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2024年5月31日发(作者：shellstartup无法启动)
国家标准GB/T12643－90将工业机器人定义为：工业机器是一种能自动定位控制，
可重复编程的，多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各
种作业。
工业机器人不同于机械手。工业机器人具有独立的控制系统，可以通过编程实现动作程
序的变化；而机械手只能完成简单的搬运、抓取及上下料工作，它一般作为自动机或自动线
上的附属装置，工作程序固定不变。
一、工业机器人的组成和分类
（一）工业机器人的组成
工业机器人一般由操作机、驱动装置和控制系统三部分组成。
1.操作机。操作机也称执行机构，由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。
末端执行器又称手部，是操作机直接执行操作的装置。其上可安装夹持器、工具、传感
器等。夹持器分为机械夹紧、磁力夹紧、液压张紧和真空抽吸四种。
手腕是连接手臂与末端执行器的部件，用来支承末端执行器并调整其资态。手腕一般有
2～3个回转自由度，可扩大手臂的工作范围。
手臂用于支承和调整手腕和末端执行器。它由连接杆件和关节组成，包括肘关节和肩关
节。手臂与机座间通过关节边接，从而可扩大末端执行器姿态的动动范围。
机座是承力部件，在机器人中相对固定。有固定式机座和移动式机座。移动式机座下部
的行走机构可以是滚轮或履带。步行机器人的行走机构多为连杆机构。
2.驱动装置。驱动装置为操作机工作提供动力。按所采用的动力源分为电动、液动和气
动三种类型。其执行部件（伺服电动机、液压缸或所缸）可以与操作机直接相连，也可以通
过齿轮、链条和谐波减速器与操作机连接。
3.控制系统。控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统，其功能是控制工业机器人按
照要求动作。目前，工业机器人多采用计算机控制。计算机控制系统一般分为三级：
决策级--识别环境，建立模型，将作业任务分解为基本动作序列；
策略级--将基本动作转变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；
执行级--将基本动作转变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；
（二）工业机器人的分类
1.按坐标形式分。
（1）直角坐标为（代号PPP）。机器人末端执行器（手部）空间位置的改变是通过沿
着三个互相重直的直角坐标x、y、z的移动来实现的。
（2）圆柱坐标式（代号RPP）。机器人末端招待器空间位置的改变是由两个移动坐标
和一个旋转坐标实现的。
（3）球坐标式（代号RRP）。又称极坐标式，机器人手臂的运动由一个直线运动和二
个转动组成，即沿x轴的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。
（4）关节坐标式（代号RRR）。又称回转坐标式，分为垂直关节坐标和平面（水平）
关节坐标。
2.按驱动方式分为电力驱动、液压驱动和气压驱动。
（1）电力驱动。使用最多，驱动元件可以是步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服
电动机。目前交流伺服电动机是主流。
（2）液压驱动。有很大的抓取能力（可抓取高达上千年力），液压力可达7Mpa，液
压传动平稳，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高，对温度敏感。
（3）气压驱动。结构简单、动作迅速、低格低，但由于空气可压缩而使工作速度稳定
性差，气压一般为0.7MPa，因而抓取力小（几十牛力至百牛力）。
3.按控制方式分。
（1）点位控制。只控制机器人末端执行器目标点的位置和姿态，而对从空间的一点到
