第1章 前言

1.1 工业机器人概述

工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手功能的机电一体化装置，其应用领域分为很多种类，从常用的机器人系列和市场占有率来看，焊接、装配、搬运、上料/卸料、铸造、冲压和喷漆是主要的工业机器人品种。

工业机器人产业链由零部件企业、本体企业、系统集成商、代理商、终端客户构成。当前，工业机器人应用领域正不断拓宽，种类更加繁多，功能越来越强，自动化和智能化水平显著提高。据国际机器人联合会统计，来自汽车整车及零部件工业的需求，合计占工业机器人下游总需求的60%左右。在亚洲，电子电气工业对工业机器人的需求仅次于汽车工业排名第二。

在加速科技进步中机械制造业的发展起着关键作用，其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元转变为自动化生产综合体（自动化工段、生产线和自动化车间），将来甚至实现自动化工厂。这种自动化生产最重要的特点是具有柔性，它能预料到，在节省劳力（或无人）情况下，根据工艺条件调整设备，以适应多种产品生产。 当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送、装配和其它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体-柔性生产系统基本结构模块。

1.2 工业机器人驱动方式

1.2.1气动式工业机器人

这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度稳定性较差，有因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。

1.2.2液压式工业机器人

液压压力比气压压力高很多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大

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的抓举能力，可以达到上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。 1.2.3电动式工业机器人

这是目前用的最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种多，为工业机器人设计提供了多种选择，也因为他们可以运用多种灵活控制方法。早起多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。

1.3 工业机器人的分类

1.3.1按承载能力分

（1）超轻型（1.0kg以下）——0.08；0.16；0.32；0.63 （2）轻型（1.0kg以上~10kg）——1.25；2.5；5.0；10.0 （3）中型（10kg以上~100kg）——20；40；80

（4）重型（100kg以上~1000kg）——160；250；500；1000；

（5）超重型（1000kg以上）——1250；1500；2000；2500；3000；5000；7500；10000；

1.3.2按生产形式分

（1）铸造生产中的工业机器人

工业机器人在铸造生产中应用最广泛的领域是在压铸机上、喷砂处理和喷丸处理情理上和铸件运输上。

工业机器人所完成的基本功能是：从机器工作区域取出铸件，依次将铸件移送到检测位置，进入冷却装置，放入切边机的压膜中，从压膜中拿走，分放在包装箱中，将泥芯放到铸造砂型中并浇注金属。

用于铸造生产中的工业机器人应具有特殊结构形式，以防止周围介质的作用；如控制柜、控制台、导轨以及摩擦表面的密封，将控制系统布置在独立单元中等等。

完善用于压铸机和热塑自动机的机器人应朝着增加运行的快速性和可靠性方向发展。可以预料，简化结构的专用工业机器人的生产会增加，同时建造组合模块原则的工业机器人结构也会得到发展。

（2）锻压设备中的工业机器人

在锻压生产中应用的工业机器人，其功能包括：从规定位置夹持毛坯，移送到工作

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位置，从一个位置转放到另一个位置（其中包括转动），取下成品件并将其放到包装箱中，抓放废料，发出控制机器人技术综合装置的指令。锻压机用的工业机器人有：1）用于曲柄压力机，模压曲柄弯管机，螺旋压力机；2）用于热模压力机。

（3）金属切削机床用的工业机器人

在柔性生产单元、工段和生产线和制造中等批量和单件毛坯生产的自动化相结合时，采用工业机器人是最有成效的。

工业机器人所完成的基本功能是：在机床工作空间内安装事先已定向的毛坯，从机床上取下零件并放入包装箱中，翻转零件清洗零件和夹具的基准面，发出工艺指令，检测零件。由于采用辅助装置和机构，可以扩大工业机器人的功能。

新研制的工业机器人的特点在于其基本组合模块结构，这样就能拿得到基本型号的变型机构。

（4）装配用工业机器人

在装配生产中工业机器人即可为自动装配机服务，又可直接用来完成装配作业。为实现工业机器人操作必须保证：

1）在垂直方向上手臂应能做直线运动;

