁架或龙门式机器人，在X、Y、Z三个方向直线运动，在长方体空间内作业。（2）水平关节机器人也称为SCARA机器人，三个回转一个直线运动，运动速度快，在圆柱体空间内作业。（a）直角坐标机器人

图1-14不同机械结构的机器人（b）SCARA机器人1.按机械结构分类（3）垂直串联关节机器人即工业四自由度或六自由度机器人，通过四个或六个关节的回转或摆动，实现机器人的复杂运动。（4）并联关节机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或两个以上自由度，并以并联方式驱动的一种闭环机构。其特点是运转速度非常快，精度较高，但作业范围较小。（c）垂直串联关节机器人图1-14不同机械结构的机器人（d）并联关节机器人1.按机械结构分类（5）协作机器人在传统机器人基础上增加了力传感器，遇到过量碰触立即停止，可与人协同工作，安全性高。图1-14不同机械结构的机器人（e）协作机器人2.按照应用领域分类按照应用领域不同，机器人可以分为工业机器人、家用机器人、公共服务机器人、农业机器人、医疗机器人、军事机器人等，也可以简化为工业机器人、服务机器人和特种机器人三大类。（1）工业机器人是工业领域中用来完成搬运、装配、焊接、喷涂等作业的机器人，具有可编程、拟人化和通用性等特点，是柔性制造系统的重要组成部分。2.按照应用领域分类按照应用领域不同，机器人可以分为工业机器人、家用机器人、公共服务机器人、农业机器人、医疗机器人、军事机器人等，也可以简化为工业机器人、服务机器人和特种机器人三大类。（2）家用机器人是为人类家庭生活服务的机器人，可分为扫地机器人、娱乐机器人、智能电器机器人、厨师机器人等。2.按照应用领域分类按照应用领域不同，机器人可以分为工业机器人、家用机器人、公共服务机器人、农业机器人、医疗机器人、军事机器人等，也可以简化为工业机器人、服务机器人和特种机器人三大类。（3）公共服务机器人是能够为公众或公用设备提供服务的机器人。比如迎宾机器人、接待机器人、送餐机器人、导游机器人、导购机器人等。2.按照应用领域分类（4）农业机器人是用在播种、施肥、除草、打药、采摘、分选等农业生产中，能感觉并适应作物种类或环境变化，有检测(如视觉等)和演算等人工智能的无人自动操作机械。2.按照应用领域分类（5）医疗机器人是用于医疗服务领域的机器人，包括手术机器人、康复机器人、药房自动化机器人、看护机器人、消毒机器人等。2.按照应用领域分类（6）军事机器人是为军事目的而研制的自动机器人，包括轮式或履带式地面机器人、无人机、水下机器人和空间机器人等。3.其他分类方式（3）按操作方式分类：主从、协作、被动和其他机器人等。（2）按使用空间分类：地上、低下、水上、水下、空间、空中机器人等。（1）按移动方式分类：轮式、足式、履带式、蠕动、潜游、航行、飞行机器人等。谢

