焊接機器人編程及應用

（第2版）“十二五”職業教育國家規劃教材經全國職業教育教材審定委員會審定中國焊接協會弧焊機器人操作培訓與資格認證推薦用書項目1探尋工業機器人的廬山真面目主編：蘭虎、張璞樂、孔祥霞項目任務1.1.2

工業機器人的機械結構1.2.1

工業機器人的系統組成1.2.2

工業機器人的分類及應用1.1.1

工業機器人概述項目1探尋工業機器人的廬山真面目學習目標學習導圖擴展閱讀知識測評知識準備任務1.1工業機器人認知任務1.2工業機器人系統認知知識、能力、素養目標能夠描述工業機器人的內涵及特征能夠闡明發展工業機器人的緣由能夠辨識工業機器人的系統組成部分通過對工業機器人先進制造裝備和技術的認知學習，了解該領域的“卡脖子”問題，培養學生的愛國主義情懷通過對工業機器人的系統組成、分類及應用的學習，使學生提升對專業知識的學習興趣，增強對專業知識的學習動力知識目標素養目標返回目錄知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1/39返回目錄知識地圖知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標2/39工業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日本一種自動控制的、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中國一種自動的、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，以執行各種任務ISO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行各種任務的多功能操作機美國返回目錄機器人涉及“機器”和“人”兩個要素，成為一個暫時難以回答的哲學問題。1.1.1工業機器人概述1、什么是工業機器人知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標3/39結構化工業機器人是在二維平面或三維空間模仿人體肢體動作（主要是上肢操作和下肢移動）的多功能執行機構，具有形式多樣的機械結構類型，并非一定“仿人型”通用性智能化工業機器人在執行任務時基本不依賴于人的干預，具有不同程度的環境適應能力，包括感知環境變化的能力、分析任務空間的能力和執行操作規劃的能力等1.1.1工業機器人概述工業機器人可根據生產需求靈活改變程序，控制“身體”完成一定的動作，具有執行不同任務的實際能力工業機器人除擁有“機械”和“人”兩大屬性外，還具有一下三個基本特征：知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標返回目錄1、什么是工業機器人4/39深刻理解工業機器人概念后，大家不禁要問：人類為什么需要機器人？當今世界，依然存在許多僅依靠人類自身力量無法解決的問題：發展機器人原因213人類探索極端環境活動越來越頻繁人口社會老齡化嚴重人工成本越來越高發展機器人原因使用機器人與工人的年均成本比較發展工業機器人的主要目的是在不違背“機器人三原則”的前提下，讓機器人在生產中協助或替代人類工作，把人類從勞動強度大、工作環境惡劣、危險性高的工作中解放出來，實現生產自動化和柔性化。1.1.1工業機器人概述知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標返回目錄2、為何發展工業機器人5/391.1.1工業機器人概述第一代工業機器人的誕生1954年，美國人喬治·德沃爾（G.C.Devol）成功申請“通用機器人”專利。1961年，美國通用汽車公司首次將Unimate應用于生產線，這標志著第一代可編程控制再現型工業機器人的誕生。1920年由捷克著名劇作家、科幻文學家、童話寓言家卡爾·恰佩克首先提出的，它成為機器人的起源并一直沿用至今。1959年，美國發明家約瑟夫·恩格爾伯格（J.F.Engelberger）研制出世界上第一臺真正意義上的工業機器人Unimate。第一臺工業機器人通用機器人專利機器人“Robot”起源悉數國際主流的工業機器人產品，其發展方向無外乎兩類：一是負載大、精度高、速度快的“超級機器人”；二是以柔性臂、雙臂、人機協作等為代表的“靈巧機器人”。3、工業機器人的發展概況知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標返回目錄6/391.1.1工業機器人概述(1)超級機器人在汽車工業、鑄造工業、玻璃工業以及建筑材料工業等領域，經常會遇到諸如鑄件、混凝土預制件、發動機缸體、大理石石塊等一些重型部件或組件的搬運作業，德國KUKA（2021年被我國美的（Midea）集團股份有限公司（后簡稱Midea公司）收購）和日本FANUC兩家機器人制造商針對這一需求研制出各自的“明星級”重載型機器人。3、工業機器人的發展概況知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標返回目錄7/391.1.1工業機器人概述(1)超級機器人除像KR1000titan這樣的重載型地面固定式機器人之外，還有KUKAomniMove、KMP1500、TripleLift等重載型全向自主移動式機器人，主要用來實現船舶、航空航天、風力發電、軌道交通等領域大尺寸產品的多品種、小批量靈活型生產。3、工業機器人的發展概況返回目錄8/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.1工業機器人概述(1)超級機器人2015年，日本Yaskawa公司開發出迷你型工業用六軸臺式機器人MOTOMANMOTOMINI（圖1-5a），本體質量僅為7kg，額定負載為0.5kg，位姿重復性為±0.02mm，最大水平移動距離為350mm。與該公司2013年推出的額定負載為2kg、高度為0.57m、質量為15kg的緊湊多功能型機器人MOTOMAN-MHJF（圖1-5b）相比，此款機器人大幅實現小型輕量化，動作速度也提高到原來的兩倍以上，同時將特定動作的節拍縮短25%，進一步滿足計算機、通信和其他消費類電子產品對柔性生產和靈活制造的需求。3、工業機器人的發展概況返回目錄9/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.1工業機器人概述(1)超級機器人在農副食品加工業、食品制造業、醫藥制造業、電氣機械和器材制造業以及3C（計算機、通信和其他電子設備）制造業中，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，以日本FANUC為代表的機器人公司推出適合輕工業高速搬運和裝配用的并聯連桿機器人M-1iA（額定負載為0.5～1kg）、M-2iA（額定負載為3～6kg）和M-3iA（額定負載為6～12kg）。3、工業機器人的發展概況返回目錄10/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.1工業機器人概述(2)靈巧機器手自2005年開始，日本Yaskawa公司通過在工業機器人“肘部”增加一個關節，陸續發布SIA系列的八款七軸（MOTOMAN-SIA30D，圖1-7a）驅動、再現人類肘部動作的“獨臂”機器人產品，額定負載為5～50kg。在此基礎上，Yaskawa公司又開發出模仿人類雙臂結構和交互行為的六款SDA系列“雙臂協作”機器人。3、工業機器人的發展概況返回目錄11/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.1工業機器人概述(2)靈巧機器手在追求綠色、高效、安全和生產多樣化的今天，新一代協作機器人將能夠直接與人類員工并肩工作，實現互補協作。我國Midea公司還推出了輕型移動式物流機器人KUKAMobileRoboticsiiwa——一款由自主移動平臺搭載的輕型機器人。瑞士ABB公司開發出集柔性機械手、進料系統、工件定位系統和高級運動控制系統于一體的協作型小件裝配雙臂機器人——YuMi（ABBIRB14000-0.5/0.5）。3、工業機器人的發展概況返回目錄12/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構1、工業機器人的常用術語機器人術語可以分為通用術語、機械結構、幾何學和運動學、編程和控制、性能、感知與導航等方面。額定負載（RatedLoad）也稱持重最大單軸（路徑）速度（MaximumIndividualAxis（Path）Velocity）位姿準確度（PoseAccuracy）位姿重復性（PoseRepeatability）末端執行器（EndEffector）

