機器人焊接課件：探尋工業(yè)機器人的廬山真面目

機器人焊接探尋工業(yè)機器人的廬山真面目項目任務1.1.2

工業(yè)機器人的機械結構1.2.1

工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成1.2.2

工業(yè)機器人的分類及應用1.1.1工業(yè)機器人的概述

探尋工業(yè)機器人的廬山真面目學習目標學習導圖任務提出知識準備燈塔傳承任務1.1走進工業(yè)機器人任務1.2認知工業(yè)機器人系統(tǒng)知識測評擴展閱讀學習目標能夠描述工業(yè)機器人的內(nèi)涵及特征。能夠闡明發(fā)展工業(yè)機器人的緣由。能夠辨識工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成部分。知識學習返回目錄素養(yǎng)提升通過工業(yè)機器人先進制造裝備和技術認知學習，了解該領域的“卡脖子”技術，提升學生對專業(yè)知識的學習興趣，增強學習動力。通過拓展閱讀，對FANUC工業(yè)機器人形成初步認識。1/41擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄知識地圖2/41擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標燈塔傳承3/41機器人專家、戰(zhàn)略科學家、中國工程院首批院士、生前系中國科學院沈陽自動化研究所所長、研究員、博士生導師。1996年獲中國工程院首屆工程科技獎，先后獲得全國科學大會成果獎、中國科學院重大成果獎、中國科學院科技進步一等獎等榮譽，并參加了國家高科技研究發(fā)展計劃的制訂。國家高技術研究發(fā)展計劃自動化領域首席科學家。牽頭創(chuàng)建了國家機器人技術研究開發(fā)工程中心和中科院機器人學開放實驗室、建立了機器人學研究及機器人技術工程化基地，被譽為中國機器人事業(yè)的奠定人、開拓者。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標蔣新松返回目錄1.1走進工業(yè)機器人4/41自工業(yè)革命以來，人力勞動已逐漸被機械所取代，而這種變革為人類社會創(chuàng)造出巨大的財富，極大地推動了人類社會的進步。工業(yè)機器人的出現(xiàn)是人類在利用機械進行社會生產(chǎn)史上的一個里程碑。全球諸多國家半個多世紀的機器人使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、提高生產(chǎn)率、推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。本項目參照1+X“焊接機器人編程與維護”國家職業(yè)技能等級要求，通過介紹工業(yè)機器人及其系統(tǒng)組成，使學生熟知工業(yè)機器人的機械結構和常用術語，掌握工業(yè)機器人系統(tǒng)的核心要素和典型應用。本項目共設計兩項任務：一是工業(yè)機器人的認知；二是工業(yè)機器人系統(tǒng)的認知。任務提出擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述5/411、什么是工業(yè)機器人（1）國際標準化組織(ISO)將工業(yè)機器人定義為“一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務”。（2）GB/T12643--2013《機器人與機器人裝備詞匯》將工業(yè)機器人定義為“一種自動控制的、可重復編程、多用途的操作機，可對三個或三個以上軸進行編程”。（3）美國機器人協(xié)會將工業(yè)機器人定義為“一種用于移動各種材料、零件、工具和專用裝置的，用可重復編制的程序動作來執(zhí)行各種任務的多功能操作機”。（4）日本科學家森政弘與合田周平提出，“工業(yè)機器人是一種具有移動性、個體性、智能型、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等七個特征的柔性機器”。工業(yè)機器人除擁有“機械”和“人”的兩大屬性外，還具有三個基本特征:一是結構化，二是通用性，三是智能化。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述6/412、為什么發(fā)展工業(yè)機器人極端環(huán)境探索的需要社會老齡化加重人力成本提高主要原因發(fā)展工業(yè)機器人的主要目的是在不違背“機器人三原則”的前提下，讓機器人協(xié)助或替代人類工作，把人類從勞動強度大、工作環(huán)境惡劣、危險性高的工作中解放出來，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和柔性化。