谢LOGO1.1.4机器人常见品牌LOGO1.1.4机器人常见品牌1.1.4机器人常见品牌（1）ABB：阿西布朗勃法瑞公司,由瑞典的阿西亚公司（ASEA）和瑞士的布朗勃法瑞公司（BBCBrownBoveri）在1988年合并而成，集团总部位于瑞士苏黎世。ABB是全球领先的工业机器人供应商之一，提供机器人产品、模块化制造单元及服务。ABB在世界范围内安装了超过40万台机器人，包括串联多关节机器人、并联机器人、SCARA机器人等，应用于汽车、铸造、金属加工、塑料、包装与堆垛、太阳能、木材、电气和电子设备等各种行业。1.1.4机器人常见品牌（2）FANUC：日本发那科品牌创立于1956年，是全球领先的数控系统生产厂家之一。1974年，基于伺服数控基础的FANUC工业机器人开始问世。1977年，FANUC第一代机器人ROBOT-MODEL1开始量产。根据市场的需要，FANUC又开始智能机器人的研发，并于1999年投入生产，目前已成为FANUC最重要的产品之一。FANUC全球机器人装机量已超64万台，产品系列多达260种，负重从0.5公斤到2.3吨，广泛应用在装配、搬运、焊接、铸造、喷涂、码垛等生产环节。（3）YASKAWA：日本安川品牌创立于1915年，涵盖驱动控制、运动控制、机器人、系统工程等多个领域。1977年，安川电机运用最擅长运动控制技术开发生产出了日本第一台全电动的工业用机器人—莫托曼1号（MOTOMAN）。此后相继开发了焊接、装配、喷漆、搬运等各种各样的工业机器人。安川的机器人广泛应用于汽车制造、机械加工、电子电气、食品饮料以及树脂橡胶等各类行业。1.1.4机器人常见品牌（4）KUKA：库卡目前被中国美的集团全资收购。1898年，KUKA创立于德国奥格斯堡。1973年，KUKA研发出世界上拥有六个机电驱动轴的工业机器人FAMULUS。2007年，推出KR-titan，具有1000公斤的承载能力及3200毫米的作用范围，是世界上最大、力量最强的6轴工业机器人。2013年，KUKA推出了适用于工业领域的7轴协作机器人LBRiiwa。1.1.4机器人常见品牌（1）其他日韩比较知名的机器人制造商还有：日本的KAWASAKI（川崎）、NACHI（那智不二越）、DENSO（电装）、EPSON（爱普生）、YAMAHA（雅马哈）、OMRON（欧姆龙）、PANASONIC（松下）、OTC（欧地希）、HONDA（本田），韩国的HYUNDAI（现代）等。（2）其他欧美比较知名的机器人制造商还有：瑞士STAUBLI（史陶比尔）、美国ADEPT（爱德普，被OMRON收购）、意大利COMAU（柯马）、德国REIS（徕斯）、德国CLOOS（克鲁斯，被埃斯顿收购）、德国DURR（杜尔）、丹麦UniversalRobots（优傲）等。1.1.4机器人常见品牌1.1.4机器人常见品牌1.1.4机器人常见品牌国内机器人上市企业主要有新松（SIΛSUN，300024）、新时达（STEP，002527）、埃斯顿（ESTUN，002747）、埃夫特（EFORT，688165）、科沃斯（ECOVACS，603486）、拓斯达（TOPSTΛR，300607）、博实（BOSHI，002698）、华中数控（HNC，300161）、熊猫（PANDA，00553.HK）等。此外，国内其他知名机器人制造商或集成商还有广州数控（GSK）、博朗特（BORUNTE）、珞石(ROKAE）、唐山开元（KAIYUAN）、江苏汇博（HUIBO）、华航唯实（CHLROB）、国自机器人、钱江机器人等。1.1.4机器人常见品牌国内工业机器人企业埃夫特埃斯顿成都佳士佛山利迅达天津筑高唐山开元苏州迈克荣佛山川一博朗特1.61.1.4机器人常见品牌谢

谢LOGO1.2.1工业机器人工作站的结构LOGO1.2.1工业机器人工作站的结构1.工业机器人工作站的定义

工业机器人工作站也称为工业机器人集成系统或工业机器人工作系统，是指使用一台或多台机器人，配以相应的周边设备，用于完成某一特定工作任务的自动化生产系统。执行系统执行系统是机器人赖以完成各种作业的主体部分，主要由机器人本体、末端执行器以及滑台导轨等机构组成。驱动系统驱动系统是驱使工业机器人执行机构运动的电气设备。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作。传动系统传动系统有机械式、电气式、液压式、气动式和复合式等。目前工业机器人广泛采用的机械传动设备是减速器、同步带等。2.工业机器人工作站的总体结构

