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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贠超教授北京航空航天大学机器人研究所手机：13701291121Email:cyun18@vip.sina.com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（AutomaticDevice）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工业机器人简介应用行业应用类型汽车产业弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、切割电子电器搬运、洁净装配、自动传输、打磨、真空封装、拾取化工纺织搬运、包装、码垛、称重、检测、切割、研磨、装配食品饮料普通包装、搬运、真空包装塑料轮胎上下料、去毛边冶金钢铁搬运、码垛、铸件去毛刺、浇口切割家具家电装配、搬运、打磨、喷漆、切割、雕刻海洋勘探维修、建造、拆卸工业机器人应用1.1工业机器人简介全球机器人发展状况发展历程行业发展机器人市场格局机器人竞争格局研发趋势1.2工业机器人全球发展状况第五阶段（21世纪及未来）智能化时期新技术不断发展第四阶段（20世纪90年代到21世纪）产业发展期机器人产品多样化，市场趋于成熟第三阶段（20世纪70-80年代）产业形成期大批量生产第二阶段（20世纪60年代）产业孕育期小批量生产形成第一阶段（20世纪50-60年代初）技术准备期第一台工业机器人在美诞生1.2.1全球工业机器人发展历程类型发展模式特点日本模式产业链分工发展机器人制造厂以开发新型机器人的批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的集成工程公司来设计制造各行业所需要的机器人成套系统欧洲模式交钥匙工程机器人的生产和用户所需要的系统的设计制造全部由机器人制造厂商自己完成美国模式集成应用，采购与成套设计相结合美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备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机器人类型日本韩国欧盟美国工业机器人极为突出一般很突出一般仿人型机器人极为突出很突出一般一般家用机器人极为突出很突出一般一般服务机器人突出很突出突出突出生物医疗机器人一般一般很突出很突出航空机器人一般不突出突出极为突出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。中国工业机器人发展现状竞争格局研发趋势与全球机器人发展差距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6%4%6%9%14%15%19%27%0%10%20%30%焊接喷涂物料搬运码垛装配切割涂胶其他1.3.1工业机器人国内市场规模中国工业机器人竞争格局技术领先实力雄厚实力雄厚研发实力突出创新不足技术受限川崎、现代、柯马、不二越、松下1.3.2工业机器人国内竞争格局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2/28/2020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全球机器人行业，75%的精密减速机被日本的Nabtesco和HarmonicDrive垄断，日本的Nabtesco在工业机器人关节领域拥有60%的市场占有率交流伺服电机及控制器基本上被日本、德国、美国垄断，日本的安川、松下，德国西门子，美国DeltaTau公司的PMAC1.3.4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±0.3mm，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2.2PMAC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1、集中控制系统用一台计算机实现全部的控制功能，充分利用了PC资源开放性；多种控制卡、传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。系统控制缺乏灵活性，系统实时性差，可靠性低。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：3、分散控制系统按系统的性质和方式将系统分成几个模块，每一个模块有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可是主从关系，也可是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以又称为集散控制系统或分散控制系统。2、主从控制系统采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。2.1机器人控制系统分类机器人集成系统优势：机器人普及为系统集成企业带来发展机遇设备自给化率高的系统集成企业受益更大看好汽车、电子、物流与仓储领域的需求空间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2.1PMAC集成控制系统PMAC是programmultipleaxiscontroller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2.1PMAC集成控制系统PMAC集成控制系统示例PMACPC/HMI用户界面放大器机械输入/输出USBEthernetSerialPCIVME总线LocalGeneralPurposeI/Os/Built-inAnalog/digital/Fieldbus±10VPWMPFMSinusoidalFieldbusBrushBrushlessInductionStepper通讯:机械I/O:命令输出:电机类型:AquadB,Sinusoidal,Serial,Resolver,Incremental,Absolute反馈:电机/编码器机器人控制系统上位机程序人机界面轨迹规划正运动学和逆运动学运算PTPCP三维仿真示教再现与下位机通讯运动状态监控控制指令下载下位机程序伺服控制伺服终端伺服插补与上位机通讯上传关节信息获取指令信息2.1PMAC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ProfibusInterbusCANopenDeviceNetLightbusSercosEthernetDOS/WindowsXP/CEI/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SystemManagerPLCNCPTPI/OServerPLCServerNCPTPServer实时核扩展用户模式VGA显示器ModemRS232C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:WindowsCE操作系统,PLC,NCPTP,TwinCAT应用程序:Windows软件产品和C,C++,VB,Delphi•接口:标准化软