工业机器人概述

工业机器人概述 20.1 概述 世界上机器人工业萌芽于 50 年代的美国，经过 40 多年的发展，已被不断地应用于人 类社会很多领域，正如计算机技术一样，机器人技术正在日益改变着我们的生产方式，以 至今后的生活方式。我们有必要以极大的兴趣关注它的发展，研究它的未来，迎接它给我 们带来的机遇。 20.1.1 中国工业机器人的回顾 我国机器人技术发展已有 20 多年历史，特别是在“七五”计划期间，国家对机器人 工业给予了足够的重视，投入了一定的资金，组织了全国近百个单位的机器人技术攻关， 开发出喷漆、焊接、搬运等工业机器人操作机、控制系统、驱动系统及相关的元器件，取 得了 90 余项科研成果，形成了我国机器人研究开发的基本力量，为进一步发展我国工业机 器人打下了一定的基础。在此期间，我国机器人工业基本上实现了从无到有并进行了相关 的应用开发，其中有代表性的产品有： 北京机械工业自动化研究所：PJ 系列喷涂机器人 北京机床研究所：GJR-G1、G2 焊接及搬运机器人 广州机床研究所：JRS-80 点焊机器人 大连组合机床研究所：ZHS-R005 弧焊机器人 中国科学院沈阳自动化研究所：中型水下机器人及机器人控制系统 航天工业总公司 303 所：YZJJR30 搬运机器人 沈阳工业大学：CR80-1 冲压机器人 此外，还有冶金部自动化研究院、西安微电机研究所、北京谐波传动技术研究所、洛 阳轴承研究所、航天工业总公司 609 所、林泉电机厂、北京科技大学、清华大学、北京航 空航天大学、北京理工大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学等在机器人控制装置、基础 元器件和基础研究等方面做了大量工作。 20.1.2 机器人工业的现状 进入 90 年代，世界机器人工业继续稳步增长，每年增长率保持在 10%左右，世界上 已拥有机器人数量达到 70 万台左右，1992、1993 年世界机器人市场曾一度出现小的低谷， 近年除日本外，欧美机器人市场也开始复苏，并日益兴旺。与全球机器人市场一样，中国 机器人市场也逐渐活跃，1997 年上半年，我国从事机器人及相关技术产品研制、生产的单 位已达 200 家，研制生产的各类工业机器人约有 410 台，其中已用于生产的约占 3/4。目 前全国约有机器人用户 500 家，拥有的工业机器人总台数约为 1200 台，其中从 40 家外国 公司进口的各类机器人占 2/3 以上，并每年以 100150 台的速度增加。进入“九五”计划 第一年后，一些大型工厂、公司正在调整机器人的应用和发展策略，由应用机器人大户转 向成为开发机器人大户，力求推进中国机器人的产业化。第一汽车集团公司是我国最早的 机器人用户之一，已在其汽车生产线上应用了 20 多台机器人，“八五”期间开发了 2 台高 功能点焊机器人，此外还在进一步开发弧焊、打磨、涂胶等机器人。东风汽车集团公司是 我国第一条国产机器人喷涂生产线应用单位，1996 年在引进德国 KUKA 公司 90 年代机器人 技术的基础上，用 KUKA 散件组装成功点焊机器人，即将投产，1997 年又引进 KUKA 公司的 焊装线，用于驾驶室焊装并做工程应用研究。济南第二机床厂在与美国 ISI 机器人公司等 合作完成了第一条冲压自动生产线后，又自行开发了全自动薄板冲压生产线，并投入应用。 1996 年北京首钢集团公司与日本安川电机（株）、岩谷产业（株）合资成立首钢莫托曼机 器人有限公司，引进日本安川公司的产品和技术，生产和销售各类工业机器人，预计生产 能力可达 800 台/年，年销售额可达 4.6 亿元。在国内大公司、大企业纷纷发展机器人产业 的同时，国内的科研院所、高校在工业机器人的研制和发展中也取得了长足的进步，尤其 是一些领先的机器人科研生产单位，如北京机械工业自动化研究所已售出各类工业机器人 110 多台，并完成了 15 条大型机器人自动喷涂生产线，该所正致力于内涂机器人及新型弧 焊机器人开发。北京机电研究所引进德国技术，生产热模锻和辊锻机器人，经过 10 年已全 部国产化，并销售出 50 台，大连组合机床研究所开发的弧焊机器人已售出 13 台，现正在 开发装配机器人，拟用于电子行业，中国科学院沈阳自动化研究所开发的水下机器人已达 到世界领先水平，并已出口 11 台，开发的弧焊、搬运等机器人已应用 30 多台，哈尔滨工 业大学开发的爬壁机器人、码垛机器人等均在国内产生了良好的效益和影响。 