工业机器人工作站一般由工业机器人本体、机器人末端执行器、控制系统以及周边设备等部分组成。一个完整的工业机器人工作站可以分成三大部分或六大子系统。三大部分即机械部分、传感部分和控制部分。六大子系统包括执行系统、驱动系统、传动系统、控制系统、传感系统和智能交互系统。控制系统控制系统一般由工控机、PLC、伺服控制装置等组成，完成编程、示教/再现、信号处理、信息传递和协调等工作。传感系统传感系统由内部、外部传感器组成，用以获取内部或外部环境中的有用信息。智能交互系统智能交互系统包括机器人-环境交互系统和人机交互系统。前者用于机器人与外部环境中的设备进行联系与协调，后者用于操作人员机器人控制。2.工业机器人工作站的总体结构2.工业机器人工作站的总体结构2.工业机器人本体（1）机械臂：机械臂是工业机器人的机械主体，用来完成各种作业的执行。机械臂因作业任务不同而在结构形式和尺寸上存在差异，但其基本结构相似。其普遍采用关节型结构，类似人体的腰、肩和腕等结构，一般为4轴或6轴，通用的6轴机器人结构如图1-16所示。图1-16IRB120机械臂结构图2.工业机器人工作站的总体结构（2）控制柜：控制柜是根据指令及传感信息控制机械臂完成一定动作或作业任务的装置，相当于人的大脑，负责机器人系统的整体运算与控制。ABBIRC5控制柜外观如图1-17所示，控制柜正面主要有模式开关、急停开关、循环启动按钮、报警复位按键、电源指示灯、报警指示灯、USB接口、RS-232C串口等。图1-17IRC5控制柜外观图2.工业机器人工作站的总体结构（3）示教器：在现场编程条件下，机器人的运动操作需要使用示教器来实现，它主要由液晶屏幕和操作按键组成，可由操作者手持移动，它是机器人的人机交互接口。ABB机器人示教器外观如图1-18所示。图1-18ABB机器人示教器外观图3.末端执行器

末端执行器即工业机器人末端加载的工具，如手爪、吸盘、焊枪、喷枪等，其优劣将决定机器人应用的层次和深度。工业机器人本体实际上是一个机械臂，如六轴工业机器人本体，单独不能完成工作，需要安装机械手，并配以周边设备才能正常工作。工业机器人本体最后一个轴的机械接口通常为连接法兰，可安装不同的工具。如图1-19所示，它可能是用于抓取搬运的手爪或吸盘，也可能是用于喷漆的喷枪，用于焊接的焊枪，用于工件去毛刺的倒角工具，用于磨削的砂轮以及用于检测的测量工具等。图1-19工业机器人末端执行器示意图4.周边辅助设备工业机器人工作站常用周边辅助设备包括供料及送料设备、导轨行走设备、机器视觉设备、控制设备、仓储设备、安全设备和其他专用设备等。周边设备随应用场景的不同存在着较大差异。（1）供料及送料设备：供料、送料设备一般是指传输带、储料箱、货盘、供料机等为机器人供应、传送物料的设备。传输带是最常见的供料设备之一，分为滚轮传送带和皮带传送带两种。滚轮传送一般用于传送重量较大或速度较快的物品；皮带传送一般用于搬运不能振动或容易倒下的物品。4.周边辅助设备（2）导轨行走设备：导轨行走设备可以增加工业机器人的有效工作范围。采用线性滑台导轨可增加作业空间，如给多台设备、辅助工装、货品进行组合作业以及在大型部件上作业等。滑台导轨一般作为第7轴附加到机器人控制系统中，方便集中控制。4.周边辅助设备（3）机器视觉设备：机器视觉就是用相机代替人眼来做测量和判断。通过相机将被摄取目标转为图像信号，传送给专用的图像处理系统，对这些信号进行各种运算以抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场设备的动作。4.周边辅助设备（4）控制设备：可编程逻辑控制器（PLC）、触摸屏等常用工业控制和人机界面设备。（5）仓储设备：立体仓库是比较常用的仓储设备，可实现仓库货物管理合理化、存取自动化、操作简便化，大大提高生产效率。（6）安全设备：安全相关设备主要由安全光栅、停止开关、信号灯等。（7）其他专用设备：专用的加工、检测等机器设备。谢谢LOGO1.2.2工业机器人工作站的应用LOGO1.2.2工业机器人工作站的应用1.2.2工业机器人工作站的应用

