工业机器人集成系统(终)课件.ppt

1、贠贠 超超 教授教授手机：手机：Email:Email:序序 人类文明进步和发展的标志：人类文明进步和发展的标志： 1、工具工具机器人；机器人；2、文字文字信息技术。信息技术。 20世纪是世纪是计算机计算机的时代；的时代； 21世纪是世纪是机器人机器人的时代。的时代。 比尔比尔盖茨盖茨 机器人机器人= =自动化装置自动化装置 （Automatic DeviceAutomatic Device） 工业机器人系统就是把工业机器人本体（机械）、机器人控制器（硬件）、控制软件和应用软件（软件）与机器人周边设备结合起来，应用于焊接、搬运、插装、喷涂、机床上下料等工业自动化领域。焊接机器人焊接机器人喷涂机

2、器人喷涂机器人码垛机器人码垛机器人装配机器人装配机器人工业机器人分类工业机器人分类工业机器人组成工业机器人组成消除枯燥无味的工作，降低工人的劳动强度；消除枯燥无味的工作，降低工人的劳动强度；增强工作场所健康安全性，从事特殊环境下的操作，减少劳资纠纷；增强工作场所健康安全性，从事特殊环境下的操作，减少劳资纠纷；提高自动化程度，减少工艺过程中停顿的时间；提高自动化程度，减少工艺过程中停顿的时间；提高对零部件的处理能力，保证产品质量，提高成品率；提高对零部件的处理能力，保证产品质量，提高成品率；提高自动化生产效率，便于调整生产能力，实现柔性制造。提高自动化生产效率，便于调整生产能力，实现柔性制造。工

3、业机器人作用和优点工业机器人作用和优点工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业或是危险、恶劣环境下的作业，例如在焊接、涂装、机械加间作业或是危险、恶劣环境下的作业，例如在焊接、涂装、机械加工和装配等工序上，以及完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。工和装配等工序上，以及完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。工业机器人能够提升生产的效率和产品的质量，是企业补充和替代工业机器人能够提升生产的效率和产品的质量，是企业补充和替代劳动力的有效方案。劳动力的有效方案。作作用用优优点点应用行业应用类型汽车产业 弧焊、点焊、装配、搬

4、运、喷漆、切割电子电器 搬运、洁净装配、自动传输、打磨、真空封装、拾取化工纺织 搬运、包装、码垛、称重、检测、切割、研磨、装配食品饮料 普通包装、搬运、真空包装塑料轮胎 上下料、去毛边冶金钢铁 搬运、码垛、铸件去毛刺、浇口切割家具家电 装配、搬运、打磨、喷漆、切割、雕刻海洋勘探 维修、建造、拆卸工业机器人应用工业机器人应用类型发展模式特点日本模式产业链分工发展机器人制造厂以开发新型机器人的批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的集成工程公司来设计制造各行业所需要的机器人成套系统欧洲模式交钥匙工程机器人的生产和用户所需要的系统的设计制造全部由机器人制造厂商自己完成美国模式集成应用，采购

5、与成套设计相结合美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备美美、日日、欧欧盟工业盟工业机器人产业发展已经完成了前四个阶段机器人产业发展已经完成了前四个阶段并形成了各自的产业模式并形成了各自的产业模式。服务机器人市场，代表性企服务机器人市场，代表性企业有专注于医疗机业有专注于医疗机器人的直器人的直觉外科公司、觉外科公司、制造军用和家制造军用和家用机器人的用机器人的IROBOT公司等公司等工业机器人本体市场，四大工业机器人本体市场，四大企业占比超过企业占比超过50%工业机器人集成市场除了四工业机器人集成市场除了四大企业外还有德国的杜尔、大

6、企业外还有德国的杜尔、莱斯、意大利的柯马等莱斯、意大利的柯马等主要国家机器人技术优势领域比较主要国家机器人技术优势领域比较机器人类型日本韩国欧盟美国工业机器人极为突出一般很突出一般仿人型机器人极为突出很突出一般一般家用机器人极为突出很突出一般一般服务机器人突出很突出突出突出生物医疗机器人一般一般很突出很突出航空机器人一般不突出突出极为突出（万台）（年）（台/万人） 1机器人操作机结构的优化设计技术机器人操作机结构的优化设计技术：机构向模块化、可重构方向发展机构向模块化、可重构方向发展； 2机器人控制技术：重点研究开放式机器人控制技术：重点研究开放式、模块化控制系统模块化控制系统； 3多传感系统

7、多传感系统融合技术融合技术：研究热点在于多传感器融合算法：研究热点在于多传感器融合算法；4机器人遥控及监控技术机器人遥控及监控技术：机器人半自主和自主机器人半自主和自主控制控制技术，多机器人和技术，多机器人和操作者之间的协调控制操作者之间的协调控制技术；技术； 5多智能体控制技术：主要对多智能体的群体体系结构、群体行为控制等多智能体控制技术：主要对多智能体的群体体系结构、群体行为控制等方面进行研究方面进行研究； 6微型和微小机器人技术：研究主要在系统结构、运动方式、控制方法、微型和微小机器人技术：研究主要在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。传感技术、通信技术以

