01 工業(yè)機器人編程與操作-（中職課件）模塊一 任務1 認識工業(yè)機器人

01工業(yè)機器人編程與操作——（中職課件）模塊一任務1認識工業(yè)機器人第1章緒論

1.1工業(yè)機器人的定義及特點1.2工業(yè)機器人的歷史及發(fā)展趨勢1.3工業(yè)機器人分類1.4工業(yè)機器人的典型應用【培養(yǎng)目標】知識目標1.掌握工業(yè)機器人的定義、特點。2.了解工業(yè)機器人的歷史和發(fā)展趨勢。3.熟悉工業(yè)機器人的常見分類及其行業(yè)應用。知識目標通過本章的學習，學生應掌握以下知識點：1.掌握工業(yè)機器人的定義、特點。2.了解工業(yè)機器人的歷史和發(fā)展趨勢。3.熟悉工業(yè)機器人的常見分類及其行業(yè)應用。1.1工業(yè)機器人的定義及特點機器人是什么？國際上對機器人的定義很多：美國機器人協(xié)會（RIA）（TheRobotInstituteofAmerica,1979）將工業(yè)機器人定義為：“工業(yè)機器人是用來進行搬運材料、零部件、工具等可再編程的多功能機械手，或通過不同程序的調用來完成各種工作任務的特種裝置”。日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）的定義：“工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。”在我國1989年的國際草案中，工業(yè)機器人被定義為：“一種自動定位控制，可重復編程的多功能的，多自由度的操作機。操作機被定義為：具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓取物體或進行其他操作的機械裝置。”國際標準化組織（ISO）曾于1984年將工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種自動的、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)行各種任務?！惫I(yè)機器人最顯著特點：工業(yè)機器人最顯著特點：1.可編程2.擬人化3.通用性4.機電一體化圖1-1喬治?戴沃爾（右）與美國發(fā)家約瑟夫?英格伯格1886法國作家利爾亞當給機器人起名。1920年捷克作家卡雷爾?查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞，劇中機器人“Robot”這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業(yè)機器人設想。1954年美國人喬治?戴沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人；1959年戴沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫?英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人,開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。60年代初，美國AMF公司推出的“VERSTRAN型”和“UNIMATION型”，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。圖1-2世界第一臺機器人1.2工業(yè)機器人的歷史及發(fā)展趨勢1.2.1工業(yè)機器人的歷史1.2.2工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀目前國際工業(yè)機器人技術日趨成熟，基本沿著兩條路徑發(fā)展：一是模仿人的手臂，實現(xiàn)多維運動，在應用上比較典型的是點焊、弧焊機器人；二是模仿人的下肢運動，實現(xiàn)物料輸送、傳遞等搬運功能，例如搬運機器人在國際上較有影響力的、著名的、而且目前在中國的工業(yè)機器人市場也處于領先地位的機器人公司，可分為“四大”及“四小”兩個陣營：“四大”即為瑞典ABB、日本FANUC及YASKAWA、德國KUKA；“四小”為日本OTC、PANASONIC、NACHI及KAWASAKI。國內(nèi)也涌現(xiàn)了一批工業(yè)機器人廠商，這些廠商中既有像新松這樣的國內(nèi)機器人技術的引領者，也有像南京埃斯頓、廣州數(shù)控、華中數(shù)控這些伺服、數(shù)控系統(tǒng)廠商。三種不同的發(fā)展模式，即日本模式、歐洲模式和美國模式：日本模式此種模式的特點是：各司其職，分層面完成交鑰匙工程。即機器人制造廠商以開發(fā)新型機器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質產(chǎn)品為主要目標，并由其子公司或社會上的工程公司來設計制造各行業(yè)所需要的機器人成套系統(tǒng)，并完成交鑰匙工程；歐洲模式此種模式的特點是：一攬子交鑰匙工程。即機器人的生產(chǎn)和用戶所需要的系統(tǒng)設計制造，全部由機器人制造廠商自己完成；美國模式此種模式的特點是：采購與成套設計相結合。美國國內(nèi)基本上不生產(chǎn)普通的工業(yè)機器人，企業(yè)需要時,機器人通常由工程公司進口，再自行設計、制造配套的外圍設備，完成交鑰匙工程。

2013被稱為中國工業(yè)機器人元年，詳見圖1-3所示。參考日本經(jīng)驗，我國工業(yè)機器人未來10年需求進入加速臨界點，存在三股力量來驅動這個市場：經(jīng)濟結構轉型的“推力”；人口構成造成未來勞動力短缺與制造業(yè)用人成本趨勢性上升的“拉力”；政府政策扶持的“催化力”。圖1-32009-2013年全球主要國家工業(yè)機器人銷售統(tǒng)計（臺）

