第一章 機器人基礎(chǔ)知識

1.1 機器人概述

“機器人”一詞最早出自1920年捷克作家卡雷爾·恰佩克的科幻小說《羅薩母萬能機器人制造公司》一書，書中的“robot”一詞在捷克文里是勞役和苦工之意，而其英文詞意泛指機器人。機器人的性質(zhì)是模仿人的某些特性，它具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、重復(fù)性，以及具有生物功能的空間三維坐標機器。

隨著人類社會生產(chǎn)力水平的不斷進步，推動了科技的發(fā)展與革新，建立了更加合理的生產(chǎn)關(guān)系。自工業(yè)革命以來，人力勞動已經(jīng)逐漸被機械所取代，而這種變革為人類社會創(chuàng)造出巨大財富，極大地推動了人類社會的進步。在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已經(jīng)成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。國外的汽車、電子電氣、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、提高社會生產(chǎn)效率、推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段，也是提高綜合國力的基本途徑。

自1962 年，美國第一臺工業(yè)機器人誕生之日起，經(jīng)過半個多世紀的飛速發(fā)展，歐美及日本等國逐漸形成種類繁多、功能齊全的機器人系列產(chǎn)品，涉足的領(lǐng)域不斷擴大，制造和應(yīng)用技術(shù)都有了很大的進步。人力勞動逐漸被機械所取代將成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展潮流。時至今天，智能化機器人技術(shù)應(yīng)運而生，人類充分發(fā)揮主觀能動性，進一步增強對機械的利用效率，使之為我們創(chuàng)造出更加巨大的生產(chǎn)力，并在一定程度上維護了社會和諧。工業(yè)機器人的出現(xiàn)將成為人類在利用機械進行社會生產(chǎn)史上的一個里程碑，它使人類從繁重單一的勞動中解放出來，而且它還能夠從事一些不適合人類甚至超越人類的勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著生產(chǎn)力水平的逐步提高，必將促進科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展。工業(yè)機器人將以更大的規(guī)模進入人們的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。

國際知名企業(yè)——日本松下產(chǎn)業(yè)機器株式會社，已有30 余年的機器人生產(chǎn)歷史，它以焊接機器人為發(fā)展方向，憑借自產(chǎn)焊接電源的組合優(yōu)勢，于20世紀90年代進入中國市場，以其優(yōu)良的品質(zhì)、先進的服務(wù)理念，逐漸成為焊接機器人市場中的主流品牌，在汽車制造、工程機械、摩托車、自行車、健身器材、醫(yī)療器械、電子電氣等諸多行業(yè)得以廣泛應(yīng)用，極大地推動了我國的焊接機器人應(yīng)用進程。本書將以松下焊接機器人為范本，著重講述機器人的編程操作及其在電弧焊領(lǐng)域里的應(yīng)用。

1.1.1 工業(yè)機器人

1.工業(yè)機器人的定義

工業(yè)機器人是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機器人總稱，根據(jù)國家標準，工業(yè)機器人可以理解為擬人手臂、手腕和手功能的機械電子裝置，如圖1-1所示。它可以把任一物件或工具按空間位置、姿態(tài)的時變要求進行移動，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求。工業(yè)機器人的特點是：①具有移動功能；②實現(xiàn)自動控制下的工作；③作業(yè)內(nèi)容的再編程（可實現(xiàn)重復(fù)作業(yè)）。工業(yè)機器人通常由三部分組成：機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。

工業(yè)機器人按用途分類有弧焊、點焊、裝配、搬運等不同用途的機器人，其中，完成對工件實施焊接的機器人通稱為焊接機器人。

2.機器人學(xué)遵循的三原則

第1條 機器人不可傷害人類。當(dāng)人類受到傷害時，不可坐視不管。

第2條 機器人必須遵從人類的命令。但當(dāng)違背了第1條時，則不在此限。

第3條 機器人應(yīng)在不違背第1條、第2條的前提條件下，保全自己。

3.工業(yè)機器人發(fā)展歷史（截取部分事件和時間節(jié)點）

1962年 美國推出首臺實用機器人（Unimation公司）。

1967年Unimate芭沙托郎（音譯）在日本初登錄。

1972年 日本機器人工業(yè)會（JIRA）成立。

1974年 瑞典開發(fā)出最早的電動多關(guān)節(jié)機器人（Aaea公司）。

1974年 日本發(fā)那科開發(fā)自用機器人。

1977年 日本安川電機發(fā)布莫托曼。

1980年 日本松下發(fā)布Pana Robo。

1980年 日本川重發(fā)布Puman（音譯）。

4.工業(yè)機器人的優(yōu)勢

工業(yè)機器人除能夠替代人的手工勞動，在繁重、危險、苛酷的環(huán)境里工作外，還具有生產(chǎn)效率高（是人工效率的2～3倍），工作時間長（可24小時連續(xù)作業(yè)），綜合成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好、易于實現(xiàn)生產(chǎn)自動化等諸多優(yōu)點，相比傳統(tǒng)的自動焊接專用機器，機器人的柔性化系統(tǒng)更加適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)，它一經(jīng)問世即得到世界各國的廣泛關(guān)注。