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述7/413、工業(yè)機器人的發(fā)展概況約瑟夫·恩格爾伯格研制出世界上首臺真正意義上的工業(yè)機器人Unimate1959喬治·恩格爾成功申請“通用機器人”專利1954卡雷爾·恰佩克首先提出“機器人”一詞并沿用至今1920世界首臺數(shù)字化可編程工業(yè)機器人Unimate擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述8/41(1)超級機器人重載型工業(yè)機器人世界上第一款六軸重載型機器人;額定負載1000kg;位姿重復性為±0.1mm;最大水平運動距離為3200mm;最大垂直運動距離為4200mm工作空間達79.8m3。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標在汽車工業(yè)、鑄造工業(yè)、玻璃工業(yè)以及建筑材料工業(yè)等領域，經(jīng)常會遇到諸如大型鑄件、混凝土預制件、發(fā)動機缸體、大理石石塊等一些重型部件或組件的搬運作業(yè)，這類負載大、精度高、速度快的機器人就是超級機器人。返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述9/41重載型工業(yè)機器人被稱為“黃色大力士”通過與FanuciRVision組合搭配，可實現(xiàn)機器人作業(yè)的高可靠性；額定負載為2300Kg；位姿重復性為±0.3mm；最大水平運動距離為3700mm；最大垂直運動距離為4600mm。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述10/41除重載型地面固定式機器人之外，還有重載型全向自主移動式機器人，主要用來實現(xiàn)船舶、航空航天、風力發(fā)電、軌道交通等領域大尺寸產(chǎn)品的多品種、小批量靈活型生產(chǎn)。重載型全面自主移動機器人裝有各個筒型滾輪可以相互獨立移動；在室內(nèi)也能沿任意方向靈活移動；可以以毫米級精度運送長度約為35m、寬度約為10m、質(zhì)量為90000kg的巨型部件。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述11/41小型輕量級工業(yè)機器人小型輕量級工業(yè)機器人大幅度實現(xiàn)小型輕量化；動作速度是原來的兩倍以上；將特定動作節(jié)拍縮短25%；進一步滿足了消費類電子產(chǎn)品對柔性生產(chǎn)和靈活制造的要求。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述12/41在農(nóng)副食品加工業(yè)、食品制造業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)、電氣機械和器材制造業(yè)以及3C制造業(yè)中，普遍存在著分揀、拾取、裝箱和裝配等大量的重復性工作，為此，生產(chǎn)出適合輕工業(yè)高速搬運和裝配用并聯(lián)連桿機器人，可以被安裝在狹窄的空間并且可以被安裝在任意傾斜角度上。FANUC高速并聯(lián)連桿機器人擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述13/41(2)靈巧機器人Yaskawa公司在工業(yè)機器人“肘部”增加一個關節(jié)，再現(xiàn)人類肘部動作的“獨臂”機器人產(chǎn)品；在此基礎上，又開發(fā)出模仿人類雙臂結構的“雙臂協(xié)作”機器人。能夠實現(xiàn)在較遠工位間傳遞工件、快速翻轉、協(xié)同裝配和測試?？梢造`活地完成較為復雜的單臂動作和雙臂組合動作，實現(xiàn)單臂機器人難以完成的動作及應用。單臂七軸工業(yè)機器人雙臂七軸工業(yè)機器人擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.1工業(yè)機器人概述14/41在追求綠色、高效、安全和生產(chǎn)多樣化的今天，新一代協(xié)作（靈巧）機器人將能夠直接與人類員工并肩工作，實現(xiàn)互補協(xié)作。新一代人機協(xié)作機器人擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.2工業(yè)機器人的機械結構15/411、工業(yè)機器人的常用術語⑴

