調(diào)研報告工業(yè)機器人

調(diào)研匯報1工業(yè)機器人的概念工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)多種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術制定的原則大綱行動。2工業(yè)機器人展現(xiàn)實狀況與前景展望2.1工業(yè)機器人的發(fā)展簡史19捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞，劇中機器人“Robot”這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一種具有人的外表，特性和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業(yè)機器人設想。20世紀40年代中后期，機器人的研究與發(fā)明得到了更多人的關懷與關注。50年代后來，美國橡樹嶺國家試驗室開始研究能搬運核原料的遙控操縱機械手，如圖0.2所示，這是一種主從型控制系統(tǒng)，主機械手的運動。系統(tǒng)中加入力反饋，可使操作者獲知施加力的大小，主從機械手之間有防護墻隔開，操作者可通過觀測窗或閉路電視對從機械手操作機進行有效的監(jiān)視，主從機械手系統(tǒng)的出現(xiàn)為機器人的產(chǎn)生為近代機器人的設計與制造作了鋪墊。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，運用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。既有的機器人差不多都采用這種控制方式。1959年第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。2.2工業(yè)機器人的特點戴沃爾提出的工業(yè)機器人有如下特點:將數(shù)控機床的伺服軸與遙控操縱器的連桿機構(gòu)聯(lián)接在一起，預先設定的機械手動作經(jīng)編程輸入后，系統(tǒng)就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人還可以接受示教而完畢多種簡樸的反復動作，示教過程中，機械手可依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列所有記錄在存儲器內(nèi)，任務的執(zhí)行過程中，機器人的各個關節(jié)在伺服驅(qū)動下依次再現(xiàn)上述位置，故這種機器人的重要技術功能被稱為“可編程”和“示教再現(xiàn)”。1962年美國推出的某些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大體相似，但外形重要由類似人的手和臂構(gòu)成。后來，出現(xiàn)了具有視覺傳感器的、能識別與定位的工業(yè)機器人系統(tǒng)。當今工業(yè)機器人技術正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強的對作業(yè)環(huán)境的自適應能力的方向發(fā)展。目前，對全球機器人技術的發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業(yè)機器人技術的綜合研究水平上仍處在領先地位，而日本生產(chǎn)的工業(yè)機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。2.3工業(yè)機器人的構(gòu)造與分類工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分構(gòu)成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人尚有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部一般有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生對應的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關節(jié)型的臂部有多種轉(zhuǎn)動關節(jié)。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和持續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的精確定位，合用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；持續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，合用于持續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式辨別有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文獻，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。示教輸入型的示教措施有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按規(guī)定的動作次序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領動執(zhí)行機構(gòu)，按規(guī)定的動作次序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同步，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出對應信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的多種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。具有觸覺、力覺或簡樸的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更深入增長自適應、自學習功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應環(huán)境，并自動完畢更為復雜的工作。