2）结构沿垂直轴方向上要有足够高的刚度，承受在装配图方向上产生相当大的作用力；

3）有补偿定位误差的可能性； 4）工作机构能做高速运动。

考虑到上述要求，装配机器人合理的结构应该是带有在水平面上铰接的工作手臂和具有垂直行程的工作机构。工业机器人的承载能力不超过40kg，此外，装配工业机器人的特点是具有很灵活的操作机和较大的工作空间以及相当紧凑的结构。

（5）金属电镀车间设备用的工业机器人

在电镀槽上服务或完成涂漆作业的工业机器人可用于工业各个领域内如电镀法、化学法、和阳极机械法在零件上涂层。

这类工业机器人的发展方向是依靠提高操作机移动速度并研制电传动的结构来提高劳动生产率，同时还要减少金属消耗量和所占工作面积。

1.4 工业机器人的历史

已知最早的工业机器人，符合ISO定义是由“条例”格里菲斯P·泰勒于1937年完成并出版的Meccano杂志，1938年3月。几乎完全是用吊车状装置建成的Meccano件和动力由单个电动机。运动五轴是可能的，包括抢而抢旋转。自动化是用穿孔纸带通电螺

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线管，这将有利于起重机的控制杆的运动来实现的。该机器人可以在预先设定的图案叠积木。需要为每个所需的运动马达的转数，第一次绘制在坐标纸上。然后这个信息被转移到纸带上，从而也推动了机器人的单个马达。1997，克里斯舒特建造的机器人的完整副本。

乔治·迪沃申请了第一个机器人的专利在1954年（1961年授予）。制作机器人的第一家公司是Unimation，由迪沃并成立约瑟夫F. Engelberger于1956年，并且是基于迪沃的原始专利。Unimation机器人也被称为可编程移机，因为一开始他们的主要用途是从一个点传递对象到另一个，不到十英尺左右分开。他们用液压 执行机构，并编入关节 坐标，即在一个教学阶段进行存储和回放操作中的各关节的角度。他们是精确到一英寸的1 / 10,000。Unimation后授权其技术，川崎重工和GKN，制造Unimates分别在日本和英国。一段时间以来Unimation唯一的竞争对手是美国辛辛那提米拉克龙公司 的俄亥俄州。这从根本上改变了20世纪70年代后期，几个大财团的日本开始生产类似的工业机器人。

1969年，维克多·沙因曼在斯坦福大学发明了斯坦福大学的手臂，全电动，6轴多关节型机器人的设计允许一个手臂的解决方案。这使得它精确地跟踪在太空中任意路径拓宽了潜在用途的机器人更复杂的应 用，如装配和焊接。沙因曼则设计了第二臂的MIT 人工智能实验室，被称为“麻省理工学院的手臂。” 沙因曼，接收奖学金从Unimation发展他的设计后，卖给那些设计以Unimation谁进一步发展他们的支持，通用汽车公司，后来它上市的可编程的通用机装配（PUMA）。

工业机器人在欧洲起飞相当快，既ABB机器人和库卡机器人带来机器人市场在1973年ABB机器人（原ASEA）推出IRB 6，世界上首位市售全电动微型处理器控制的机器人。前两个IRB 6机器人被出售给马格努森在瑞典进行研磨和抛光管弯曲并在1974年1月被安装在生产同样是在1973年，库卡机器人建立了自己的第一个机器人，被称为FAMULUS，也1第一关节机器人具有6机电驱动轴。

在机器人技术在20世纪70年代后期，许多美国公司的兴趣增加进入该领域，包括大公司，如通用电气和通用汽车公司（这就形成合资 FANUC机器人与FANUC日本LTD）。美国创业公司包括Automatix和娴熟技术，公司在机器人热潮在1984年的高度，Unimation收购了西屋电气公司107万美元。西屋出售Unimation以史陶比尔法韦日SCA的法国于1988年，还在进行关节型机器人用于一般工业和洁净室应用，甚至买的机器人事业部，博世于2004年底。

只有少数的非日本公司管理，最终在这个市场中生存，其中主要的有：娴熟技术，史陶比尔，Unimation，在瑞典 - 瑞士公司ABB阿西亚·布朗Boveri公司，在德国公司的KUKA机器人与意大利公司柯马。

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