1.1.2 機器人的編程類型

（1）操作型機器人：能自動控制，可重復(fù)編程，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。

（2）程控型機器人：按預(yù)設(shè)的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。

（3）示教再現(xiàn)型機器人：通過引導(dǎo)或其他方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。

（4）數(shù)控型機器人：不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。

（5）感覺型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。

目前的弧焊機器人大多屬于示教再現(xiàn)型機器人。

1.1.3 機器人操作安全

1.機器人安全注意事項

（1）安裝和維修機器人作業(yè)時，應(yīng)關(guān)閉總電源（空氣開關(guān)）

在進行機器人的安裝、維修和保養(yǎng)時切記要將總電源關(guān)閉。帶電作業(yè)可能會產(chǎn)生致命性后果。如不慎遭高壓電擊，可能會導(dǎo)致心跳停止、燒傷或其他嚴重傷害。

（2）與機器人保持足夠的安全距離

嚴禁無關(guān)人員在機器人工作范圍內(nèi)活動，沒有防護欄的機器人系統(tǒng)應(yīng)設(shè)定安全警戒線，機器人工作時，所有人員應(yīng)撤離到安全線以外。

工作人員在調(diào)試與運行機器人時，機器人可能會執(zhí)行一些意外的或不規(guī)范的動作。并且，所有的運動都會產(chǎn)生很大的力量，從而嚴重傷害個人或損壞機器人工作范圍內(nèi)的任何設(shè)備，所以，應(yīng)時刻警惕與機器人保持足夠的安全距離。

（3）靜電放電的防范

ESD（靜電放電）是電勢不同的兩個物體間的靜電傳導(dǎo)，它可以通過直接接觸傳導(dǎo)，也可以通過感應(yīng)電場傳導(dǎo)。搬運部件或部件容器時，未接地的人員可能會傳導(dǎo)大量的靜電荷。這一放電過程可能會損壞敏感的電子設(shè)備。所以在有靜電放電標識的情況下，要做好防靜電工作（防靜電服、防靜電工具等）。

（4）緊急停止

緊急停止優(yōu)先于任何其他機器人控制操作，它會斷開機器人電動機的驅(qū)動電源，停止所有運行部件，并切斷由機器人系統(tǒng)控制且存在潛在危險的功能部件的電源。出現(xiàn)下列情況時請立即按下任意緊急停止按鈕（紅色）。

① 機器人運動中，工作區(qū)域內(nèi)有工作人員。

② 機器人將要傷害工作人員或損傷機器設(shè)備。

（5）滅火

發(fā)生火災(zāi)時，請確保全體人員安全撤離后再行滅火。應(yīng)首先處理受傷人員。當(dāng)電氣設(shè)備（如機器人或控制器）起火時，使用二氧化碳滅火器。切勿使用水或泡沫滅火。

（6）工作中的安全

機器人移動速度可能很快，并且很重、力度很大。運動中的停頓或停止都會產(chǎn)生危險。即使可以預(yù)測運動軌跡，但外部信號有可能改變操作，會在沒有任何警告的情況下，產(chǎn)生預(yù)想不到的運動。因此，當(dāng)進入機器人工作范圍時，務(wù)必遵循所有的安全條例。

① 如果在機器人工作范圍內(nèi)有工作人員時，停止操作或手動操作機器人系統(tǒng)。

② 當(dāng)人員必須進入通電的機器人工作范圍時，另一個人請拿好示教器，以便隨時控制機器人。

③ 注意旋轉(zhuǎn)或運動的工具，如切削工具和鋸，確保在接近機器人之前，這些工具已經(jīng)停止運動。

④ 注意工件和機器人系統(tǒng)的高溫表面，因為機器人的電機長期運行后溫度會很高。

⑤ 注意夾具并確保夾好工件。如果夾具打開，工件會脫落并導(dǎo)致人員傷害或設(shè)備損壞。夾具非常有力，如果不按照正確方法操作，也會導(dǎo)致人員傷害。

⑥ 注意液壓、氣壓系統(tǒng)及帶電部件。即使斷電，這些電路上殘余的電量也很危險。

（7）示教器的安全

示教器（TP）是一種高科技的手持式終端，其零部件非常昂貴，目前全部依賴進口，為避免操作不當(dāng)引起的故障或損傷，請在操作時小心慎重。

① 機器人的示教器在任何情況下的摔打、磕碰都有可能造成其損壞。拋擲或重擊示教器更會導(dǎo)致其破損或故障。在停止示教時，要將它掛到專門存放它的指定位置上，以防意外摔到地上。

