工业机器人机械系统设计课件
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工业机器人第四章-工业机器人结构设计
优点
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 模块化工业机器人 由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 模块化工业机器人的特点 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 模块化工业机器人 由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 模块化工业机器人的特点 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
工业机器人技术基础-第2版-课件--第1章-工业机器人概论-
实际作业tact time最大缩 监视ROBOT的姿势、负荷， 设置面积A4尺寸，重量约
特
短15%幅度。附加功能：附 依据实际调整伺服增益/滤
加轴控制、追踪机能、
波。
８kg的新设计小型控制器。 搭载独自开发的5节闭连结
点 Ethernet等提升目标。
冲突检知机能，支持原点 机构及64bitCPU；
参 最大合成速度：5.5m/s 数 最大可搬重量：3.5kg
随着工业机器人的应用越来越广泛，我国也在积极推动我国机器人产业的发展。尤其是进入 “十三.五”以来，国家出台的《机器人产业发展规划（2016-2020）》对机器人产业进行了全面 规划，要求行业、企业搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进工业机器人产业化进程。
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
工业机器人在我国发展概况
中国的机器人产业应走什么道路，如何建立自己的发展模式，确实值得探讨。中国工程院在 2003年12月完成并公开的《我国制造业焊接生产现状与发展战略研究总结报告》中认为，我国应 从“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。
目前，我国基本掌握了工业机器人的结构设计和制造、控制系统硬件和软件、运动学和轨迹规划等技术， 形成了机器人部分关键元器件的规模化生产能力。一些公司开发出的喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人 已经在多家企业的自动化生产线上获得规模应用，弧焊机器人也已广泛应用在汽车制造厂的焊装线上。总体来 看，在技术开发和工程应用水平与国外相比还有一定的差距。主要表现在以下几个方面：
迅猛。由此可见，未来工业机器人的应用依托汽车产业，并迅速向各行业延伸。对于
机器人行业来讲，这是一个非常积极的信号。
工业机器人结构设计ppt课件
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
2、开式连杆系中的每根连杆都 具有独立的驱动器，属于主动连 杆系，连杆的运动各自独立，不 同连杆的运动之间没有依从关系， 运动灵活。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在 时域中的变化非常复杂，且和执 行器反馈信号有关。连杆的驱动 属于伺服控制型，因而对机械传 动系统的刚度、间隙和运动精度 都有较高的要求。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形 状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工 件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘 状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或 负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ
工业机器人系统设计与应用人机界面HMIPPT课件
嵌入式人机界面
2/7
1
认识人机界面
人机界面是按工业现场环境应用来设计的，其稳定性和可 靠性与PLC相当，能在恶劣的工业环境中长时间连续运行， 因此人机界面是PLC的最佳搭档。
HMI触摸屏系统一般包括两个部分：检测装置和控制器。 触摸屏检测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的 触摸位置，在将该处的信息传送给触摸屏控制器。控制器的 主要作用是接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转 换成触点坐标，判断出触摸的意义后送给PLC。他同时能接 收PLC发来的命令并加以执行，如动态的显示开关量和模拟 量等。
人机界面HMI
1. 认识人机界面 2. 活塞发动机生产设备人机界面功能
的实现
1/7
1
认识人机界面
