工业机器人技术及应用.pdf

普通高等教育机械类应用型人才及卓越工程师培养规划教材 工业机器人技术及应用 刘 军 郑喜贵 主 编 张 莉 蒋玲玲 副主编 邱 慧 陈林林 参 编 邱 慧 周文玉 主 审 内 容 简 介 本书系统地介绍了工业机器人的基本组成、机械机构、运动学及动力学、控制系统、编程与调试、典型应用、管理与维护等内容。全书共 7 章，第 1 章介绍了工业机器人的发展与应用、机器人的组成与分类；第2 章介绍了工业机器人的常见机械系统，对其机座、臂部、腕部、末端执行器及传动机构均做了比较详细的介绍；第 3 章主要介绍了工业机器人的运动学及动力学等数学理论基础；第 4 章介绍了工业机器人的控制系统；第 5 章介绍了工业机器人的编程与调试；第 6 章介绍了工业机器人的典型应用，对几类典型工业机器人的系统组成、周边设备及工作站布局做了较为详细的介绍；第 7 章介绍了工业机器人的管理与维护。本书每章最后都设计了思考与练习题，便于学生加深对相关知识的理解。本书既可作为高等院校机械设计制造及其自动化、机械电子工程等专业的本科生，以及机械制造与自动化、机电一体化等相关专业的专科生教学使用，也可供工业机器人领域的教师、研究人员和工程技术人员学习参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 工业机器人技术及应用/刘军，郑喜贵主编北京：电子工业出版社，2017.7 普通高等教育机械类应用型人才及卓越工程师培养规划教材 ISBN 978-7-121-31580-0.工 .刘 郑 .工业机器人高等学校教材 .TP242.2 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2017)第 116693 号 责任编辑：郭穗娟 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：14.75 字数：374.4 千字 版 次：2017 年 7 月第 1 版 印 次：2019 年 1 月第 2 次印刷 定 价：49.80 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：(010)88254502，。前 言 机器人技术从诞生之日起至今，仅仅半个世纪的时间，已经广泛应用于国民经济及人类生活的各个领域。在现代化的工业生产中，机器人已逐步在焊接、搬运、码垛、喷涂、装配、加工检验等诸多领域充当了生产主力军的作用，已经成为人类不可或缺的得力助手。在人类的日常生活中，机器人也在医疗、家政服务、保安、抢险排爆等方面，逐步改变着我们的生活和生存方式。工业机器人是典型的机电一体化产品，涉及机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制及人工智能等多个学科的知识。随着工业机器人在人类生产和生活中的应用越来越普及，作为“新工科”的大学生和工程技术人员，非常有必要学习和掌握工业机器人相关的专业技术知识。本书参考有关工业机器人的最新资料和信息，合理设置内容，是以工业机器人的基础性、实用性、共用性为主线，并结合新工科人才培养方向而撰写的。全书共 7 章，系统地介绍了工业机器人的基本组成、机械机构、运动学及动力学、控制系统、编程与调试、典型应用、管理与维护等内容。本书内容新颖、系统全面，既有基本理论、基本方法，又有典型应用，理论联系实际，将工业机器人的原理与构造、典型应用、操作与编程、管理与维护等压缩在一本教材里，并且每章都设计了思考与练习题，便于学生加深对相关知识的理解。本书在第 2 次印刷时，进行了少量修订，使内容更完善。本书由郑州科技学院刘军、郑喜贵、张莉、蒋玲玲、邱慧、陈林林共同编写，其中刘军、郑喜贵担任主编，张莉、蒋玲玲担任副主编。具体编写分工如下：刘军编写第 1 章，张莉编写第 2 章，邱慧编写第 3、7 章，陈林林编写第 4 章，蒋玲玲编写第 5 章，郑喜贵编写第 6 章。本书既可作为高等院校机械设计制造及其自动化、机械电子工程等专业的本科生及机械制造与自动化、机电一体化等相关专业的专科生教学使用，也可供工业机器人领域的教师、研究人员和工程技术人员学习参考。本书在编写过程中参阅了国内外诸多同行专家学者的机器人技术著作，作者在本书最后的参考文献部分已列出，在此致以诚挚的谢意！郑州科技学院周文玉教授审阅了全书，并提出了许多宝贵的意见和建议，在此表示衷心的感谢！由于机器人技术的发展日新月异，编者水平有限，本书难以对工业机器人技术进行全面、详细的介绍，书中难免存在不足之处，敬请各位专家和广大读者批评指正，以便进一步提高本书的质量。编 者 2019 年 1 月 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 工业机器人的定义 1 1.2 工业机器人的发展与应用 2 1.2.1 工业机器人的发展 2 1.2.2 工业机器人的应用 4 1.3 工业机器人的基本组成及技术参数 7 1.3.1 工业机器人的基本组成 7 1.3.2 工业机器人的技术参数 8 1.4 工业机器人的分类 11 本章小结 13 思考与练习 13 第 2 章 工业机器人的机械系统 14 2.1 工业机器人的手部结构 15 2.1.1 夹持类手部 15 2.1.2 吸附类手部 18 2.1.3 仿人机器人手部 20 2.2 工业机器人的腕部结构 22 2.2.1 腕部的转动方式 22 2.2.2 腕部的分类 23 2.3 工业机器人的臂部结构 26 2.3.1 臂部特点和设计要求 26 2.3.2 臂部机构 27 2.3.3 机身和臂部的配置形式 30 2.4 工业机器人的机身机构 32 2.5 工业机器人的行走机构 34 2.5.1 车轮式行走机构 35 2.5.2 履带式行走机构 36 2.5.3 足式行走机构 37 2.6 工业机器人驱动装置和传动单元 40 2.6.1 驱动装置 40 2.6.2 传动单元 41 VI 