工业机器人设计与实例详解

机器人技术是一种以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。

全书以工程应用为主，不仅可以帮助建立工业机器人整体设计的认知和思路，重点通过典型案例解读帮助读者切实掌握不同用途机器人的设计、实现方法。

 

 

本书将在介绍工业机器人基本分类、工作原理与用途的基础上，给出了机器人设计的整体思路和设计方法；同时，通过列举实例，重点介绍了工业机器人机械系统设计、驱动系统设计、控制系统设计、感觉系统设计、编程设计、示教与再现等方面的要求与实现方法，*后通过喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人等几个典型实例详细说明不同功能机器人的整体结构特点与设计、实现方法。

本书实用性与可参考性强，可为从事工业机器人设计、操作与维护相关工作的工程技术人员提供帮助，也可供大学院校机电专业、机器人专业的师生学习参考。

 

第1章工业机器人概论1

1.1工业机器人的定义及工作原理1

1.1.1工业机器人的定义1

1.1.2工业机器人工作原理2

1.2工业机器人的组成及分类2

1.2.1工业机器人的组成2

1.2.2机器人的分类5

1.3工业机器人的主要特征及表示方法9

1.3.1工业机器人的主要特征9

1.3.2工业机器人的主要特性表示方法9

1.4工业机器人的技术性能11

1.5工业机器人的基本设计方法16

1.5.1工业机器人的设计方法16

1.5.2工业机器人设计内容与步骤17

第2章工业机器人机械结构系统设计19

2.1工业机器人总体设计19

2.1.1系统设计19

2.1.2技术设计20

2.2工业机器人传动机构设计22

2.2.1驱动方式22

2.2.2直线驱动机构24

2.2.3旋转驱动机构25

2.2.4机器人中主要使用的减速器26

2.3工业机器人机身和臂部设计29

2.3.1机身设计29

2.3.2臂部设计32

2.4腕部设计35

2.4.1腕部的作用、自由度与手腕的分类35

2.4.2手腕关节的典型结构38

2.4.3MOTOMAN SV3机器人的手腕结构42

2.4.4六自由度关节型机器人的关节布置与结构特点42

2.5手部设计43

2.5.1手部的特点43

2.5.2手部的分类44

2.6工业机器人行走机构设计49

2.6.1车轮式行走机构49

2.6.2履带式行走机构50

2.6.3步行机构51

2.7SCARA机器人机械系统设计实例52

第3章工业机器人驱动系统设计57

3.1工业机器人驱动装置类型及特点57

3.2工业机器人驱动系统选用原则58

3.3电液伺服系统59

3.4气动驱动系统 60

3.5电动驱动系统62

3.6自动搬运机器人驱动系统设计实例65

3.6.1行走机构结构设计65

3.6.2车载机构结构设计66

第4章工业机器人控制系统设计69

4.1机器人控制系统的体系结构、功能、组成和分类69

4.1.1机器人控制系统的一般要求与体系结构69

4.1.2机器人控制系统的组成70

4.1.3机器人控制系统分类71

4.2机器人整体控制系统设计方法72

4.2.1控制系统结构72

4.2.2控制系统设计原则74

4.3几种典型的控制方法75

4.3.1PID控制75

4.3.2滑模控制78

4.3.3自适应控制80

4.3.4模糊控制81

4.3.5机器人的顺应控制82

4.3.6位置和力控制系统结构82

4.4控制系统硬件构成83

4.5控制系统软件构成85

4.5.1软件构成85

4.5.2软件功能86

4.6机器人控制系统设计实例86

第5章工业机器人感觉系统设计90

5.1工业机器人传感器的分类及要求90

5.2工业机器人的触觉系统92

5.2.1接触觉传感器92

5.2.2滑觉传感器93

5.3机器人视觉系统的组成94

5.3.1视觉系统组成95

5.3.2镜头和视觉传感器97

5.3.3电气输出接口99

5.4并联机器人感觉系统设计实例100

第6章工业机器人编程系统设计104

6.1机器人编程系统及方式104

6.2编程语言的类型105

6.2.1编程语言的分类105

6.2.2机器人编程常用的四大语言107

6.3工业机器人编程、设计过程113

第7章示教与再现118

7.1示教再现原理118

7.1.1示教再现定义118

7.1.2示教的分类118

7.2示教再现操作方法119

7.2.1示教系统的组成119

7.2.2示教再现操作119

第8章典型工业机器人设计实例129

8.1喷涂机器人129

8.1.1喷涂机器人的结构129

8.1.2喷涂机器人控制系统130

8.1.3直接示教轻动化136

8.1.4应用实例137

8.2点焊机器人138

8.2.1点焊机器人的结构138

8.2.2点焊机器人控制系统140

8.2.3点焊机器人应用实例142

8.3弧焊机器人144

8.3.1弧焊机器人的结构144

8.3.2弧焊机器人控制系统146

8.3.3弧焊机器人应用实例148

8.4搬运机器人149

8.4.1搬运机器人的结构149

8.4.2搬运机器人控制系统151

8.4.3搬运机器人应用实例155

8.5装配机器人156

8.5.1装配机器人结构156

8.5.2装配机器人的驱动系统157

8.5.3装配机器人应用实例158

8.6冲压机器人159

8.6.1冲压机器人的结构159

8.6.2冲压机器人控制系统162

8.6.3冲压机器人应用实例165

8.7压铸机器人167

8.7.1压铸机器人的结构167

8.7.2压铸机器人控制系统168

8.7.3压铸机器人应用实例170

参考文献173

 

工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、综合而成的一种综合性高新技术，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个学科。工业机器人从出现到现在的短短几十年中，已经广泛地应用于国民经济的各个领域，成为现代工业生产不可或缺的好帮手，在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等方面都发挥着举足轻重的地位，且在航空航天、海底探险、核工业中完成了人类难以完成的工作。因此，工业机器人技术不但在许多学校被列为机电一体化专业的必修课程，而且也成为广大工程技术人员和机电爱好者迫切需要掌握的知识。

近年来，越来越多的国内企业在生产中采用了工业机器人，各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。据调查，我国已有几百余家工业机器人制造企业和系统集成企业，但其中88%是系统集成企业，全产业链机器人制造商还不多。中高端驱动器、减速器、控制器等核心元器件还需从国外进口。可以预见，中国的工业机器人产业将会在国民经济中占据重要的地位，工业机器人技术也正因此吸引了越来越多的不同专业背景的科研技术人员开展深入研究。

目前，关于机器人实际操作和应用的知识只能依赖于各种商业机器人产品的用户手册。所以编写一本兼顾理论与实践操作的工业机器人教材就显得十分必要了。

本书主要内容包括工业机器人的基础知识、工业机器人机械系统、电动机驱动、运动学计算、控制技术、传感器、轨迹规划与编程操作及其应用等。并结合实验教学使学生从机器人实体和实际工程应用两方面对所学知识进行消化理解，以提升教学效果。

本书由娄底职业技术学院曹胜男、朱冬老师和长沙民政职业技术学院祖国建教授编写。在编写过程中，参考了有关机器人方面的论著、资料，在此一并对其作者表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，书中内容难免存在不足之处，恳请读者给予批评指正。

编著者