人机界面（Human Machine Interface）又称为人机接口， 简称为HMI。从广义上说，HMI泛指计算机与操作人员交换信 息的设备。在控制领域，HMI一般特指用于操作人员与控制 系统之间进行对话和相互作用的专用设备。
工作站人机界面
5/7
2 活塞发动机生产设备人机界面功能的实现
PLC与HMI之间的通信线路直接通过接口连接线连接，硬件 连接中使用了一个以太网交换机作为中介，将此二者连接。
HMI触摸屏 系统
以太网交换机 CPU1214C接口及 连接线
HMI接口及 连接线
HMI及以太网交换机
CPU1212C 接 口 及连接线 HMI接口及连接线
3/7
SUCCESS
THANK YOU
2024/10/15
2 活塞发动机生产设备人机界面功能的实现
设备人机界面采用西门子KTP700 Basic，通过HMI触摸屏 上按键与变量建立连接，按下触摸屏上的按键，触摸 屏控 制器做出反应，给PLC发出信号，然后PLC做出反应，驱动各 自控制的内部继电器动作。
工业机器人应用系统建模(Tecnomatix)教学课件项目3
“fr8”，然后将fr8坐标系沿Z轴 移动到如图位置，建并立保一存个。A3\A3.1部件圆 建立一个圆心坐心标坐系标fr5系fr7
2
编辑机器人连杆
1）创建机器人各部件的坐标
①底部基座坐标系 ② 部件A1\A1.1坐标 ③ 其他部件坐标 采用相同的才做分别为机器人的 其他杆件建立坐标系fr5~fr12
3）运动学树：
运动学树的顺序由关节和连杆的关节确定，父链接在子链接之前按顺序排列，当父链接移动时，子链接跟随父链接移 动。
3.1 相关知识
3.1.2 PS中的机器人运动学
2、关节的相关性
在Process Simulate中,关节有独立关节与从属关节之分，从属关节的运动依赖于其他关节，如夹持器、焊枪和 机器人等。
1
启动运动学编辑器
2
编辑机器人连杆
3）机器人关节轴设置
1）对象树浏览器中选中”R1_1” 机器人，单击建模→设置建模范 围命令，使机器人处于可编辑状 态。
1）创建机器人各部件的坐标
① 底部基座坐标系 ② 部件A1\A1.1坐标 ③ 其他部件坐标 2）设置连杆部件 ① 创建连杆 ② 设置连杆部件
01. 机器人本体机构设计
3、可变关节限位
1）可变关节限位的概念
当一个关节的限位不是恒定的，而是根据其他关节的姿势而变化时， 该关节被称为具有可变限位的关节。
四连杆机构机器人
四连杆机构机器人
3.1 相关知识
3.1.2 PS中的机器人运动学
3、可变关节限位
2）可变关节极限图
典型6轴机器人本体中，关节J3的限制往往取决于 关节J2的值。 J2值为横坐标，J3值为纵坐标，J2、J3不存在依赖关 系，那么范围图一定是矩形。 J2值为横坐标，J3值为纵坐标，J2、J3不存在依赖关 系，那么范围图一定是矩形。
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编辑机器人连杆
1）创建机器人各部件的坐标
①底部基座坐标系 ② 部件A1\A1.1坐标 ③ 其他部件坐标 采用相同的才做分别为机器人的 其他杆件建立坐标系fr5~fr12
3）运动学树：
运动学树的顺序由关节和连杆的关节确定，父链接在子链接之前按顺序排列，当父链接移动时，子链接跟随父链接移 动。
3.1 相关知识
3.1.2 PS中的机器人运动学
2、关节的相关性
在Process Simulate中,关节有独立关节与从属关节之分，从属关节的运动依赖于其他关节，如夹持器、焊枪和 机器人等。
1
启动运动学编辑器
2
编辑机器人连杆
3）机器人关节轴设置
1）对象树浏览器中选中”R1_1” 机器人，单击建模→设置建模范 围命令，使机器人处于可编辑状 态。
1）创建机器人各部件的坐标
① 底部基座坐标系 ② 部件A1\A1.1坐标 ③ 其他部件坐标 2）设置连杆部件 ① 创建连杆 ② 设置连杆部件
01. 机器人本体机构设计
3、可变关节限位
1）可变关节限位的概念
当一个关节的限位不是恒定的，而是根据其他关节的姿势而变化时， 该关节被称为具有可变限位的关节。
四连杆机构机器人
四连杆机构机器人
3.1 相关知识
3.1.2 PS中的机器人运动学
3、可变关节限位
2）可变关节极限图
典型6轴机器人本体中，关节J3的限制往往取决于 关节J2的值。 J2值为横坐标，J3值为纵坐标，J2、J3不存在依赖关 系，那么范围图一定是矩形。 J2值为横坐标，J3值为纵坐标，J2、J3不存在依赖关 系，那么范围图一定是矩形。
工业机器人技术基础课件(最全)
设置编程语言、通信接口 、坐标系等参数
程序结构设计与实现过程
程序结构设计
注意事项
模块化设计、流程图设计、状态机设 计等
避免死锁、确保实时性、优化代码结 构等
实现过程
编写程序框架、定义变量和函数、实 现控制逻辑等
调试技巧及优化方法
01
02
03
调试技巧
单步执行、断点调试、变 量监视等
优化方法
减少计算量、优化算法、 使用高效数据结构等
03 电动驱动
精度高，响应速度快，维护方便，适用于各种负 载和行程的作业。
传感器配置与选型
01 内部传感器
检测机器人自身状态，如关节角度、电机电流等 。
02 外部传感器
检测机器人外部环境，如距离、温度、光照等。
03 选型原则
根据作业需求和机器人性能要求选择合适的传感 器类型和精度等级。
控制系统硬件架构
工业机器人技术基础 课件(最全)
目录
• 工业机器人概述 • 工业机器人核心技术 • 工业机器人硬件组成 • 工业机器人软件编程 • 工业机器人系统集成与应用案例 • 工业机器人维护与保养知识普及
01
工业机器人概述
定义与发展历程
定义
工业机器人是一种能自动执行工作的机器装置，靠自身 动力和控制能力来实现各种功能，可以接受人类指挥， 也可以按照预先编排的程序运行。
控制算法
详细讲解工业机器人控制 中常用的算法，如PID控 制、模糊控制、神经网络 控制等。
控制器设计
阐述工业机器人控制器的 设计原则和方法，包括硬 件设计和软件设计。
控制技术应用
探讨控制技术在工业机器 人中的应用，如焊接机器 人、装配机器人、喷涂机 器人等。
程序结构设计与实现过程
程序结构设计
注意事项
模块化设计、流程图设计、状态机设 计等
避免死锁、确保实时性、优化代码结 构等
实现过程
编写程序框架、定义变量和函数、实 现控制逻辑等
调试技巧及优化方法
01
02
03
调试技巧
单步执行、断点调试、变 量监视等
优化方法
减少计算量、优化算法、 使用高效数据结构等
03 电动驱动
精度高，响应速度快，维护方便，适用于各种负 载和行程的作业。
传感器配置与选型
01 内部传感器
检测机器人自身状态，如关节角度、电机电流等 。
02 外部传感器
检测机器人外部环境，如距离、温度、光照等。
03 选型原则
根据作业需求和机器人性能要求选择合适的传感 器类型和精度等级。
控制系统硬件架构
工业机器人技术基础 课件(最全)
目录
• 工业机器人概述 • 工业机器人核心技术 • 工业机器人硬件组成 • 工业机器人软件编程 • 工业机器人系统集成与应用案例 • 工业机器人维护与保养知识普及
01
工业机器人概述
定义与发展历程
定义
工业机器人是一种能自动执行工作的机器装置，靠自身 动力和控制能力来实现各种功能，可以接受人类指挥， 也可以按照预先编排的程序运行。
控制算法
详细讲解工业机器人控制 中常用的算法，如PID控 制、模糊控制、神经网络 控制等。
控制器设计
阐述工业机器人控制器的 设计原则和方法，包括硬 件设计和软件设计。
控制技术应用
探讨控制技术在工业机器 人中的应用，如焊接机器 人、装配机器人、喷涂机 器人等。
工业机器人简介ppt课件
● 自由度
一个简单的刚体一般有六 个自由度，沿着坐标轴的三 个平移运动；绕着坐标轴的 三个旋转运动。
当两物体间由于建立接关 系而不能进行的移动或转动 则一物体相对另外一个物体 就失去一个自由度。
刚体的六个自由度
02工业机器人的结构与特点
● 自由度
例如，要把一个球放到空 间某个给定位置，有三个自 由度就足够了(见图a)。又如， 要对某个旋转钻头进行定位 与定向，就需要五个自由度， 这个钻头可表示为某个绕着 它的主轴旋转的圆柱体(见 图b)。
scara机器人传动示意图
03搬运机器人-SCARA
● 基本结构
设计中大臂和小臂均采用谐波减速器和推力 向心交叉短圆柱滚子轴承结构,其刚度高,能承 受轴向压力与径向扭矩，缩短传动链,简化结 构设计。
末端的主轴相对线速度大，对质量与惯性敏 感，传动要求同时实现绕Z轴的直线运动和回 转运动。
采用步进电机3→同步齿形带→丝杠螺母→ 主轴,实现绕Z轴的直线运动;采用步进电机4→ 同步齿形带→花键→主轴,实现绕Z轴的回转运 动。
03搬运机器人-SCARA
● 轨迹规划
轨迹规划一般有2种常用的方法,既可在关节 空间中进行,也可在笛卡尔空间中进行。
03搬运机器人-SCARA
● 轨迹规划-关节空间的轨迹规划
机器人各关节在关节空间的路径用关节角的 时间函数描述。
SCARA机器人具有4个关节,因此需要分别 求出经过所有路径点的4个平滑函数。
01背景
机器人相关刊物：
《机器人》、《机器人技术》、《Robotics Rcsearch》 、《Robotica》和 《Robotics and Automation》
02
工业机器人的结构与特点
PUMA560工业机器人机械机构设计
• 用递推公式计算λ（k）； • 计算各刚体的相对角加速度d2/dt2（θ）；
漂浮机械臂的调整
• 无根树系统 • N号刚体有六个自由度的链式多刚体系统； • 刚体系统质心位置不变或匀速直线运动；
漂浮机械臂的调整
• 用空间算子代数正向动力学递推公式求 刚体相对角加速度；
• 用空间算子代数反向动力学递推公式求 刚体旋量力；
4用链式刚体系统反向动力学递推公式计算 各刚体旋量速度和旋量加速度，a（k）；
第二个模块计算内容
• 用递推公式计算各刚体旋量力，及绕其 转轴的合力矩及其外力矩分量；
• 计算各刚体的b（k）；
第三个模块计算内容
• 计算各刚体的T‘（k）； • 计算P，G，D，Ψ，K； • 用递推公式计算z，v；
第四个模块计算内容
虚拟样机技术
• 虚拟样机技术是对传统设计方法的一次历史性 变革。以其为基础的的现代设计方法的出现， 改变了传统以物理样机为基础的设计，大大减 少了昂贵费时物理样机制造及实验过程，使用 户可以直接在计算机上快速分析比较多种设计 方案，进行优化设计，在设计的早期及时发现 潜在的问题；是提高产品质量、缩短产品开发 周期、降低产品开发成本的有效途径。
空间算子代数未来展望
• 基于SOA的虚拟样机仿真软件可用于解 决机构碰撞的问题；
• 在兵器工业和车辆工程中的应用； • 在机电设备分析中的应用； • 航空航天飞行器的实时高效仿真； • 高分子动力学仿真
• 点位控制工业机器人 • 连续路径控制机器人
适用于上下料、点焊、 主要用于喷漆、连续
搬运等作业；
电弧焊、石材切割、
仿形加工等。
工业机器人的物理结构包括
• 手部 • 腕部 • 臂部
• 手部结构形式：钳爪式、 磁吸式、气吸式。
漂浮机械臂的调整
• 无根树系统 • N号刚体有六个自由度的链式多刚体系统； • 刚体系统质心位置不变或匀速直线运动；
漂浮机械臂的调整
• 用空间算子代数正向动力学递推公式求 刚体相对角加速度；
• 用空间算子代数反向动力学递推公式求 刚体旋量力；
4用链式刚体系统反向动力学递推公式计算 各刚体旋量速度和旋量加速度，a（k）；
第二个模块计算内容
• 用递推公式计算各刚体旋量力，及绕其 转轴的合力矩及其外力矩分量；
• 计算各刚体的b（k）；
第三个模块计算内容
• 计算各刚体的T‘（k）； • 计算P，G，D，Ψ，K； • 用递推公式计算z，v；
第四个模块计算内容
虚拟样机技术
• 虚拟样机技术是对传统设计方法的一次历史性 变革。以其为基础的的现代设计方法的出现， 改变了传统以物理样机为基础的设计，大大减 少了昂贵费时物理样机制造及实验过程，使用 户可以直接在计算机上快速分析比较多种设计 方案，进行优化设计，在设计的早期及时发现 潜在的问题；是提高产品质量、缩短产品开发 周期、降低产品开发成本的有效途径。
空间算子代数未来展望
• 基于SOA的虚拟样机仿真软件可用于解 决机构碰撞的问题；
• 在兵器工业和车辆工程中的应用； • 在机电设备分析中的应用； • 航空航天飞行器的实时高效仿真； • 高分子动力学仿真
• 点位控制工业机器人 • 连续路径控制机器人
适用于上下料、点焊、 主要用于喷漆、连续
搬运等作业；
电弧焊、石材切割、
仿形加工等。
工业机器人的物理结构包括
• 手部 • 腕部 • 臂部
• 手部结构形式：钳爪式、 磁吸式、气吸式。
工业机器人的组成ppt课件
部运动。
腰部：立柱，是 支撑手臂的部件，
其作用是带动臂 7
二、机械部分 2. 驱动—传动装置
工业机器人的驱动系统包括驱动器和传动 机构两部分，它们通常与执行机构连成机 器人驱本动体系统。
驱动器 传动机构
8
二、机械部分
2. 驱动—传动装置 工业机器人
驱动器通常有：
➢ 电机驱动：直流伺服电机、 步进电机、交流伺服电机。
传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝 杆、链、带以及各种齿轮系。
传动机构 谐波传动 螺旋传动 链传动 带传动 齿轮传动
12
二、机械部分 2. 驱动—传动装置
- 由谐波发生器（椭圆形凸轮 及薄壁轴承）、柔轮（在柔 性材料上切制齿形）以及与 它们啮合的钢轮构成的传动 机构
13
三、控制部分 1. 人机交互系统
驱动器
➢ 液压驱动； ➢ 气动驱动。
各种电、液、气装置
9
驱动器
直动 气缸
气动
气动 马达
气爪
液压
液压 液压 马达 缸
直流 伺服 电动 机
电动
交流 伺服 电动 机
步进 电动 机
电液 气综 合驱 动
10
直流伺服电机与驱动放大器
交流伺服电机
驱动放大器
直流无刷电机
步进电机
直驱电机
11
二、机械部分 2. 驱动—传动装置
18
四、传感部分 2. 机器人-环境交互系统
机器人-环境交互系统实现工业机器人与 外部环境中的设备相互联系和协调的系统。
工业机器人与外部设备集成为一个功能单元, 如加工制造单元、多台机器人、多台机床或 设备、多个零件存储装置等集成为一个去执 行 复杂任务的功能单元。
工业机器人说课课件
感知与识别技术
感知外界
感知与识别技术让工业机器人能够“看”到周围环境，通过传感器获取信息，进而实现定位、导航和 物体识别等功能。
人机交互技术
高效沟通
人机交互技术使工业机器人能够理解人类的指令，并与人类 进行沟通。这包括语音识别、手势识别和视觉反馈等技术， 提高了人机协作的效率和安全性。
03
工业机器人编程与操作
服务领域的应用
总结词
智能、便捷、人性化
详细描述
工业机器人在服务领域的应用包括餐饮、酒 店、医疗等方面。它们能够提供智能化的服 务，如点餐、送物、接待等，提高服务效率 和顾客满意度。同时，工业机器人也具备人 性化的交互能力，能够与人类进行自然语言 交流和互动。
05
工业机器人未来展望
技术发展趋势
人工智能技术
编程语言与工具
01
编程语言选择
02
介绍工业机器人编程中常用的编程语言，如Python、C等，以及它们 的特点和适用场景。
03
开发工具介绍
04
介绍常用的工业机器人编程开发工具，如ROS（Robot Operating System）、KUKA Studio等，以及如何使用这些工具进行编程。
机器人操作基础
应用领域拓展
新兴产业领域
农业领域
工业机器人将在新能源、生物医药等 新兴产业领域发挥重要作用，满足产 业发展的特殊需求。
农业生产的智能化需求为工业机器人 提供了广阔的应用空间，如自动化种 植、养殖等。
服务行业
随着服务行业的快速发展，工业机器 人将在物流、餐饮、医疗等领域得到 广泛应用，提升服务质量和效率。
安全与伦理问题
安全防护措施
随着工业机器人的普及，应重视对机器人操作安全的研究，制定相 应的安全标准和防护措施，确保人员安全。
《工业机器人系统集成》教学课件 项目一任务2工业机器人系统集成方案解析
知识准备
二、 产品对象信息解析
（三） 工序要求 产品的生产工序关系到机器人工作站集成的方方面面。确定产品的生产工序对方案设计过程中设备 型号的选型设计等有着重要的作用。 1. 产品的加工工艺、工序。 2. 产品的材质、尺寸大小及特殊要求。
任务2 工业机器人系统集成方案解析
知识准备
二、 产品对象信息解析
任务2 工业机器人系统集成方案解析
知识准备
三、 集成工作站的设计思路
2. 打磨工艺 机器人打磨抛光本质上是在模仿人手做打磨抛光工作，其现场工艺往往决定了生产出的产品质量。因此， 设计人员对现场打磨抛光工艺的熟悉程度非常重要。 打磨对砂带的要求很高，且粗细比（砂带型号）搭配要合理，一般是按由粗到细的顺序。在生产中根据实 际情况来配置一套打磨机中砂带的条数，一般为2到4根。抛光时，抛光轮的选取同样重要，尤其是抛光轮的消 耗问题，通常使用麻轮进行粗抛，使用布轮进行精抛。整体要求表面无碰伤、刮伤、裂痕、夹伤、波浪皱纹等。 现场打磨抛光时，首先考虑的是打磨机和抛光机的设计，其次是夹具的设计，接着是上料台的设计，这些 设计都要注意干涉和稳定性问题。从机器人在上件台上夹取工件开始，到机器人夹取工件在打磨机、抛光机上 进行打磨抛光，分别进行粗磨、中磨、精磨、粗抛、精抛等，再到机器人将工件放在上件台上结束，整个过程 须连贯统一。
任务2 工业机器人系统集成方案解析
知识准备
三、 集成工作站的设计思路
（四） 工艺要求 系统集成工作站对于不同的工艺应用有不同的工艺要求，下面以焊接和打磨工艺为例进行简单的介绍。 1. 焊接工艺 机器人焊接的质量与其焊接方法有关，操作时需根据被焊工件的材质、牌号、化学成分、焊件结构类型及 焊接性能要求来确定。 首先要确定焊接方法，如埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等，焊接方法的种类非常多，只能根据 具体情况选择。确定焊接方法后，再制订焊接工艺参数，焊接工艺参数的种类各不相同，如弧焊主要包括焊丝 型号（或牌号）、直径、电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数和检验方法等。
二、 产品对象信息解析
（三） 工序要求 产品的生产工序关系到机器人工作站集成的方方面面。确定产品的生产工序对方案设计过程中设备 型号的选型设计等有着重要的作用。 1. 产品的加工工艺、工序。 2. 产品的材质、尺寸大小及特殊要求。
任务2 工业机器人系统集成方案解析
知识准备
二、 产品对象信息解析
任务2 工业机器人系统集成方案解析
知识准备
三、 集成工作站的设计思路
2. 打磨工艺 机器人打磨抛光本质上是在模仿人手做打磨抛光工作，其现场工艺往往决定了生产出的产品质量。因此， 设计人员对现场打磨抛光工艺的熟悉程度非常重要。 打磨对砂带的要求很高，且粗细比（砂带型号）搭配要合理，一般是按由粗到细的顺序。在生产中根据实 际情况来配置一套打磨机中砂带的条数，一般为2到4根。抛光时，抛光轮的选取同样重要，尤其是抛光轮的消 耗问题，通常使用麻轮进行粗抛，使用布轮进行精抛。整体要求表面无碰伤、刮伤、裂痕、夹伤、波浪皱纹等。 现场打磨抛光时，首先考虑的是打磨机和抛光机的设计，其次是夹具的设计，接着是上料台的设计，这些 设计都要注意干涉和稳定性问题。从机器人在上件台上夹取工件开始，到机器人夹取工件在打磨机、抛光机上 进行打磨抛光，分别进行粗磨、中磨、精磨、粗抛、精抛等，再到机器人将工件放在上件台上结束，整个过程 须连贯统一。
任务2 工业机器人系统集成方案解析
知识准备
三、 集成工作站的设计思路
（四） 工艺要求 系统集成工作站对于不同的工艺应用有不同的工艺要求，下面以焊接和打磨工艺为例进行简单的介绍。 1. 焊接工艺 机器人焊接的质量与其焊接方法有关，操作时需根据被焊工件的材质、牌号、化学成分、焊件结构类型及 焊接性能要求来确定。 首先要确定焊接方法，如埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等，焊接方法的种类非常多，只能根据 具体情况选择。确定焊接方法后，再制订焊接工艺参数，焊接工艺参数的种类各不相同，如弧焊主要包括焊丝 型号（或牌号）、直径、电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数和检验方法等。
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积小。 • (2)具有很高的可达性。 • (3)因为没有移动关节，所以不需要导轨。 • (4)所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。
2016/10/31
-13-
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工业机器人技术基础
• 关节坐标式机器人的缺点：
• (1)肘关节和肩关节轴线 是平行的，当大小臂舒展 成直线时虽能抵达很远的 工作点，但是机器人结构 刚度比较低。
2016/10/31
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工业机器人技术基础
2．远距离连接传动
• 远距离连接传动机器人 的主要缺点：
• (1)远距离传动产生额 外的间隙和柔性，影响 机器人的精度。
• (2)增加能量消耗。 • （3）结构庞大，传动
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3 33
工业机器人技术基础
1.直角坐标式机器人
• 一般直角坐标式机器人的手臂能垂 直上下移动(Z方向运动)，并可沿滑架 和横梁上的导轨进行水平面内二维移 动(x和y方向运动)。
• 直角坐标式机器人主要用于生产设 备的上下料，也可用于高精度的装配 和检测作业。
• 直角坐标式机器人主体结构具有三 个自由度，而手腕自由度的多少可视 用途而定。
直角坐标机器人演示
直角坐标机器人应用
2016/10/31
-4-
4 44
工业机器人技术基础
• 直角坐标式机器人的优点是：
• (1)结构简单。
• (2)容易编程。
• (3)采用直线滚动导轨后，速度 高，定位精度高。
• (4)在x，y和z三个坐标轴方向上 的运动没有耦合作用，对控制系 统设计相对容易些。
2016/10/31
-5-
5 55
工业机器人技术基础
• 直角坐标式机器人主要缺点是：
• (1)导轨面的防护比较困难。
• (2)导轨的支承结构增加了机器人的重量，并 减少了有效工作范围。
• (3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨， 价格高。
• (4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。
• (5)移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置 的尺寸和能量消耗。
2016/10/31
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6 66
工业机器人技术基础
• 起重机台架式直角坐标机器人的应用越来 越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。
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7 77
工业机器人技术基础
2．圆柱坐标式机器人
• 圆柱坐标式机器人主体结 构具有三个自由度：腰转， 升降，手臂伸缩。
• 手腕通常采用两（三）个 自由度，绕手臂纵向轴线 转动和与其垂直的水平轴 线转动。
第五章 工业机器人机械系统设计
1
主要内容
• 5.1工业机器人总体设计 • 5.2传动部件设计 • 5.3臂部设计 • 5.4手腕设计 • 5.5手部设计 • 5.6机身及行走机构设计
2016/10/31
-2-
2 22
工业机器人技术基础
5.1工业机器人总体设计
• 一、主体结构设计 • 工业机器人坐标形式有： • 直角坐标式 • 圆柱坐标式 • 球面坐标式(极坐标式) • 关节坐标式。
2016/10/31
-9-
9 99
工业机器人技术基础
圆柱坐标式机器人的缺点： 主要是由于机身结构的缘故， 手臂不能抵达底部，减少了 机器人的工作范围。
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工业机器人技术基础
3．球面坐标式机器人
• 球面坐标式机器人具有较大的 工作范围，设计和控制系统比较 复杂。
• （2）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后 与关节相连。
• （3）间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械传 动装置与关节相连。
• （4）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速 比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。
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工业机器人技术基础
(a)直接连接传动，间接驱动 (b)直接连接传动，直接驱动 (c)远距离连接传动，间接驱动 (d)远距离连接传动，直接驱动
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-11-
1111
工业机器人技术基础
4．关节坐标式机器人
• 关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、 肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度 上的转动关节(俯仰，偏转和翻转)用来最后确定末端 操作器的姿态。
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工业机器人技术基础
• 关节坐标式机器人的优点： • （1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面
• 克服的办法：把肘关节电机、肩关节电机都 放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械 传动把电机动力传给肘和肩关节。
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工业机器人技术基础
2．远距离连接传动
• 远距离连接传动机器人 的主要优点：
• (1)克服了直接连接传 动的缺点。
• (2)可以把电机作为一 个平衡质量，获得平衡 性良好的机器人主体结 构。
• (2)机器人手部在工作范 围边界上工作时有运动学 上的退化行为。
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工业机器人技术基础
二、传送方式的选择
• 传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件 的连接形式和驱动方式。
• 基本的连接形式和驱动方式有如下几种：
• （1）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接 与关节相连。
• 在这类机器人中最出名的一种 产品是美国unimation公司的 Unimation 机器人，它的结构简图 如图所示。
• 机器人主体结构有三个自由度， 绕垂直轴线(柱身)转动、水平轴线 (关节6) 的转动、手臂伸缩的移动 关节2，其最大行程决定了球面最 大半径，机器人实际工作范围的 形状是个不完全的球缺。
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8 88
工业机器人技术基础
• 圆柱坐标式机器人的优点：
• （1）除了简单的“抓一放” 作业外还可以用在许多其它生 产领域。
• (2)结构紧凑。
• (3)在垂直方向和径向有两个 往复运动，可采用伸缩套筒式 结构。当机器人开始腰转时可 把手臂缩进去，在很大程度上 减少了转动惯量，改善动力学 载荷。
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工业机器人技术基础
1．直接连接传动的特点
• 优点：驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。
• 缺点：电机比较重，腰转时大臂关节电机和 小臂关节电机随之运动；大臂转动时小臂关节 电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且 增大了转动惯量．从动力学观点来看对系统相 有损害。
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• 关节坐标式机器人的缺点：
• (1)肘关节和肩关节轴线 是平行的，当大小臂舒展 成直线时虽能抵达很远的 工作点，但是机器人结构 刚度比较低。
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2．远距离连接传动
• 远距离连接传动机器人 的主要缺点：
• (1)远距离传动产生额 外的间隙和柔性，影响 机器人的精度。
• (2)增加能量消耗。 • （3）结构庞大，传动
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1.直角坐标式机器人
• 一般直角坐标式机器人的手臂能垂 直上下移动(Z方向运动)，并可沿滑架 和横梁上的导轨进行水平面内二维移 动(x和y方向运动)。
• 直角坐标式机器人主要用于生产设 备的上下料，也可用于高精度的装配 和检测作业。
• 直角坐标式机器人主体结构具有三 个自由度，而手腕自由度的多少可视 用途而定。
直角坐标机器人演示
直角坐标机器人应用
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工业机器人技术基础
• 直角坐标式机器人的优点是：
• (1)结构简单。
• (2)容易编程。
• (3)采用直线滚动导轨后，速度 高，定位精度高。
• (4)在x，y和z三个坐标轴方向上 的运动没有耦合作用，对控制系 统设计相对容易些。
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• 直角坐标式机器人主要缺点是：
• (1)导轨面的防护比较困难。
• (2)导轨的支承结构增加了机器人的重量，并 减少了有效工作范围。
• (3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨， 价格高。
• (4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。
• (5)移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置 的尺寸和能量消耗。
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• 起重机台架式直角坐标机器人的应用越来 越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。
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2．圆柱坐标式机器人
• 圆柱坐标式机器人主体结 构具有三个自由度：腰转， 升降，手臂伸缩。
