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工業機器人

(面向工業領域的機器人)

鎖定
工業機器人是廣泛用於工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置,具有一定的自動性,可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種工業加工製造功能。工業機器人被廣泛應用於電子、物流、化工等各個工業領域之中。 [1] 
中文名
工業機器人 [2] 
外文名
industry robot [2] 
組    成
機械部分、傳感部分和控制部分等 [3] 
特    徵
易用性、智能化水平高等 [4] 
發展趨勢
人機協作、自主化等 [5] 
應    用
電子、物流、化工等 [1] 

工業機器人發展歷史

20世紀50年代末,工業機器人最早開始投入使用。約瑟夫·恩格爾貝格(Joseph F.Englberger)利用伺服系統的相關靈感,與喬治·德沃爾(GeorgeDevol)共同開發了一台工業機器人——“尤尼梅特”(Unimate),率先於1961年在通用汽車的生產車間裏開始使用。最初的工業機器人構造相對比較簡單,所完成的功能也是撿拾汽車零件並放置到傳送帶上,對其他的作業環境並沒有交互的能力,就是按照預定的基本程序精確地完成同一重複動作。“尤尼梅特”的應用雖然是簡單的重複操作,但展示了工業機械化的美好前景,也為工業機器人的蓬勃發展拉開了序幕。自此,在工業生產領域,很多繁重、重複或者毫無意義的流程性作業可以由工業機器人來代替人類完成。 [6] 
20世紀60年代,工業機器人發展迎來黎明期,機器人的簡單功能得到了進一步的發展。機器人傳感器的應用提高了機器人的可操作性,包括恩斯特採用的觸覺傳感器;託莫維奇和博尼在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器;麥卡錫對機器人進行改進,加入視覺傳感系統,並幫助麻省理工學院推出了世界上第一個帶有視覺傳感器並能識別和定位積木的機器人系統。此外,利用聲吶系統、光電管等技術,工業機器人可以通過環境識別來校正自己的準確位置。 [6] 
自20世紀60年代中期開始,美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器的、“有感覺”的機器人,並向人工智能進發。 [6] 
20世紀70年代,隨着計算機和人工智能技術的發展,機器人進入了實用化時代。像日立公司推出的具有觸覺、壓力傳感器,7軸交流電動機驅動的機器人;美國Milacron公司推出的世界第一台小型計算機控制的機器人,由電液伺服驅動,可跟蹤移動物體,用於裝配和多功能作業;適用於裝配作業的機器人還有像日本山梨大學發明的SCARA平面關節型機器人等。 [6] 
20世紀70年代末,由美國Unimation公司推出的PUMA系列機器人,為多關節、多CPU二級計算機控制,全電動,有專用VAL語言和視覺、力覺傳感器,這標誌着工業機器人技術已經完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。 [6] 
20世紀80年代,機器人進入了普及期,隨着製造業的發展,使工業機器人在發達國家走向普及,並向高速、高精度、輕量化、成套系列化和智能化發展,以滿足多品種、少批量的需要。 [6] 
到了20世紀90年代,隨着計算機技術、智能技術的進步和發展,第二代具有一定感覺功能的機器人已經實用化並開始推廣,具有視覺、觸覺、高靈巧手指、能行走的第三代智能機器人相繼出現並開始走向應用。 [6] 
2020年,中國機器人產業營業收入首次突破1000億元。“十三五”期間,工業機器人產量從7.2萬套增長到21.2萬套,年均增長31%。從技術和產品上看,精密減速器、高性能伺服驅動系統、智能控制器、智能一體化關節等關鍵技術和部件加快突破、創新成果不斷湧現,整機性能大幅提升、功能愈加豐富,產品質量日益優化。行業應用也在深入拓展。例如,工業機器人已在汽車、電子、冶金、輕工、石化、醫藥等52個行業大類、143個行業中類廣泛應用。 [8] 
2022年,嘉騰機器人推出國內首台差速20噸AGV驅動單元,該驅動單元採用差速重載動力模組以及控制策略,增強了產品實用性和耐用性。據悉,重載AGV可用於航天、高壓容器、大型基建工程、模塊化建築工程等行業。 [7] 