示教盒（TeachPendant，TP）也稱示教編程器、示教器工具中心點（ToolCenterPoint，TCP）位姿（Pose）自由度（DegreeofFreedom，DOF）工業機器人常見術語操作機（Manipulator）也稱機器人本體工作空間（WorkingSpace）也稱工作范圍。返回目錄13/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構2、工業機器人的機械構形機器人操作機的結構形式多種多樣，完全根據任務需要而定，其追求的目標是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化。工業機器人的機構特征可通過合適的坐標系加以描述。工業機器人的機械構形直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節型機器人返回目錄14/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構2、工業機器人的機械構形工業機器人的機械構形直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節型機器人(1)直角坐標型機器人直角坐標型機器人

也稱笛卡兒坐標機器人，它具有空間上相互獨立垂直的三個移動軸，可以實現機器人沿X軸、Y軸、Z軸三個方向調整手臂的空間位置（手臂升降和伸縮動作），但無法變換手臂的空間姿態。一般用于機械零件的搬運、上下料和碼垛作業。返回目錄15/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構2、工業機器人的機械構形工業機器人的機械構形直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節型機器人(2)圓柱坐標型機器人圓柱坐標型機器人

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，能實現機器人沿θ軸、r軸、Z軸三個方向調整手臂的空間位置（手臂轉動、升降和伸縮動作），但無法實現空間姿態的變換。一般用于生產線末端的碼垛作業。返回目錄16/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構2、工業機器人的機械構形工業機器人的機械構形直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節型機器人(3)球坐標型機器人球坐標型機器人