8、及行走技术等方面。上海中国国际机器人展（上海中国国际机器人展（CIROS2015 ）-新松机器人新松机器人上海中国国际机器人展上海中国国际机器人展（CIROS2015 ）-埃夫特机器人埃夫特机器人上海中国国际机器人展上海中国国际机器人展（CIROS2015 ）-广州数控机器人广州数控机器人截止截止2014年中国工业机器人保有量年中国工业机器人保有量17.5万台万台，预计，预计2015年增至年增至23.5万台万台国内工业机器人保有量国内工业机器人保有量（年）（万台）中国工业机器人不同领域需求中国工业机器人不同领域需求川崎、现代、柯马、川崎、现代、柯马、不二越、松下不二越、松下新松、博实、新松、博

9、实、首钢莫托曼、首钢莫托曼、埃夫特埃夫特库卡、发那科、库卡、发那科、ABB 2013年中国工业机器人年中国工业机器人销量销量36560台，其中本土台，其中本土品牌机器人销量品牌机器人销量9500台台2014年年47500台，本土品台，本土品牌牌16900台台中国工业机器人销售情况中国工业机器人销售情况 1.现代精密加工以及装配技术的研究；现代精密加工以及装配技术的研究； 2.精密精密减速器减速器、伺服电机性能及可靠性、伺服电机性能及可靠性技术技术；3.工业机器人新型控制器技术工业机器人新型控制器技术： 研发研发具有自主知识产权的先进工业机器人控制器具有自主知识产权的先进工业机器人控制器。研究具

10、有高研究具有高实时性实时性、多处理器并行工作的控制器硬件系统多处理器并行工作的控制器硬件系统；设计基于高性设计基于高性能能、低成本总线技术的控制和驱动模式低成本总线技术的控制和驱动模式；深入研究先进控制方深入研究先进控制方法法，提高系统高速提高系统高速、重载重载、高高跟跟踪精度等动态性能踪精度等动态性能。高精度机器人减速机：高精度机器人减速机：基本依赖进口基本依赖进口 伺服电机和驱动器：伺服电机和驱动器： 大多需要进口大多需要进口机器人控制器：机器人控制器：性能与国外差距较大性能与国外差距较大6/1/2022谐波、谐波、RV减速器减速器精度不够精度不够精密减速机、精密减速机、交流伺服电机、交流

11、伺服电机、控制器是机器人控制器是机器人的关键核心部件的关键核心部件 趋势趋势趋势之一：趋势之一：重载、高速、高精度重载、高速、高精度趋势之二：趋势之二：智能化智能化趋势之三：趋势之三：信息化、网络化信息化、网络化趋势之一：趋势之一：重载、高速、高精度重载、高速、高精度M-2000iA系列是世界上最大的可搬运超重物体的机器人，一次可举起1200公斤重，重复精度达0.3 mm，能够做到更快、更稳、更精确地移动大型部件。M-2000iA/1200配备有摄像机和高灵敏度的“手指”。 NEXTAGE可以自由移动，更加智能化。NEXTAGE的功能主要体现在上半身，身高730mm，肩宽576mm，体重20k

12、g，有15个电机（头部2个、腰部1个、两支手臂各有6个），单臂最大有效载荷为1.5kg。NEXTAGE头部装有视觉传感器，能够定位识别自己的位置，通过CAN总线与控制系统通信。机器机器人人 1服务工程师服务工程师机器机器人人 2机器机器人人 3视频视频 监视监视服务器服务器服务器服务器PC工作站工作站客户工程师客户工程师无线局域网诊断用无线局域网诊断用笔记本电脑笔记本电脑ISDN调制解调器调制解调器互联网互联网远程网远程网无线局域网无线局域网局域网局域网视频视频 监视监视视频视频 监视监视视频视频 监视监视ISDN调制解调器调制解调器互联网互联网PC工作站工作站PC-控制控制PC-控制控制PC

13、-控制控制机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统，按照控制方式可以分为以下三种控制系统：3 3、分散控制系统、分散控制系统按系统的性质和方式将系统分成几个模块，每一个模块有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可是主从关系，也可是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以又称为集散控制系统或分散控制系统。2 2、主从控制系统、主从控制系统采用主、从两级处理器实现系统

14、的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。机器人集成系统优势：机器人集成系统优势：基于基于PMAC 运动控制卡的机器人控制系统，运动控制卡的机器人控制系统，采用采用IPC+DSP 的结构来实现机器人的控制的结构来实现机器人的控制 PMAC是是program multiple axis controller 可编程多轴运动控制可编程多轴运动控制卡，是集运动轴控制和卡，是集运动轴控制和PLC控控制以及数据采集的多功能的运制以及数据采集的多功能的运动控制产品动控