② 示教器的控制電纜線應(yīng)順放在人踩踏不到的位置，并留有寬松的距離，使用時應(yīng)避免用力拉拽和踩踏控制電纜。

③ 切勿劃傷或磨損顯示屏，造成顯示模糊不清。

④ 定期清潔示教器屏幕，使其保持清潔。使用軟布蘸少量水或中性清潔劑輕輕擦拭。切忌使用溶劑、洗滌劑或擦洗海綿清潔。

⑤ 沒有連接USB設(shè)備時，務(wù)必蓋上USB端口保護蓋。如果端口長時間暴露在灰塵中會使它發(fā)生中斷、接觸不良等故障。

（8）手動模式下的安全

在手動模式下，機器人的空走速度設(shè)定在中速（10m/min）移動。初學(xué)者必須在安全設(shè)定數(shù)據(jù)之內(nèi)工作，應(yīng)始終以中、低速進行操作示教。

手動模式下，示教移動機器人時，有快、中、慢速度切換。初學(xué)者應(yīng)切換到中速或慢速移動，需提高機器人移動速度時，操作人員必須經(jīng)過一定時間的訓(xùn)練，應(yīng)熟知潛在危險。

（9）自動模式下的安全

自動模式用于生產(chǎn)或試驗中運行的機器人程序。在自動模式操作情況下，常規(guī)模式停止機制（GS）、自動模式停止機制（AS）和上級停止機制（SS）都要處于可控狀態(tài)。

（10）檢查、維護及保養(yǎng)

機器人應(yīng)定期檢查、保養(yǎng)、清潔，發(fā)現(xiàn)異常問題要及時處理解決，以保證機器人在正常情況下使用。避免用潮濕的抹布擦試機器人、示教器和控制柜。

（11）機器附帶的警告標簽中的警告符號和信號名稱，如表1-1和表1-2所示。

2.機器人操作規(guī)程

（1）機器人送電程序：先合上空氣開關(guān)，再打開機器人變壓器電源開啟按鈕，其次打開焊接電源開關(guān)，最后旋開機器人控制柜電源。

（2）機器人斷電程序：先旋閉機器人控制柜電源，后關(guān)閉焊接電源開關(guān)，其次切斷機器人變壓器電源，最后拉下空氣開關(guān)。

（3）機器人控制柜送電后，系統(tǒng)啟動（數(shù)據(jù)傳輸）需要一定時間，要等待示教器的顯示屏進入操作界面后再進行操作。

（4）操作機器人之前，所有人員應(yīng)退至安全區(qū)域（警戒安全線以外。）

（5）示教過程中要將示教器時刻拿在手上，不要隨意亂放，左手套進掛帶里，避免失手掉落。電纜線順放在不易踩踏的位置，使用中不要用力拉拽，應(yīng)留出寬松的長度。

（6）從操作者安全角度考慮已預(yù)先設(shè)定好一些機器人運行數(shù)據(jù)和程序，初學(xué)者未經(jīng)許可不要進入這些菜單進行更改，以免發(fā)生危險。操作中如遇到異常提示應(yīng)及時報告指導(dǎo)教師處理，不要盲目操作。

（7）機器人動作中如遇危險狀況時，應(yīng)及時按下緊急制動開關(guān)，使機器人停止，以免造成人員傷害或物品損壞。

（8）程序編好后，用跟蹤操作把程序空走一遍，逐行修改軌跡點，檢查行走軌跡和各種參數(shù)準確無誤后，旋開保護氣瓶的閥門，然后，按亮示教器上的檢氣圖標，調(diào)整流量計的懸浮小球，關(guān)閉檢氣，把光標移至程序的起始點。

（9）進行焊接作業(yè)前，先將示教器掛好，鑰匙旋轉(zhuǎn)到“Auto”側(cè)，打開除煙塵設(shè)備后，按下機器人啟動按鈕。觀察電弧時，應(yīng)手持面罩，避免眼睛裸視或皮膚外露而被弧光灼傷，發(fā)現(xiàn)焊接異常應(yīng)立刻按下停止按鈕，并做好記錄。

（10）結(jié)束操作后，將模式開關(guān)的鑰匙旋轉(zhuǎn)到“Teach”側(cè)，關(guān)閉除塵器設(shè)備，旋閉保護氣瓶上的氣閥，放空氣管內(nèi)的殘余氣體，將機器人歸為初始原位，退出示教程序，然后按要求關(guān)閉電源，把示教器的控制電纜線盤整理放好，將示教器掛在指定的位置，整理完現(xiàn)場后離開。