国内各生产厂家在开展机器人应用研究、推进机器人产业化的同时，在机器人的基础 研究、特种机器人研究、机器人实验室建设等方面取得了相当大的进展，原国家科委组织 实施的“863”计划中智能机器人主题在国内产生了很大影响，实现了我国特种机器人从无 到有的突破，完成了 3 种类型、5 个型号样机的研制目标并全部通过验收，它们是 1000m 无缆水下机器人、遥控移动式作业机器人、壁面爬行检查机器人和精密装配机器人。同时 在国内建成了七个网点实验室：智能机器人研究开发中心、机器人视觉实验室、人工智能 在机器人中应用实验室、智能机器人机构学实验室、机器人传感技术实验室、机器人柔性 装配实验室及机器人控制理论和方法实验室。在机器人技术得到发展、机器人实验环境得 到改善的同时，国内机器人工业方面标准化管理工作也取得了相当进展，在原有 12 项国家 标准和行业标准的基础上，1996 年又修订了工业机器人安全规范、工业机器人术语 两项国家标准，制订了工业机器人坐标系运动命名原则国家标准和工业机器人型号 编制方法行业标准，这些标准的建立和相继实施，为行业内生产厂家提供了基本的依据， 为国内机器人工业向标准化、规范化方向发展打下了基础。 20.1.3 我国机器人工业的发展趋势 工业机器人是典型的机电一体化高技术产品。在许多生产领域，它对于提高生产自动 化水平，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人劳动条件的作用日见显著，不 少劳动条件恶劣、生产要求苛刻的场合，工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势，国内 各行各业对机器人的需求将越来越多，国内市场将稳步增长，根据目前的现状，我国机器 人近几年发展的形式将会怎样呢？根据我们的分析将会呈现如下几个特点： 1从国际市场来看，机器人工业是一种高投入低赢利的产业，市场竞争极为激烈， 机器人工业必须上一定规模才有利润可言，才有必需的开发投入，才能走上良性循环的发 展道路。世界上机器人产量最大的三家公司年产机器人数均超千台以上，其中 ABB 公司达 到 9000 台，安川电机公司近 2500 台，KUKA 公司近 2000 台，从国内现状来看，大公司、 大企业通过与外国机器人公司合资合作，引进技术和资金，逐步规模化生产机器人，把国 内机器人产业推向一个新的阶段，其中有代表性的，如首钢集团公司与安川电机公司合资 的首钢莫托曼公司、唐山电子设备厂与松下电器公司合资的唐山松下产业机器有限公司、 东风汽车公司与德国 KUKA 公司合作、济南二机床公司与美国 ISI 机器人公司合作等等。这 些合资合作的开展，将会有效地推动中国机器人工业的进步，全面促进中国机器人工业水 平的提高，但是它也会和其他外国机器人公司一样，冲击中国机器人市场，影响具有自主 开发能力的中国机器人产业的形成，也会使国内其他的机器人生产厂家面临一种严峻的挑 战。 2由注重机器人单机开发过渡到成套开发机器人应用系统 生产机器人多的大型公司，可以凭借规模优势，占据较大的市场份额，形成规模效益， 而一些中小公司要想在激烈的市场竞争中求得生存，必须具有自己的特色。国外许多中小 公司把自己的市场定位在机器人系统集成或某些有特长领域，从而形成自己的局部优势， 在市场中求得生存和发展，如奥地利 IGM 公司以向用户提供大型机器人焊接系统著称，机 器人在系统中只占售价的 1/3 左右，卖单台机器人赢利甚微，而卖机器人系统却赢利可观。 意大利 COMAU 公司以承接压机生产线见长，在这里，机器人系统是促销售的关键。我国国 内机器人生产厂家规模大都较小，甚至谈不上规模，而国内一般企业又没有能力将机器人 有效地集成到生产系统中去，因此，那些进行系统集成并向用户提供一条龙服务的公司， 在机器人市场中将有较强的竞争力。国内机器人生产厂家中北京机械工业自动化研究所， 以承接涂装自动化生产线见长，累计产值近 2000 万元，中国科学院沈阳自动化研究所承接 焊接生产线，累计产值近 5000 万元，哈尔滨工业大学机器人研究所的机器人码垛生产线正 在产业化，累计产值超千万元。 3机器人开发走开放型科研之路 国内通过“七五”机器人技术攻关，已具备了生产国产机器人的基础，但国产机器人 无论在技术上，还是可靠性上，都与国外机器人差相当一段距离，要尽快缩短这种距离， 必须走一条开放型的自主科研道路。 1）多方筹措开发资金，通过政府部门投资、用户单位投资、自我积累、外商投资、 银行贷款等形式，筹措国产机器人的开发资金。 