玻璃、陶瓷工業(yè)加工用的工業(yè)機(jī)器人

玻璃、陶瓷加工業(yè)工業(yè)機(jī)器人2012年5月22日星期二機(jī)自091學(xué)號(hào)09楊超指導(dǎo)教師：玻璃、陶瓷加工業(yè)用的工業(yè)機(jī)器人通過上網(wǎng)查資料，我了解到2010年的時(shí)候，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人總有量已經(jīng)超10000臺(tái)，約占全球總數(shù)的0.6%。同時(shí)，需求量將會(huì)超過3000臺(tái)。中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)將進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。這主要是由于我們國(guó)家現(xiàn)在正處的國(guó)情和所處的世界境遇?，F(xiàn)在機(jī)器人已經(jīng)慢慢融入到我們的社會(huì)的各行各業(yè)。同時(shí)，也在不斷地給我們的工業(yè)發(fā)展帶來諸多便利。那么，下面我就對(duì)工業(yè)機(jī)器人在玻璃、陶瓷加工業(yè)方面做些探討與分析工業(yè)機(jī)器人在這個(gè)行業(yè)的發(fā)展前景做些設(shè)想?；诓Ａ?、陶瓷產(chǎn)業(yè)大家相比不會(huì)感覺很陌生。而工業(yè)機(jī)器人雖然已經(jīng)進(jìn)入大家的視線很多年，但是我相信大家對(duì)于機(jī)器人多少還會(huì)感覺一點(diǎn)陌生感吧！那么，我就從這個(gè)陌生的機(jī)器人先給大家講起。一、 工業(yè)機(jī)器人的由來：1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1959年UNIMATION公司的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)誕生，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。最早的關(guān)節(jié)機(jī)器人UNIMATION的VALCveryadvantagelanguage）語(yǔ)言也成為機(jī)器人領(lǐng)域最早的編程語(yǔ)言在各大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)中傳播，也是各個(gè)機(jī)器人品牌的最基本范本。其機(jī)械結(jié)構(gòu)也成為行業(yè)的模板。其后，UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收購(gòu)，并利用STAUBLI的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步得以改良發(fā)展。日本第一臺(tái)機(jī)器人由KAWASAKI從UNIMATION進(jìn)口，并由kawasaki模仿改進(jìn)在國(guó)內(nèi)推廣。二、 工業(yè)機(jī)器人的定義：工業(yè)機(jī)器人的定義在國(guó)際上還沒有統(tǒng)一的規(guī)定.但普遍認(rèn)為它是“在三維空間中,具有高自由度，能進(jìn)行多種動(dòng)作功能的設(shè)備”?，F(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人可定義為“具有類似人體上肢臂、手動(dòng)作功能的、可進(jìn)行多種動(dòng)作的設(shè)備，或具有感覺功能、認(rèn)識(shí)功能，能進(jìn)行自律性行動(dòng)的設(shè)備，即智能機(jī)器人”。三、 工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)：（1）技術(shù)先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進(jìn)制造技術(shù)于一體，通過對(duì)過程實(shí)施檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動(dòng)化水平的最高體現(xiàn)。（2）技術(shù)升級(jí)工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化成套裝備具備精細(xì)制造、精細(xì)加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點(diǎn)，是繼動(dòng)力機(jī)械、計(jì)算機(jī)之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。（3） 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測(cè)、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件、工程機(jī)械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。（4） 技術(shù)綜合性強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化成套技術(shù)，集中并融合了多項(xiàng)學(xué)科，涉及多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及仿真、機(jī)器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、模塊化程序設(shè)計(jì)、智能測(cè)量、建模加工一體化、工廠自動(dòng)化以及精細(xì)物流等先進(jìn)制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強(qiáng)。