工業機器人組成

一般來説,工業機器人由三大部分六個子系統組成。
三大部分是機械部分、傳感部分和控制部分。
六個子系統可分為機械結構系統、驅動系統、感知系統、機器人-環境交互系統、人機交互系統和控制系統。 [3] 
1.機械結構系統
從機械結構來看,工業機器人總體上分為串聯機器人和並聯機器人。串聯機器人的特點是一個軸的運動會改變另一個軸的座標原點,而並聯機器人一個軸運動則不會改變另一個軸的座標原點。早期的工業機器人都是採用串聯機構。並聯機構定義為動平台和定平台通過至少兩個獨立的運動鏈相連接,機構具有兩個或兩個以上自由度,且以並聯方式驅動的一種閉環機構。並聯機構有兩個構成部分,分別是手腕和手臂。手臂活動區域對活動空間有很大的影響,而手腕是工具和主體的連接部分。與串聯機器人相比較,並聯機器人具有剛度大、結構穩定、承載能力大、微動精度高、運動負荷小的優點。在位置求解上,串聯機器人的正解容易,但反解十分困難;而並聯機器人則相反,其正解困難,反解卻非常容易。 [3] 
2.驅動系統
驅動系統是向機械結構系統提供動力的裝置。根據動力源不同,驅動系統的傳動方式分為液壓式、氣壓式、電氣式和機械式4種。早期的工業機器人採用液壓驅動。由於液壓系統存在泄露、噪聲和低速不穩定等問題,並且功率單元笨重和昂貴,目前只有大型重載機器人、並聯加工機器人和一些特殊應用場合使用液壓驅動的工業機器人。氣壓驅動具有速度快、系統結構簡單、維修方便、價格低等優點。但是氣壓裝置的工作壓強低,不易精確定位,一般僅用於工業機器人末端執行器的驅動。氣動手抓、旋轉氣缸和氣動吸盤作為末端執行器可用於中、小負荷的工件抓取和裝配。電力驅動是目前使用最多的一種驅動方式,其特點是電源取用方便,響應快,驅動力大,信號檢測、傳遞、處理方便,並可以採用多種靈活的控制方式,驅動電機一般採用步進電機伺服電機,目前也有采用直接驅動電機,但是造價較高,控制也較為複雜,和電機相配的減速器一般採用諧波減速器擺線針輪減速器或者行星齒輪減速器。由於並聯機器人中有大量的直線驅動需求,直線電機在並聯機器人領域已經得到了廣泛應用。 [3] 
3.感知系統
機器人感知系統把機器人各種內部狀態信息和環境信息從信號轉變為機器人自身或者機器人之間能夠理解和應用的數據和信息,除了需要感知與自身工作狀態相關的機械量,如位移、速度和力等,視覺感知技術是工業機器人感知的一個重要方面。視覺伺服系統將視覺信息作為反饋信號,用於控制調整機器人的位置和姿態。機器視覺系統還在質量檢測、識別工件、食品分揀、包裝的各個方面得到了廣泛應用。感知系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化水平。 [3] 
4. 機器人-環境交互系統
機器人-環境交互系統是實現機器人與外部環境中的設備相互聯繫和協調的系統。機器人與外部設備集成為一個功能單元,如加工製造單元、焊接單元、裝配單元等。當然也可以是多台機器人集成為一個去執行復雜任務的功能單元。 [3] 
5.人機交互系統
人機交互系統是人與機器人進行聯繫和參與機器人控制的裝置。例如:計算機的標準終端、指令控制枱、信息顯示板、危險信號報警器等。 [3] 
6.控制系統
控制系統的任務是根據機器人的作業指令以及從傳感器反饋回來的信號,支配機器人的執行機構去完成規定的運動和功能。如果機器人不具備信息反饋特徵,則為開環控制系統;具備信息反饋特徵,則為閉環控制系統。根據控制原理可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智能控制系統。根據控制運動的形式可分為點位控制和連續軌跡控制。 [3] 

