本书根据工业机器人在智能制造领域的典型应用案例，梳理其应用背景、

设计原理、仿真过程，引出教学思想，为机器人工程相关专业的教育教学同行

们提供理论指导与实践参考。本书采用“理论知识”与“工程实例”相结合的

叙述方法，结合机器人工程专业本科实践教育的特点，以 ABB 工业机器人焊

接工作站为主线，以当下快速发展的虚拟仿真实验和机器视觉检测技术为两翼，

理论与软件操作相结合，对 ABB 工业机器人焊接工作站、玻璃清洗工作站虚

拟仿真实验、机器视觉缺陷检测系统设计这三个典型案例进行详细分析。

本书可作为本科院校及部分高职院校机器人工程相关专业师生的实验指导

用书，也可为从事工业机器人系统集成设计、编程、调试的工程技术人员提供

理论指导。

前 言

第 1 章　概述................................................................................................................................... 1

1.1　工业机器人系统集成技术 .................................................................................................... 1

1.1.1　系统集成简介 .................................................................................................................. 1

1.1.2　系统集成的应用方向 ...................................................................................................... 2

1.2　工业机器人仿真技术 ............................................................................................................ 4

1.3　典型机器人工作站 ................................................................................................................ 6

1.3.1　机床上下料工作站 .......................................................................................................... 7

1.3.2　焊接工作站 ...................................................................................................................... 9

1.3.3　冲压工作站 .................................................................................................................... 10

1.3.4　视觉搬运工作站 ............................................................................................................ 11

1.4　虚拟仿真技术与 VR 技术 ................................................................................................... 12

1.5　视觉检测技术 ...................................................................................................................... 12

第 2 章　焊接工作站虚拟仿真 ................................................................................................. 14

2.1　相关理论基础 ...................................................................................................................... 14

2.1.1　国内外焊接工作站发展历程 ........................................................................................ 14

2.1.2　国内外虚拟仿真软件发展历程 .................................................................................... 15

2.1.3　机器人的运动学分析 .................................................................................................... 16

2.2　焊接工作站布局设计 .......................................................................................................... 16

2.2.1　总体布局 ........................................................................................................................ 16

2.2.2　转盘装置 ........................................................................................................................ 18

2.2.3　压装或焊接工位 ............................................................................................................ 20

2.2.4　配件上料模组 ................................................................................................................ 20

2.2.5　压装模组 ........................................................................................................................ 22

2.2.6　其他配件 ........................................................................................................................ 23

2.2.7　工作流程与控制要求 .................................................................................................... 25

2.3　仿真布局 .............................................................................................................................. 27

2.3.1　模型导入 ........................................................................................................................ 27

2.3.2　创建工具 ........................................................................................................................ 28

2.3.3　创建机械装置 ................................................................................................................ 31

2.4 Smart 组件设置 .................................................................................................................... 44

2.4.1　装配机器人 Smart 组件设置 ........................................................................................ 45

2.4.2　各机械装置的 Smart 组件设置 .................................................................................... 50

2.4.3 PoseMover 模块设置 ..................................................................................................... 53

2.4.4　焊接机器人 Smart 组件设置 ........................................................................................ 55

2.5　信号连接 .............................................................................................................................. 56

2.5.1　信号创建 ........................................................................................................................ 56

2.5.2　工作站之间的信号连接 ................................................................................................ 58

2.6　本章小结 .............................................................................................................................. 60

第 3 章　虚拟仿真实验 ............................................................................................................... 61

3.1　相关理论基础 ...................................................................................................................... 61

3.1.1　国内外虚拟仿真实验教学发展历程 ........................................................................... 61

3.1.2　虚拟仿真实验教学含义及特点 .................................................................................... 62

3.1.3　虚拟仿真实验教学体系 ................................................................................................ 63

3.2　实验总体描述 ...................................................................................................................... 63

3.2.1　实验教学目标 ................................................................................................................ 64

3.2.2　实验原理 ........................................................................................................................ 64

3.2.3　实验教学过程与实验方法 ............................................................................................ 68

3.3　实验架构与开发设计 .......................................................................................................... 70