工业机器人工作站广泛应用于汽车、食品、化工、医药等各个行业中。可用于焊接、搬运、码垛、涂胶、喷漆、打磨、切割、分拣、测量等。工业机器人工作站1.焊接（1）弧焊：弧焊多用于金属连续结合处的焊接，应用非常广泛。如图1-20（a）所示，机器人弧焊系统一般由机器人、焊接电源、焊枪、焊接周边设备（变位机、工装、清枪机、防护系统）等部分组成。（a）机器人弧焊工作站图1-20焊接机器人工作站1.焊接（2）点焊：点焊主要用于汽车生产中车体薄板件的焊接。据统计，一辆汽车车身有三四千个焊点。其中，有60%的焊点由点焊机器人完成。如图1-20（b）所示，机器人点焊系统一般由机器人、点焊电源、点焊钳、工装夹具、安全设备及点焊周边设备（修磨机、变位机）等组成。由于点焊钳负载较重，点焊机器人一般选用大负载机器人。（b）机器人点焊工作站图1-20焊接机器人工作站2.搬运搬运机器人可以将物料从一个位置运送到另外一个位置或将物料按照一定的规律码垛。这需要根据工件形状和尺寸的不同，在机器人末端安装不同的工件卡爪来实现。如图1-21所示，机器人搬运系统一般由机器人、卡爪、安全防护系统、物料台、输送机等组成。图1-21机器人搬运工作站3.喷涂喷涂机器人可进行自动喷漆或喷涂其他涂料。图1-22所示为汽车保险杠的机器人喷涂系统。较先进的喷漆机器人的腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过轻小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。图1-22机器人喷涂工作站4.机床上下料机床上下料机器人可以将机床（加工中心、压铸机、注塑机等）需要加工的工件送至机床加工，待加工结束后，取出工件放至指定的位置。如图1-23所示，机器人上下料系统主要由机器人、机床、工件卡爪、原料仓、成品仓、物料输送线、防护设备等部分组成。图1-23机器人上下料工作站5.涂胶机器人涂胶系统自动化程度高，效率高，质量稳定，广泛应用于挡风玻璃、汽车防火板、车门、车灯等涂胶生产场景。如图1-24所示，机器人涂胶系统一般由机器人、胶枪、工件自动输送单元、工件定位装置、供胶系统、安全防护系统等组成。图1-24机器人涂胶工作站6.分拣机器人分拣系统是一种装备了视觉传感器的机器人系统。机器人末端装上吸盘、卡爪以及执行机构，在相机的引导下，快速拾取流水线上的目标物料，实现物品分拣。如图1-25所示，为了提高分拣速度，常采用并联机器人。图1-26机器人装配工作站7.装配在机器人末端装上不同的工具对产品部件进行组装的为装配机器人，如用机器人拧螺丝、用机器人对汽车发动机部件进行组装等。对于小尺寸零件，可选用如图1-26所示的协作机器人系统，进行人机协作装配。图1-25机器人分拣工作站8.材料加工机器人可代替工人在各类复杂恶劣环境下完成材料加工工作。如图1-27所示，机器人夹持不同工具或不同工件完成材料加工的应用，主要有切割、打磨、去毛刺、清洗、抛光、热喷涂、激光熔覆等加工应用。（a）激光切割机器人工作站（b）机器人磨抛工作站图1-27机器人工作站在材料加工中的应用8.材料加工（c）激光熔覆机器人工作站图1-27机器人工作站在材料加工中的应用谢

谢LOGO1.2.3工业机器人的发展趋势LOGO1.2.3工业机器人的发展趋势1.2.3工业机器人的发展趋势

机器人技术已经成为国家创新驱动发展的重大战略技术之一。“高档数控机床和机器人”位列国家制造业十大重点发展领域之一。随着机器人技术的不断发展，机器人越来越智能，安装和使用更简单，能更方便地与其他制造单元集成。展望未来，工业机器人工作站的应用将越来越广泛。1.工业机器人的可控性将不断提升