也又稱極坐標機器人，它具有空間上相互獨立垂直的兩個轉動軸和一個移動軸，不僅可以實現機器人沿θ軸和r軸兩個方向調整手臂的空間位置，而且能夠沿β軸變換手臂的空間姿態（手臂轉動、俯仰和伸縮動作）。一般可用于金屬鑄造中的搬運作業。返回目錄17/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構2、工業機器人的機械構形工業機器人的機械構形直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節型機器人(4)關節型機器人關節型機器人

上述三軸工業機器人僅模仿人手臂的轉動、仰俯或（和）伸縮動作，但在焊接、涂裝、加工和裝配等加工工序中需要（腕部、手部）靈活性更高的機器人。關節機器人通常具有三個以上運動軸，包括串聯式機器人（平面關節型機器人、垂直關節型機器人）和并聯式機器人。平面關節型機器人垂直關節型機器人并聯式機器人返回目錄18/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構2、工業機器人的機械構形(4)關節型機器人平面關節型機器人

它具有軸線相互平行的兩個轉動關節和一個圓柱關節，可以實現平面內的定位和定向。此類機器人結構輕便、響應快，水平方向具有柔順性且垂直方向擁有良好的剛性，比較適合3C制造業中小規格零件的快速拾取、壓裝和插裝作業。工業機器人的機械構形直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節型機器人返回目錄19/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構2、工業機器人的機械構形(4)關節型機器人垂直關節型機器人

它能模擬人的手臂功能，一般由四個以上的轉動軸串聯而成，通過臂部（3～4個轉動軸）和腕部（1～3個轉動軸）的轉動、擺動，可以在三維空間內自由變換姿態。通用型工業機器人的主流配置，比較適合焊接、涂裝、加工和裝配等柔性作業。工業機器人的機械構型直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節型機器人返回目錄20/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.1.2工業機器人的機械結構2、工業機器人的機械構形(4)關節型機器人并聯式機器人

它并聯式機器人又稱Delta機器人、“拳頭”機器人或“蜘蛛手”機器人（ParallelRobot），它與串聯桿式機器人不同的是，并聯機器人操作機由數條（一般為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。比較適合流水線上輕小產品或包裝件的高速揀選、整列、裝箱和裝配等作業。工業機器人的機械構型直角坐標型機器人圓柱坐標型機器人球坐標型機器人關節型機器人返回目錄21/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機器人的系統組成1、工業機器人工業機器人系統是由工業機器人、末端執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。操作機（即機器人本體）是機器人執行任務的機械主體。控制器（即控制柜）是工業機器人的“大腦”。示教盒又稱示教編程器、示教器。它是與機器人控制器相連，用于機器人手動操作、任務編程、診斷控制以及狀態確認的手持式人機交互裝置。返回目錄22/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成1、工業機器人(1)操作機操作機是機械人執行任務的機械主體，主要由關節和連桿構成，按照從上至下的順序，垂直串聯多關節型機器人操作機，由機座、腰、手臂和手腕構成，各構件之間通過“關節”串聯起來，且每個關節均包含一根以上可獨立轉動（或移動）的運動軸。副關節軸，用于支承末端執行器并確定其位姿。主關節軸，用于支承機器人手腕并確定其空間位置。機器人操作機可以看成定位機構（手臂）連接定向機構（手腕），手腕端部的末端執行器的位姿調整可以通過主、副關節的多軸協同運動合成。返回目錄23/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成1、工業機器人(1)操作機按照動力源的不同，可將工業機器人關節的驅動方式分為：液壓驅動、氣壓驅動和電動驅動三種類型。其中電動驅動（如步進電機、伺服電機等）是現代工業機器人主流的一種驅動方式。伺服電機RV減速器諧波減速器驅動方式伺服電機+精密減速器的間接驅動方式伺服電機額定功率小于5KW（額定轉矩低于30N.M）諧波減速器體積小、重量輕，適合承載力較小的關節部位，一般安裝在腕關節處RV減速器承載能力強，適合承載能力較大的關節部位，是中型、重型和超重型機器人關節驅動的核心部件。返回目錄24/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成1、工業機器人(2)控制器控制器可看作工業機器人的“大腦”，是實現機器人傳感、交互、控制、協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。在工程實際中，控制器的主要任務是根據程序指令以及傳感器反饋信息支配機器人操作機完成規定的動作和功能，并協調機器人與周邊輔助設備的通信。返回目錄25/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成1、工業機器人(2)控制器硬件決定性能邊界，軟件發揮硬件性能并定義產品的行為。返回目錄26/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成1、工業機器人(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。由于國際上暫無統一標準，目前已投入市場的示教盒多屬于品牌專用。