四、 工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力源：目前工業(yè)機(jī)器人使用的動(dòng)力源有電氣式、液壓式、氣動(dòng)式、機(jī)械式及真空吸附和磁力式等，在電氣式動(dòng)力源中多用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。伺服電機(jī)與微型機(jī)相結(jié)合，可以完成各種控制，所以被廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)器人上。直線運(yùn)動(dòng)的部件直接采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于不需要運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，所以具有高速、高精度的優(yōu)良控制性能。不斷發(fā)展和改進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)由于能適應(yīng)多種控制形式而在工業(yè)機(jī)械人中得到廣泛的普及。在液壓動(dòng)力源中，噴嘴擋板式電液伺服閥可獲得高精度的位置和速度控制是應(yīng)用最廣泛的控制元件。氣動(dòng)式動(dòng)力源所使用的介質(zhì)是可壓縮的氣體，所以給控制帶來很大困難，只限于在單純作雙位置動(dòng)作控制時(shí)采用。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源的小型、高輸出，多自由度，文章還報(bào)道了目前正在開發(fā)的超聲波馬達(dá)、記憶合金驅(qū)動(dòng)元件以及生物微型機(jī)械手用壓電動(dòng)力源等五、 工業(yè)機(jī)器人在玻璃行業(yè)的應(yīng)用：1、（1）某平板玻璃生產(chǎn)線由于經(jīng)常發(fā)生人工堆垛玻璃而發(fā)生玻璃表面擦傷及沾染污漬而導(dǎo)致玻璃報(bào)廢，而且搬運(yùn)過程中浪費(fèi)了大量勞力，工作效率很低。因此，東南大學(xué)控制系經(jīng)過努力研究、實(shí)驗(yàn)。最終研究出來了一個(gè)機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人從而解決以上的人所達(dá)不到的目的。（2）以下三幅圖便是我們研究的機(jī)器人相關(guān)結(jié)構(gòu)圖:

賺（±司臉） TM9啊SW）圖1UP6型機(jī)器人外觀簡(jiǎn)化圖

圖2ABB-UP6型機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖控削挹 相覺系統(tǒng)圖3ABB工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)碼垛系統(tǒng)平面布置圖（3）為了解決上面的難題，我們采用了4臺(tái)ABBUP6工業(yè)機(jī)器人并將其加以改造，從而用于自動(dòng)碼垛系統(tǒng)的作業(yè),ABBUP6機(jī)器人自動(dòng)裝箱、碼垛系統(tǒng)是一種集成化的系統(tǒng)，它包括工業(yè)機(jī)器人、控制器、編程器、機(jī)器人手爪、在線機(jī)器人視覺系統(tǒng)和碼垛模式軟件。系統(tǒng)配置自動(dòng)稱重、貼標(biāo)簽和檢測(cè)與通信系統(tǒng)。并與生產(chǎn)控制系統(tǒng)相連接，以形成一個(gè)完整的集成化玻璃生產(chǎn)線。這種柔性碼垛系統(tǒng)通過機(jī)器人用吸盤式手爪抓取平板玻璃，并進(jìn)行玻璃碼垛作業(yè)。2、 （1）玻璃基板搬運(yùn)機(jī)器人是一種應(yīng)用于無塵或真空環(huán)境下的傳輸用工業(yè)機(jī)器人，它主要應(yīng)用在FPD產(chǎn)業(yè)中，聯(lián)結(jié)前后段制程并在各制程中實(shí)現(xiàn)玻璃基板的交換與傳遞。因此，該玻璃基板搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)具有高剛度、高速度、高定位。（2）目前，F(xiàn)PD產(chǎn)業(yè)中玻璃基板搬運(yùn)機(jī)器人常用構(gòu)型有多關(guān)節(jié)型機(jī)器人、直角坐標(biāo)型機(jī)器人和圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人。多關(guān)節(jié)型機(jī)器人通常含有4?6個(gè)自由度，定位精確度高，靈活性大，但其運(yùn)動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃較復(fù)雜，手臂結(jié)構(gòu)剛性較低，且設(shè)計(jì)制造該類型機(jī)器人成本較高。直角坐標(biāo)型機(jī)器人通常具有2~3個(gè)自由度，其運(yùn)動(dòng)空間常為長(zhǎng)方體，該類型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)剛性好，定位精度高,但其體積大，運(yùn)動(dòng)時(shí)的空間利用率低。3、 玻璃碼垛機(jī)器人的特點(diǎn)就是高速和重載。玻璃是片狀物品，面積較大（本項(xiàng)目最大碼垛玻璃尺寸：2440x3660mm），高速600片/h，但速度問題按照目前技術(shù)水平，完全能達(dá)到；中片玻璃其重量在360kg以下，因此機(jī)器人抓起重量應(yīng)不低于360kg,360kg對(duì)于六軸機(jī)器人是屬于重載，目前國(guó)內(nèi)機(jī)器人均屬于輕載，其抓起重量在150kg以下。