工业机器人工作站需要众多周边辅助设备，例如工装夹具、传送带、变位机、移动导轨等，这些设备与机器人本体之间的高效配合与精确协同是工业机器人创新发展的重要方向。机器人控制技术是协同各部分设备的关键。可编程逻辑控制器（PLC）因其在扩展性和可靠性方面的优势，目前已广泛应用于工业机器人集成领域。PLC正向高速、大容量方向发展，通过工业互联网构建PLC、变频器、远程I/O等外围设备与计算机的连接，可以构造出多级式分布系统，使得工业机器人工作站更易控、更易协同、规模更大。2.协作机器人将成为工业机器人重要创新方向

在简单场景中，机器人可以替代人工完成更精确、更繁琐的重复性劳动。但在复杂的应用场景中，基于技术难度或经济成本等考虑，需要工人与机器人一起工作，安全的人机协作成为必然趋势。传统工业机器人需要在隔离环境中作业，相关人员不能对机器人进行灵活控制，极大限制了工业机器人的应用效果和应用场景。随着机器人控制技术的发展，诞生了更加适应特殊制造业应用场景的协作机器人出现。协作机器人无须安全栅栏，人与机器人可共享某个区域进行作业，使工人摆脱了繁重重复的工作压力，从而可以专注于技巧性较强的工作，同时有效保证人员安全。协作机器人工作站实现了人机协同分担作业，可广泛用于小型部件组装操作，以及电子电气零部件的装配等重要工艺环节。3.工业机器人在各种细分场景中的应用不断拓展

我国机器人市场需求全球领先，是支撑机器人产业发展的中坚力量。据统计，2021年，我国机器人市场规模达到839亿元，其中工业机器人445.7亿元。未来几年，我国工业机器人市场将进入稳定增长期，工业机器人的应用领域将不断拓展和深化。我国工业机器人的传统应用领域包括汽车、3C、家电、金属加工、塑料加工、食品烟草饮料等行业。随着机器人视觉、力觉控制技术和人工智能技术的发展，工业机器人的灵活性和智能性将不断提升，这将促进工业机器人系统在刀具开刃、缝制、电子产品装配等新场景的逐渐推广应用。谢

谢LOGO1.3.1数字孪生的概念LOGO1.3.1数字孪生的概念1.数字孪生的定义

数字孪生也称为数字双胞胎（DigitalTwin），简单来说，它是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段构建一个在数字世界中一模一样的实体，借此来实现对物理实体的了解、分析和优化（见图1-28）。（PhysicalSystem：物理系统，Makingdatavaluable：让数据更有价值，Data：数据，Insights：洞察力，DigitalTwin：数字孪生，VirtualModel：虚拟模型，Planning：计划，Design：设计，Construction：构建，Maintenance：运维，Operations：决策）图1-28数字孪生的概念图1.数字孪生的定义

具体来讲，数字孪生集成了人工智能和机器学习等技术，将数据、算法和决策分析结合在一起，建立模拟（即物理对象的虚拟映射），监控物理对象在虚拟模型中的变化，基于人工智能的多维数据处理与异常诊断，预测潜在风险，在问题发生之前先发现问题，合理有效地规划、决策或对相关设备进行维护。2.数字孪生的技术架构

数字孪生包括数据保障层、建模计算层、功能层和沉浸式体验层四层架构，每一层的实现都建立在前面各层的基础上，是对前面各层功能的丰富和拓展。（1）数据保障层：数据保障层是整个数字孪生技术体系的基础，支撑着整个上层体系的运作，主要由高性能传感器数据采集、高速数据传输和全生命周期数据管理构成。2.数字孪生的技术架构（2）建模计算层：建模计算层主要由建模算法和一体化计算平台两部分构成，建模算法部分充分应用机器学习和人工智能领域的技术方法实现系统数据的深度特征提取和建模，通过采用多物理、多尺度的方法对传感数据进行多层次的解析，挖掘和学习其中蕴含的相互关系、逻辑关系和主要特征，实现对系统的超现实状态表征和建模，并预测系统未来状态和寿命，依据当前和未来的健康状态评估其任务成功的可能性。2.数字孪生的技术架构（3）功能层：功能层面向实际的系统设计、生产、使用和维护需求提供相应的功能，包括多层级系统寿命估计、系统集群执行任务能力的评估、系统集群维护保障、系统生产过程监控及系统辅助决策等功能。2.数字孪生的技术架构（4）沉浸式体验层：沉浸式体验层为使用者提供了良好人机交互使用环境，让使用者能获得身临其境的技术体验，从而迅速了解和掌握复杂系统的特性和功能，能快捷地通过语音和肢体动作访问功能层提供的信息，获得分析和决策方面的信息支持。3.数字孪生的商业价值

