未来工厂与工业机器人
第6章 数控机床与自动化工厂
2
国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：
（（11））美国机器人协会美国机器人协会(RIA)(RIA)的定义的定义：：机器人是“一种用于某
著名企业各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程
序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手
(manipulator)”。
（（22））日本工业机器人协会日本工业机器人协会(JIRA)(JIRA)的定义：的定义：工业机器人是“一
种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的，能够转动
并通过自动完成各种某著名企业来代替人类劳动的通用机器
”。
一、工业机器人的定义
3
（（33））美国国家标准局美国国家标准局(NBS)(NBS)的定义的定义：机器人是“一种能够进
行编程并在自动控制下执行某些操作和某著名企业作业任务
的机械装置”。
（（44）） 国际标准化组织国际标准化组织(ISO)(ISO)的定义：的定义：“机器人是一种自动的、
位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具
有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、
工具和专用装置，以执行种种任务”。
一、工业机器人的定义
4
（（55））我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动
化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似
的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能
力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。
一、工业机器人的定义
5
机器人的四大特征
仿生特征：模仿人的肢体动作
自动特征：自动完成作业任务
柔性特征：对作业具有广泛适应性
智能特征：具有对外界的感知能力
6
一、工业机器人的定义
在工业领域内应用的机器人我们称为工业机器人。
通常对工业机器人的定义是：工业机器人是一种能模拟人
的手、臂的部分动作, 按照预定的程序、轨迹及其它要求, 实
现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。
7
工业机器人以刚性高的机械手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动
速度，可以搬更重的东西，而且定位精度相当高。它可以很据外部来的
信号，自动进行各种操作。
工业机器人是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，
是典型的机电一体化的产品。
工业机器人在实现智能化、多功能化、柔性自动化生产、提高产品质量、
代替人在恶劣环境条件下工作中发挥重大作用。
一、工业机器人的定义
8
二、 工业机器人的组成
9
二、 工业机器人的组成
执行机构 （1、3）
控制系统（2）
驱动系统（液压缸、电机等）
检测系统
工
业
机
器
人
10
各组成部分关系
控制系统 驱动系统 执行机构 操作对象
检测系统
11
二、 工业机器人的组成
1. 执行机构：一种具有和人手臂相似的动作功能，
可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，
通常包括：机座、手臂、手腕和末端执行器；
12
二、 工业机器人的组成
(1)末端执行器（或称手部）是机器人直接执行工作的装置，
可安装夹持器、工具、传感器等。
夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。
在手部安装的某些专用工具，
如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺
帽拧紧器等，可视为专用的特
殊手部。
13
二、 工业机器人的组成
(2)手腕 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，用以调整末端
执行器的方位和姿态。
(3)手臂 手臂是支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节
和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。