操作機（Manipulator）⑵

末端執(zhí)行器（EndEffector）⑶

示教盒（TeachPendant，TP）⑷

工具中心點（ToolCenterPoint，TCP）⑸

位姿（Pose）⑹

自由度（DegreeofFreedom，DOF）⑺

工作空間（WorkingSpace）⑻

額定負載（RatedLoad）⑼

最大單軸（路徑）速度（MaximumIndividualAxis（Path）Velocity）⑽

位姿準確度（PoseAccuracy）⑾

位姿重復性（PoseRepeatability）擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.2工業(yè)機器人的機械結構16/412、工業(yè)機器人的機械構形工業(yè)機器人的機構特征可通過合適的坐標系加以描述，從全球機器人裝機數(shù)量來看，直角坐標型機器人和關節(jié)型機器人應用更為普遍。(1)直角坐標型機器人它具有空間上相互獨立垂直的三個移動軸，可以實現(xiàn)機器人沿X軸、Y軸、Z軸三個方向調(diào)整手臂的空間位置（手臂升降和伸縮動作），但無法變換手臂的空間姿態(tài)。機器人實物結構示意擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.2工業(yè)機器人的機械結構17/41(2)圓柱坐標型機器人它同樣具有空間上相互獨立垂直的三個運動軸，但其中的一個移動軸（X軸）被更換成轉動軸，能實現(xiàn)機器人沿θ軸、r軸、Z軸三個方向調(diào)整手臂的空間位置（手臂轉動、升降和伸縮動作），但無法實現(xiàn)空間姿態(tài)的變換。此種類型的機器人一般被用于生產(chǎn)線尾的碼垛作業(yè)。結構示意機器人實物擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.2工業(yè)機器人的機械結構18/41(3)球坐標型機器人又稱極坐標機器人（PolarRobot），它具有空間上相互獨立垂直的兩個轉動軸和一個移動軸，不僅可以實現(xiàn)機器人沿θ軸、r軸兩個方向調(diào)整手臂的空間位置，而且能夠沿β軸變換手臂的空間姿態(tài)（手臂轉動、俯仰和伸縮動作）。此種類型的機器人一般被用于金屬鑄造中的搬運作業(yè)。結構示意機器人實物擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.2工業(yè)機器人的機械結構19/41(4)關節(jié)型機器人在生產(chǎn)制造中焊接、涂裝、加工、裝配等制造工序的替代需要（腕部、手部）靈活性更高的機器人。關節(jié)型機器人具有高度的靈活性，可以同時控制多個關節(jié)的運動，使機器人的動作更加流暢和協(xié)調(diào)。①平面關節(jié)型機器人它具有軸線相互平行的兩個轉動關節(jié)和一個圓柱關節(jié)，可以實現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向。結構示意機器人實物擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.2工業(yè)機器人的機械結構20/41②垂直關節(jié)型機器人它能模擬人的手臂功能，一般由四個以上的轉動軸串聯(lián)而成，通過臂部（3～4轉動軸）和腕部（1～3個轉動軸）的轉動、擺動，可以在三維空間內(nèi)自由變換姿態(tài)。機器人實物結構示意擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.1.2工業(yè)機器人的機械結構21/41③并聯(lián)式機器人并聯(lián)式機器人又稱Delta機器人、“拳頭”機器人或“蜘蛛手”機器人（ParallelRobot），它與串聯(lián)桿式機器人不同的是，并聯(lián)機器人本體由數(shù)條（一般2～4條）相同的運動支鏈將終端動平臺和固定平臺（靜平臺）連接在一起，其任一支鏈的運動并不改變其他支鏈的坐標原點。結構示意機器人實物擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄擴展閱讀22/41FANUC工業(yè)機器人FANUC（發(fā)那科）是業(yè)界公認的工業(yè)機器人“四大家族”之一。自1974年，首臺FANUC機器人問世以來，F(xiàn)ANUC始終致力于機器人技術上的創(chuàng)新，是世界上首家使用機器人制造機器人的公司之一，也是世界上首家提供集成視覺系統(tǒng)的機器人企業(yè)。除高精密減速器外，高性能機器人專用伺服電動機及驅動器、高速高性能控制器、視覺及力覺傳感器等工業(yè)機器人關鍵部件均為自主產(chǎn)品。FANUC工業(yè)機器人擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖學習目標返回目錄1.2認知工業(yè)機器人系統(tǒng)23/41任務提出工業(yè)機器人系統(tǒng)是一個集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)中重要的自動化裝備。它能夠自動執(zhí)行工作，具有多個自由度，且具有與人手臂相似的動作功能，用以抓取或搬運物體（工件或工具）等多種用途。工業(yè)機器人系統(tǒng)是由工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器和為使機器人完成其任務所需的一些工藝設備、周邊裝置、外部輔助軸或傳感器構成的系統(tǒng)。