随着数字孪生技术得到各领域认可，许多科技企业已经着手研发数字孪生技术并推出了相关产品，这些产品在落地应用中不断升级优化，在提升产品绩效、加快设计周期、发掘新的潜在收入来源，以及优化保修成本管理等方面为企业带来了巨大商业价值。（1）质量方面：提升产品整体质量，预测并快速发现质量缺陷；（2）保修成本与服务方面：优化服务效率，判断保修与索赔问题，降低总体保修成本；（3）运营成本方面：改善产品设计，减少操作与流程变化，降低运营成本；（4）产品追溯方面：创建数字档案，记录零部件与原材料编号，从而更有效地管理；（5）新产品研发方面：缩短新产品上市时间，降低新产品总体生产成本。谢

谢LOGO1.3.2西门子数字孪生技术LOGO1.3.2西门子数字孪生技术1.西门子数字孪生技术体系（1）产品数字孪生：帮助用户更快地驱动产品设计，获得更佳、更可靠、成本更低的产品，预测产品在整个生命周期中的性能。01（2）生产数字孪生：以虚拟方式设计和评估工艺方案，通过仿真进行优化和分析，迅速制定制造产品的最佳计划。02（3）运营与性能数字孪生：实现透明化生产运营和质量管理，将车间的自动化设备与产品开发、生产工艺设计以及生产和企业管理连接在一起，实现设备和人员的融合。03

西门子（Siemens）是数字孪生技术的倡导者之一，其数字孪生技术包括产品数字孪生、生产数字孪生、运营与性能数字孪生三部分。2.西门子数字孪生的软件

数字孪生的实施需要借助一系列的软件来完成。西门子数字孪生的软件工具主要有：产品生命周期管理（ProductLifecycleManagement，PLM）软件、制造运营管理（ManufacturingOperationsManagement，MOM）软件、全集成自动化（TotallyIntegratedAutomation，TIA）软件。上述软件在产品全生命周期管理数据平台（Teamcenter，TC）的协作下，能够完成不同技术的集成，实现不同人员的协作。2.西门子数字孪生的软件（1）产品生命周期管理软件：PLM软件涉及产品开发和生产的各个环节，即从产品设计到生产规划和工程，直至生产和服务等。PLM软件又包括Teamcenter、NX和Tecnomatix。

其中，Teamcenter能在西门子与其他制造商提供的软件解决方案之间进行管理和交换数据，将分布在不同位置的开发团队、公司和供应商联系起来，形成统一的产品、过程、生产等数据流通通道；

2.西门子数字孪生的软件（1）产品生命周期管理软件：PLM软件涉及产品开发和生产的各个环节，即从产品设计到生产规划和工程，直至生产和服务等。PLM软件又包括Teamcenter、NX和Tecnomatix。

NX软件拥有计算机辅助设计/制造/工程（CAD/CAM/CAE）等多种功能，其建模模块能够进行三维模型的设计和装配，其机电一体化概念设计（MechatronicsConceptDesigner，MCD）模块能够进行运动仿真、过程控制、虚拟调试等；

2.西门子数字孪生的软件（1）产品生命周期管理软件：PLM软件涉及产品开发和生产的各个环节，即从产品设计到生产规划和工程，直至生产和服务等。PLM软件又包括Teamcenter、NX和Tecnomatix。