工业机器人技术及应用 本章小结 43 思考与练习题 44 第 3 章 工业机器人的运动学和动力学 45 3.1 工业机器人运动学 45 3.1.1 齐次坐标及对象物的描述 45 3.1.2 齐次变换及运算 50 3.1.3 工业机器人的连杆参数和齐次变换矩阵 55 3.1.4 工业机器人运动学方程 57 3.2 工业机器人动力学 66 3.2.1 工业机器人速度分析 66 3.2.2 工业机器人静力分析 71 3.2.3 工业机器人动力学分析 74 本章小结 80 思考与练习 80 第 4 章 工业机器人控制系统 82 4.1 工业机器人控制装置 82 4.1.1 工业机器人控制装置组成和功能 82 4.1.2 工业机器人控制器 88 4.2 工业机器人驱动装置 92 4.2.1 驱动装置类型和组成 92 4.2.2 交流伺服驱动装置 95 4.2.3 液压气动装置的主要设备 98 4.3 工业机器人检测装置 106 4.3.1 工业机器人传感器概述 106 4.3.2 内部传感器 108 4.3.3 外部传感器 114 本章小结 119 思考与练习 120 第 5 章 工业机器人的编程 121 5.1 工业机器人的编程方式 121 5.2 工业机器人的示教编程 122 5.2.1 ABB 工业机器人基本运动指令 123 5.2.2 工业机器人示教编程的基本步骤 125 5.3 工业机器人的编程语言 128 5.3.1 工业机器人语言的发展概况 128 5.3.2 工业机器人的编程要求与语言类型 129 VII 目 录5.4 工业机器人语言系统结构和基本功能 131 5.4.1 工业机器人语言系统的结构 131 5.4.2 工业机器人编程语言的基本功能 132 5.5 常用的工业机器人编程语言 134 5.6 工业机器人的离线编程 135 5.6.1 工业机器人离线编程的特点和主要内容 135 5.6.2 工业机器人离线编程系统的结构 136 5.7 工业机器人的离线编程仿真软件及编程示例 139 5.7.1 ABB 工业机器人离线编程仿真软件 RobotStudio 139 5.7.2 工业机器人离线编程示例 145 本章小结 161 思考与练习题 161 第 6 章 工业机器人系统集成与典型应用 163 6.1 工业机器人的应用准则与步骤 163 6.1.1 工业机器人的应用准则 163 6.1.2 工业机器人的应用步骤 164 6.2 工业机器人工作站的构成及设计原则 165 6.2.1 机器人工作站的构成 165 6.2.2 机器人工作站的一般设计原则 165 6.3 焊接机器人 169 6.3.1 焊接机器人的分类及特点 169 6.3.2 焊接机器人的系统组成 173 6.3.3 焊接机器人的周边设备 181 6.3.4 焊接机器人应用实例 185 6.4 搬运机器人 188 6.4.1 搬运机器人的分类及特点 189 6.4.2 搬运机器人的系统组成 193 6.4.3 搬运机器人的周边设备 197 6.4.4 搬运机器人应用实例 198 6.5 喷涂机器人 201 6.5.1 喷涂机器人的分类及特点 202 6.5.2 喷涂机器人的系统组成 205 6.5.3 喷涂机器人的周边设备 209 6.5.4 喷涂机器人应用实例 213 本章小结 214 思考与练习题 215 VIII 工业机器人技术及应用 第 7 章 工业机器人的管理与维护 216 7.1 工业机器人的管理 216 7.1.1 系统安全和工作环境安全管理 216 7.1.2 主机和控制柜的管理 220 7.2 工业机器人的维护和保养 222 7.2.1 控制装置及示教器的检查 222 7.2.2 机器人本体的检查 223 7.2.3 连接电缆的检查 224 7.2.4 日常维护及保养计划 224 本章小结 225 思考与练习题 225 参考文献 226 第1章 绪论 教学要求 通过本章学习，了解工业机器人的定义、分类、发展及应用，掌握工业机器人的基本组成及技术参数。21 世纪是制造业高度信息化的世纪，工业机器人的发展离不开工业自动化的需要和发展，伴随着电子技术与信息技术的发展，工业机器人已成功地广泛应用于各行业，给人类生活带来了巨大的变化。1.1 工业机器人的定义 机器人（Robot）是 1920 年由捷克作家 Karel Capek 在剧本中塑造的一个具有人的外表、特征和功能且愿意为人服务的机器“Robota”一词衍生出来的。科技的进步让机器人不止停留在科幻的故事里，它正逐步进入人类生活的各个方面。目前，有关工业机器人的定义有许多种不同说法，以下为一些具有代表性的工业机器人的定义：（1）国际标准化组织（ISO）对工业机器人的定义：工业机器人是一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。（2）美国机器人协会（RIA）对工业机器人的定义：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。（3）日本机器人协会（JIRA）对工业机器人的定义：一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。（4）我国对工业机器人的定义：一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。由于机器人一直在随科技的进步而发展出新的功能，因此工业机器人的定义还是一个未确定的问题。目前国际大都遵循 ISO 所下的定义。由以上定义不难发现，工业机器人具有四个显著特点：（1）具有特定的机械结构，其动作具有类似于人或其他生物的某些器官（肢体、感受等）的功能。（2）具有通用性，可完成多种工作、任务，可灵活改变动作程序。2 工业机器人技术及应用（3）具有不同程度的智能，如记忆、感知等。（4）具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖人的干预。1.2 工业机器