15、制产品PMAC 集成控制系统示例PMACPC/HMI用用户户界面界面放大器放大器机械输入机械输入/ /输出输出USBEthernetSerialPCIVME总线总线Local General Purpose I/Os / Built-inAnalog / digital / Fieldbus10VPWMPFMSinusoidalFieldbusBrushBrushlessInductionStepper通讯通讯: :机械机械 I/O:I/O:命令输出命令输出: :电机类型电机类型: :A quad B, Sinusoidal, Serial,Resolver, Incremental, Abs

16、olute反馈反馈:电机电机/ /编码器编码器扫描仪扫描仪电话上网电话上网打印机打印机ProfibusInterbusCANopenDeviceNetLightbusSercosEthernet DOS / WindowsXP/ CEI/O 映射映射应用程序平台应用程序平台 操作员界面操作员界面 Windows 应用程序应用程序程序开发平台程序开发平台 SystemManager PLC NC PTP I/OServer PLCServer NC PTPServer 实时核扩展实时核扩展用户模式用户模式VGA显示器显示器ModemRS 232 C并行口并行口局域网局域网软软 盘盘硬盘硬盘 传统

17、控制组成传统控制组成 硬件硬件: 可视化可视化 PC, PLC, NC/CNC 模块模块, 微处理器系微处理器系 统统 软件软件: 多个操作系统多个操作系统, 编程语言编程语言, 编程系统编程系统 接口接口: 在硬件设备之间在硬件设备之间, 在软件系统之间在软件系统之间, 集中式配集中式配 电柜电柜 成本成本100%40%传统传统PCC复杂性复杂性传统传统100%60%PCC降低降低 - 40%降低降低- 60% PC 控制组成控制组成 硬件硬件: PC 和现场总线和现场总线, 支持所有标准支持所有标准 软件软件: Windows CE 操作系统操作系统, PLC, NC PTP, TwinC

18、AT应用程序应用程序: Windows 软件产品和软件产品和 C, C+, VB, Delphi 接口接口: 标准化软件接口标准化软件接口, 分布式配电柜分布式配电柜 优点：优点： 成本低成本低 减少了组件减少了组件： 可靠性增加可靠性增加, 改善了互换性改善了互换性 降低复杂性降低复杂性： 减少工程量减少工程量, 把较多的时间把较多的时间 用于过程的优化上用于过程的优化上系统比较系统比较PC 硬件是标准化的和可互换的硬件是标准化的和可互换的现场总线现场总线 I/O 通过现场总线实现标准化，因此可互换通过现场总线实现标准化，因此可互换因特处理器系列和微软操作系统保持了连续性因特处理器系列和微软

19、操作系统保持了连续性PC 控制提供了控制提供了 PLC，NC，闭环控闭环控，. ，在标准硬件上完成项目应用在标准硬件上完成项目应用独立于硬件供应商独立于硬件供应商独立于硬件供应商独立于硬件供应商 对软件和专项技术的投资得到长期对软件和专项技术的投资得到长期保护保护某一厂家的所有设备采用同一个标准的硬件平台某一厂家的所有设备采用同一个标准的硬件平台机器机器 1服务工程师服务工程师机器机器 2机器机器 3PC-控制控制视频视频 监视监视服务器服务器服务器服务器PC 工作站工作站客户工程师客户工程师无线局域网诊断用无线局域网诊断用笔记本电脑笔记本电脑ISDN调制解调器调制解调器互联网互联网远程网远程

20、网无线局域网无线局域网局域网局域网视频视频 监视监视视频视频 监视监视视频视频 监视监视ISDN调制解调器调制解调器互联网互联网PC-控制控制PC-控制控制PC 工作站工作站 分分为为 4- IT 系统系统: 基于基于PC 并并采用采用 NT 技术的系统技术的系统: 管理层管理层 过程管理过程管理 过程监视过程监视 过程控制过程控制局域网局域网IT 管理层管理层服务器服务器生产模型生产模型PC-控制控制PC- 控制控制PC用作传统用作传统PLCPC 工作站工作站 主控系统主控系统: 基于基于Win CE的的 PC 控制控制 PC 技术技术 I/O: 开放的现场总线系统开放的现场总线系统 工业工

21、业PCPC控制技术控制技术信息技术与自动化技术完美结合信息技术与自动化技术完美结合开放式结构的机器人控制系统, 需要建立一个开放的、标准的、经济的、可靠的软硬件平台。软件设计任务包括 PC 端控制软件设计；控制软件包括 GUI 设计、核心控制算法设计、通信控制软件设计。以EtherCAT开发为例，开发一般都是采用TwinCAT 作为主站。TwinCAT提供了强大的EtherCAT主站功能，包括XML文件、EEPROM配置文件的读取/下载、EtherCAT从站设备的扫描查看等。使用TwinCAT查看EtherCAT从站设备的结果。由于TwinCAT软件是基于Windows风格，有着良好的人机界面

