工业机器人发展简介、集成系统及展望.ppt
工业机器人系统组成与产业化应用-工业机器人集成控制系统,序 人类文明进步和发展的标志：1、工具机器人；2、文字信息技术。20世纪是计算机的时代；21世纪是机器人的时代。比尔盖茨 机器人=自动化装置（Automatic Device）,目 录 1、工业机器人概论 2、工业机器人集成控制系统 3、工业机器人发展展望,1.1 工业机器人简介1.2 工业机器人全球发展状况1.3 工业机器人国内发展状况1.4 工业机器人总体应用趋势,1 工业机器人概论,工业机器人系统就是把工业机器人本体（机械）、机器人控制器（硬件）、控制软件和应用软件（软件）与机器人周边设备结合起来，应用于焊接、搬运、插装、喷涂、机床上下料等工业自动化领域。,1.1 工业机器人简介,1、工业机器人概论,焊接机器人,喷涂机器人,1、工业机器人概论,码垛机器人,装配机器人,工业机器人分类,1.1 工业机器人简介,工业机器人组成,1.1 工业机器人简介,消除枯燥无味的工作，降低工人的劳动强度；增强工作场所健康安全性，从事特殊环境下的操作，减少劳资纠纷；提高自动化程度，减少工艺过程中停顿的时间；提高对零部件的处理能力，保证产品质量，提高成品率；提高自动化生产效率，便于调整生产能力，实现柔性制造。,工业机器人作用和优点,工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业或是危险、恶劣环境下的作业，例如在焊接、涂装、机械加工和装配等工序上，以及完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。工业机器人能够提升生产的效率和产品的质量，是企业补充和替代劳动力的有效方案。,作用,优点,1.1 工业机器人简介,工业机器人应用,1.1 工业机器人简介,1.2 工业机器人全球发展状况,1.2.1 全球工业机器人发展历程,1.2.1 全球工业机器人发展历程,美、日、欧盟工业机器人产业发展已经完成了前四个阶段并形成了各自的产业模式。,服务机器人市场，代表性企业有专注于医疗机器人的直觉外科公司、制造军用和家用机器人的IROBOT公司等,工业机器人本体市场，四大企业占比超过50%,1.2.2 工业机器人全球发展市场格局,工业机器人集成市场除了四大企业外还有德国的杜尔、莱斯、意大利的柯马等,主要国家机器人技术优势领域比较,1.2.2 工业机器人全球发展市场格局,1.2.3 工业机器人全球竞争格局,（万台）,（年）,（台/万人）,1.2.3 工业机器人全球竞争格局,1机器人操作机结构的优化设计技术：机构向模块化、可重构方向发展；,2机器人控制技术：重点研究开放式、模块化控制系统；,1.2.4 工业机器人国外研发趋势,3多传感系统融合技术：研究热点在于多传感器融合算法；,4机器人遥控及监控技术：机器人半自主和自主控制技术，多机器人和操作者之间的协调控制技术；,5多智能体控制技术：主要对多智能体的群体体系结构、群体行为控制等方面进行研究；,6微型和微小机器人技术：研究主要在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。,1.3 工业机器人国内发展状况,1.3 工业机器人国内发展状况,上海中国国际机器人展（CIROS2015）-新松机器人,上海中国国际机器人展（CIROS2015）-埃夫特机器人,1.3 工业机器人国内发展状况,上海中国国际机器人展（CIROS2015）-广州数控机器人,1.3 工业机器人国内发展状况,截止2014年中国工业机器人保有量17.5万台，预计2015年增至23.5万台,国内工业机器人保有量,1.3.1 工业机器人国内市场规模,（年）,（万台）,中国工业机器人不同领域需求,1.3.1 工业机器人国内市场规模,川崎、现代、柯马、不二越、松下,新松、博实、首钢莫托曼、埃夫特,1.3.2 工业机器人国内竞争格局,库卡、发那科、ABB,2013年中国工业机器人销量36560台，其中本土品牌机器人销量9500台2014年47500台，本土品牌16900台,中国工业机器人销售情况,1.3.2 工业机器人国内竞争格局,1.现代精密加工以及装配技术的研究；,2.精密减速器、伺服电机性能及可靠性技术；,3.工业机器人新型控制器技术：研发具有自主知识产权的先进工业机器人控制器。研究具有高实时性、多处理器并行工作的控制器硬件系统；设计基于高性能、低成本总线技术的控制和驱动模式；深入研究先进控制方法，提高系统高速、重载、高跟踪精度等动态性能。