3.3.1　网络条件与用户系统 .................................................................................................... 70

3.3.2　技术架构 ........................................................................................................................ 70

3.4　实验步骤与特色 .................................................................................................................. 71

3.4.1　实验教学操作步骤 ........................................................................................................ 71

3.4.2　实验教学特色 ................................................................................................................ 78

3.4.3　教学资源共享 ................................................................................................................ 79

3.4.4　师资队伍建设 ................................................................................................................ 80

3.5　本章小结 .............................................................................................................................. 81

第 4 章　机器视觉缺陷检测系统设计 ................................................................................... 82

4.1　缺陷检测技术简介 .............................................................................................................. 82

4.2 NI 机器视觉简介 ................................................................................................................. 84

4.2.1 NI LabVIEW 简介 ......................................................................................................... 85

4.2.2 NI Vision 简介 ............................................................................................................... 86

4.3　缺陷检测硬件实现方案 ...................................................................................................... 89

4.3.1　缺陷检测系统背景介绍 ................................................................................................ 89

4.3.2　缺陷检测硬件实现方案 ................................................................................................ 89

4.4　缺陷检测算法设计与验证 .................................................................................................. 90

4.4.1　二值化 ............................................................................................................................ 90

4.4.2　获取缺陷图像 ................................................................................................................ 91

4.4.3　缺陷颗粒分析 ................................................................................................................ 94

4.4.4　缺陷分割 ........................................................................................................................ 95

4.5　缺陷检测软件编程实现 ...................................................................................................... 97

4.5.1　导出 VI 源程序 .............................................................................................................. 98

4.5.2　机器视觉软件框架 ...................................................................................................... 100

4.5.3　用户界面及菜单 .......................................................................................................... 103

4.5.4　添加 ROI 及检测结果显示 ......................................................................................... 104

4.5.5　生产日志与操作日志 .................................................................................................. 105

4.5.6　配置文件 ...................................................................................................................... 107

4.5.7 I/O 卡控制 ................................................................................................................... 109

4.5.8　自动运行 ...................................................................................................................... 109

4.6　缺陷检测联机调试 ............................................................................................................ 110

4.7　本章小结 ............................................................................................................................ 111

参考文献........................................................................................................................................ 113

随着智能制造技术的快速发展和工业机器人系统集成的大量应用，该类项目的机械设计与虚拟仿真设计逐渐成为行业技术人员的必备技能。工业机器人工作站项目的复杂性、技术的集成性与调试过程的不确定性，导致许多应用问题在理论和实践中成为难点。本书试图在总结过去研究工作的基础上阐述典型 ABB 工业机器人工作站系统集成设计的基础理论、技术方法、实践应用，为工业机器人系统集成、虚拟仿真实验与机器视觉检测提供理论与实践的基本方法。

在本书中，作者针对市场上占有率较高的 ABB 工业机器人工作站案例，结合作者所在高校近两年来与相关企业合作的项目进行分析，提出一种全新的设计方法和教学理论。本书共分为 4 章：第 1 章为概述，是全书的导论，引出概念和案例，为全书搭起框架；第 2 章为焊接工作站虚拟仿真，以工作站的设计与工业机器人软件仿真为重点，详解设计和仿真的过程，是全书的核心；第 3 章为虚拟仿真实验，以玻璃清洗工作站的实验为背景，分享设计的开发流程；第 4 章为机器视觉缺陷检测系统计，深度讲解了视觉系统的硬件架构、软件操作及调试过程。全书对知识点的讲解以实操为主，运用大量的图片，通俗易懂，结构清晰合理。

本书的研究内容得到了武汉商学院的资助，以及项目合作企业的技术支持，在此向关心作者研究工作的所有单位和个人表示衷心的感谢。另外，作者还要感谢为本书成稿辛苦付出的同事们，本书顺利成稿离不开他们的帮助和支持。本书所参考的研究成果已在文献中列出，在此一并表示感谢。

由于作者水平有限，书中难免有疏漏和不足，衷心希望广大读者朋友批评指正。书中用到的源文件可扫描下方二维码进行下载。