22、，并且功能强大，非常便于从站设备的开发。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。主要由机器人本体、控制系统、焊接系统、焊接传感器及系统安全保护部分、周边设备组成。智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。机械本体：采用6自由度的关节机器人，前3个自由度（1、2、3轴）用于控制焊枪端部的空间位置，后3个自由度（4、5、6轴）用于控制焊枪的空间姿态。焊接变位机是通过倾斜和回转动作，将工件置于便于实施焊接作业位置的机械或机器。焊接变位机与机器人连用可增大机器人工作空间，缩短辅助时间，提高劳动生产率，改善焊接质量。：主要是安置机器人或焊丝支架，特别是在焊接大型工

23、件时，移动滑台加大了机器人的工作空间。清枪装置清枪装置:焊枪自动清枪站主要包括焊枪清洗机、喷化器和焊丝剪断装置3部分。机器人在焊接过程中焊钳的电极头氧化磨损、焊枪喷嘴内外残留的焊渣以及焊丝伸长的变化严重影响了产品的焊接质量。清枪效果图清枪效果图换枪装置换枪装置：在机器人焊接作业过程中，焊枪用于不同填充材料的自动焊接，自动换枪装置可适应改变焊接方法的自动焊接。多层多道相贯曲线簇焊接效果图多层多道相贯曲线簇焊接效果图中厚板空间轨迹焊接机器人工作站中厚板空间轨迹焊接机器人工作站码垛机器人（码垛机器人（863-512-9418-04-01，863-512-9502-01（1994年年-今）今） ）机器

24、人磨削抛光加工系统（机器人磨削抛光加工系统（2007AA04Z2443，2012AA041304（2005年年-今）今） 机器人焊接加工系统（机器人焊接加工系统（863-512-9804-02， 863-512-9802-05（1999-2002年）年）；Z1111（2012-2013年）年）大型复杂曲面钢板水火成型机器人（大型复杂曲面钢板水火成型机器人（863-512-9921-02，2001AA421200-02（1998-2005年）年）1、国内企业发展势头良好、国内企业发展势头良好 据中国机器人产业联盟统计，2014年国内企业在我国销售工业机器人总量超过16900台；2、中国连续两年成

25、为全球第一大工业机器人市场、中国连续两年成为全球第一大工业机器人市场 2014年中国市场共销售工业机器人5.7万台，较上年增长55%，约占全球市场总销量的四分之一，连续两年成为全球第一大工业机器人市场；3、多关节机器人市场需求广泛，国产坐标机器人竞争力强、多关节机器人市场需求广泛，国产坐标机器人竞争力强 从机械结构看，多关节机器人是中国市场上的主力机型，销量占国产工业机器人总销量的比重超过50。年份部门政策法规目的2012国务院“十二五”国家战略性新兴产业发展规划突破新型传感器与智能仪器仪表、自动控制系统、工业机器人等感知、控制装置及其伺服、执行、传动零部件等核心关键技术，提高成套系统集成能力

26、2012工信部高端装备制造业“十二五”发展规划智能制造装备中提出重点开发智能控制系统、伺服控制机构、工业机器人和专业机器人等八大类典型的智能测控装置和部件并实现产业化2012科技部智能制造科技发展“十二五”专项规划攻克工业机器人本体、精密减速器、伺服驱动器和电机、控制器等核心部件的共性技术，自主研发工业机器人工程化产品，实现工业机器人及其核心部件的技术突破和产业化2012财政部财政补贴财政部公示2012年智能制造装备项目拟支持名单，用以支持包括软控股份和赛轮股份的轮胎行业工业机器人产业化、海大集团的面向包装物流领域的搬运机器人等工业机器人项目和智能制造系统集成应用2013成立中国机器人产业联盟推动我国机器人的产、学、研、用，加速机器人技术与产品在各行业中的普及应用国家政策国家政策国内工业机器人市场驱动因素分析国内工业机器人市场驱动因素分析经济结构转型经济结构转型人工替代人工替代政策扶持政策扶持国产机器人发展成功路径国产机器人发展成功路径现阶段国内机器人厂商在高端领域不能直接与国外企业竞争，国内机器人的成功之道在于打通上下游产业链，生产经济型机器人本体，尤其要突破减速机等关键零部件。国内机器人企业突破关键零部件的两种思路国内机器人企业突破关键零部件的两种思路谢谢Thanks贠贠 超超 教授教授北京航空航天大学机器人研究所北京航空航天大学机器人研究所手机：手机：Email: