任务过程

1.1 信息

1.1.1 工业机器人的发展史

1.工业机器人的概述

机器人有多种表现形态，可分为工业机器人、服务型机器人以及特种机器人等多种类型，其中工业机器人是智能制造的核心部分。各国对工业机器人定义不尽相同，但其内涵基本一致，其显著特点如下：

1）工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的操作机。

2）靠自身动力和控制系统而无须人为干预完成预先设计的程序。

3）可通过安装工具及制造用的辅助工具，完成搬运物料、焊接等各种作业。

4）具有一定的智能功能，可通过感知系统实现对周边环境的自适应。

2.工业机器人的发展

世界公认的第一台工业机器人由Unimation公司于1956年研制而成，并在1961年应用于汽车生产线，因此德沃尔和恩格尔伯格这两位Unimation公司的创业者也被称为“工业机器人之父”。

1967年，日本公司从美国购买了工业机器人Unimate的生产许可证书，从此日本开始了对工业机器人的研究及制造。

德国库卡（KUKA）公司于1973年将Unimate机器人改造成为世界上第一台电机驱动的六轴机器人，并命名为Famulus。并于1974年由瑞典通用电机公司开发出类似于人类机械手臂的工业机器人IRB-6，该机器人最大的特点是由微控制器控制运行，从此便开启了以计算机和自动化技术为基础的现代工业机器人发展新征程。

1980年，工业机器人开始在日本普及，因此该年也被称为“机器人元年”，从此工业机器人在日本得到了快速的发展，故日本也获得了“机器人王国”的美称。当前工业机器人四大家族中日本厂家占据两位，可见日本在工业机器人领域的领先地位。

我国的工业机器人起步较晚，虽然从三国时期就开始有木牛流马的传说，但其与现在的工业机器人有所不同。现代意义上的工业机器人是从1972年开始研制，直到1985年我国才有了第一台六自由度关节机器人。随着计算机和自动化技术的发展，我国机器人行业发展迅速，研制开发了如特种机器人“潜龙二号”等先进机器人，同时工业机器人领域也涌现出了大量的国产品牌，突破了外国公司的垄断局面，但与先进国家相比，整体上来看仍任重而道远。

我国工业机器人保有量居全球首位，但机器人使用密度远小于制造业先进的日本、德国、意大利等国家。根据工业机器人发展前景预测，我国工业机器人产业还有较大的发展空间，预计最快在2030年工业机器人在各相关行业所提供的生产力将全面超过产业功能，“机器换人”的大趋势可见端倪。

1.1.2 工业机器人的应用

很多实际工业应用场景中存在对人体不利的工作环境，使用工业机器人可避免这种对人体的伤害。将工业机器人与数控加工中心、自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）等设备组合成自动生产线，在制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）下进行智能化生产，可有效提高生产质量和效率，典型应用如下。

1.搬运码垛工业机器人

工业机器人搬运是指利用安装在机器人本体上的末端执行器，将物料工件从一个位置移动到另一个位置，如图1-1所示。按搬运对象和放置方法，可分为一般搬运、码垛和拆垛。搬运码垛工业机器人减轻了作业员的工作强度，常用于机床上下料、产品打包、自动生产线装配等工作内容。

2.焊接工业机器人

焊接工业机器人通过示教程序实现固定轨迹的顺序运行，从而实现长期高质量、高稳定性的焊接或点焊，主要由工业机器人本体、控制柜和自动送丝装置等部分组成，可明显提高焊接工作效率，如图1-2所示。

3.喷涂工业机器人

喷涂工业机器人替代作业者在危险环境下操作，在减少油漆消耗的同时获得更为快速、准确的喷涂响应和稳定的喷涂质量，如图1-3所示。

由于油漆属于易燃、易爆化学品，因此喷涂机器人除外观需满足防爆要求外，还必须采用隔离危险空气的腔体和良好的接地装置，以导出机器人表面聚集的静电。

4.装配工业机器人

工业机器人因其重复精度高，常用于复杂的装配过程，以减小零部件装配误差，提高零部件装配精度，如图1-4所示。

在工业机器人末端安装不同的执行器，配合传感器或视觉系统，可高效、精准地进行零部件装配，并具备一定的自适应性。在日本生产的发那科工业机器人，就是由机器人组装和试验的，实现了无人化作业。

5.工业机器人材料加工

通过安装不同的执行器，工业机器人可执行包括切割、清洗、抛光、水切割等加工应用，如图1-5所示。

在机器人手臂末端安装激光发生器，通过示教可实现对复杂对象的自动化雕刻加工，也可利用外部轴协同作业，实现更为复杂的工件表面或内腔的打磨、去毛刺等操作。

6.工业机器人检测

工业机器人具有低成本、高效率及24h工作的特点，非常适用于相同动作的测试应用场景。当配备了视觉系统后，工业机器人还可实现对产品零部件的外观瑕疵检测，如图1-6所示。

FANUC率先在工业机器人系统中集成视觉功能，通过减少外部视觉硬件控制设备，有效降低了视觉系统的使用成本，其Vision Shift功能可通过视觉方法检测目标工件原位置与当前位置之间的偏差，自动实现整体偏移补偿。

1.1.3 工业机器人的系统组成

FANUC工业机器人型号多种多样，除工业机器人本体大小及负载能力不同外，其控制方式、结构大致相同，尤其是示教器的操作非常相似。FANUC LR Mate 200iD系列机器人主要由三部分组成：工业机器人本体、Mate控制柜和示教器，如图1-7所示。

1.工业机器人本体

工业机器人本体是具有六自由度的机械主体，其内部集成有交流伺服抱闸电机、绝对值脉冲编码器、气动元器件及EE接口等，如图1-8所示。

其中，J1轴、J2轴和J3轴控制工业机器人末端位置，称为基本轴；J4轴、J5轴和J6轴控制安装在法兰盘上的末端执行器姿态，称为手腕轴。机器人底座集成直通气源接口（AIR1）、电磁阀用空气接口（AIR2）和动力电缆接口;位于J4手臂的EE接口是机器人I/O对外接口。J4手臂内部结构如图1-9所示。

机器人的主要参数包括负载能力、运动轴数、运动范围、安装方式、重复定位精度以及最大运动速度。以FANUC LR Mate 200iD/4S为例，具体参数见表1-1。

2.Mate控制柜

Mate控制柜是工业机器人的控制机构，是工业机器人的“大脑”。FANUC工业机器人主要有R-30iB A控制柜、R-30iB B控制柜和R-30iB Mate控制柜，200iD系列机器人使用R-30iB Mate控制柜（以下简称Mate控制柜），其外部模块如图1-10所示，功能见表1-2。

Mate控制柜内部结构如图1-11所示，主要模块及功能见表1-3。

3.示教器

工业机器人现场示教以及程序编辑均须通过示教器完成，示教器如图1-12所示。

示教器模块功能见表1-4。

1.1.4 工业机器人的作业安全

工业机器人运动空间属于危险场所，错误操作工业机器人不仅会导致工业机器人系统损坏，甚至有可能造成现场工作人员伤亡，为保证安全须遵循以下事项：

1）不得在易燃易爆、高湿度和无线电干扰环境条件下使用工业机器人，且不以运输人或动物为目的。

2）操作者在操作工业机器人前必须接受过工业机器人使用安全教育，严禁恶意操作及恶意实验。

3）进入操作区域时，必须佩戴安全帽，且不要戴手套操作示教器和操作面板。

4）接通电源前，须检查所有的安全设备是否正常，包括工业机器人和控制柜等。

5）进入工业机器人运动范围内之前，编程人员必须将模式开关从Auto改为T1或T2模式，并保障工业机器人不会响应任何远程命令。

6）使用示教器操作前，须确保平台上无其他人员，要预先考虑工业机器人的运动轨迹，并确定该轨迹线路不会受到干扰。

7）实践过程中，仅执行编程者编辑或了解的程序，同时保证只能由编程者一人控制工业机器人系统。

8）在点动操作工业机器人时须采用较低的倍率以增加对工业机器人的控制机会。

9）必须明确工业机器人控制器及外围设备上急停按钮的位置，当出现意外时可使用急停按钮。

10）工业机器人开始自动运行前，须保障作业区域内无人，安全设施安装到位并正常运行。工业机器人使用完毕后须按下急停按钮，并关闭电源。

11）维护工业机器人时，须查看整个系统并确认无危险后方可进入工业机器人工作区域，同时关闭电源、锁定断路器，防止在维护过程中意外通电。

12）注重工业机器人日常维护，检查工业机器人系统是否有损坏或裂缝，维护结束后必须检查安全系统是否有效，并将工业机器人周围和安全栅栏内打扫干净。