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成24/411、工業(yè)機器人工業(yè)機器人主要由機構模塊（操作機）、控制模塊（控制器和示教盒）以及相應的連接電纜構成。工業(yè)機器人的系統(tǒng)架構擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成25/41（1）操作機操作機是機器人執(zhí)行任務的機械主體，主要由關節(jié)和連桿構成。如右圖所示為六軸多關節(jié)型機器人操作機的基本結構。各構件之間通過“關節(jié)”串聯(lián)起來，且每個關節(jié)均包含一根以上可獨立轉動（或移動）的運動軸。六軸多關節(jié)型機器人操作機的基本結構擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成26/41（2）控制器控制器可看作工業(yè)機器人的“大腦”，是實現(xiàn)機器人傳感、交互、控制、協(xié)作和決策等功能硬件以及若干應用軟件的集合，是機器人“智力”的集中體現(xiàn)?？刂破鞯闹饕蝿帐歉鶕?jù)程序指令以及反饋信息支配機器人操作機完成規(guī)定的動作和功能，并協(xié)調(diào)機器人與周邊輔助設備的通信。機器人控制器架構示意擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成27/41工業(yè)機器人控制器的應用軟件（以FANUC）機器人為例功能模塊應用軟件控制RobotLink多機器人協(xié)調(diào)（同）運動控制CoordinatedMotionFunction外部附加軸的協(xié)調(diào)運動控制LineTracking移動輸送線（帶）同步控制傳感iRCalibration視覺輔助單軸/全軸零點標定和工具中心點（TCP）標定iRVision2DVisionApplication工件位置和機器人抓取偏差2D視覺補償iRVision3DLaserVisionSensorApplication工件位置和機器人抓取偏差3D激光視覺補償擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成28/41（3）示教盒示教盒是與機器人控制器相連，用于機器人手動操作、任務編程、診斷控制以及狀態(tài)確認的手持式人機交互裝置。作為選配件，用戶可通過計算機或平板電腦替代示教盒進行機器人運動控制和程序編輯等操作。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成29/412、末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕端部機械接口處直接執(zhí)行任務的裝置，它是機器人與作業(yè)對象、周邊環(huán)境交互的前端。末端執(zhí)行器分為工具型末端執(zhí)行器和夾持型末端執(zhí)行器兩種類型（1）工具型末端執(zhí)行器工具型末端端行器本身能進行實際工作，由機器人手臂移動或定位的末端執(zhí)行器。如弧焊焊槍、噴槍點、焊焊鉗、研磨頭、噴砂器等。機器人焊槍機器人噴槍擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成30/41（2）夾持型末端執(zhí)行器夾持型末端執(zhí)行器是一種夾持物體或物料的末端執(zhí)行器。按照夾持原理的。不同，可將夾持器分為抓握型夾持器和非抓握型夾持器兩種類型①抓握型夾持器夾持器類型驅動方式應用場合夾持器示例抓握型夾持器外抓握（外卡式）氣動/電動/液壓主要用于長軸類工件的搬運夾持器末端執(zhí)行器的類型及其用途內(nèi)抓握（內(nèi)脹式）內(nèi)抓握（內(nèi)脹式）主要用于以內(nèi)孔作為抓取部位的工件擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成31/41夾持器類型驅動方式應用場合夾持器示例②非抓握型夾持器非抓握型夾持器氣吸附磁吸附氣動電動主要用于表面堅硬、光滑、平整的輕型工件主要用于對磁力產(chǎn)生感應的工件粘接式托鏟式————主要用于平整、光滑或多孔物件的無痕夾持主要用于集成電路制造、半導體照明、平板顯示等行業(yè)夾持器末端執(zhí)行器的類型及其用途（續(xù)）擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成32/413、傳感器工業(yè)機器人傳感器可以分為兩類：一是內(nèi)部傳感器，指用于滿足機器人末端執(zhí)行器的運動要求和碰撞安全而安裝在操作機上的位置；二是外部傳感器，用于感知外部環(huán)境狀態(tài)所采用的傳感器。智能化機器人焊接系統(tǒng)配備2D廣角工業(yè)相機，能夠對焊接平臺上的組件進行全景拍照，識別組件類型和測量幾何尺寸，進行目標粗定位，以及規(guī)劃機器人焊接初始路徑。2D廣角視覺全景拍照識別定位擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成33/41通過3D激光視覺精確糾偏焊縫位置，識別坡口類型，并自主規(guī)劃焊道排布、焊接路徑、焊炬/焊槍姿態(tài)和工藝參數(shù)，生成多層多道焊接任務程序，實現(xiàn)機器人自主焊接作業(yè)。3D激光視覺焊縫尋位跟蹤擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成34/414、周邊（工藝）設備工業(yè)機器人作為高效、柔性的先進機電裝備，給它安裝什么樣的“手”（末端執(zhí)行器）、配置什么樣的周邊設備、設置什么樣的運動路徑，它就可以完成什么樣的任務。1—護欄2—焊件3—送絲機構4—操作機