2.3.1點焊機器人焊接機器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運動速度快和負荷能力強等特點，焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于人工焊接，大大提高了點焊作業(yè)的生產(chǎn)率。點焊機器人重要用于汽車整車的焊接工作，生產(chǎn)過程由各大汽車主機廠負責完畢。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關系，向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點焊機器人單元產(chǎn)品并以焊接機器人與整車生產(chǎn)線配套形式進入中國，在該領域占據(jù)市場主導地位。伴隨汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線規(guī)定焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機器人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。9月，機器人研究所研制完畢國內(nèi)首臺165公斤級點焊機器人，并成功應用于奇瑞汽車焊接車間。9月，通過優(yōu)化和性能提高的第二臺機器人完畢并順利通過驗收，該機器人整體技術指標已經(jīng)到達國外同類機器人水平。2.3.2弧焊機器人弧焊機器人重要應用于各類汽車零部件的焊接生產(chǎn)。在該領域，國際大型工業(yè)機器人生產(chǎn)企業(yè)重要以向成套裝備供應商提供單元產(chǎn)品為主。我司重要從事弧焊機器人成套裝備的生產(chǎn)，根據(jù)各類項目的不一樣需求，自行生產(chǎn)成套裝備中的機器人單元產(chǎn)品，也可向大型工業(yè)機器人企業(yè)采購并構(gòu)成各類弧焊機器人成套裝備。在該領域，我司與國際大型工業(yè)機器人生產(chǎn)企業(yè)既是競爭亦是合作關系。關鍵技術包括：(1)弧焊機器人系統(tǒng)優(yōu)化集成技術：弧焊機器人采用交流伺服驅(qū)動技術以及高精度、高剛性的RV減速機友好波減速器，具有良好的低速穩(wěn)定性和高速動態(tài)響應，并可實現(xiàn)免維護功能。(2)協(xié)調(diào)控制技術：控制多機器人及變位機協(xié)調(diào)運動，既能保持焊槍和工件的相對姿態(tài)以滿足焊接工藝的規(guī)定，又能防止焊槍和工件的碰撞。(3)精確焊縫軌跡跟蹤技術：結(jié)合激光傳感器和視覺傳感器離線工作方式的長處，采用激光傳感器實現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤，提高焊接機器人對復雜工件進行焊接的柔性和適應性，結(jié)合視覺傳感器離線觀測獲得焊縫跟蹤的殘存偏差，基于偏差記錄獲得賠償數(shù)據(jù)并進行機器人運動軌跡的修正，在多種工況下都能獲得最佳的焊接質(zhì)量。2.3.3激光加工機器人激光加工機器人是將機器人技術應用于激光加工中，通過高精度工業(yè)機器人實現(xiàn)愈加柔性的激光加工作業(yè)。本系統(tǒng)通過示教盒進行在線操作，也可通過離線方式進行編程。該系統(tǒng)通過對加工工件的自動檢測，產(chǎn)生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以運用CAD數(shù)據(jù)直接加工。可用于工件的激光表面處理、打孔、焊接和模具修復等。關鍵技術包括：(1)激光加工機器人構(gòu)造優(yōu)化設計技術：采用大范圍框架式本體構(gòu)造，在增大作業(yè)范圍的同步，保證機器人精度；(2)機器人系統(tǒng)的誤差賠償技術：針對一體化加工機器人工作空間大，精度高等規(guī)定，并結(jié)合其構(gòu)造特點，采用非模型措施與基于模型措施相結(jié)合的混合機器人賠償措施，完畢了幾何參數(shù)誤差和非幾何參數(shù)誤差的賠償。(3)高精度機器人檢測技術：將三坐標測量技術和機器人技術相結(jié)合，實現(xiàn)了機器人高精度在線測量。(4)激光加工機器人專用語言實現(xiàn)技術：根據(jù)激光加工及機器人作業(yè)特點，完畢激光加工機器人專用語言。(5)網(wǎng)絡通訊和離線編程技術：具有串口、CAN等網(wǎng)絡通訊功能，實現(xiàn)對機器人生產(chǎn)線的監(jiān)控和管理；并實現(xiàn)上位機對機器人的離線編程控制。2.3.4真空機器人真空機器人是一種在真空環(huán)境下工作的機器人，重要應用于半導體工業(yè)中，實現(xiàn)晶圓在真空腔室內(nèi)的傳播。真空機械手難進口、受限制、用量大、通用性強，其成為制約了半導體裝備整機的研發(fā)進度和整機產(chǎn)品競爭力的關鍵部件。并且國外對中國買家嚴加審查，歸屬于禁運產(chǎn)品目錄，真空機械手已成為嚴重制約我國半導體設備整機裝備制造的“卡脖子”問題。直驅(qū)型真空機器人技術屬于原始創(chuàng)新技術。關鍵技術包括：(1)真空機器人新構(gòu)型設計技術：通過構(gòu)造分析和優(yōu)化設計，避開國際專利，設計新構(gòu)型滿足真空機器人對剛度和伸縮比的規(guī)定；(2)大間隙真空直驅(qū)電機技術：波及大間隙真空直接驅(qū)動電機和高潔凈直驅(qū)電機開展電機理論分析、構(gòu)造設計、制作工藝、電機材料表面處理、低速大轉(zhuǎn)矩控制、小型多軸驅(qū)動器等方面。(3)真空環(huán)境下的多軸精密軸系的設計。采用軸在軸中的設計措施，減小軸之間的不一樣心以及慣量不對稱的問題。(4)動態(tài)軌跡修正技術：通過傳感器信息和機器人運動信息的融合，檢測出晶圓與手指之間基準位置之間的偏移，通過動態(tài)修正運動軌跡，保證機器人精確地將晶圓從真空腔室中的一種工位傳送到另一種工位。(5)符合SEMI原則的真空機器人語言：根據(jù)真空機器人搬運規(guī)定、機器人作業(yè)特點及SEMI原則，完畢真空機器人專用語言。(6)可靠性系統(tǒng)工程技術：在IC制造中，設備故障會帶來巨大的損失。根據(jù)半導體設備對MCBF的高規(guī)定，對各個部件的可靠性進行測試、評價和控制，提高機械手各個部件的可靠性，從而保證機械手滿足IC制造的高規(guī)定。2.3.5潔凈機器人潔凈機器人是一種在潔凈環(huán)境中使用的工業(yè)機器人。