另一点的轨迹不进行严格控制。该种控制方式简单，适用于上下料、点焊、卸运等作业。
（2）连续轨迹控制。不仅要控制目标点的位置精度，而且还要对运动轨迹进行控制。
比较复杂。采用这种控制方式的机器人，常用于焊接、喷漆和检测等作业中。
4.按使用范围分。
（1）可编程序的通用机器人。其工作程序可以改变，通用性强。适用于多品种，中小
批量的生产系统中。
（2）固定程序专用机器人。根据工作要求设计成固定程序，多采用液动或气动驱动，
结构比较简单。
二、工业机器人的特性参数和技术要求
（一）特性参数
1.坐标型式：直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节坐标等。
2.运动自由度数：一般少于6个。
3.各自由度的动作范围
4.自由度的动作速度
5.额定负载
6.精度
表5-2 工业机器人的主要特性参数
项目名称
坐标型式
说明
常用的坐标型式有直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节坐标等
运动自由度数 自由度数表示机器人动作的灵活程度，机器人的自由度一般少于6个，
也有多于6个的
各自由度的动自由度的动作范围是指各关节的活动范围。各关节的基本动作范围决定
作范围 了机器人操作机工作空间的开头和大小
各自由度的动各自由度的动作速度是指各关节的极限速度
作速度
额定负载 额定负载是指在规定性能范围内，在手腕机械接口处所能随的最大负载
允许值
精度 精度主要包括位姿精度、位姿重复性、轨迹精度、轨迹重复性等。其中，
位姿精度是指指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时各实到位姿与中
心之间的偏差；位姿重复性是指对于同一指令位姿，从同一方向重复向
应几次的实到位置和姿态的一致程度；轨迹精度是指机器人机械接口从
同一方向几闪跟随指令轨迹的接近能力，轨迹精度由位置轨迹精度（指
令轨迹和实际轨迹的位置平均值的中心线之间的最大偏差）和姿态轨迹
精度（指令姿态和实到姿态平均值中心线之间的最大偏差）两方面确定；
轨迹重复性是指对一给定轨迹在同一方向跟随几次的实到轨迹之间的不
一致程度，由位置轨迹重复性的姿态轨迹重复性两个方面确定
（二）技术要求
1.外观和结构。工业机器人要求布局合理、操作方便、造型美观、便于维修；无漏油、
漏气现象；润滑冷却情况良好；机构动动应灵活、平稳、可靠。
2.电气设备。动力线与信号线尽可能分开远离，信号线应采用屏蔽、双绞等抗干扰技术；
在运动中突然停电后，恢复供电时不得自行接通；非接地处的绝缘电阻不得小于5m ；电
子元器件一般应进行老化处理；控制柜应具有良好的通风、散热措施；电源电压波动允许
±10%，频率允许50±1HZ。
3.可靠性。采用平均无故障工作时间（MTBF）及可维修时间（MTTR）作为衡量可靠
性的指标。具体数值由产品标准规定。
4.安全性。安全性要求应满足《工业机器人安全规范》（ＧＢ11291－89）的规定。
三、工业机器人的编程方式
对于重复操作型机器人，所面对的作业任务比较简单，一般采用示教编程方式编程。
对于动作复杂，操作精度要求高的工业机器人（如装机器人），采用工业机器人语言编
程方式编程。
（一）示教编程方式
示教编程分为手反手示教编程和示教盒示教编程。
1.手把手示教编程。实际工作时，工业机器人的控制系统重复再现示教后存储的轨迹和
操作技能。这种编程方式主要用于喷漆、弧焊等要求连续轨迹控制的工业机器人中。这种编
程方式也能实现点位控制，此时控制系统只记录轨迹终点，移动速度按各段轨迹对应的功能
数据输入。
2.示教盒示教编程。
（二）语言编程方式
与计算机编程相同，用程序指令来描述工业机器人的动作。根据工业机器人作业描述水
平的高低，可将工业机器人语言分为三类，即动作级语言、对象级语言和任务级语言。
动作级语言是直接记述工业机器人手臂、手腕等动作的语言系统。语句简单，便于编程，
但不能进行复杂的数学运算，不能接受复杂的传感信息，通信能力差。