國(guó)外用于玻璃碼垛超重載機(jī)器人最大抓起重量已達(dá)到1200kg,因此研發(fā)重載、超重載機(jī)器人，是機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢(shì)。4、 估計(jì)已有多達(dá)250個(gè)機(jī)器人正在世界玻璃工業(yè)中工作。其用途十分廣泛：雷達(dá)設(shè)備、電視顯象管、白熾燈泡、日光燈管、平板玻璃、廣口瓶以及玻璃容器的生產(chǎn)。如果說資方把自己貢獻(xiàn)于這項(xiàng)技術(shù)，這只不過是機(jī)器人在玻璃工業(yè)中應(yīng)用的光明未來的開端。5、 機(jī)器人的首要用途之一是在玻璃輸送的操作中，通用機(jī)器人被用來碼放日光燈管。機(jī)器人的這項(xiàng)工作是要碼放燈管的裝載板。該裝載板放在鏈?zhǔn)絺鲙赃叺臋C(jī)器人身上。當(dāng)傳送帶端頭的燈管到達(dá)一個(gè)限位開關(guān)時(shí)，傳送帶停止了。開關(guān)指令機(jī)器人,在拾取區(qū)內(nèi)有31根燈管一正好碼一層。機(jī)器人就一下拾起這31根燈管，轉(zhuǎn)動(dòng)90°C后，把它們放在四周有立樁的裝載板上。當(dāng)碼滿24層時(shí)，機(jī)器人暫停，并指令傳送帶送另一組空裝載板。六、工業(yè)機(jī)器人在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用：1（1）建立機(jī)器人快速制造粘土類陶瓷原型加工系統(tǒng)，針對(duì)所加工材料的特性選擇合適的刀具和機(jī)器人加工軌跡。針對(duì)軟材料的切削原理，研究針對(duì)粘土材料的機(jī)器人加工工藝，找到合適的加工參數(shù)，制作滿足熔射制模技術(shù)要求的耐高溫陶瓷原型。通過對(duì)粘土坯料進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了新工藝的可行性，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如切屑粘刀，排屑不暢及精加工過程中的崩豁問題，這些都需要我們?cè)诤竺娴难芯恐欣^續(xù)展開工作。2、陶瓷原型加工路徑的建立。以汽車覆蓋件陶瓷原型，其最大尺寸(370X325X70)mm,成形件表面質(zhì)量要求高。因此，以汽車覆蓋件陶瓷原型為例討論陶瓷原型的加工，具有比較典型的代表性?；赨GCAM對(duì)機(jī)器人加工路徑進(jìn)行規(guī)劃。使用UG時(shí)，操作者可以通過對(duì)話框進(jìn)行加工參數(shù)設(shè)定與修改，包括幾何參數(shù)、刀具、方法、程序四方面。首先選取加工方式，設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，可生成刀軌路徑。然后通過仿真檢查并優(yōu)化刀軌，生成NC代碼。最后用本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的轉(zhuǎn)換程序NC2JBI,實(shí)現(xiàn)NC代碼到機(jī)器人的代碼轉(zhuǎn)換。3(1)從不同方向返回測(cè)點(diǎn)時(shí)都存在不同的誤差；機(jī)器人軌跡中存在誤差最小的坐標(biāo)軸方向，走刀時(shí)應(yīng)盡量沿此方向。機(jī)器人軌跡位置精度測(cè)量的結(jié)果：最大、最小誤差的變化趨勢(shì)基本相同，但兩者相差約0.01mm;行走速度變化時(shí)，兩種誤差的變化規(guī)律基本相同，不隨行走速度變化。建立NC代碼與機(jī)器人代碼的轉(zhuǎn)換公式，考慮沿軌跡位置誤差最小的軸方向走刀并對(duì)軌跡作補(bǔ)償處理，得到了可生成優(yōu)化的機(jī)器人銑削路徑代碼的算法和CAM軟件。實(shí)際加工得到用于熔射制模的陶瓷型熔射原型，滿足熔射要求，從而驗(yàn)證了所開發(fā)的軟硬件以及加工技術(shù)的可行性。4、工業(yè)機(jī)器人在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用，在國(guó)外已是一個(gè)較為成熟的技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人在施釉和翻模、坯胎出模的工序中適應(yīng)了不同的工件和模具。這樣，可在施釉工藝這樣一種粉塵較大、作業(yè)較復(fù)雜的工作中，取代人工作業(yè)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。在翻模、取坯作業(yè)這種體力勞動(dòng)強(qiáng)度大，需較仔細(xì)的作業(yè)中避免人工操作易疲勞，造成功效低，易損壞毛坯的毛病。另一方面，由于機(jī)器人能“存入”許多工件的最佳施釉工作“曲線”，且每次調(diào)用只需非常簡(jiǎn)單地將相關(guān)的程序調(diào)人機(jī)器人的“當(dāng)前”操作指令中。所以，一旦工件變化時(shí)，機(jī)器人能以最快的速度適應(yīng)工件，噴涂出高質(zhì)量的釉面。這是人難以達(dá)到。5、工業(yè)機(jī)器人快速制造原型是正在發(fā)展的一種快速制造原型和零件的方法，但是在過去的十幾年，它的應(yīng)用范圍普遍局限于石蠟、木材、塑料和輕金屬等材料。研究人員考慮縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，提高設(shè)備的功能性以及環(huán)境和諧性和產(chǎn)品質(zhì)量，已經(jīng)構(gòu)筑了多種機(jī)器人快速原型系統(tǒng)。構(gòu)筑了一個(gè)銑削泡末材料的快速原型系統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)。