(4)机座 机座是工业机器人的基础部件，承受相应的载荷，机
座分为固定式和某著名企业式两类。
14
二、 工业机器人的组成
2、控制系统是机器人的大脑，支配着机器人按规定
的程序运动，并记忆人们给予的指令信息(如动作顺
序、运动轨迹、运动速度等)，同时按其控制系统的
信息控制执行机构按规定要求动作。
15
二、 工业机器人的组成
采用计算机控制的工业机器人，控制系统分成决策级、策略
级和执行级三级。
决策级的功能是识别环境、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；
执行级给出各关节伺服系统的具体指令。
16
二、 工业机器人的组成
3.驱动系统 驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号
放大，驱动执行机构运动的传动装置。
常用的有电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。
有些机器人采用这些驱动方式的组合, 如电—液混合驱动和气
—液混合驱动等驱动方式。
17
二、 工业机器人的组成
4、位置检测系统
主要检测工业机器人执行系统的运动位置、状态，并随
时将执行系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的
位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行系
统以一定放入精度达到设定位置状态。
常用力、位置、触觉、视觉等传感器
18
工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性。
在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标：
(1) 自由度。工业机器人的运动自由度是指各关节在三维空间
对于固定坐标系具有的独立运动。各关节自由度的总和就是
工业机器人的自由度数。
三、 工业机器人的性能特征
19
20
21
2.按控制方式分
（1）点位控制(Point to Point)
机器人 运动为空间点到点之间的直线运动，不涉及
两点之间的某著名企业轨迹，
只在目标点处控制机器人末端执行器的位置和姿态。
特点：控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。
22
（2）连续轨迹控制（Continuous Path）
机器人 运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。
机器人在空间的整个运动过程都要控制，
末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态。
23
3.按信息输入方式分
（1）人操作机械手 是一种由操作人员直接进行操
作的具有几个自由度的机械手。
（2）固定程序机器人 按预先规定的顺序、条件和
位置，逐步地重复执行给定的作业任务的机械手。
（3）可变程序机器人它与固定程序机器人基本相同，
但其工作次序等信息改。
24
特点： 结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附设在
加工中心机床上的自动换刀机械手。
（4）程序控制机器人 具有 独立的控制系统，作业任务指
令是由计算机程序向机器人提供的，其控制方式与数控机床
一样。
特点： 结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，
适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。
25
（5）示教再现机器人 这类机器人能够按照记忆装
置存储的信息来复现由人示教的动作。其示教动
作可自动地重复执行。
（6）智能机器人 采用传感器来感知工作环境或
工作条件的变化，并借助其自身的决策能力，完
成相应的工作任务。
26
五、 工业机器人的发展趋势
（1）提高工作速度和运动精度，减少自身重量和占地面积。
（2）加快机器人部件的标准化和模块化，将各种功能（回
转、伸缩、俯仰、摆动等）机械模块与控制模块、检测模块
组合成结构和用途不同的机器人。
（3）采用新型结构，如微动机构、多关节手臂、类人手指、
新型行走机构等，以适应各种作业需要。
27
（4）研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、
听觉和测距传感器等，来获取有关工作对象和
外部环境的信息，使其具有模式识别的能力。
（5）利用人工智能的推理和决策技术，使机
器人具有问题求解、动作规划等功能。
工业机器人的轨迹规划