,1.3.3 工业机器人国内研发趋势,高精度机器人减速机：基本依赖进口,伺服电机和驱动器：大多需要进口,机器人控制器：性能与国外差距较大,1.3.4 中国工业机器人与世界水平差距,9/25/2023,谐波、RV减速器,精度不够,1.3.4 中国工业机器人与世界水平差距,精密减速机、交流伺服电机、控制器是机器人的关键核心部件,1.3.4 中国工业机器人与世界水平差距,趋势,趋势之一：重载、高速、高精度,趋势之二：智能化,趋势之三：信息化、网络化,1.4 工业机器人总体应用趋势,趋势之一：重载、高速、高精度,M-2000iA系列是世界上最大的可搬运超重物体的机器人，一次可举起1200公斤重，重复精度达0.3 mm，能够做到更快、更稳、更精确地移动大型部件。M-2000iA/1200配备有摄像机和高灵敏度的“手指”。,1.4 工业机器人总体应用趋势,趋势之二：智能化,NEXTAGE可以自由移动，更加智能化。NEXTAGE的功能主要体现在上半身，身高730mm，肩宽576mm，体重20kg，有15个电机（头部2个、腰部1个、两支手臂各有6个），单臂最大有效载荷为1.5kg。NEXTAGE头部装有视觉传感器，能够定位识别自己的位置，通过CAN总线与控制系统通信。,1.4 工业机器人总体应用趋势,趋势之三：信息化、网络化,机器人 1,服务工程师,机器人 2,机器人 3,视频 监视,服务器,服务器,PC工作站,客户工程师,无线局域网诊断用笔记本电脑,ISDN调制解调器互联网,远程网,无线局域网,局域网,视频 监视,视频 监视,视频 监视,ISDN调制解调器互联网,PC工作站,1.4 工业机器人总体应用趋势,PC-控制,PC-控制,PC-控制,2 工业机器人集成控制系统,2.1 机器人控制系统分类2.2 PMAC控制系统2.3 工业PC集成控制系统2.4 开放式集成控制系统2.5 机器人集成控制系统举例,2.1 机器人控制系统分类,机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统，按照控制方式可以分为以下三种控制系统：,2.1 机器人控制系统分类,机器人集成系统优势：,2.1 机器人控制系统分类,基于PMAC 运动控制卡的机器人控制系统，采用IPC+DSP 的结构来实现机器人的控制,2.1 PMAC集成控制系统,PMAC是program multiple axis controller 可编程多轴运动控制卡，是集运动轴控制和PLC控制以及数据采集的多功能的运动控制产品,2.1 PMAC 集成控制系统,PMAC,PC/HMI用户界面,放大器,机械输入/输出,USBEthernetSerialPCIVME总线,Local General Purpose I/Os/Built-inAnalog/digital/Fieldbus,10VPWMPFMSinusoidalFieldbus,BrushBrushlessInductionStepper,通讯:,机械 I/O:,命令输出:,电机类型:,A quad B,Sinusoidal,Serial,Resolver,Incremental,Absolute,反馈:,电机/编码器,2.1 PMAC 集成控制系统,2.2 工业PC集成控制系统,扫描仪,电话上网,打印机,Profibus,Interbus,CANopen,DeviceNet,Lightbus,Sercos,Ethernet,DOS/WindowsXP/CE,I/O 映射,应用程序平台操作员界面Windows 应用程序,程序开发平台,SystemManager,PLC,NC PTP,I/OServer,PLCServer,NC PTPServer,实时核扩展,用户模式,VGA,显示器,Modem,RS 232 C,并行口,局域网,软 盘,硬盘,2.2 工业PC集成控制系统,工业PC控制与传统控制方式的比较,传统控制组成 硬件:可视化 PC,PLC,NC/CNC 模块,微处理器系 统 软件:多个操作系统,编程语言,编程系统接口:在硬件设备之间,在软件系统之间,集中式配 电柜,成本,100%,40%,传统,PCC,复杂性,传统,100%,60%,PCC,降低,-40%,降低,-60%,PC 控制组成硬件:PC 和现场总线,支持所有标准软件:Windows CE 操作系统,PLC,NC PTP,TwinCAT应用程序:Windows 软件产品和 C,C+,VB,Delphi接口:标准化软件接口,分布式配电柜,优点：成本低减少了组件：可靠性增加,改善了互换性 降低复杂性：减少工程量,把较多的时间 用于过程的优化上,系统比较,2.2 工业PC集成控制系统,工业PC控制与传统控制方式的比较,2.2 工业PC集成控制系统,工业PC控制技术信息技术与自动化技术完美结合,机器 1,服务工程师,机器 2,机器 3,PC-控制,视频 监视,服务器,服务器,PC 工作站,客户工程师,无线局域网诊断用笔记本电脑,ISDN调制解调器互联网,远程网,无线局域网,局域网,视频 监视,视频 监视,视频 监视,ISDN调制解调器互联网,PC-控制,PC-控制,PC 工作站,2.2 工业PC集成控制系统,分为 4-IT 系统:基于PC 并采用 NT 技术的系统:管理层过程管理过程监视过程控制,局域网,服务器,生产模型,PC-控制,PC-控制,PC用作传统PLC,主控系统:基于Win CE的 PC 控制 PC 技术 I/O:开放的现场总线系统,工业PC控制技术信息技术与自动化技术完美结合,开放式结构的机器人控制系统,需要建立一个开放的、标准的、经济的、可靠的软硬件平台。