構(gòu)筑了面向大型制件的機(jī)器人快速原型系統(tǒng)，工作空間為4mX2mX2m，可以制作許多大型零件。構(gòu)筑了基于雙機(jī)器人的快速靈活制造木制船模系統(tǒng)。發(fā)展了一個(gè)基于工業(yè)機(jī)器人的薄壁鋁金屬成型系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)機(jī)械科學(xué)研究總院?jiǎn)沃业卵芯繂T在機(jī)器人快速制造鑄型方面也做了很多工作。七、工業(yè)機(jī)器人的前景：1經(jīng)濟(jì)環(huán)境改變與市場(chǎng)供需增加2012年中國(guó)政府實(shí)施新勞動(dòng)法后，勞動(dòng)力成本大幅提升，經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)生了變化。這一方面使某些制造商將勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到勞動(dòng)力成本更加低廉的東南亞各國(guó)，另一方面促使本土企業(yè)更加重視提升工廠自動(dòng)化水平。另外，越來越多的國(guó)際汽車廠商登陸中國(guó)，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)刺激了中國(guó)本土汽車廠商對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求。例如，奇瑞將在2012年生產(chǎn)100臺(tái)自用的焊接工業(yè)機(jī)器人。同時(shí)，更多的工業(yè)機(jī)器人國(guó)際供應(yīng)商也在加速進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。例如，專注于汽車噴涂、焊接工業(yè)機(jī)器人的柯馬(Comau)將在2012年底建立昆山工廠。2、 技術(shù)發(fā)展加快受到國(guó)家863計(jì)劃的資助，目前已經(jīng)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)等30余所高校展開了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究。一些數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)制造商開始將未來的盈利點(diǎn)瞄向工業(yè)機(jī)器人。例如，沈陽(yáng)機(jī)床已有研發(fā)工業(yè)機(jī)器人的計(jì)劃；華中數(shù)控、廣州數(shù)控也已經(jīng)開始研發(fā)并制造工業(yè)機(jī)器人。國(guó)際運(yùn)動(dòng)控制軟件和傳感器制造商不斷加大與中國(guó)的交流，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人制造商將獲得對(duì)以往難于突破的技術(shù)瓶頸的支持。通過集成方式將先進(jìn)的傳感器和控制技術(shù)引入機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用中較為關(guān)注的工業(yè)機(jī)器人自學(xué)習(xí)功能。3、 政府政策刺激中國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》和《863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展綱要》提出，對(duì)工業(yè)機(jī)器人工程化產(chǎn)品及自動(dòng)化生產(chǎn)線和機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)，提供1億元資金支持。同時(shí)，各省也對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和制造提出了各自的支持計(jì)劃。例如，山東省將在2012年前通過政府注資形式，建立機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程技術(shù)研究中心，同時(shí)對(duì)面向加工制造業(yè)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)行15%的企業(yè)所得稅減免等優(yōu)惠措施。4中國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀目前，與制造業(yè)大國(guó)地位不符的是，中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用數(shù)量仍然偏少，且主要依賴從日本、瑞典、德國(guó)、意大利、美國(guó)進(jìn)口。其中，日本約占50%，歐洲約占40%。制造商主要有FANUC、YASKAWAABB、COMAU、KUKA和Staubli等。同時(shí)，中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人制造業(yè)剛起步，制造水平和技術(shù)含量都較為落后。以目前規(guī)模最大、技術(shù)領(lǐng)先的廠商新松公司為例，2009年僅生產(chǎn)600多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，與國(guó)際上動(dòng)輒年產(chǎn)數(shù)千臺(tái)有很大差距。中國(guó)長(zhǎng)期實(shí)施的勞動(dòng)密集型生產(chǎn)模式，眾多的熟練工人和低廉的工資，以及促進(jìn)就業(yè)的政策，導(dǎo)致了企業(yè)升級(jí)生產(chǎn)設(shè)備、提高制造自動(dòng)化水平動(dòng)力不足，以