第1篇 破壳讲解

职业教育“工程实践创新项目”应用课程系列教材“全国职业院校技能大赛”教学资源转化成果机器人技术应用项目教程第1篇——破壳目录CONTENTS任务一、说中国制造2025和工业4.0任务二、说工业机器人应用任务三、说机器人技术应用大赛

任务一说中国制造目录CONTENTS2015年5月19日，国务院印发了《中国制造2025》规划，部署全面推进实施制造强国战略。这是我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，这是中国版“工业4.0计划”。通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，我制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。一、说中国制造2025和工业4.0提高国家制造业创新能力，推进信息化与工业化深度融合，强化工业基础能力，加强质量品牌建设，全面推行绿色制造，大力推动十大重点领域，深入推进制造业结构调整，积极发展服务型制造和生产性服务业，提高制造业国际化发展水平。放眼世界，每次工业革命引发了生产组织形式和意识形态的变化，从农业化走向工业化，从机械时代走向电气时代，从传统能源走向新能源，从劳动力密集型走向自动化信息化。从传统的工业革命概念，引申出科技革命、信息革命、资讯革命等概念，这些都是高科技开发与发明，是带来未来支柱企业发展的基础。第一次工业革命是指十八世纪末，以瓦特蒸汽机的发明和广泛使用为枢纽，到19世纪30、40年代机器制造业机械化的实现为基本完成的标志。大机器工业代替手工业，机器工厂代替手工工场，最典型的是英国人斯蒂芬孙研制了第一台蒸汽机车，美国人富尔敦制造了第一艘汽船。第二次工业革命是指19世纪中期，随着欧美和日本的资产阶级革命的完成，促进了经济的发展，也开始第二次工业革命。德国人西门子制成了发电机，内燃机的创制和使用，电器开始用于代替机器，成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源；新通讯手段的发明，化学工业的发展，钢铁等传统工业的进步，人类进入了“电气时代”。最典型的是美国人爱迪生发明了电灯，美国人莫尔斯制成一台电磁式的电报机。第三次工业革命是指20世纪六十年代开始，以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。最典型的是工业机器人应用和绿色能源广泛使用。第四次工业革命起源于2006年德国政府颁布的《高技术战略2020》，该战略文件重点是《未来项目“工业4.0”》，其他国家也相继出台文件。自2008年金融危机起遇到了产业空心化，鉴于在其GDP总量中服务业占比70%而制造业仅占12%的不平衡结构，美国提出世界最大的机器人市场。“先进制造业伙伴计划”，旨在振兴“美国制造”。英国2013年10月提出《英国工业2050战略》，中国在2014年7月编制《中国制造2025》规划，经济结构调整站在了制造业转型升级的十字路口，中国第一次与发达国家站在同一起跑线上。未来制造业将回归各国战略重心，成为全球经济稳定增长的重要引擎。国家政府规划战略重点德国《高技术战略2020》工业4.0成为新一代工业生产技术的供应国和主导市场美国《重振美国制造业框架》《先进制造伙伴计划》《先进制造业国家战略计划》再工业化、工业互联网侧重“软”服务，用互联网激活传统工业，保持制造业的长期竞争力日本《日本制造业白皮书》“以3D造型技术为核心的产品制造革命”人工智能智能化生产线和3D造型技术中国《中德合作行动纲要》《中国制造业发展纲要》《中国制造2025》两化融合、制造强国打造新一代信息技术产业、生物医药与生物制造产业、高端装备制造产业、新能源产业等“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—CPS信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem）相结合的手段，将制造业向智能化转型。“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。任务二说机器人应用目录CONTENTS1.工业机器人发展历程中国早在三千多年前的西周时代，我国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”；1920年，捷克作家K.凯比克在一科幻剧本中首次提出了ROBOT（汉语前译为“劳伯”）这个名词。