本书主要介绍了各种类型工业机器人本体和工业机器人的应用系统。本书引用了大量的工程实例，这些实例都是在实际中得到了成功运用的，通过这些实例来介绍各种工业机器人在不同的应用场合所需要的技术。这些技术涉及到工业机器人本体的设计制造技术、制造本体的材料、控制技术、感知元件、视觉技术、机器人手爪及末端执行机构、周边设备、规整机构、输送机构等。
国务院于2015 年5 月正式印发《中国制造2025》, “智能工厂” “智能生产” “智能物流” 将助中国由制造大国向制造强国迈进。工业机器人将大规模进入工业生产, 助力中国装备制造、汽车制造、电子产品制造、食品生产、产品物流等行业进入智能生产, 最终实现大规模无人生产。
为了适应新时期的要求, 各工科类高校纷纷设立机器人工程专业, 为社会培养具有工业机器人工程应用知识的新一代专业人才。
当前有很多有关工业机器人的教科书出版, 但纵览群书后发现, 尚缺少能全面概述各种类型的工业机器人及各种工业机器人工程应用的教科书, 缺少能全面系统地以实际案例为背景介绍工业机器人应用的教科书和参考书。为此, 我们组织了教学一线的教师和企业一线工程技术人员编写了本书, 以满足广大师生和工程技术人员的需求。
本书主要介绍了各种类型的工业机器人, 以及当前社会生产中得到广泛应用、成功应用或具有应用前景的工业机器人应用系统。学完本书后, 学生应对工程机器人及工业机器人应用系统有一个全面的了解, 为今后的专业学习打下基础, 或能明确进行深入学习及自修的方向。
本书共分8 个项目, 项目1 介绍了工业机器人的发展史、工业机器人的分类; 项目2 介绍了工业机器人本体及组成工业机器人的关键部件; 项目3 介绍了机器人控制系统; 项目4 介绍了工业机器人感知系统, 以及各种感知元件和激光一维扫描、激光二维扫描、激光三维扫描的检测与导航技术; 项目5 介绍了工业机器人手爪, 主要是码垛手爪和装箱手爪; 项目6介绍了天轨、地轨装置以及AGV 输送小车; 项目7 介绍了工业机器人周边辅助设备; 项目8介绍了各种工业机器人应用系统, 这是本书的重点部分。
本书的编者为广东白云学院的教师。
主编任岳华曾在工业机器人智能工程企业担任技术主管, 主持并参与了大量的机器人应用工程的设计与实施, 为本书提供了主要素材, 并负责项目8 的编写。本书大量引用的案例和图样均来源于实际工程的取材, 这也是本书的一大特色。
主编曹玉华为工学博士、教授, 是本书的编写导师, 为本书的架构及专业审核做了大量的工作, 并参与了本书项目5、项目6 部分内容的编写。
编者李林老师负责项目1、项目5 的编写; 冯国苓教授负责项目7 的编写; 钟小华老师负责项目3、项目4 的编写; 肖成军老师负责项目2、项目6 的编写。
本书中引用的实际案例的技术资料及图样等大都为编者所设计; 书中引用了发那科机器人、库卡机器人公开的技术资料和图片; 在介绍机器视觉技术时引用了韩九强教授主编的《机器视觉技术及应用》的有关内容。
由于本书应用了大量案例, 具有工程设计与实施的参考价值, 所以本书不仅可作为大学本科机器人工程专业的基础教材, 也可作为专业人员的参考书使用。
由于编者的水平有限, 书中难免存在不妥和错误之处, 敬请批评指正, 不胜感谢。
前言
项目1 工业机器人的发展史及分类……… 1
1. 1 概述………………………………………… 1
1. 2 工业机器人的发展历程以及在我国的
发展现状…………………………………… 1
1. 2. 1 工业机器人的发展历程……………… 1
1. 2. 2 国外工业机器人的发展……………… 2
1. 2. 3 国产工业机器人的发展……………… 2
1. 3 工业机器人的分类及其特点……………… 5
1. 3. 1 机器人的坐标系描述及运动命名
原则…………………………………… 6
1. 3. 2 直线机器人…………………………… 8
1. 3. 3 圆柱坐标系机器人…………………… 8
1. 3. 4 关节坐标系机器人…………………… 8
1. 3. 5 并联机构机器人(蜘蛛机器人) … 9
1. 4 工业机器人应用场合…………………… 10
习题……………………………………………… 10
项目2 工业机器人本体的关键部件与
构成…………………………………… 11
2. 1 概述……………………………………… 11
2. 2 工业机器人的关键部件………………… 11
2. 2. 1 伺服电动机………………………… 11
2. 2. 2 谐波减速器………………………… 15
2. 2. 3 摆线针轮减速器…………………… 18
2. 2. 4 行星减速器………………………… 20
2. 2. 5 线性滑轨…………………………… 22