中國的機器人產(chǎn)業(yè)應走什么道路，如何建立自己的發(fā)展模式，確實值得探討。中國工程院在2003年12月完成并公開的《我國制造業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究總結報告》中認為，我國應從“美國模式”著手，在條件成熟后逐步向“日本模式”靠近。1.2.3工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢1.高性能2.機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展3.本體結構更新加快4.控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展5.多傳感器融合技術的實用化6.多智能體調控制技術1.3工業(yè)機器人分類1.按照技術水平分類（1）示教再現(xiàn)型機器人第一代工業(yè)機器人是示教再現(xiàn)型，具有記憶能力。這類機器人能夠按照人類預先示教的軌跡、行為、順序和速度重復作業(yè)。（2）感知機器人第二代工業(yè)機器人具有環(huán)境感知裝置，對外界環(huán)境有一定感知能力，并具有聽覺、視覺、觸覺等功能。工作時，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調整自己的工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成工作。目前已進入應用階段。如：有觸覺的機械手可輕松自如地抓取皮球，具有嗅覺的機器人能分辨出不同飲料和酒類。如圖1-5所示。圖1-5具備觸覺，嗅覺的感知機器人（3）智能機器人

第三代工業(yè)機器人稱為智能機器人，如圖1-6、1-7所示。具有高度的適應性，有自行學習、推理、決策等功能，處在研究階段。2.按機器人結構坐標系的特點分類工業(yè)機器人的機械配置形式多種多樣，典型機器人的機構運動特征是用其坐標特性來描述的。按基本動作機構，工業(yè)機器人通常可分為直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球面坐標機器人和關節(jié)型機器人等類型，如圖1-8所示。（1）直角坐標型機器人

直角坐標型機器人的手部在空間三個相互垂直的X、Y、Z方向作移動運動，構成一個直角坐標系，運動是獨立的（有3個獨立自由度），其動作空間為一長方體。如圖1-9所示，其特點是控制簡單，運動直觀性強，易達到高精度，但操作靈活性差，運動的速度較低，操作范圍較小而占據(jù)的空間相對較大。圖1-9直角坐標機器人（3）極坐標型機器人（球面坐標型）極坐標型機器人工作臂不僅可繞垂直軸旋轉，還可繞水平軸作俯仰運動，且能沿手臂軸線作伸縮運動（其空間位置分別由旋轉、擺動和平移3個自由度）。如圖1-11所示，著名的Unimate機器人就是這種類型的機器人。其特點是結構緊湊，所占空間體積小于直角坐標和圓柱坐標機器人，但仍大于關節(jié)型機器人，操作比圓柱坐標型更為靈活。圖1-11極坐標機器人（2）圓柱坐標型機器人圓柱坐標型機器人機座上具有一個水平轉臺，在轉臺上裝有立柱和水平臂，水平臂能上下移動和前后伸縮，并能繞立柱旋轉，在空間構成部分圓柱面（具有一個回轉和兩個平移自由度）。如圖1-10所示，特點是其工作范圍較大，運動速度較高，但隨著水平臂沿水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。著名的Versatran機器人就是典型的圓柱坐標機器人。

圖1-10圓柱坐標機器人（4）多關節(jié)坐標型機器人

多關節(jié)坐標機器人由多個旋轉和擺動機構組合而成。其特點是操作靈活性最好，運動速度較高，操作范圍大，但精度受手臂位姿的影響，實現(xiàn)高精度運動較困難。對噴涂、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應性，應用范圍越來越廣這類機器人又可分為垂直多關節(jié)機器人和水平多關節(jié)機器人。1.4工業(yè)機器人的典型應用行業(yè)具體應用汽車及其零部件弧焊；點焊；搬運；裝配；沖壓；噴涂；切割（激光、離子）等電子、電氣搬運；潔凈裝配；自動傳輸；打磨；真空封裝；檢測；拾取等化工、紡織搬運；包裝；碼垛；稱重；切割；檢測；上下料等機械基礎件工件搬運；裝配；檢測；焊接；鑄件去毛刺；研磨；切割（激光、離子）；包裝；碼垛；自動傳送等電力、核電布線；高壓檢查；核反應堆檢修、拆卸等食品、飲料包裝；搬運；真空包裝塑料、輪胎上下料；去毛邊冶金、鋼鐵鋼、合金錠搬運；碼垛；鑄件去毛刺；澆口切割家電、家具裝配；搬運；打磨；拋光；噴漆；玻璃制品切割、雕刻海洋勘探深水勘探；海底維修；建造航空航天空間站檢修；飛行器修復；資料收集軍事防爆；排雷；兵器搬運；放射性檢測表1-1工業(yè)機器人在各行業(yè)中的應用表1-2工業(yè)機器人的優(yōu)點優(yōu)點內(nèi)容提高勞動生產(chǎn)率機器人能高強度地、持久地在各種環(huán)境中從事重復的勞動，改善勞動條件，減少人工用量，提高了設備的利用率提高產(chǎn)品穩(wěn)定性機器人動作準確性、一致性高，可以降低制造中的廢品率，降低工人誤操作帶來的殘次零件風險等實現(xiàn)柔性制造機器人具有高度的柔性，可實現(xiàn)多品種、小批量的生產(chǎn)較強的通用性機器人具有廣泛的通用性，比一般自動化設備有更廣泛的使用范圍加快產(chǎn)品更新周期機器人具有更強與可控的生產(chǎn)能力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高企業(yè)競爭力近幾年工業(yè)機器人應用行業(yè)分布情況如圖1-15所示，由此可知，當今近50%的工業(yè)機器人集中使用在汽車領域，主要進行搬運、碼垛、焊接、噴涂和裝配等復雜作業(yè)。為此，本節(jié)著重介紹這幾類工業(yè)機器人的應用情況。1．焊接機器人（1）點焊機器人點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和點焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，為了適應靈活動作業(yè)的工作要求，通常點焊機器人選用關節(jié)式工業(yè)機器人的基本設計，一般具有6個自由度：腰轉、大臂轉、小臂轉、腕轉、腕擺及腕捻。其驅動方式有液壓驅動和電氣驅動兩種。圖1-16點焊機器人（2）弧焊機器人一般的弧焊機器人是由示教盒、控制盤、機器人本體及自動送絲裝置、焊接電源等部分組成?？梢栽谟嬎銠C的控制下實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制和點位控制。還可以利用直線插補和圓弧插補功能焊接由直線及圓弧所組成的空間焊縫。圖1-17弧焊機器人

