工業(yè)機器人發(fā)展簡介、集成系統(tǒng)及展望

1、工業(yè)機器人系統(tǒng)組成與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用工業(yè)機器人系統(tǒng)組成與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用-工業(yè)機器人集成控制系統(tǒng)工業(yè)機器人集成控制系統(tǒng)序 人類文明進步和發(fā)展的標志： 1、工具機器人；2、文字信息技術(shù)。 20世紀是計算機的時代； 21世紀是機器人的時代。 比爾蓋茨 機器人=自動化裝置 （Automatic Device） 1 工業(yè)機器人概論工業(yè)機器人概論 工業(yè)機器人系統(tǒng)就是把工業(yè)機器人本體（機械）、機器人控制器（硬件）、控制軟件和應(yīng)用軟件（軟件）與機器人周邊設(shè)備結(jié)合起來，應(yīng)用于焊接、搬運、插裝、噴涂、機床上下料等工業(yè)自動化領(lǐng)域。焊接機器人焊接機器人噴涂機器人噴涂機器人碼垛機器人碼垛機器人裝配機器人裝配機器人工業(yè)機器人分類工

2、業(yè)機器人分類工業(yè)機器人組成工業(yè)機器人組成消除枯燥無味的工作，降低工人的勞動強度；消除枯燥無味的工作，降低工人的勞動強度；增強工作場所健康安全性，從事特殊環(huán)境下的操作，減少勞資糾紛；增強工作場所健康安全性，從事特殊環(huán)境下的操作，減少勞資糾紛；提高自動化程度，減少工藝過程中停頓的時間；提高自動化程度，減少工藝過程中停頓的時間；提高對零部件的處理能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高成品率；提高對零部件的處理能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高成品率；提高自動化生產(chǎn)效率，便于調(diào)整生產(chǎn)能力，實現(xiàn)柔性制造。提高自動化生產(chǎn)效率，便于調(diào)整生產(chǎn)能力，實現(xiàn)柔性制造。工業(yè)機器人作用和優(yōu)點工業(yè)機器人作用和優(yōu)點工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做

3、某些單調(diào)、頻繁和重復的長時工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在焊接、涂裝、機械加間作業(yè)或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在焊接、涂裝、機械加工和裝配等工序上，以及完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。工和裝配等工序上，以及完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。工業(yè)機器人能夠提升生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，是企業(yè)補充和替代工業(yè)機器人能夠提升生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，是企業(yè)補充和替代勞動力的有效方案。勞動力的有效方案。作用優(yōu)點工業(yè)機器人應(yīng)用工業(yè)機器人應(yīng)用美美、日日、歐歐盟工業(yè)盟工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)完成了前四個階段機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)完成了前四個階段

4、并形成了各自的產(chǎn)業(yè)模式并形成了各自的產(chǎn)業(yè)模式。服務(wù)機器人市場，代表性企業(yè)有專注于醫(yī)療機器人的直覺外科公司、制造軍用和家用機器人的IROBOT公司等工業(yè)機器人本體市場，四大工業(yè)機器人本體市場，四大企業(yè)占比超過企業(yè)占比超過50%工業(yè)機器人集成市場除了四工業(yè)機器人集成市場除了四大企業(yè)外還有德國的杜爾、大企業(yè)外還有德國的杜爾、萊斯、意大利的柯馬等萊斯、意大利的柯馬等主要國家機器人技術(shù)優(yōu)勢領(lǐng)域比較主要國家機器人技術(shù)優(yōu)勢領(lǐng)域比較（萬臺）（年）（臺/萬人） 1機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：機構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展機構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展； 2機器人控制技術(shù)：重點研究開

5、放式機器人控制技術(shù)：重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)模塊化控制系統(tǒng)； 3多傳感系統(tǒng)多傳感系統(tǒng)融合技術(shù)融合技術(shù)：研究熱點在于多傳感器融合算法：研究熱點在于多傳感器融合算法；4機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)：機器人半自主和自主機器人半自主和自主控制控制技術(shù)，多機器人和技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制操作者之間的協(xié)調(diào)控制技術(shù)；技術(shù)； 5多智能體控制技術(shù)：主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、群體行為控制等多智能體控制技術(shù)：主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、群體行為控制等方面進行研究方面進行研究； 6微型和微小機器人技術(shù)：研究主要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、微型和微小機器人技術(shù)：研究主要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6、、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。上海中國國際機器人展（上海中國國際機器人展（CIROS2015 ）-新松機器人新松機器人上海中國國際機器人展上海中國國際機器人展（CIROS2015 ）-埃夫特機器人埃夫特機器人上海中國國際機器人展上海中國國際機器人展（CIROS2015 ）-廣州數(shù)控機器人廣州數(shù)控機器人截止截止2014年中國工業(yè)機器人保有量年中國工業(yè)機器人保有量17.5萬臺，萬臺，預計預計2015年增至年增至23.5萬臺萬臺國內(nèi)工業(yè)機器人保有量國內(nèi)工業(yè)機器人保有量（年）（萬臺）中國工業(yè)機器人不同領(lǐng)域需求中國工業(yè)機器人不同領(lǐng)域需求