机器人的规划
机器人的工作原理示意图
（2）机器人PTP控制和CP控制
（3）关节空间轨迹规划和直角空间轨迹规划
例：设机械手的某个关节的起始关节角θ0=15o，
并且机械手原来是静止的，要求在3秒内平滑地运动
到θf=75o时停下来（即要求在终端是速度为0）。规
划处满足上述条件的平滑运动的轨迹，并画出关节
角位置、角速度及角加速度随时间变化的曲线。
抛物线连接的线性函数插值
线性函数插值
（3）轨迹的实时生产
对上式求导，可以得到速度和加速度：
计算机集成制造技术
计算机集成制造系统puter Integrated Manufacturing
System 简称CIMS)最早由美国的约瑟夫·于1973年提
出的，哈林顿强调，一是整体观点，即系统观点，二
是信息观点，二者都是信息时代组织、管理生产最基
本、最重要的观点。
CIMS的功能组成
CIMS一般由六部分组成：管理信息集成分系统、工程设
计集成分系统、制造自动划集成分系统、质量保证集成
分系统、 计算机网络集成分系统和CIMS分数据库系统
管理信息集成分系统基本结构
工程设计集成分系统
1）CAD/CAPP/CAM
2）CAD子系统及功能
3）三维几何造型
4）有限元分析
5）优化设计
CAD的鲜明特征主要有以下：
1）强调产品设计过称中计算机的参与和支持。
2）强调计算机的辅助作用。
3）不可能也没有必要设计设计产品的所有环节。
CAD的关键技术的实现涉及到以下的关键技术：
1）产品的造型建模技术。
2）单一数据库与相关性设计。
3）NURBS曲面造型技术。
4）CAD与其他CAX系统的集成技术。
5）标准化技术。
（3）制造自动划集成分系统
主要包括：专用自动化机床，分布式数控系统（DNC），柔性制造单元
（FMC）,柔性制造系统（FMS）等，它主要有以下几部分组成：控制及
信息处理部分；伺服装置部分；机械本体部分；传感检测部分。
（4）质量保证集成分系统
质量保证集成分系统的功能主要有：
1）质量计划功能。而其又包含检测计划生成，检测规则生成以及检测
程序的生成。
2）质量检测功能。
3）质量评价与控制功能。
4）质量信息管理功能。
质量保证集成分系统结构
CIMS 的关键技术
（1）共享数据库
（2）产品结构表（BOM）自动生成
图 产品结构表（BOM）的树状结构
智能制造系统（IM）
智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一
种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系
统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、
判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，
去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑
力劳动。
• 智能制造应当包含智能制造技术
(intelligent manufacturing technology，
IMT )
• 和智能制造系统
• ( intelligent manufacturing system ，
IMS) 。
全球智能制造发展趋势：
1．以3D打印为代表的“数字化”制造技术崭露头角。
2．智能制造技术创新及应用贯穿制造业全过程。
3．世界范围内智能制造国家战略空前高涨。
2.智能制造技术的发展现状
日本于1989年提出智能制造系统，且于1994年启动了先进制造国
际合作研究项目，其中包括公司集成和全球制造、制造知识体系、分
布智能系统控制、快速产品实现的分布智能系统技术等。美国于1992
年执行新技术政策，大力支持包括信息技术和新的制造工艺，智能制
造技术在内的关键重大技术。欧盟于1994年启动新的研发项目，选择
了39项核心技术，其某著名企业息技术、分子生物学和先进制造技术
中均突出了智能制造技术的地位。
国外发展现状
2.智能制造技术的发展现状
2001年6月，美国正式启动包括工业机器人在内的“
先进制造伙伴计划”；2012年2月，又出台“先进制造业
国家战略计划”，提出通过加强研究和试验税收减免、扩
大和优化政府投资、建设“智能”制造技术平台以加快智
能制造的技术创新；2012年设立美国制造业创新网络，并
先后设立增才制造创新研究院和数字化制造与设计创新研
究院。德国于2013年正式实施以智能制造为主体的“工业
”战略，巩固其制造业领先地位。
国外发展现状
20112011年年
11月月
20122012年年
4~104~10月月
20142014年年
44月月
20122012年年
33月月
20132013年年
44月月
工业发展战略
发布；由VDMA
、 B I T K O M、