• 手腕通常采用两（三）个 自由度，绕手臂纵向轴线 转动和与其垂直的水平轴 线转动。
第五章 工业机器人机械系统设计
1
主要内容
• 5.1工业机器人总体设计 • 5.2传动部件设计 • 5.3臂部设计 • 5.4手腕设计 • 5.5手部设计 • 5.6机身及行走机构设计
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5.1工业机器人总体设计
• 一、主体结构设计 • 工业机器人坐标形式有： • 直角坐标式 • 圆柱坐标式 • 球面坐标式(极坐标式) • 关节坐标式。
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圆柱坐标式机器人的缺点： 主要是由于机身结构的缘故， 手臂不能抵达底部，减少了 机器人的工作范围。
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3．球面坐标式机器人
• 球面坐标式机器人具有较大的 工作范围，设计和控制系统比较 复杂。
• （2）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后 与关节相连。
• （3）间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械传 动装置与关节相连。
• （4）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速 比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。
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(a)直接连接传动，间接驱动 (b)直接连接传动，直接驱动 (c)远距离连接传动，间接驱动 (d)远距离连接传动，直接驱动
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4．关节坐标式机器人
• 关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、 肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度 上的转动关节(俯仰，偏转和翻转)用来最后确定末端 操作器的姿态。
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工业机器人技术基础
• 关节坐标式机器人的优点： • （1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面
• 克服的办法：把肘关节电机、肩关节电机都 放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械 传动把电机动力传给肘和肩关节。
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2．远距离连接传动
• 远距离连接传动机器人 的主要优点：
• (1)克服了直接连接传 动的缺点。
• (2)可以把电机作为一 个平衡质量，获得平衡 性良好的机器人主体结 构。
• (2)机器人手部在工作范 围边界上工作时有运动学 上的退化行为。
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二、传送方式的选择
• 传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件 的连接形式和驱动方式。
• 基本的连接形式和驱动方式有如下几种：
• （1）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接 与关节相连。
• 在这类机器人中最出名的一种 产品是美国unimation公司的 Unimation 机器人，它的结构简图 如图所示。
• 机器人主体结构有三个自由度， 绕垂直轴线(柱身)转动、水平轴线 (关节6) 的转动、手臂伸缩的移动 关节2，其最大行程决定了球面最 大半径，机器人实际工作范围的 形状是个不完全的球缺。
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工业机器人技术基础
• 圆柱坐标式机器人的优点：
• （1）除了简单的“抓一放” 作业外还可以用在许多其它生 产领域。
• (2)结构紧凑。
• (3)在垂直方向和径向有两个 往复运动，可采用伸缩套筒式 结构。当机器人开始腰转时可 把手臂缩进去，在很大程度上 减少了转动惯量，改善动力学 载荷。
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工业机器人技术基础
1．直接连接传动的特点
• 优点：驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。
• 缺点：电机比较重，腰转时大臂关节电机和 小臂关节电机随之运动；大臂转动时小臂关节 电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且 增大了转动惯量．从动力学观点来看对系统相 有损害。