现在已被人们作为机器人的专用名词；1939年，美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro；1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”；1954年，美国电子学家德沃尔研制出一种类似人手臂的可编程机械手1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”；二、说工业机器人应用1969年，日本早稻田大学研发出第一台以双脚走路的机器人；1980年，日本迅速普及工业机器人，这一年被称为“机器人元年”；20世纪末，掀起了特种机器人的研究热潮；1997年，机器人足球世界杯赛横空出世；1997年7月自主式机器人车辆“索杰纳”登上火星的自主式机器人车辆；1997年IBM公司开发出来的“深蓝”战胜棋王卡斯帕罗夫，这是机器人发展的里程碑。1998年，丹麦乐高公司推出机器人“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，日本索尼公司推出犬型机器人爱宝（AIBO），当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。在制造业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。机器人作为现代制造业主要的自动化装备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。据1998年统计，全世界机器人的拥有量达72万台。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。2.工业机器人走进工业应用国际上生产机器人的主要厂家有：日本的安川电机、OTC、川崎重工、松下、不二越、日立、法拉克；欧洲的CLOOS（德国）、ABB（瑞典）、COMAU（意大利）、IGM（奥地利）、KUKA（德国）等。全世界投入使用的机器人数量近年来快速增加，目前，日本实际装配的机器人总量占世界总量的一半。装配是日本机器人的最大应用领域，它拥有的机器人占总数的42%；焊接是应用的第二大领域，占机器人总数的19%；注塑是第三大应用领域，占机器人总数约12%，机加工次之为8%。汽车工业4.0是依托信息物理系统（CPS）和信息通讯技术相结合使汽车车间实现自动化、智能化、互联网化得汽车生产制造过程，包括无线射频技术、工业以太网、在线条码、二维码比对、影像识别、机器人等技术应用。工业机器人是汽车生产中非常重要的设备，各个部件的生产都需要有工业机器人的参与。工业机器人在汽车生产线上工作主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。工业机器人在汽车生产线上常见的4类工作。3.工业机器人在汽车生产线中的应用汽车生产中的车身生产中，有大量压铸，焊接，检测等应用，目前均由工业机器人参与完成，特别是焊接线，一条焊接线就有大量的工业机器人；汽车内饰生产，汽车内饰相当的多，最主要的则是仪表盘，而仪表盘的制作，则需要表皮弱化机器人，发泡机器人，最后的产品切割机器人，汽车车身的喷涂，这一块由于工作量大，危险性，大量的也都由工业机器人代替。国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件大都是以MIG焊接工艺为主的受力安全零件，主要构件采用冲压焊接,板厚平均为1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。焊接机器人最适合于多品种高质量生产方式，目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接件均使用了机器人焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用，如应用机器人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性和降低劳动强度，改善了劳动环境。

（1）焊接机器人在汽车底盘焊接中的应用按照焊接机器人系统在汽车底盘零部件焊接的夹具布局的不同特点，及外部轴等外围设施的不同配置，焊接机器人系统可分为以下几种形式。（1）滑轨+焊接机器人的工作站；（2）单（双）夹具固定式+焊接机器人工作站；（3）带变位机回转工作台+焊接机器人工作站；（4）搬运机器人+焊接机器人工作站；（5）协调运动式外轴+焊接机器人工作站；（6）机器人焊接自动线；（7）焊接机器人柔性系统。（2）KUKA机器人在宝马汽车的应用现代汽车制造业不断向"准时化"和"精益生产"的方向发展，这对设备的快速响应、柔性化、集成化和多任务处理的能力提出了更高要求。