2. 2. 6 直线运动单元……………………… 24
2. 2. 7 滚珠丝杠…………………………… 24
2. 2. 8 同步带……………………………… 26
2. 2. 9 回转支承…………………………… 28
2. 2. 10 高精密轴承………………………… 29
2. 2. 11 直线电动机………………………… 30
2. 3 工业机器人本体制造使用的材料……… 31
2. 3. 1 铸铁………………………………… 31
2. 3. 2 铸钢………………………………… 31
2. 3. 3 铸造不锈钢………………………… 31
2. 3. 4 铝合金型材………………………… 31
2. 3. 5 铸造铝合金………………………… 32
2. 3. 6 铸造工艺…………………………… 32
2. 4 工业机器人本体结构…………………… 33
2. 4. 1 直线机器人本体结构……………… 33
2. 4. 2 平行机构搬运机器人本体结构…… 36
2. 4. 3 关节机器人本体结构……………… 37
2. 4. 4 发那科机器人本体结构…………… 39
习题……………………………………………… 42
项目3 机器人控制系统…………………… 44
3. 1 概述……………………………………… 44
3. 2 机器人的控制及编程软件……………… 44
3. 2. 1 采用PLC+人机界面的软件编程及
控制………………………………… 44
3. 2. 2 采用PLC+嵌入式触摸屏和组态
软件编程…………………………… 48
3. 2. 3 采用工业PC+PLC 的编程与控制… 49
3. 3 成套机器人控制系统…………………… 51
3. 3. 1 KEBA 机器人控制系统…………… 51
3. 3. 2 卡诺普机器人控制系统…………… 52
3. 4 发那科机器人控制系统………………… 56
3. 4. 1 发那科机器人系统组成…………… 56
3. 4. 2 发那科机器人控制系统———控制器
与通信……………………………… 56
3. 4. 3 发那科机器人控制系统———应用
软件工具包………………………… 62
习题……………………………………………… 63
项目4 工业机器人感知系统……………… 64
4. 1 概述……………………………………… 64
4. 2 力觉传感器……………………………… 65
4. 3 角度传感器……………………………… 65
4. 4 位移传感器……………………………… 67
4. 5 距离传感器……………………………… 68
4. 5. 1 激光检测…………………………… 68
4. 5. 2 超声波距离传感器………………… 71
4. 6 接近传感器……………………………… 72
4. 6. 1 接近开关…………………………… 72
4. 6. 2 霍尔开关…………………………… 73
Ⅴ
4. 7 位置传感器……………………………… 73
4. 7. 1 光敏开关…………………………… 73
4. 7. 2 光纤放大器………………………… 74
4. 7. 3 光幕………………………………… 75
4. 7. 4 干簧管……………………………… 76
4. 7. 5 行程开关…………………………… 76
4. 8 运动传感器……………………………… 76
4. 9 工业机器人二维视觉检测系统………… 77
4. 9. 1 工业机器人二维视觉系统组成…… 78
4. 9. 2 工业机器人二维视觉系统硬件
介绍………………………………… 78
4. 9. 3 工业机器人二维视觉检测实例…… 82
4. 10 工业机器人三维视觉检测系统………… 84
4. 10. 1 三维激光视觉检测系统
(发那科) ………………………… 84
4. 10. 2 机器视觉-结构光测量的三角测量
原理………………………………… 85
4. 10. 3 三维激光视觉扫描仪的配置……… 87
4. 10. 4 iRVision 系统设置………………… 87
4. 10. 5 图像软件UIF 的使用……………… 88
4. 10. 6 应用举例…………………………… 89
习题……………………………………………… 90
项目5 工业机器人手爪…………………… 91
5. 1 概述……………………………………… 91
5. 2 码垛手爪………………………………… 91
5. 2. 1 纸箱手爪…………………………… 91
5. 2. 2 膜包手爪…………………………… 92
5. 2. 3 袋装手爪…………………………… 94
5. 3 装箱手爪………………………………… 96
5. 3. 1 小型夹持手爪……………………… 96