ZVEI组成秘书处，
组建工业平台
工业平台发布
白皮书（实施计划）
20102010年年
德国科学-产业经济研究联盟与德
国 国 家 科 学 与 工 程 院
（Acatech）共同制定工业发
展 战 略
《德国2020高技术战略》行
动计划发布，11个“未来项
目”缩减为10个（投资84亿
欧元）；“工业”一词首
次出现（投资2亿欧元）
在德国科学-产业经济研究联
盟 （ Forschungsunion
Wirtschaft-Wissenschaft）
的倡导下，开始研究工业
《德国2020高技术战略》发布，
并重点推出11个“未来项目”
工业 的提出
工业概念
什么是工业
通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来，创造前
所未有的价值、构建新的商业模式的产官学一体的项目。“工业”概念
包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个
高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统
的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的
过程正在发生改变，产业链分工将被重组。
主要是通过CPS（信息物理系统），总体掌控从消费需求到生产制造的所有过程，
由此实现高效生产管理。
实现方式
本质 是基于“CPS”实现“智能工厂”
核心 是动态配置的生产方式实现“柔性生产”
关键 是信息技术应用实现生产力飞速发展
愿景 是解决能源消费等社会问题
工业的智能制造
工业 的两大主题
智能工厂：智能化生产系统及过程，
以及网络化分布式生产设施的实现。
智能生产：整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D
技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注
重吸引中小企业参与，力图使中小企业
成为新一代智能化生产技术的使用者和
受益者，同时也成为先进工业生产技术
的创造者和供应者。
智能物流：主要通过互联网、物联网、务联网，整合物
流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，
则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。
工业的三个重点、八大关键
工业的愿景
工业与工业有哪些不同？
大规模定制的优势
成本低
效率高
交货快
品种多
个性化
大规模定制生产
大规模生产
品种单一
标准化
定制生产
成本高
效率低
交货慢
制造强国建设三个十年“三步走”的战略
中国制造2025战略介绍
力争用十年时间，
迈入制造强国行
列。
第一个十年第一个十年
到 2035年 ，
我国制造业整
体达到世界制
造强国阵营中
等水平。
第二个十年第二个十年
新中国成立一
百年时，制造
业大国地位更
加巩固，综合
实力进入世界
制造强国前列。
第三个十年第三个十年
2025 2035 2045
5项
方针
创新驱动
质量为先
绿色发展
结构优化
人才为本
中国制造2025战略介绍
中国制造2025战略介绍
10大重点领域
新一代信
息通信技
术产业
航空航天
装备
先进轨道交
通装备
电力装备 新材料
高档数控
机床和机
器人
海洋工程
装备及高
技术船舶
节能与新
能源汽车
农机装备 生物医药
及高性能
医疗器械
到2020年，制造业重点领域智
能化水平显著提升，试点示范
项目运营成本降低30%，产品
生产短30%，不良品率降低
30%。到2025年，制造业重点
领域全面实现智能化，试点示
范项目运营成本降低50%，产
品生产短50%，不良品率降低
50%。
紧密围绕重点制造领
域关键环节，开展新
一代信息技术与制造
装备融合的集成创新
和工程应用。
支持政产学研用
联合攻关，开发
智能产品和自主
可控的智能装置
并实现产业化。
依托优势企业，紧扣关键
工序智能化、关键岗位机
器人替代、生产过程智能
优化控制、供应链优化，
建设重点领域 智能工厂/
数字化车间。
在基础条件好、需求迫切的重
点地区、行业和企业中，分类
实施流程制造、离散制造、智
能装备和产品、新业态新模式、
智能化管理、智能化服务等试
点示范及应用推广。
建立智能制造标
准体系和信息安
全保障系统，搭
建智能制造网络
系统平台。
智能制造工程
中国制造2025战略介绍
该生产什么
质量
管控
智能制造发展方向：车间智能化
全局生产管控
Whattoproduce Statusofequipment
设备状态
Overallproductionmonitoringandcontrol