工業機器人特徵

相比於傳統的工業設備,工業機器人有眾多的優勢,比如機器人具有易用性、智能化水平高、生產效率及安全性高、易於管理且經濟效益顯著等特點,使得它們可以在高危環境下進行作業。 [4] 
1. 機器人的易用性
在我國,工業機器人廣泛應用於製造業,不僅僅應用於汽車製造業,大到航天飛機的生產,軍用裝備,高鐵的開發,小到圓珠筆的生產都有廣泛的應用。並且已經從較為成熟的行業延伸到食品,醫療等領域。由於機器人技術發展迅速,與傳統工業設備相比,不僅產品的價格差距越來越小,而且產品的個性化程度高,因此在一些工藝複雜的產品製造過程中,可以讓工業機器人替代傳統設備,這樣就可以在很大程度上提高經濟效率。根據數據統計顯示,從2016年到2017年,全球工業機器人的總銷量已經從29.4萬台突破到34.6萬台。可見工業機器人應用範圍之廣。 [4] 
2.智能化水平高
隨着計算機控制技術的不斷進步,工業機器人將逐漸能夠明白人類的語言,同時工業機器人可以完成產品的組件,這樣就可以讓工人免除複雜的操作。工業生產中焊接機器人系統不僅能實現空間焊縫的自動實時跟蹤,而且還能實現焊接參數的在線調整和焊縫質量的實時控制,可以滿足技術產品複雜的焊接工藝及其焊接質量、效率的迫切要求。另外隨着人類探索空間的擴展,在極端環境如太空、深水以及核環境下,工業機器人也能利用其智能將任務順利完成。 [4] 
3.生產效率及安全性高
機械手,顧名思義,通過仿照人類的手型而生產出來的機械手,它生產一件產品耗時是固定的。同樣的生存週期內,使用機械手的產量也是固定的,不會忽高忽低。並且每一模的產品生產時間是固定化,產品的成品率也高,使用機器人生產更符合老闆利益。 [4] 
工廠採用工業機器人生產,是可以解決很多安全生產方面的問題。對於由於個人原因,如不熟悉工作流程、工作疏忽、疲勞工作等導致安全生產隱患,統統都可以避免了。 [4] 
4.易於管理,經濟效益顯著
企業可以很清晰的知道自己每天的生產量,根據自己所能夠達到的產能去接收訂單和生產商品。而不會去盲目預估產量或是生產過多產品產生浪費的現象。而工廠每天對工業機器人的管理,也會比管理員工簡單得多。 [5] 
工業機器人可以24小時循環工作,能夠做到生產線的最大產量,並且無需給予加班的工時費用。對於企業來説,還能夠避免員工長期高強度工作後產生的疲勞、生病帶來的請假等誤工的情況。生產線換用工業機器人生產後,企業生產只需要留下少數能夠操作維護工業機器人的員工對工業機器人進行維護作業就可以了。經濟效益非常的顯著。 [4] 