库卡公司另辟蹊径，突破传统的机器人协同工作组概念，以单个机器人作为独立的控制对象，把计算机网络控制的概念引入到机器人协同工作组控制中，对机器人协同工作组的功能和工作模式进行了历史性的革新，使得15台机器人同步工作成为可能，完全颠覆了传统汽车制造中以工位为目标单位的工艺格局，汽车的柔性化生产提高到了一个空前的高度。宝马公司为其在雷根斯堡的工厂寻找一种自动化解决方案用以传送宝马1系列及3系列车型的整个前后轴以及车门。宝马公司选择了三台库卡机器人，包括一台KR500及两台KR360来传送前后轴。KR500从装配系统中取出已装配好的前轴并将其置于装配总成支架上，在那里前轴将被装配到传动杆上。KR500的多用夹持器适用于1、3系列所有车型专有的轴。两台重载型机器人KR36传送后轴。第一台KR360从装配系统中取出轴并将其置于多用工件托架的存储器内。第二台KR360从存储器中取出轴并将其置于装配总成支架上。4.工业机器人在物流领域中的应用（1）码垛机器人以码垛设备为例，机械式码垛机，具有占地面积大、程序更改复杂、耗电量大等缺点；目前欧、美、日的码垛机器人在码垛市场的占有率超过了90%，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。码垛机器人能适应于纸箱、袋装、罐装、箱体、瓶装等各种形状的包装成品码垛作业，码垛机器人通过检测吸盘和平衡气缸内气体压力，能自动识别机械手臂上有无载荷，并经气动逻辑控制回路自动调整平衡气缸内的气压，达到自动平衡的目的。工作时，重物犹如悬浮在空中，可避免产品对接时的碰撞。在机械手臂的工作范围内，操作人员可将其前后左右上下轻松移动到任何位置，人员本身可轻松操作。AGV是自动导引车（AutomatedGuidedVehicle）的英文缩写，是指具有磁条，轨道或者激光等自动导引设备，沿规划好的路径行驶，以电池为动力，并且装备安全保护以及各种辅助机构（例如移载，装配机构）的无人驾驶的自动化车辆，通常多台AGV与控制计算机（控制台），导航设备，充电设备以及周边附属设备组成AGV系统，其主要工作原理表现为在控制计算机的监控及任务调度下，AGV可以准确的按照规定的路径行走，到达任务指定位置后，完成一系列的作业任务，控制计算机可根据AGV自身电量决定是否到充电区进行自动充电。（2）自动导引车5.工业机器人的应用大国全球机器人市场主要分布在中国、韩国、日本、美国和德国这五个国家，这五个国家占据了全球机器人的四分之三市场。中国——全球最大的机器人市场，2016年销量达到87000台，接近欧洲和美洲加起来的销售97300台。此外。中国本土机器人供应商地位不断提升，市场占有率已经达到31%。

韩国——世界第二大工业机器人市场，2016年售出41400台机器人，比2015年增长8%。韩国是液晶显示器和内存芯片制造市场的领导者，韩国加大了电气和电子工业方面机器人的投资。在韩国制造业中，每10000名员工中就有大约630个机器人安装，是世界机器人密度最高的国家。日本——2016年工业机器人销售38600台，增长了10%，这是日本十年以来的最高水平。日本是主要的机器人生产国，为满足工业机器人日益增长的需求，日本机器人厂高不断增长生产能力。2016年产量达到152600台（2010年产量为73900台），这个数字是全球机器人总供应数量的一半。美国——2016年工业机器人销售量达到了31400台，比2015年增加了14%。美国为了提升工业竞争力，不断发展自动化生产，通过优惠政策把国外制造业引回本土，增加同内生产投资，为机器人创造了良好的市场环境。美国机器人密度为每10000名员工中1261台安装量，仅次于韩国之后，美国大多数的机器人都是从日本、韩国和欧洲进口。德国——世界第五大机器人市场，也是欧洲市场中最大的一个。2016的工业机器人年供应量和存量分别占欧洲机器人销售总额的36%和41%。2016年售出的机器人20039台，相比2015的19945台略有增加。任务三机器人技能大赛目录CONTENTS三、说机器人技术应用大赛2016年10月24-27日，全国机械行业职业院校技能大赛“华航唯实杯”工业机器人技术应用技能大赛在潍坊市机械工业学校成功举办。来自全国各地的34支代表队，从“教学设计、展示答辩、实际操作”三个方面展开激烈角逐，给全国各地的选手及老师们提供了一个相互交流学习的平台，很好地展示了工业机器人专业建设的教学成果，检验了院校师生的工业机器人操作技能水平，激发了学生专业学习的热情。在强化学生动手实践能力的同时，也提高了专业教师的技能水平及实训水平，对进一步深化教学改革，切实加强高端技能型人才的培养具有重要意义。1.大赛历程2017年6月5日全国职业院校技能大赛中职组“机器人技术应用”赛项（第一届）在安丘市职业中专胜利闭赛。本次比赛共有来自全国28个省、市、自治区的90支近中职学校代表队，共500多名师生代表参加角逐。2018年5月17日全国职业院校技能大赛中职组“机器人技术应用”赛项（第二届）在安丘市职业中专胜利闭赛。这次齐聚了全国102支近中职学校代表队，近600名师生代表参加角逐。赛事在央视《新闻直播间》、山东卫视《山东新闻联播》中报道，齐鲁网、微信公众号等新媒体即时发布比赛信息。2.大赛平台（1）工作站系统概述本赛项竞赛内容围绕工业机器人系统的安装、操作、编程、调试、维护、维修内容，主要考察选手机电通用设备的机械及电气安装调试能力、工业机器人本体的基础操作和编程调试能力、利用计算机辅助软件对特殊应用工艺的简化编程及仿真能力、工业机器人结合PLC、视觉检测的综合应用及系统联调能力、工业机器人系统的日常维护和常见维修能力、实操过程中运用专业知识均衡功能实现、动作效率、成本控制的综合能力，强化选手的安全和环保意识。竞赛内容为以工业机器人为核心，实现对电子产品的芯片分拣、装配过程，电子产品由PCB板、异形芯片、盖板组成。（2）工作站系统组成机器人技术应用赛项竞赛平台拟采用北京华航唯实机器人科技股份有限公司CHL-DS-01型竞赛平台,整体尺寸为2200mm×1350mm，整体高度1500mm。竞赛平台以桌面式关节型六轴串联工业机器人为核心，在操作平台的四周合理分布有4种不同工艺的应用工具，以及涂胶模块、码垛模块、异形芯片原料单元、异形芯片装配单元、视觉检测及光源组件、螺丝供料组件、总控系统和操作面板等。竞赛平台以3C行业最典型的异形芯片插件工艺过程为任务主线，用不同形状的零件代表不同类型的芯片，不同颜色代表了芯片质量，包含了涂胶工艺、码垛工艺、分拣工艺、装配工艺等工业机器人最典型应用。竞赛平台可实现所有竞赛内容，完全来源于工业应用现场的特征使其适合作为职业技能竞赛平台，用时也满足了职业院校不同专业学生针对工业机器人系统操作和编程的教学需求。竞赛平台选用桌面型小负载串联关节六自由度工业机器人作为核心设备，选型ABBIRB120和新时达SD500,小巧灵活特性使其广泛应用于3C、电子、食品等行业，同时较小的工作半径和额定负载，在保证功能实现效果的前提下，确保教学和竞赛安全，防止发生人员以外。涂胶模块是将工业机器人对产品装配前的涂胶工艺进行功能抽象化，工业机器人抓持涂胶工具沿面板上合理布置不同产品外轮廓轨迹上模拟工艺过程，保证工艺真实性同时增加教学可行性和趣味性。码垛模块是将工业机器人对产品搬运码垛工艺进行功能抽象化，工业机器人抓持夹爪工具将已完成生产的方形产品由原料台按照要求搬运码垛到指定位置，教学和竞赛时可对码垛形式和包装盒的位置姿态都做出要求，且码垛物料可在平台A、B间互相转换。快换工具根据所实现的工艺不同，分为涂胶工具、夹爪工具、吸盘工具和锁螺丝工具，通过工具快换系统实现工业机器人对不同应用工具的快速更换，气路信号可自动接通。异形芯片原料单元用于存放异形芯片，异形芯片装配单元提供多个装配工位，可放置不同产品，对芯片种类、数量的要求不一，需要工业机器人根据要求从异形芯片原料单元中选取所需的芯片后放置到指定位置，为产品安放盖板并锁紧固定螺丝。视觉检测组件可以对工业机器人所选取的芯片颜色、形状、位置等信息进行检测和提取，光源和镜头如图所示，并将检测结果网络传输给工业机器人，使其完成后续分拣和装配工作。螺丝供料单元采用全自动设计，旋转式分料设计节省了设备空间，提高了螺丝供给速度，同时减少了机器震动，保证了稳定的螺丝供料和取料效果。序号名称主要规格和功能数量备注1工业机器人额定负载：3kg工作范围：500mm重复定位精度：±0.02mm1套ABBIRB1202手动工具内六角扳手、螺丝刀、压线钳、斜口钳、绑扎带等1套

3TCP设置工具工业机器人法兰端工具固定工具1套

4维护维修耗材日常维护及常见维修耗材1套3.大赛特色赛项定位以当前智能制造领域企业所急需的机械电气装配技工、操作与维护技师和编程调试现场技术员等岗位为职业背景，提炼核心知识点和技能要求，主要考察选手针对工业机器人、工具快换、PLC控制、触摸屏组态、气动驱动、智能视觉检测等技术的实际应用能力，可熟练完成工业机器人系统的操作、编程、调试、维护、维修工作内容，满足企业就业需求。工业机器人以高柔性、易编程的功能特点，特别适应制造业转型升级需求，是实现定制化、个性化、规模化生产的重要执行终端，也是《中国制造2025》规划中重点发展领域之一。（1）赛项定位准确，引领专业内涵建设赛项内容以工业机器人技术为核心考核点，集成多种常用应用技术，以3C行业典型生产工艺过程为展现形式，充分反应了企业对工业机器人相关岗位人才的技能需求，通过竞赛促进教学实施，让学生更加贴近工业机器人真实应用环境，体现工业机器人在制造过程中灵活柔性的功能特点。随着工业机器人技术发展和应用普及，离线编程技术作为其未来发展三大方向之一，将计算机辅助设计编程和虚拟仿真等技术应用到工业机器人的轨迹设计及动作仿真过程，支持多