2．噴涂機器人噴涂機器人又叫噴漆機器人，是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應的控制系統(tǒng)組成，液壓驅動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電動機等，圖1-18是噴涂機器人的系統(tǒng)圖。圖1-18噴涂機器人系統(tǒng)圖噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門，噴漆機器人能在惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，并具有工作靈活、工作精度高等特點，因此噴漆機器人被廣泛應用于汽車、大型結構件等噴漆生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品的加工質量、提高生產(chǎn)效率、減輕操作人員勞動強度。噴涂機器人如圖1-19所示。圖1-19噴涂機器人3.搬運機器人搬運作業(yè)是指用一種設備握持工件，從一個加工位置移到另一個加工位置。搬運機器人可安裝不同的末端執(zhí)行器（如機械手爪、真空吸盤、電磁吸盤等）以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運，大大減輕了人類繁重的體力勞動。圖1-20搬運機器人圖1-21機床上下料機器人4.裝配機器人裝配機器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設備，由機器人操作機、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。其中操作機的結構類型有水平關節(jié)型、直角坐標型、多關節(jié)型和圓柱坐標型等.圖1-22裝配機器人5.碼垛機器人

碼垛機器人是研制開發(fā)的新機型，質量穩(wěn)定，性價比高。碼垛機器人的程序里所需要定位的只有兩點，一個是抓起點，另一個是擺放點，這兩點之間以外的軌道全由電腦來控制，電腦自己會尋找這兩點的最合理的軌道來移動，所以示教方法極為簡單。機械手運動屬于直線運動。碼垛機器人適應于化工、飲料、食品、啤酒、塑料等自動生產(chǎn)企業(yè)；對各種箱裝、袋裝、罐裝、瓶裝等各種形狀的包裝都適應。如圖1-23、1-24所示。圖1-23袋裝-碼垛機器人圖1-24箱裝-碼垛機器人6.其他領域應用的機器人根據(jù)應用領域劃分，機器人還可以分為研磨拋光、清潔、水切割、凈化、真空等類型。如圖1-25、1-26所示。圖1-25機器人打磨圖1-26機器人拋光【實訓任務】實訓內(nèi)容認識實訓室不同類型工業(yè)機器人。實訓目的在機器人實訓室，教師為學生介紹并操作演示搬運、焊接等不同類型工業(yè)機器人，通過介紹、操作演示，使得學生能夠初步了解不同類型工業(yè)機器人的使用方法、特點、作用、區(qū)別等，對工業(yè)機器人有初步認知。實訓方法1.學生分組。2.老師介紹實訓工業(yè)機器人（焊接、搬運機器人）類型、品牌、應用等。3.教師演示工業(yè)機器人的操作過程，并說明操作過程的注意事項等。4.每組同學進行簡單操作。拓展與提高

焊接機器人技術的新發(fā)展：激光電弧聯(lián)合焊接法將激光用于焊接機器人是激光焊接的一種重要形式。焊接機器人具有多自由度、編程靈活、自動化程度高、柔性程度高等特點，是焊接生產(chǎn)線的重要組成部分。將激光器安裝在焊接機器人上進行焊接，大大提高了焊接機器人的焊接質量和適用范圍，在船板、汽車生產(chǎn)線中激光焊接機器人具有越來越重要的地位。圖1-27為CO2激光焊接機器人進行焊接的示意圖。圖1-27CO2激光焊接機器人激光焊接特點激光焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接速度快、焊接線能量低、焊接變形小、聚焦后的光斑直徑小（0.2～0.6mm）和能量密度高（106W/cm2）的特點，但是對焊接接頭裝配精度和間隙要求高，焊縫易出現(xiàn)氣孔、裂縫和咬邊等缺陷，設備投資大，能量轉換效率低。常規(guī)熔焊特點常規(guī)的熔化極電弧焊雖然焊接速度慢、焊接線能量大、熔深小、熱影響區(qū)大、焊接變形大，但是設備投資小，對間隙不敏感，能填充金屬激光+電弧的聯(lián)合焊接方法，將激光和電弧兩種熱源的優(yōu)點集中起來，彌補單熱源焊接工藝的不足，如圖