2）消化和利用国外机器人技术、资料、样机和关键元器件，为我所用。 3）选择引进国外质量可靠的机器人零部件和元器件。 4）大力开展国内合作，利用国内技术优势，开发具有中国技术特色的国产机器人产 品。 5）注意机器人产品的高可靠性，使国产机器人的可靠性与国外机器人具有可比性， 同时要做到低成本、易操作。 4机器人品种的多样化和应用领域的广泛化 我国机器人 80 年代起步之初，主要机型为喷漆、弧焊、点焊、搬运等，应用领域主 要局限于汽车、摩托车、工程机械等，但是进入 90 年代以来，机型和领域均有了很大的发 展，根据国内外机器人发展的趋势，我们分析认为，国内逐步开发出以下的机器人品种是 合适的。 机器人机型： 1）焊接机器人 2）搬运机器人 3）装配机器人 4）喷涂机器人 5）切割用机器人（水切割、激光切割、等离子切割） 6）娱乐机器人 7）水下机器人 8）爬壁机器人 9）管道机器人 10）医疗服务机器人 11）微型机器人 12）多臂机器人 13）行走机器人 14）移动避障机器人 机器人的应用领域将覆盖到表 1 所示的范围。 表 1 机器人应用的范围 产业 机器人应用方面 备注 通用机械 *工件搬运、装配、检测*零部件焊接 *铸件的去毛刺 *工件研磨、激光切割、等离子切割 *自动仓库堆垛、包装 *自动生产线及 CIMS 系统 汽车及零部件 *弧焊、点焊 *搬运、装配、冲压 *喷涂、涂胶 *水、激光、等离子切割 电子和电气 *插件、搬运 *洁净装配、检测 *自动传输线 冶金钢铁 *钢、合金锭等搬运、码垛*铸件去毛刺、浇口切割 石油、采矿 *油罐、管道的自动清洁、喷涂、检验 *金属、煤矿自动开采中钻孔、喷浆输 送 化工、纺织 *纱锭的搬运、包装、码垛*橡胶、尼龙等的切割、检测 电力电站 *动力线自动布线 *变电站自动巡查 *高压管检查、水管清理维护 *核反应堆的检查、维修、拆卸 建筑建材 *防火涂料喷涂、内饰喷涂 *外墙（玻璃墙幕）的清洗、检查、喷 涂 *混凝土地面修整、贴瓷砖 *桥梁的自动检查、涂漆 *细管和电缆的地下铺设、检修 *建材的搬运、输送、包装 *卫生器具有喷釉、焙烧等 食品 *包装、搬运*洁净包装 家电及家具 *装配、搬运 *打磨、抛光、喷漆 *玻璃制品的切割、雕刻 农、林、渔业 *剪羊毛、自动摘果、剪枝、伐木 *猪、鸡、鱼肉的自动切割加工、分选 包装 医疗及护理 *神经外科手术用感觉机器人 *癌症 X 射线照相自动诊断机器人 *内脏器官、血管的检查和手术微型机 器人 *护理病人机器人 *残肢和人造假肢 家庭自动化 *卫生、洗盘、安全设备*防火、救援 海洋 *海底勘测与开采机器人*海底设备的维护和建造 空间 *空间站的装配、检查、修理 *飞行器修复 *资源的收集、分析 军事 *防爆、排雷、检测放射性*军火的搬运及销毁 20.1.4 国外机器人工业的发展趋势 目前国际上商业化的工业机器人大部分属于示教再现型，即 T/P（Teaching and Playback）型机器人。采用示教盒示教或人工引导示教方式，工作时再现示教好的程序， 可重复工作并能达到优化的工艺过程。第一代示教再现型机器人大部分用于工业生产。近 年，在国外使用工业机器人行业的分布次序，大概为电子、电器、汽车制造、塑料成形、 通用机械、金属加工、运输及仓库、食品、轻工；按作业性质排序为装配、弧焊、点焊、 机械加工、塑料压制、测量/检查/试验、冲压、喷漆、铸造。 从近几年世界几大机器人公司，如 ABB（瑞典、瑞士）、安川电机（日本）、 GMF（日本、美国）、Funal（日本）等公司推出的产品来看，发现有如下一些特点和趋势： 1）大部分采用最新交流伺服电动机间接式直接驱动，或采用 DD 电动机直接驱动，进 一步改善了机器人动态特性。由于没有直流电动机的换向电刷，可靠性也大大提高。 2）采用绝对值编码器进行位置检测，使机器人起动后，无需原点复位即可投入运行， 因而减少了非工作时间。 3）采用 64 位数字伺服驱动单元，以软件改变系统参数。不但便于调试，精度也比过 去大大提高。主控机采用 32 位以上单 CPU 或多 CPU 控制，以提高机器人插补运算和坐标变 换的运算速度。 4）采用特殊的减速机构传动代替谐波传动，这种传动在大负载力矩下刚性较好，成 本低。 5）操作机的本体采用杆臂结构或细长臂和轴向式腕关节，以及关节机构、电动机、 减速器、编码器有机结合，全部电、气管线不外露，形成一个十分完整的防尘、防漏、防 爆、防水全封闭一体化结构。 6）国外机器人近年来一个重要目标是降低成本，采用两种方针：一是扩展简易