对象级语言主要面向作业对象和装配操作，是一种以描述操作物体间关系为中心的语言
系统。这类语言可进行动控制、通信和数学运算，处理传感器信息，具有良好的可扩展性。
任务级语言允许使用者对任务目标直接下达指令，而不必规定任务细节，是比较高级的
机器人语言。
FMC与FMS, CIMS
一、柔性制造单元FMC
柔性制造单元是在加工中心的基础上发展起来的。它增加了机器人或托盘自动交换装
置、刀具和工作的自动测量装置、加工过程的监测装置。与加工中心相比，它具有更好的柔
性，更高的生产率，可实现某些零件的多品种、小批量的加工。
柔性制造单元是一种在人的参与减到最小时，能连续运转地对同一工件族内不同的工件
进行自动化加工的最小单元。
柔性制造单元的构成常有两种形式：
（1）托板存储库式FMC
托板的选定和定位由PLC进行控制。
（2）机器人直接搬运式FMC
这种FMC由加工中心、数控机床配上机器人和工件传输系统组成。有些单元还包括清
洗设备在内。柔性制造单元既可以作为独立使用的加工生产设备，又可作为更大、更复杂的
柔性制造系统和柔性自动线的基本组成模块。
二、柔性制造系统FMS
柔性主要是指加工对象的灵活可变性，即可以很容易地在一定范围内从一种零件的加工
更换为另一种零件的加工。
柔性制造系统是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算信息控制系统和物料自
动储运系统有机结合的整体。它可按任意顺序加工一组有不同工序与加工节拍的工件，能适
时地自由调度管理，因而这种系统可以在设备的技术规范的范围内自动地适应加工工件和生
产批量的变化。
（1）柔性制造系统的基本功能
一般的FMS是基于如下的三个主要功能构成的：
a.自动加工功能（包括检验、清洗等）
b.自动搬运功能；
c.将以上两者综合起来的综合软件功能。
（2）柔性制造系统的组成
a.加工系统。是由加工中心或加工中心与数控机床混合组成的加工设备。机床的配置要
满足"互补"和"互替"两方面的要求。
"互补"是指系统需配置完成不同工序的机床（如车、铣、磨……）在工序上互相补充，
而不能代替。
"互替"是指一个系统中配置有相同的机床，若其中一台机床有故障，另一台相同工序的
机床可以替加工。
除此之外，还有清洗、切屑处理等辅助装置或设备。
b.物流系统。包括工件与刀具夹具的输送、装卸及仓库存储等装置。在 FMS中，工件
夹具的存储多用立体仓库，并由仓库计算机进行控制和管理。
c.信息流系统。该系统为协调多台机床加和物料输送的计算系统。
（3）FMS的柔性
FMS的柔性主要表现在以下几个方面：
a.随机加工能力。即同时加工一个以上零件的能力，并且工件在品种、类型、要求或数
量方面有变化时，都能很好地适应。
b.容忍故障能力。机床出现故障时，可自动安排其他机床代替，工件运输系统会相应调
整工件的运输路线，使之继续运行。
c.工作和生产能力的柔性。
d.系统生产纲领的柔性。
采用柔性制造的主要技术经济效益是：能按装配作业配套要求合理及时地组织零件的加
工，减少毛坯和在制品的库存量及相应的流动资金占有量，缩短生产周期，提高设备利用率，
减少直接劳动力，提高产品质量的一致性。
三、CIMS概述
当今制造业的变化趋势是：每一个企业都力求达到T（时间）、Q（质量）、C（成本）
和S（服务）的最优组合。
CIM是一种工业生产模式，它运用各种最新技术实现企业的住处流、物流及价值流（资
金流）的集成和优化运行，是使企业赢得竞争的经营战略思想。
计算机集成制造系统（Computer integrated manufacturing system,CIMS）是按
CIM哲理建成的复杂的人机系统，它从企业的经营战略出发，综合考虑企业中人、技术和
管理的作用，用各种先进的技术手段，包括计算机硬软件，实现企业生产经营全过程中的信
息流和物流的集成，并在产品质量、生产成本、生产周期等方面达到总体优化，为企业带来
更大的经济效益。
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