5. 3. 2 利乐包的装箱手爪………………… 97
5. 4 真空吸取手爪…………………………… 97
5. 4. 1 真空吸盘及其手爪结构特点……… 97
5. 4. 2 真空吸盘的结构与种类…………… 98
5. 4. 3 真空源的选用……………………… 98
5. 5 电磁吸取手爪…………………………… 101
5. 6 气缸手爪………………………………… 101
5. 7 手爪快换接头…………………………… 102
习题…………………………………………… 104
项目6 机器人本体移动装置及AGV
输送小车…………………………… 105
6. 1 概述……………………………………… 105
6. 2 机器人本体天轨移动装置……………… 105
6. 3 机器人本体地轨移动装置……………… 106
6. 4 AGV 小车……………………………… 106
6. 4. 1 输送小车的分类、定位、供电和
通信………………………………… 106
6. 4. 2 用于机器人本体移动的小车……… 107
6. 4. 3 输送小车的供电方式……………… 107
6. 4. 4 输送小车的导航…………………… 111
6. 4. 5 输送小车的结构…………………… 112
6. 4. 6 其他AGV 输送小车图例………… 114
习题…………………………………………… 114
项目7 机器人周边辅助设备…………… 115
7. 1 概述……………………………………… 115
7. 2 规整定位机构…………………………… 115
7. 2. 1 码垛规整机构……………………… 115
7. 2. 2 装箱规整机构……………………… 119
7. 3 旋转平台………………………………… 120
7. 3. 1 机器人喷涂移动及旋转台………… 120
7. 3. 2 机器人焊接转台…………………… 121
7. 4 输送机…………………………………… 124
7. 4. 1 皮带输送机………………………… 124
7. 4. 2 辊筒输送机………………………… 126
7. 4. 3 链板输送机………………………… 133
7. 4. 4 链条输送机………………………… 137
7. 4. 5 物料的变道输送机………………… 140
7. 4. 6 悬挂链输送机……………………… 142
7. 4. 7 倍速链输送机……………………… 144
习题…………………………………………… 148
项目8 工业机器人应用系统…………… 149
8. 1 概述……………………………………… 149
8. 2 机器人焊接系统………………………… 149
8. 2. 1 机器人MIG/ MAG 焊接系统……… 150
8. 2. 2 机器人TIG 焊接系统……………… 151
8. 2. 3 机器人点焊焊接系统……………… 154
8. 2. 4 机器人激光焊接系统……………… 156
8. 3 机器人切割系统………………………… 160
8. 3. 1 机器人激光切割系统……………… 160
8. 3. 2 机器人等离子切割系统…………… 162
8. 4 机器人喷涂系统………………………… 163
8. 4. 1 机器人喷涂系统组成及优点……… 163
8. 4. 2 喷涂机器人本体…………………… 164
8. 4. 3 喷具………………………………… 165
8. 4. 4 机器人喷涂定量配比控制………… 167
8. 5 机器人搬运系统………………………… 168
8. 5. 1 各种包装形式的码垛……………… 169
8. 5. 2 码垛机器人………………………… 170
8. 5. 3 实例介绍: 某大型奶企的纸箱
码垛生产线………………………… 171
8. 6 机器人装箱系统………………………… 173
8. 6. 1 各种产品的机器人装箱…………… 173
8. 6. 2 适合于装箱作业的机器人………… 174
8. 6. 3 实例介绍: 某大型奶企的利乐
Ⅵ
包的装箱生产线…………………… 174
8. 7 电路板插件机器人(自动插件机) … 176
8. 7. 1 插件机器人的使用………………… 176
8. 7. 2 插件机器人的组成………………… 177
8. 8 机器人冲床进料与出料装置…………… 177
8. 8. 1 冲床机器人应用举例……………… 177
8. 8. 2 适用于冲(折) 床的机器人……… 178
8. 8. 3 实例介绍: 冲压进给料机器人系统和
冲床机器人系统…………………… 179
8. 9 数控机床机器人进料与出料装置………
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