伴隨生產(chǎn)技術水平不停提高，其對生產(chǎn)環(huán)境的規(guī)定也日益苛刻，諸多現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)都規(guī)定在潔凈環(huán)境進行，潔凈機器人是潔凈環(huán)境下生產(chǎn)需要的關鍵設備。關鍵技術包括：(1)潔凈潤滑技術：通過采用負壓抑塵構(gòu)造和非揮發(fā)性潤滑脂，實現(xiàn)對環(huán)境無顆粒污染，滿足潔凈規(guī)定。(2)高速平穩(wěn)控制技術：通過軌跡優(yōu)化和提高關節(jié)伺服性能，實現(xiàn)潔凈搬運的平穩(wěn)性。(3)控制器的小型化技術：根據(jù)潔凈室建造和運行成本高，通過控制器小型化技術減小潔凈機器人的占用空間。(4)晶圓檢測技術：通過光學傳感器，可以通過機器人的掃描，獲得卡匣中晶圓有無缺片、傾斜等信息。2.4工業(yè)機器人的應用工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能替代人做某些單調(diào)、頻繁和反復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡樸裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完畢對人體有害物料的搬運或工藝操作。20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎上，采用伺服機構(gòu)和自動控制等技術，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人；60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用；1969年，美國通用汽車企業(yè)用21臺工業(yè)機器人構(gòu)成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應用工業(yè)機器人。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的構(gòu)成部分。2.5工業(yè)機器人的發(fā)展前景在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設備已成為自動化妝備的主流機器人發(fā)展前景及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、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，同步防止了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推進企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。機器人技術是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術領域。國際電氣電子工程師協(xié)會IEEE的科學家在對未來科技發(fā)展方向進行預測中提出了4個重點發(fā)展方向，機器人技術就是其中之一。1990年10月，國際機器人工業(yè)人士在丹麥首都哥本哈根召開了一次工業(yè)機器人國際原則大會，并在這次大會上通過了一種文獻，把工業(yè)機器人分為四類：⑴次序型。此類機器人擁有規(guī)定的程序動作控制系統(tǒng)；⑵沿軌跡作業(yè)型。此類機器人執(zhí)行某種移動作業(yè)，如焊接。噴漆等；⑶遠距作業(yè)型。例如在月球上自動工作的機器人；⑷智能型。此類機器人具有感知、適應及思維和人機通信機能。日本工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)早在上世紀90年代就已經(jīng)普及了第一和第二類工業(yè)機器人，并到達了其工業(yè)機器人發(fā)展史的鼎盛時期。而今已在第發(fā)展三、四類工業(yè)機器人的路上獲得了舉世矚目的成就。日本下一代機器人發(fā)展重點有：低成本技術、高速化技術、小型和輕量化技術、提高可靠性技術、計算機控制技術、網(wǎng)絡化技術、高精度化技術、視覺和觸覺等傳感器技術等。根據(jù)日本政府指定的一份計劃，日本2050年工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將到達1.4兆日元，擁有百萬工業(yè)機器人。按照一種工業(yè)機器人等價于10個勞動力的原則，百萬工業(yè)機器人相稱于千萬勞動力，是目前日本所有勞感人口的15%。我國工業(yè)機器人起步于70年代初，其發(fā)展過程大體可分為三個階段：70年代的萌芽期；80年代的開發(fā)期；90年代的實用化期。而今通過20數(shù)年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國已生產(chǎn)出部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機器人已服務于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機器人技術的研究人才也涌現(xiàn)出來。某些有關科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設計制造技術；工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計技術；機器人軟件的設計和編程技術；運動學和軌跡規(guī)劃技術；弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線與周圍配套設備的開發(fā)和制備技術等。某些關鍵技術已到達或靠近世界水平。一種國家要引入高技術并將其轉(zhuǎn)移為產(chǎn)業(yè)技術（產(chǎn)業(yè)化），必須具有5個要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有著“機器人王國”之稱的日本相比，我國有著截然不一樣的基本國情，那就是人口多，勞動力過剩。刺激日本發(fā)展工業(yè)機器人的主線動力就在于要處理勞動力嚴重短缺的問題。因此，我國工業(yè)機器人起步晚發(fā)展緩。不過正如前所述，廣泛使用機