Workinstruction
作业指导
Productionstatistic
生产统计
Qualitycontrol
物料准时配送
JITmaterialdelivering
生产防错系统
Error-proofing
产品及时发运
Productdelivering
2012年中国工业机器人销量为万台；我国达到世界水平时将有380亿工业
机器某省市场空间，1140亿工业机器人系某省市场空间
焊接、装配、喷漆、码垛、搬运
世界工业机器人安装总量
智能制造关键技术：机器人
全球年增长率9%
中国年增长率17%
智能制造关键技术：3D打印
3D打印技术：增材工艺，缩短生产，减少对环境的影响，提高原材
料和能源使用效率
• 高速通讯网络协议
• 资料共享技术
• 信息安全技术
智能制造关键技术：数字化制造
• 数字化建模
• 虚拟设计
• 创新设计
• 数字样机设计
• 面向制造DFM
• 智能控制技术
• 高速高精度驱动
• 嵌入式数字制造
• 远程诊断
• 智能维护
数字控制 生产管理
• 控制传感技术
• 实时信息管理技术 • 信息集成技术
• 数字化车间技术
• 制造系统建模
• 决策控制
智慧物流：供应链车辆引导与卸货管理
解决方案：通过RFID、智能交通技术，结合厂区物料供应需求，实现厂区供应商车
辆预约、排队、身份识别，厂区卸货资源智能化分配；
方案价值：实现物料拉动式供应链模式，实现厂区物流资源疏导，实现对供应链
车辆的入厂时间、卸货资源安排指引、时间控制，提高厂区物流资源利用率。
智能车辆物流及卸货：美的微波炉地是亚洲最大的微波
炉生产基地，年产量亚洲第一
应用案例：美的某部门
虚拟制造技术
虚拟制造技术的内涵
1、定义
虚拟制造作为一个全新的概念，是信息时代制造技术的重要标
志。
佛罗里达大学Gloria J Wiens:
虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造
过程，其中虚拟模型是在实际制造之前，用于对产品的功能和可制
造性的潜在问题进行预测。
着眼于“结果”
美国空军Wright实验室：
虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强
各层制造设计和生产决策与控制。
着眼与“手段”
虚拟制造技术的定义：
是一门以计算机仿真技术、制造系统与加工过程建
模理论、VR技术、分布式计算理论、产品数据管理技术
等为理论基础，研究如何在计算机网络环境及虚拟现实
环境下，利用制造系统各层次及各环节的数字模型，完
成制造系统整个过程的计算与仿真的技术。
虚拟制造的关键技术
（1）虚拟现实VR技术
（2）基于功能单元建模的模型集成、重用、衍生等技术
（3）各种仿真技术
（4）产品样机数字化技术
（5）人机交互技术
（6）虚拟装配与检测技术
（7）网络和硬件设备技术
（8）数据库技术与多媒体技术
（9）先进的组织支持
虚拟设计与装配技术
虚拟实验技术
虚拟生产技术
虚拟制造技术的应用
福特汽车公司的数字原型件
虚拟制造技术的应用
波
音7
7
7
飞
机
数
字
化
装
配
虚拟制造技术的应用
• 清华大学在国家863/CIMS主题
重大关键技术攻关项目的支持
下，开展了剑杆织机的虚拟产
品开发，进行了剑杆织机的三
维数字建模及产品性能分析、
加工过程仿真、虚拟装配技术
等技术的研究与应用，并建立
了具有相当共性的支持创设计
的虚拟产品开发环境。
•
虚拟制造技术的应用
太
原
机
车
厂
的
工
程
作
业
车
外
形
设
计
虚拟制造技术的应用
V
R
中
反
铲
装
载
车
模
型
虚拟制造技术的应用
V
R
中
反
铲
装
载
车
模
型
虚拟制造技术的应用
虚拟制造技术的应用
有限元分析
虚拟制造技术的应用
有限元分析
虚拟制造技术的应用
虚拟加工
虚拟制造技术的应用
虚拟加工
虚拟制造技术的应用
虚拟测试
虚拟制造技术的应用
虚拟测试
虚拟制造技术的应用
• 虚拟现实可以把房间结构、外形等
构思变成看得见的虚拟物体和环境，使
以往只能借助传统的设计模式提升到
数字化的即看即所得的完美境界，
大大提高了设计和规划的质量与效
率。运用虚拟现实技术，设计者可
以完全按照自己的构思去构建装饰
“虚拟”的房间，并可以任意变换
自己在房间中的位置，去观察设计
的效果，直到满意为止。既节约了
时间某省市了做模型的费用。
虚拟制造技术的应用
• 模拟训练一直是军事与航天
工业中的一个重要课题，这
为虚拟环境提供了广阔的应
用前景。美国国防部高级研
究计划局DARPA自80年代
起一直致力于研究称为
SIMNET的虚拟战场系统，
以提供坦克协同训练，该系
统可联结200多台模拟器。
另外利用虚拟现实技术，可
模拟零重力环境。
虚拟制造技术的应用
虚拟制造技术的应用
虚
拟
环
境
与
工
具
