工業機器人技術基礎（微課版）

何世松，教授，國家級教學創新團隊骨乾成員、江西省教學創新團隊專業帶頭人、江西省課程思政教學名師，先後任江西交通職業技術學院教務處副處長、機電工程學院院長、發展規劃處處長，主要從事裝備製造類專業教學與研究。 近年來發表論文50餘篇，出版學術專著和教材20餘部，獲得國家授權專利10項，主持參與完成省部級課題15項，獲批省部級教學成果獎8項。主持完成國家級重點專業2個、國家規劃教材2部、省級重點專業2個、省級精品在線開放課程等5門。 先後兼任江西省督學、江西省科技廳評審專家、江西省工程圖學學會常務理事、江西省高校省級教改課題評審專家、江西省職業教育教師素質提升計劃授課專家等職務。

緒論 認識工業機器人 .............................. 1

【情境引入】　.................................................　1

【學習導覽】　.................................................　1

0.1　工業機器人的定義與意義 ................　2

0.2　工業機器人的發展歷史 ....................　3

0.2.1　我國工業機器人的發展

歷史　......................................　3

0.2.2　國外工業機器人的發展

歷史　......................................　4

0.3　工業機器人的發展趨勢 ....................　5

0.4　工業機器人的應用場景 ....................　7

【實訓案例】　...............................................　12

【內容小結】　...............................................　13

【課後習題】　...............................................　13

【拓展演練】　...............................................　14

模塊一　工業機器人的系統構成與

分類　..............................................　15

【情境引入】　...............................................　15

【學習導覽】　...............................................　15

1.1　工業機器人的系統構成 ..................　15

1.1.1　執行機構 .............................　16

1.1.2　驅動系統 .............................　17

1.1.3　控制系統 .............................　17

1.1.4　監測系統 .............................　18

1.2　工業機器人的系統分類 ..................　18

1.2.1　按機器人的技術等級劃分 ...　19

1.2.2　按機器人的結構特徵劃分 ...　21

1.2.3　按機器人的控制方式劃分 ...　24

1.3　工業機器人的技術指標 ..................　25

【實訓案例】　...............................................　28

【內容小結】　...............................................　28

【課後習題】　...............................................　29

【拓展演練】　...............................................　30

模塊二　工業機器人的坐標變換與

運動學計算　.................................　31

【情境引入】　...............................................　31

【學習導覽】　...............................................　31

2.1　坐標系的表示方法 ...........................　32

2.1.1　點的表示 .............................　32

2.1.2　向量的表示 .........................　32

2.1.3　坐標系的表示 .....................　33

2.1.4　剛體的表示 .........................　34

2.2　位姿描述及坐標變換 .......................　36

2.2.1　位姿描述 .............................　36

2.2.2　坐標變換 .............................　37

2.3　齊次變換 ...........................................　40

2.3.1　點的齊次坐標 .....................　40

2.3.2　齊次變換的分類 ..................　41

2.4　工業機器人運動坐標系 ..................　44

2.4.1　基坐標系 .............................　45

2.4.2　世界坐標系 .........................　45

2.4.3　工具坐標系 .........................　46

2.4.4　工件坐標系 .........................　46

2.5　工業機器人運動學計算 ..................　47

2.5.1　工業機器人D-H 建模 .........　48

2.5.2　工業機器人的運動方程 ......　50

2.5.3　正運動學計算 .....................　51

2.5.4　逆運動學計算 .....................　52

【實訓案例】　...............................................　54

【內容小結】　...............................................　55

【課後習題】　...............................................　55

【拓展演練】　...............................................　56

模塊三　工業機器人的機械系統構成 ....　58

【情境引入】　...............................................　58

【學習導覽】　...............................................　58

3.1　工業機器人的機座 ...........................　58

3.1.1　固定式機座 .........................　59

工業機器人技術基礎（微課版）

|　2 |

3.1.2　移動式機座 .........................　59

3.2　工業機器人的臂部 ..........................　60

3.2.1　工業機器人臂部的分類與

特點　....................................　60

3.2.2　工業機器人臂部的組成與

運動　....................................　62

3.2.3　工業機器人臂部的配置與

驅動　....................................　63

3.3　工業機器人的腕部 ..........................　64

3.3.1　工業機器人腕部的運動

形式　....................................　64

3.3.2　工業機器人腕部的分類 ......　65

3.3.3　工業機器人腕部的驅動

方式　....................................　67

3.3.4　工業機器人的柔性腕部 ......　67

3.4　工業機器人的末端執行器 ..............　67

3.4.1　工業機器人末端執行器的

分類　....................................　68

3.4.2　工業機器人末端執行器的

特點　....................................　69

3.4.3　吸附式末端執行器 ..............　69

3.4.4　夾持式末端執行器 ..............　70

3.4.5　專用末端執行器 .................　71

3.4.6　工具快換裝置 .....................　72

3.4.7　多工位換接裝置 .................　73

3.4.8　仿人末端執行器 .................　73