5—機器人焊槍6—焊接電源7—控制器8—焊接變位機9—安全光幕機器人焊接系統(tǒng)，就是集成了焊接電源、送絲機構、機器人焊槍、焊接變位機、護欄及安全光幕等工藝設備和裝置，以及焊接工藝軟件包，適用于各類通用設備、專用設備和金屬船舶制造等自動化焊接作業(yè)。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.2工業(yè)機器人的分類和應用35/411、按技術等級分類計算智能機器人基本工作原理是“示教-再現(xiàn)”，由編程員事先對機器人進行“調(diào)教”后由機器人重復所學動作，常應用于精度要求不告而場合。感知技能機器人配備若干傳感器，能夠獲取周邊環(huán)境和作業(yè)對象變化信息，基本實現(xiàn)人-機-物的閉環(huán)控制。認知技能機器人能夠在復雜變化的外部環(huán)境和作業(yè)任務中，自主決定自身的行為，具有高度的適應性和自治能力。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.2工業(yè)機器人的分類和應用36/412、按應用領域劃分用于輔助或取代搬運裝卸工人完成取料、裝卸、傳遞、碼垛等任務的工業(yè)機器人。搬運機器人用于輔助或代替焊工完成弧焊、點焊、激光焊接、摩擦焊等所有金屬和非金屬材料連接任務的工業(yè)機器人。焊接機器人用于噴漆、涂膠、封釉等作業(yè)的工業(yè)機器人。涂裝機器人擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄1.2.2工業(yè)機器人的分類和應用37/41用于切割、銑削、磨削、拋光、去毛刺等作業(yè)的工業(yè)機器人。加工機器人用于輔助或替換人類完成零部件安裝、拆卸、裝配、修復等任務的工業(yè)機器人。裝配機器人潔凈機器人是在潔凈室使用的，在電子器件制造、醫(yī)藥制造、食品制造等行業(yè)執(zhí)行搬運等任務的工業(yè)機器人。清潔機器人擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄擴展閱讀38/40智能制造與工業(yè)機器人綜上，工業(yè)機器人在生產(chǎn)加工中的應用不僅可以降低工人的勞動強度、提高生產(chǎn)率和改善產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以大幅提升工業(yè)制造水平。同時，隨著智能制造中小批量、多品種、個性化生產(chǎn)要求的增多，在應對這種復雜的柔性化生產(chǎn)時，單機器人作業(yè)功能比較單一的問題日漸凸顯，生產(chǎn)需要更加自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。因此，機器智聯(lián)、多機器人、人機協(xié)作技術及應用成為必然。擴展閱讀知識準備任務提出燈塔傳承學習導圖知識測評返回目錄知識測評39/41一、填空題1.按照機器人“大腦”智能的發(fā)展階段，可將工業(yè)機器人劃分為三代，分別是________________機器人、_________機器人和_________機器人。2.__________是物體能夠對坐標系進行獨立運動的數(shù)目，通常作為機器人的技術指標，反映機器人動作的靈活性。3.工業(yè)機器人主要由_________、_