ABBFlexPendantKUKAsmartPAD

FANUCiPendant返回目錄27/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成2、末端執行器末端執行器是安裝在機器人手腕端部機械接口處直接執行任務的裝置，它是機器人與作業對象、周邊環境交互的前端。在GB/T19400—2003《工業機器人抓握型夾持器物體搬運詞匯和特性表示》中，將末端執行器分為工具型末端執行器和夾持型末端執行器兩種類型。(1)工具型末端執行器本身能進行實際工作，但由機器人手臂移動或定位的末端執行器。返回目錄28/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成2、末端執行器(2)夾持型末端執行器夾持型末端執行器是一種夾持物體或物料的末端執行器。用一個或多個手指搬運物體以鏟、鉤、穿刺和粘著，或以真空/磁性/靜電等懸浮方式搬運物體抓握型夾持器非抓握型夾持器夾持器返回目錄29/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成3、傳感器0102外部傳感器指第二代和第三代工業機器人系統中用于感知外部環境狀態所采用的傳感器，如視覺傳感器、超聲波傳感器、接觸/接近覺傳感器等內部傳感器指用于滿足機器人末端執行器的運動要求和碰撞安全而安裝在操作機上的位置、速度、碰撞等傳感器，如旋轉編碼器、力覺傳感器、防碰撞傳感器等工業機器人傳感器返回目錄30/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.1工業機械人的系統組成4、周邊（工藝）設備綜上所述，一套較完整的工業機器人系統主要是由機械、控制和傳感三部分組成，分別負責機器人的動作、思維和感知能力。機械部分包括主體結構（執行機構）和驅動系統，通常為操作機，它是機器人完成作業動作的機械主體；控制部分包括控制器和示教盒，用于對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行運動和過程等控制；傳感部分主要實現機器人自身以及外部環境狀態的感知，為控制決策提供反饋。工業機器人作為高效、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。返回目錄31/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標工業機器人的分類方法很多，可以按照機械結構類型（坐標型式）、驅動方式、負載能力等進行產品分類。限于篇幅，本書僅從機器人“大腦”（智能程度）和“技能”（應用領域）兩個維度，闡述工業機器人的分類及其應用情況。1、按技術等級劃分第一代計算智能機器人第二代感知智能機器人LBRiiwa第三代認知智能機器人Asima1.2.2工業機器人的分類及應用返回目錄32/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.2工業機器人的分類及應用2、按應用領域劃分工業機器人搬運作業/上下料機器人焊接機器人涂裝機器人加工機器人裝配機器人潔凈機器人其他機器人返回目錄33/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.2工業機器人的分類及應用2、按應用領域劃分(1)搬運機器人在工業生產過程中代替搬運裝卸工人完成自動取料、裝卸、傳遞和上下料等任務的一種工業機器人。(2)焊接機器人在工業生產領域代替焊工執行焊接任務的工業機器人。它廣泛應用在鋼結構、工程機械、軌道交通、能源裝備、汽車制造業等行業及其他相關制造業生產中。返回目錄34/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.2工業機器人的分類及應用2、按應用領域劃分(3)涂裝機器人能夠自動噴漆和涂釉或噴涂其他涂料的工業機器人。它是綜合材料、機械、電氣、電子信息和計算機等學科的柔性自動化涂裝設備。(4)加工機器人在切割和拋光等生產領域代替工人從事切割、銑削、拋光和去毛刺等作業的工業機器人。返回目錄35/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標1.2.2工業機器人的分類及應用2、按應用領域劃分(5)裝配機器人工業生產中服務生產線且在指定位置或范圍對相應零部件進行裝配的一類工業機器人。(6)潔凈機器人相比于傳統用途的工業機器人，如焊接、打磨和噴涂等，潔凈機器人是一種在真空或凈室環境下自動傳輸且不污染負載的專用機器人。返回目錄36/39知識測評拓展閱讀知識準備學習導圖學習目標知識測評擴展閱讀知識準備學習導圖學習目標擴展閱讀大國工匠高鳳林：跟產品“結婚”的“金手天焊”【工匠檔案】高鳳林，中國航天科技集團有限公司第一研究院211廠14車間高鳳林班組組長，第一研究院首席技能專家，中華全國總工會副主席（兼）。“崗位不同，作用不同，僅此而已，心中只