7、川崎、現(xiàn)代、柯馬、川崎、現(xiàn)代、柯馬、不二越、松下不二越、松下新松、博實、新松、博實、首鋼莫托曼、首鋼莫托曼、埃夫特埃夫特庫卡、發(fā)那科、庫卡、發(fā)那科、ABB 2013年中國工業(yè)機器人年中國工業(yè)機器人銷量銷量36560臺，其中本土臺，其中本土品牌機器人銷量品牌機器人銷量9500臺臺2014年年47500臺，本土品臺，本土品牌牌16900臺臺中國工業(yè)機器人銷售情況中國工業(yè)機器人銷售情況 1.現(xiàn)代精密加工以及裝配技術(shù)的研究；現(xiàn)代精密加工以及裝配技術(shù)的研究； 2.精密精密減速器減速器、伺服電機性能及可靠性、伺服電機性能及可靠性技術(shù)技術(shù)；3.工業(yè)機器人新型控制器技術(shù)工業(yè)機器人新型控制器技術(shù)： 研發(fā)研發(fā)具有

8、自主知識產(chǎn)權(quán)的先進工業(yè)機器人控制器具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進工業(yè)機器人控制器。研究具有高研究具有高實時性實時性、多處理器并行工作的控制器硬件系統(tǒng)多處理器并行工作的控制器硬件系統(tǒng)；設(shè)計基于高性設(shè)計基于高性能能、低成本總線技術(shù)的控制和驅(qū)動模式低成本總線技術(shù)的控制和驅(qū)動模式；深入研究先進控制方深入研究先進控制方法法，提高系統(tǒng)高速提高系統(tǒng)高速、重載重載、高高跟跟蹤精度等動態(tài)性能蹤精度等動態(tài)性能。高精度機器人減速機：高精度機器人減速機：基本依賴進口基本依賴進口 伺服電機和驅(qū)動器：伺服電機和驅(qū)動器： 大多需要進口大多需要進口機器人控制器：機器人控制器：性能與國外差距較大性能與國外差距較大9/26/2021諧波

9、、諧波、RV減速器減速器精度不夠精度不夠精密減速機、精密減速機、交流伺服電機、交流伺服電機、控制器是機器人控制器是機器人的關(guān)鍵核心部件的關(guān)鍵核心部件 趨勢趨勢趨勢之一：趨勢之一：重載、高速、高精度重載、高速、高精度趨勢之二：趨勢之二：智能化智能化趨勢之三：趨勢之三：信息化、網(wǎng)絡(luò)化信息化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢之一：趨勢之一：重載、高速、高精度重載、高速、高精度M-2000iA系列是世界上最大的可搬運超重物體的機器人，一次可舉起1200公斤重，重復精度達0.3 mm，能夠做到更快、更穩(wěn)、更精確地移動大型部件。M-2000iA/1200配備有攝像機和高靈敏度的“手指”。 NEXTAGE可以自由移動，更加智能化

10、。NEXTAGE的功能主要體現(xiàn)在上半身，身高730mm，肩寬576mm，體重20kg，有15個電機（頭部2個、腰部1個、兩支手臂各有6個），單臂最大有效載荷為1.5kg。NEXTAGE頭部裝有視覺傳感器，能夠定位識別自己的位置，通過CAN總線與控制系統(tǒng)通信。趨勢之三：趨勢之三：信息化、網(wǎng)絡(luò)化信息化、網(wǎng)絡(luò)化機器機器人人 1服務(wù)工程師服務(wù)工程師機器機器人人 2機器機器人人 3視頻視頻 監(jiān)視監(jiān)視服務(wù)器服務(wù)器服務(wù)器服務(wù)器PC工作站工作站客戶工程師客戶工程師無線局域網(wǎng)診斷用無線局域網(wǎng)診斷用筆記本電腦筆記本電腦ISDN調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)遠程網(wǎng)遠程網(wǎng)無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)視頻視頻 監(jiān)