3.5　工業機器人的傳動裝置 ..................　74

3.5.1　齒輪傳動 .............................　75

3.5.2　行星齒輪傳動 .....................　77

3.5.3　絲杠傳動 .............................　78

3.5.4　諧波減速器 .........................　79

3.5.5　RV 減速器 ...........................　82

3.5.6　同步帶傳動 .........................　85

3.6　工業機器人的運動簡圖 ..................　85

【實訓案例】　...............................................　87

【內容小結】　...............................................　88

【課後習題】　...............................................　88

【拓展演練】　...............................................　89

模塊四　工業機器人的動力系統構成 ....　90

【情境引入】　...............................................　90

【學習導覽】　...............................................　90

4.1　工業機器人電機驅動系統 ..............　91

4.1.1　工業機器人電機驅動系統的

特點　.....................................　91

4.1.2　常用電機 .............................　92

4.2　工業機器人液壓驅動系統 ..............　96

4.2.1　液壓驅動系統的特點 ..........　97

4.2.2　液壓驅動系統的組成 ..........　97

4.2.3　液壓伺服系統......................　99

4.3　工業機器人氣壓驅動系統 ............　101

4.3.1　氣壓驅動系統的特點 ........　101

4.3.2　氣壓驅動系統的組成 ........　101

【實訓案例】　.............................................　105

【內容小結】　.............................................　106

【課後習題】　.............................................　106

【拓展演練】　.............................................　107

模塊五　工業機器人的感知系統構成 ....　108

【情境引入】　.............................................　108

【學習導覽】　.............................................　108

5.1　傳感器的分類 .................................　109

5.1.1　根據檢測對象分類 ............　109

5.1.2　根據檢測方法分類 ............　110

5.2　傳感器的性能 .................................　111

5.2.1　傳感器的靜態性能 ............　111

5.2.2　傳感器的動態性能 ............　113

5.3　位置傳感器 .....................................　114

5.3.1　電位器式位移傳感器 ........　115

5.3.2　光電編碼器 .......................　116

5.3.3　旋轉變壓器 .......................　119

5.4　角速度傳感器 .................................　120

5.4.1　測速發電機 .......................　120

5.4.2　相對式光電編碼器 ............　120

5.4.3　霍爾傳感器 .......................　120

5.5　接近傳感器 .....................................　121

5.5.1　電容式接近傳感器 ............　121

5.5.2　電渦流式接近傳感器 ........　122

5.5.3　霍爾式接近傳感器 ............　123

5.5.4　光電式接近傳感器 ............　124

5.5.5　超聲波式接近傳感器 ........　127

5.6　視覺傳感器 .....................................　128

5.6.1　工業機器人的視覺系統

構成　...................................　128

目錄

|　3 |

5.6.2　工業機器人視覺系統的

應用領域　...........................　131

5.7　多傳感器信息融合技術 ................　133

5.7.1　多傳感器信息融合技術的

分類　..................................　133

5.7.2　多傳感器信息融合技術的

應用　..................................　134

5.8　工業機器人傳感器的選擇 ............　136

5.8.1　根據加工任務的要求選擇 ...　136

5.8.2　根據機器人控制的要求

選擇　..................................　136

5.8.3　根據輔助工作的要求選擇 ...　137

5.8.4　根據安全方面的要求選擇 ...　137

【實訓案例】　.............................................　137

【內容小結】　.............................................　138

【課後習題】　.............................................　138

【拓展演練】　.............................................　140

模塊六　工業機器人的控制系統構成 ...　141

【情境引入】　.............................................　141

【學習導覽】　.............................................　141

6.1　控制系統的功能與特點 ................　141

6.1.1　控制系統的功能 ...............　142

6.1.2　控制系統的特點 ...............　142

6.2　控制系統的結構 ............................　143

6.2.1　工業機器人控制系統的

分類及組成　.......................　143

6.2.2　工業機器人控制系統的

結構　..................................　145

6.3　控制方式 .........................................　148

6.3.1　位置控制方式 ...................　148

6.3.2　速度控制方式 ...................　150

6.3.3　力（力矩）控制方式 ........　150

6.3.4　智能控制方式 ...................　151

6.3.5　運動控制方式 ...................　151

6.4　常見工業機器人控制器 ................　153

6.4.1　工業機器人控制器的功能 ...　153

6.4.2　工業機器人常用控制器 ....　153

6.4.3　典型工業機器人控制器 ....　157

【實訓案例】　.............................................　163

【內容小結】　.............................................　165

【課後習題】　.............................................　165

【拓展演練】　.............................................　166

模塊七　工業機器人的操作與編程 ....　167

【情境引入】　.............................................　167

【學習導覽】　.............................................　167

7.1　工業機器人編程方式分類 ............　168

7.1.1　常見的工業機器人編程