Tecnomatix软件主要针对整个生产的虚拟设计和过程模拟。其包含ProcessSimulate（PS）、PlantDesigner（PD）与PlantSimulation等组件，可用于流水线与工厂的设计与仿真优化，借助该软件可实现工业机器人工作站的设计和仿真。2.西门子数字孪生的软件（2）制造运行管理软件：MOM软件不仅与控制、自动化和业务层面紧密结合，还与PLM相结合，实现自动化与制造管理、企业管理、供应链管理的无缝连接，使供应链的变化迅速地反应在制造中心，从而为“数字工厂”理念提供了坚实的技术和产品管理基础。西门子制造运行管理软件SIMATICIT包含了一系列产品，为生产运营、管理以及执行人员提供了更高的工厂信息可见性。其中，制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）提供了一个较高层次的环境，为制造过程和操作流程的同步和协调提供了可能，提升了各组件协同工作的能力。2.西门子数字孪生的软件（3）全集成自动化软件：西门子博途软件（TIAPortal）采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，可在同一环境中组态西门子的所有可编程控制器、驱动装置和人机界面。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信实时共享任务，可大大降低连接和组态成本，几乎适用于所有自动化任务。借助全新的博途软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。3.西门子数字孪生虚拟调试技术

数字化工厂柔性自动生产线的建设投资大、周期长，现场调试的难度与工作量大。在生产线建设时，越早发现问题，整改的成本就会越低。因此，在生产线正式生产、安装和调试之前，需要先在虚拟环境中对生产线进行模拟调试，解决生产线的规划、干涉、PLC逻辑控制等问题。当完成上述模拟调试之后，再综合加工设备、物流设备、智能工装和控制系统等各种因素，才能全面评估建设生产线的可行性。3.西门子数字孪生虚拟调试技术

虚拟调试（VisualCommissioning，VC）为解决此类难题提供了方便。在设计过程中，生产周期长、更改成本高的机械结构部分可采用虚拟设备，在虚拟环境中进行展示和模拟；易于构建和修改的控制部分则用由PLC搭建的物理控制系统来实现，由实物PLC控制系统生成控制信号来控制虚拟环境中的机械对象，以模拟整个生产线的动作过程。借助该技术，用户能够及早发现机械结构和控制系统的问题，在物理样机或生产线建造前就可以解决问题，节约了时间成本与经济成本。谢谢LOGO1.3.3数字孪生在数字化工厂中的应用LOGO1.3.3数字孪生在数字化工厂中的应用1.新智能制造生产线投产

利用数字孪生，可对机器安装、生产线安装等建立一个庞大的、虚拟仿真版本，通过将物理生产线在数字空间进行复制，提前对安装、中试的工艺进行仿真。对数字孪生体的记录和分析，在实际生产线安装时可以直接复制使用，从而大大降低安装成本，加速“新产品”的落地生根。同时，可以利用机器调试中持续产生的数据波动（如能耗、错误比率、循环周期等）来优化生产，并且这些数据可以在后续的工厂和设备运行中发挥作用，提高生产率。1.新智能制造生产线投产

数字孪生同传统基于经验的设计和制造理念有着巨大不同，使设计人员可以不用通过开发实际的物理原型来验证设计理念，不用通过复杂的物理实验来验证产品的可靠性，不需要进行小批量试制就可以直接预测生产瓶颈，甚至不需要去现场就可以了解销售给客户的产品的运行状况。2.原有制造车间监控、维护

将数字孪生技术引入车间，实现车间信息与物理空间的实时交互与深度融合，包括物理车间、虚拟车间、车间服务系统、车间孪生数据等相互之间的连接。在融合的孪生数据的驱动下，数字孪生车间的各部分能够实现迭代运行与双向优化，从而使车间管理、计划与控制达到最优。2.原有制造车间监控、维护

通过车间数字化，能实现数字孪生车间设备健康管理、数字孪生车间能耗多维分析与优化、数字车间动态生产调度和数字车间过程实时控制。通过数字化的手段，将原先无法保存的专家经验进行数字化，并可以保存、复制、修改和转移。谢