11、視監(jiān)視視頻視頻 監(jiān)視監(jiān)視視頻視頻 監(jiān)視監(jiān)視ISDN調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)PC工作站工作站PC-控制控制PC-控制控制PC-控制控制機器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng)，按照控制方式可以分為以下三種控制系統(tǒng)：3 3、分散控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)分成幾個模塊，每一個模塊有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模式之間可是主從關(guān)系，也可是平等關(guān)系。這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)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”，即系統(tǒng)對其總體目標和任務(wù)可以進行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)，整個系統(tǒng)在功能

12、、邏輯和物理等方面都是分散的，所以又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。2 2、主從控制系統(tǒng)、主從控制系統(tǒng)采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。機器人集成系統(tǒng)優(yōu)勢：機器人集成系統(tǒng)優(yōu)勢：基于基于PMAC 運動控制卡的機器人控制系統(tǒng)，運動控制卡的機器人控制系統(tǒng)，采用采用IPC+DSP 的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)機器人的控制的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)機器人的控制 PMAC是是program multiple axis controller 可編程多軸運動控制可編

13、程多軸運動控制卡，是集運動軸控制和卡，是集運動軸控制和PLC控控制以及數(shù)據(jù)采集的多功能的運制以及數(shù)據(jù)采集的多功能的運動控制產(chǎn)品動控制產(chǎn)品2.12.1 PMAC PMAC 集成控制系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)PMACPC/HMI用用戶戶界面界面放大器放大器機械輸入機械輸入/ /輸出輸出USBEthernetSerialPCIVME總線總線Local General Purpose I/Os / Built-inAnalog / digital / Fieldbus10VPWMPFMSinusoidalFieldbusBrushBrushlessInductionStepper通訊通訊: :機械機械 I/O:

14、I/O:命令輸出命令輸出: :電機類型電機類型: :A quad B, Sinusoidal, Serial,Resolver, Incremental, Absolute反饋反饋:電機電機/ /編碼器編碼器掃描儀掃描儀電話上網(wǎng)電話上網(wǎng)打印機打印機ProfibusInterbusCANopenDeviceNetLightbusSercosEthernet DOS / WindowsXP/ CEI/O 映射映射應(yīng)用程序平臺應(yīng)用程序平臺 操作員界面操作員界面 Windows 應(yīng)用程序應(yīng)用程序程序開發(fā)平臺程序開發(fā)平臺 SystemManager PLC NC PTP I/OServer PLCSer

15、ver NC PTPServer 實時核擴展實時核擴展用戶模式用戶模式VGA顯示器顯示器ModemRS 232 C并行口并行口局域網(wǎng)局域網(wǎng)軟軟 盤盤硬盤硬盤 傳統(tǒng)控制組成傳統(tǒng)控制組成 硬件硬件: 可視化可視化 PC, PLC, NC/CNC 模塊模塊, 微處理器系微處理器系 統(tǒng)統(tǒng) 軟件軟件: 多個操作系統(tǒng)多個操作系統(tǒng), 編程語言編程語言, 編程系統(tǒng)編程系統(tǒng) 接口接口: 在硬件設(shè)備之間在硬件設(shè)備之間, 在軟件系統(tǒng)之間在軟件系統(tǒng)之間, 集中式配集中式配 電柜電柜 成本成本100%40%傳統(tǒng)傳統(tǒng)PCC復雜性復雜性傳統(tǒng)傳統(tǒng)100%60%PCC降低降低 - 40%降低降低- 60% PC 控制組成控制組

16、成 硬件硬件: PC 和現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線, 支持所有標準支持所有標準 軟件軟件: Windows CE 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng), PLC, NC PTP, TwinCAT應(yīng)用程序應(yīng)用程序: Windows 軟件產(chǎn)品和軟件產(chǎn)品和 C, C+, VB, Delphi 接口接口: 標準化軟件接口標準化軟件接口, 分布式配電柜分布式配電柜 優(yōu)點：優(yōu)點： 成本低成本低 減少了組件減少了組件： 可靠性增加可靠性增加, 改善了互換性改善了互換性 降低復雜性降低復雜性： 減少工程量減少工程量, 把較多的時間把較多的時間 用于過程的優(yōu)化上用于過程的優(yōu)化上系統(tǒng)比較系統(tǒng)比較PC 硬件是標準化的和可互換的硬件是標準化的和

17、可互換的現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線 I/O 通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)標準化，因此可互換通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)標準化，因此可互換因特處理器系列和微軟操作系統(tǒng)保持了連續(xù)性因特處理器系列和微軟操作系統(tǒng)保持了連續(xù)性PC 控制提供了控制提供了 PLC，NC，閉環(huán)控閉環(huán)控，. ，在標準硬件上完成項目應(yīng)用在標準硬件上完成項目應(yīng)用獨立于硬件供應(yīng)商獨立于硬件供應(yīng)商獨立于硬件供應(yīng)商獨立于硬件供應(yīng)商 對軟件和專項技術(shù)的投資得到長期對軟件和專項技術(shù)的投資得到長期保護保護某一廠家的所有設(shè)備采用同一個標準的硬件平臺某一廠家的所有設(shè)備采用同一個標準的硬件平臺機器機器 1服務(wù)工程師服務(wù)工程師機器機器 2機器機器 3PC-控制控制視頻視頻 監(jiān)視監(jiān)視服