,2.3 开放式集成控制系统,2.3 开放式集成控制系统,开放式集成控制系统具有的特性：,2.3 开放式集成控制系统,软件设计任务包括 PC 端控制软件设计；控制软件包括 GUI 设计、核心控制算法设计、通信控制软件设计。,Soft型开放式运动控制器开发,以EtherCAT开发为例，开发一般都是采用TwinCAT 作为主站。TwinCAT提供了强大的EtherCAT主站功能，包括XML文件、EEPROM配置文件的读取/下载、EtherCAT从站设备的扫描查看等。使用TwinCAT查看EtherCAT从站设备的结果。由于TwinCAT软件是基于Windows风格，有着良好的人机界面，并且功能强大，非常便于从站设备的开发。,2.3 开放式集成控制系统,2.4.1 焊接机器人系统2.4.2 工业机器人研究成果,2.4 机器人集成控制系统举例,焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。,2.4.1 焊接机器人系统,主要由机器人本体、控制系统、焊接系统、焊接传感器及系统安全保护部分、周边设备组成。智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。,2.4.1 焊接机器人系统,机械本体：采用6自由度的关节机器人，前3个自由度（1、2、3轴）用于控制焊枪端部的空间位置，后3个自由度（4、5、6轴）用于控制焊枪的空间姿态。,弧焊机器人机械本体,2.4.1 焊接机器人系统,弧焊机器人控制部分,2.4.1 焊接机器人系统,弧焊机器人焊接传感器及系统安全保护部分,2.4.1 焊接机器人系统,弧焊机器人周边设备,2.4.1 焊接机器人系统,在汽车消声器生产线的应用,焊接变位机是通过倾斜和回转动作，将工件置于便于实施焊接作业位置的机械或机器。焊接变位机与机器人连用可增大机器人工作空间，缩短辅助时间，提高劳动生产率，改善焊接质量。,2.4.1 焊接机器人系统,滑移平台：主要是安置机器人或焊丝支架，特别是在焊接大型工件时，移动滑台加大了机器人的工作空间。,2.4.1 焊接机器人系统,清枪装置:焊枪自动清枪站主要包括焊枪清洗机、喷化器和焊丝剪断装置3部分。机器人在焊接过程中焊钳的电极头氧化磨损、焊枪喷嘴内外残留的焊渣以及焊丝伸长的变化严重影响了产品的焊接质量。,清枪效果图,2.4.1 焊接机器人系统,换枪装置：在机器人焊接作业过程中，焊枪用于不同填充材料的自动焊接，自动换枪装置可适应改变焊接方法的自动焊接。,2.4.1 焊接机器人系统,多层多道相贯曲线簇焊接效果图,中厚板空间轨迹焊接机器人工作站,中厚板空间轨迹焊接机器人装备研制（与北京中电华强公司合作，北京市科委项目（）,2.4.1 焊接机器人系统,码垛机器人（863-512-9418-04-01，863-512-9502-01（1994年-今）,2.4.2 工业机器人研究成果,机器人磨削抛光加工系统（2007AA04Z2443，2012AA041304（2005年-今）,2.4.2 工业机器人研究成果,2.4.2 工业机器人研究成果,机器人焊接加工系统（863-512-9804-02，863-512-9802-05（1999-2002年）；（2012-2013年）,2.4.2 工业机器人研究成果,大型复杂曲面钢板水火成型机器人（863-512-9921-02，2001AA421200-02（1998-2005年）,2.4.2 工业机器人研究成果,3 工业机器人发展展望,1、国内企业发展势头良好 据中国机器人产业联盟统计，2014年国内企业在我国销售工业机器人总量超过16900台；,工业机器人国内发展势态,2、中国连续两年成为全球第一大工业机器人市场 2014年中国市场共销售工业机器人5.7万台，较上年增长55%，约占全球市场总销量的四分之一，连续两年成为全球第一大工业机器人市场；,3、多关节机器人市场需求广泛，国产坐标机器人竞争力强 从机械结构看，多关节机器人是中国市场上的主力机型，销量占国产工业机器人总销量的比重超过50。,3、工业机器人发展展望,国家政策,3、工业机器人发展展望,国内工业机器人市场驱动因素分析,经济结构转型,人工替代,政策扶持,3、工业机器人发展展望,国产机器人发展成功路径,现阶段国内机器人厂商在高端领域不能直接与国外企业竞争，国内机器人的成功之道在于打通上下游产业链，生产经济型机器人本体，尤其要突破减速机等关键零部件。,3、工业机器人发展展望,国内机器人企业突破关键零部件的两种思路,3、工业机器人发展展望,3、工业机器人发展展望,谢谢Thanks,贠 超 教授北京航空航天大学机器人研究所手机：,