谢LOGO1.4.1国家职业教育1+X证书试点LOGO4.1国家职业教育1+X证书试点

2019年，《国家职业教育改革实施方案》中明确提出，在职业院校、应用型本科高校启动学历证书+职业技能等级证书（1+X）试点。启动1+X证书制度试点，是促进技术技能人才培养模式和评价模式改革，提高人才培养质量的重要举措，是缓解结构性就业矛盾的重要途径，对于构建国家资格框架，推进教学现代化，建设人力资源强国具有重要意义。4.1国家职业教育1+X证书试点

截至2021年11月，教育部发布了4批447项职业技能等级证书。其中，与工业机器人工作站相关的证书有：工业机器人应用编程（北京赛育达科教有限责任公司，第2批）、工业机器人操作与运维（北京新奥时代科技有限责任公司，第2批）、工业机器人装调（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，第3批）、工业机器人集成应用（北京华航唯实机器人科技股份有限公司，第3批）、智能协作机器人技术及应用（遨博(北京)智能科技有限公司，第4批）、焊接机器人编程与维护（宁波摩科机器人科技有限公司，第4批）等。

一、1+X技能等级证书

2.5

证:1+X技能等级证书、职业资格等级证书

工业机器人应用编程证书1评价组织北京赛育达科教有限责任公司工业机器应用编程职业技能等级证书，分为初级、中级和高级三个级别。2.5

证:1+X技能等级证书、职业资格等级证书谢

谢LOGO1.4.2工业机器人应用编程证书LOGO1.4.2工业机器人应用编程证书1.评价组织

北京赛育达科教有限责任公司作为教育部指定的工业机器人应用编程1+X职业技能等级证书培训评价组织，组织开发了工业机器应用编程职业技能等级证书，分为初级、中级和高级三个级别，三个级别依次递进，高级别涵盖低级别职业技能要求。2.面向专业高等职业学校应用型本科学校工业机器人技术应用机电设备安装与维修机电技术应用电气运行与控制电气技术应用电子与信息技术数控技术应用模具制造技术工业机器人技术机电一体化技术电气自动化技术智能控制技术工业网络技术数控设备应用与维护焊接技术与自动化机械制造与自动化模具设计与制造自动化生产设备应用工业过程自动化技术机器人工程智能制造工程自动化电气工程及其自动化机械设计制造及其自动化机械电子工程中等职业学校3.面向工作岗位（群）

4.职业技能等级要求谢

谢LOGO1.4.3工业机器人应用编程证书考核平台4.3工业机器人应用编程证书考核平台图1-29工业机器人应用编程1+X考证实训平台

为配合工业机器人应用编程培训、考证，江苏汇博机器人技术股份有限公司研制了工业机器人应用编程综合实训平台，如图1-29所示。4.3工业机器人应用编程证书考核平台

该实训平台主要由机器人单元、快换工具单元、智能仓储单元、井式供料单元、皮带输送单元、旋转供料单元、装配单元、写字单元、视觉单元等。4.3工业机器人应用编程证书考核平台

在该实训平台上可进行的编程训练项目有：工业机器人装配应用编程工业机器人RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）应用编程工业机器人视觉定位应用编程工业机器人视觉分拣应用编程工业机器人产品定制应用编程工业机器人写字应用编程工业机器人喷涂应用离线编程

谢谢1.5.1工业机器人系统操作员LOGO1.5.1工业机器人系统操作员1.职业定义

2020年11月，人力资源社会保障部联合工业和信息化颁布了工业机器人系统操作员（职业编码：6-30-99-00）国家职业技能标准。

工业机器人系统操作员职业定义：使用示教器、操作面板等人机交互设备及相关机械工具，对工业机器人、工业机器人工作站或系统进行装配、编程、调试、工艺参数更改、工装夹具更换及其他辅助作业的人员。

2.职业技能等级

本职业共设四个等级，分别为：四级/中级工、三级/高级工、二级/技师、一级/高级技师。中级工、高级工、技师和高级技师的技能要求依次递进，高级别涵盖低级别的要求。

考核工作内容包括：职业道德、基础知识、机械系统装调、电气系统装调、系统操作与编程调试、系统规划与调整、技术管理、培训与指导等。表1理论知识权重表技能等级项目四级/