方式　...................................　168

7.1.2　工業機器人編程語言及其

發展趨勢　...........................　170

7.2　ABB 工業機器人操作與在線

編程　..................................................　172

7.2.1　ABB 示教器的外觀 ...........　172

7.2.2　ABB 示教器的操作 ...........　173

7.2.3　ABB 工業機器人在線

編程　...................................　175

7.3　FANUC 工業機器人操作與在線

編程　..................................................　180

7.3.1　FANUC 工業機器人的系統

組成　...................................　181

7.3.2　FANUC 工業機器人的點動

示教　...................................　183

7.3.3　FANUC 工業機器人的軌跡

編程　...................................　187

7.4　ABB 工業機器人操作與離線

編程　..................................................　190

7.4.1　RobotStudio 的建模、編程與

模擬功能　...........................　191

7.4.2　RobotStudio 的基本操作 ....　191

7.5　FANUC 工業機器人操作與離線

編程　..................................................　201

7.5.1　ROBOGUIDE 軟件功能 ....　202

7.5.2　工作單元的創建 ................　202

7.5.3　工具坐標系的創建 ............　206

7.5.4　基礎路徑的創建 ................　211

【實訓案例】　.............................................　215

【內容小結】　.............................................　219

【課後習題】　.............................................　219

【拓展演練】　.............................................　221

模塊八　工業機器人的典型應用 ........　222

【情境引入】　.............................................　222

工業機器人技術基礎（微課版）

|　4 |

【學習導覽】　.............................................　222

8.1　工業機器人工作站 ........................　223

8.1.1　工業機器人工作站的組成 ....　223

8.1.2　工業機器人工作站的規劃

流程　..................................　223

8.1.3　工業機器人工作站的設計

原則　..................................　224

8.1.4　常見的工業機器人工作站 ...　225

8.2　焊接機器人工作站 ........................　227

8.2.1　焊接機器人工作站的組成 ...　227

8.2.2　焊接機器人的分類 ............　228

8.2.3　機器人焊接的特點及註意

事項　..................................　229

8.3　噴塗機器人工作站 ........................　230

8.3.1　噴塗機器人的特點 ............　231

8.3.2　噴塗機器人的分類 ............　232

8.3.3　噴塗機器人工作站的組成 ...　234

8.3.4　噴塗機器人工作站的周邊

設備　..................................　235

8.3.5　噴塗機器人工作站的佈局 ...　236

8.4　搬運碼垛機器人工作站 ................　238

8.4.1　搬運碼垛機器人工作站的

優點　..................................　238

8.4.2　搬運碼垛機器人工作站的

要求　..................................　239

8.4.3　搬運碼垛機器人工作站的

特性　..................................　239

8.4.4　搬運碼垛機器人工作站的

工作流程　...........................　239

8.5　自動導引車 .....................................　239

8.5.1　AGV 的特點 .....................　240

8.5.2　AGV 導向技術分類 ..........　241

8.5.3　AGV 的應用 .....................　242

8.6　其他工業機器人工作站 ................　242

8.6.1　分揀機器人工作站 ............　243

8.6.2　裝配機器人工作站 ............　244

8.6.3　數控加工機器人工作站 ....　245

8.6.4　拋光打磨機器人工作站 ....　246

【實訓案例】　.............................................　248

【內容小結】　.............................................　249

【課後習題】　.............................................　249

【拓展演練】　.............................................　250

模塊九　工業機器人的安全管理 ........　251

【情境引入】　.............................................　251

【學習導覽】　.............................................　251

9.1　工業機器人常見事故 .....................　252

9.1.1　工業機器人常見事故類型 ....　252

9.1.2　工業機器人事故案例 ........　252

9.2　工業機器人的設備安全管理 ........　254

9.2.1　設備安全管理的階段 ........　254

9.2.2　設備安全管理措施 ............　254

9.3　工業機器人的生產安全管理 ........　255

9.3.1　工業機器人安全操作規程 ....　255

9.3.2　常見的安全警示標志 ........　256

9.3.3　安全警示標志設置規範及

設置位置　...........................　258

【實訓案例】　.............................................　259

【內容小結】　.............................................　260

【課後習題】　.............................................　260

【拓展演練】　.............................................　261

附錄　...............................................................　262

附錄A　工業機器人技術崗位任職

要求　............................................　262

一、工業機器人調試工程師　........　262

二、工業機器人設計工程師　........　263

三、工業機器人編程工程師　........　263

四、工業機器人操作員　................　263

附錄B　工業機器人技術應用競賽

要求　............................................　264

一、全國工業機器人技術應用技能

大賽　......................................　264

二、全國大學生機器人大賽　........　264

三、全國職業院校技能大賽高職組

“工業機器人技術應用”

賽項　......................................　265

四、國際機器人奧林匹克大賽　.....　266

五、世界機器人大賽　....................　266

附錄C　工業機器人X 證書考核要求 ....　266

參考文獻　......................................................　272