18、務(wù)器服務(wù)器服務(wù)器服務(wù)器PC 工作站工作站客戶工程師客戶工程師無線局域網(wǎng)診斷用無線局域網(wǎng)診斷用筆記本電腦筆記本電腦ISDN調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)遠程網(wǎng)遠程網(wǎng)無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)視頻視頻 監(jiān)視監(jiān)視視頻視頻 監(jiān)視監(jiān)視視頻視頻 監(jiān)視監(jiān)視ISDN調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)PC-控制控制PC-控制控制PC 工作站工作站 分分為為 4- IT 系統(tǒng)系統(tǒng): 基于基于PC 并并采用采用 NT 技術(shù)的系統(tǒng)技術(shù)的系統(tǒng): 管理層管理層 過程管理過程管理 過程監(jiān)視過程監(jiān)視 過程控制過程控制局域網(wǎng)局域網(wǎng)IT 管理層管理層服務(wù)器服務(wù)器生產(chǎn)模型生產(chǎn)模型PC-控制控制PC- 控制控制PC用作傳統(tǒng)用作

19、傳統(tǒng)PLCPC 工作站工作站 主控系統(tǒng)主控系統(tǒng): 基于基于Win CE的的 PC 控制控制 PC 技術(shù)技術(shù) I/O: 開放的現(xiàn)場總線系統(tǒng)開放的現(xiàn)場總線系統(tǒng) 工業(yè)工業(yè)PCPC控制技術(shù)控制技術(shù)信息技術(shù)與自動化技術(shù)完美結(jié)合信息技術(shù)與自動化技術(shù)完美結(jié)合開放式結(jié)構(gòu)的機器人控制系統(tǒng), 需要建立一個開放的、標準的、經(jīng)濟的、可靠的軟硬件平臺。軟件設(shè)計任務(wù)包括 PC 端控制軟件設(shè)計；控制軟件包括 GUI 設(shè)計、核心控制算法設(shè)計、通信控制軟件設(shè)計。以EtherCAT開發(fā)為例，開發(fā)一般都是采用TwinCAT 作為主站。TwinCAT提供了強大的EtherCAT主站功能，包括XML文件、EEPROM配置文件的讀取/下

20、載、EtherCAT從站設(shè)備的掃描查看等。使用TwinCAT查看EtherCAT從站設(shè)備的結(jié)果。由于TwinCAT軟件是基于Windows風格，有著良好的人機界面，并且功能強大，非常便于從站設(shè)備的開發(fā)。焊接機器人就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機器人。主要由機器人本體、控制系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器及系統(tǒng)安全保護部分、周邊設(shè)備組成。智能機器人還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。機械本體：采用6自由度的關(guān)節(jié)機器人，前3個自由度（1、2、3軸）用于控制焊槍端部的空間位置，后3個自由度（4、5、6軸）用于控制焊槍的空間姿態(tài)。焊接變位機是通過傾斜和回轉(zhuǎn)動作，將工件置于便于實施

21、焊接作業(yè)位置的機械或機器。焊接變位機與機器人連用可增大機器人工作空間，縮短輔助時間，提高勞動生產(chǎn)率，改善焊接質(zhì)量。：主要是安置機器人或焊絲支架，特別是在焊接大型工件時，移動滑臺加大了機器人的工作空間。清槍裝置清槍裝置:焊槍自動清槍站主要包括焊槍清洗機、噴化器和焊絲剪斷裝置3部分。機器人在焊接過程中焊鉗的電極頭氧化磨損、焊槍噴嘴內(nèi)外殘留的焊渣以及焊絲伸長的變化嚴重影響了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。清槍效果圖清槍效果圖換槍裝置換槍裝置：在機器人焊接作業(yè)過程中，焊槍用于不同填充材料的自動焊接，自動換槍裝置可適應(yīng)改變焊接方法的自動焊接。多層多道相貫曲線簇焊接效果圖多層多道相貫曲線簇焊接效果圖中厚板空間軌跡焊接機器人工作站中厚板空間軌跡焊接機器人工作站碼垛機器人（碼垛機器人（863-512-9418-04-01，863-512-9502-01（1994年年-今）今） ）機器人磨削拋光加工系統(tǒng)（機器人磨削拋光加工系統(tǒng)（2007AA04Z