工業機器人關鍵技術

1.本體設計關鍵技術
(1)傳動結構設計
擬定總體方案,確定機器人的結構形式,並據此進行初步的傳動結構設計,零件結構設計,三維建模。要求設計者對機器人常見的結構形式,常見的傳動原理和傳動結構,減速器的類型和特點非常的熟悉和了解,要有較強的結構設計能力和經驗。 [5] 
(2)減速器選型
要對減速器的結構類型,性能參數的含義有深刻理解,會對減速器進行選型和計算校核。要會對減速器進行檢測、測試,檢測的內容主要包括噪音、抖動、輸出扭矩、扭轉剛度、背隙、重複定位精度和定位精度等。減速器的振動會引起機器人末端的抖動,降低機器人的軌跡精度。減速器振動有多種原因,其中共振是共性的問題,機器人企業必須掌握抑制或者避免出現共振的方法。 [5] 
(3)電機選型
必須要對電機的工作特性非常瞭解,並會對電機扭矩、功率、慣量進行計算和校核。 [5] 
(4)仿真分析
進行靜力學和動力學的仿真分析,對電機、減速器的選型校核,對本體零部件進行強度、剛度校核,降低本體重量,提高機器人工作效率,降低成本。對三維模型進行模態分析,計算出固有頻率,有助於進行共振抑制。 [5] 
(5)可靠性設計
結構設計採用最簡化設計原則;本體鑄鐵件採用綜合性能較好的球墨鑄鐵材料,鑄鋁件採用流動性好的鑄造材料,採用金屬模鑄造;裝配要有詳細的裝配工藝指導書,裝配過程中有部件和單軸的測試;裝配完後要有整機性能測試和耐久拷機測試;提高整機的防護等級設計,提高電櫃的抗干擾能力,以適用不同工作環境的使用。 [5] 
2.電機伺服關鍵技術
(1)電機
①輕量化
對機器人來説,電機的尺寸和重量非常敏感,通過高磁性材料優化、一體化優化設計、加工裝配工藝優化等技術的研究,提高伺服電機的效率,減小電機空間尺寸和降低電機重量,是機器人電機的關鍵技術之一。 [5] 
②高速
在減速比不能較大調整的情況,電機的最高轉速則直接影響着機器人的末端速度和工作節拍;而且速比太低會影響電機的慣量匹配,因此提高電機的最高轉速也是機器人電機的關鍵技術之一。 [5] 
③直驅、中空
隨着協作機器人的不斷成熟和推廣,機器人結構的輕量化、緊湊化要求提高,發展高力矩直接驅動電機、盤式中空電機等機器人專用電機也是未來的趨勢。 [5] 
(2)伺服
①快速響應,精確定位
伺服的響應時間直接影響到機器人的快速起停效果,影響機器人的工作效率和節拍。 [5] 
②無傳感器方式實現彈性碰撞
安全性是衡量機器人性能的一個重要指標。加入力或力矩傳感器會使結構更復雜,成本更高,基於編碼器、電機電流耦合關係的無傳感彈性碰撞技術,可以在不改變本體結構,不增加本體成本的條件下,在一定程度上提高機器人的安全性。 [5] 
③驅動多合一、驅控一體。
驅動多合一,多核CPU多軸驅控一體化集成技術,提高系統性能,降低驅動體積與成本。 [5] 
④在線自適應抖振抑制
工業機器人懸臂結構極易在多軸聯動、重載及快速起停時引起抖動。機器人本體剛度要與電機伺服剛度參數相匹配,剛度過高,會造成振動,剛度過低會造成起停反應緩慢。機器人在不同的位置和姿態,以及在不同的工裝負載下剛度都不一樣,很難通過提前設置伺服剛度值能滿足所有工況的需求。在線自適應抖振抑制技術,提出免參數調試的智能控制策略,同時兼顧剛度匹配、抖振抑制的需求,可以抑制機器人末端抖動,提高末端定位精度。 [5] 
3.控制關鍵技術
(1)運動解算及軌跡規劃
運動求解,最佳路徑規劃,提高機器人的運動精度和工作效率。 [5] 
(2)動力學補償
一般工業機器人是一個串聯懸臂式結構,剛性弱,運動複雜,容易發生變形和抖動,是一個需要運動學和動力學相結合的課題。為了改善機器人的動態性能和提高運動精度,機器人控制系統必須建立動力學模型,進行動力學補償。補償的內容主要包括重力補償、慣量補償、摩擦補償、耦合補償等。 [5] 
(3)標定補償
機器人機械本體由於加工誤差和裝配誤差的原因,難以避免會和理論數學模型存在偏差,會降低機器人TCP精度和軌跡精度,如在焊接和離線編程使用時會受到嚴重影響。通過檢測和算法標定補償機器人的模型參數,可以較好地解決此問題。 [5] 
(4)工藝包完善
控制系統要與實際工程應用相結合,系統除不斷升級,功能更加強大外,還要根據行業應用的需求不斷開發和完善工藝包,有利於積累行業工藝經驗,對客户來説使用更方便,操作更簡單,效率更高。 [5] 

工業機器人應用

1.在碼垛方面的應用
在各類工廠的碼垛方面,自動化極高的機器人被廣泛應用,人工碼垛工作強度大,耗費人力,員工不僅需要承受巨大的壓力,而且工作效率低。搬運機器人能夠根據搬運物件的特點,以及搬運物件所歸類的地方,在保持其形狀的和物件的性質不變的基礎上,進行高效的分類搬運,使得裝箱設備每小時能夠完成數百塊的碼垛任務。在生產線上下料、集裝箱的搬運等方面發揮及其重要的作用。 [4] 
2.在焊接方面的應用
焊接機器人主要承擔焊接工作,不同的工業類型有着不同的工業需求,所以常見的焊接機器人有點焊機器人弧焊機器人、激光機器人等。汽車製造行業是焊接機器人應用最廣泛的行業,在焊接難度、焊接數量、焊接質量等方面就有着人工焊接無法比擬的優勢。 [4] 
3.在裝配方面的應用
在工業生產中,零件的裝配是一件工程量極大的工作,需要大量的勞動力,曾經的人力裝配因為出錯率高,效率低而逐漸被工業機器人代替。裝配機器人的研發,結合了多種技術,包括通訊技術、自動控制、光學原理、微電子技術等。研發人員根據裝配流程,編寫合適的程序,應用於具體的裝配工作。裝配機器人的最大特點,就是安裝精度高、靈活性大、耐用程度高。因為裝配工作複雜精細,所以我們選用裝配機器人來進行電子零件,汽車精細部件的安裝。 [4] 
4.在檢測方面的應用
機器人具有多維度的附加功能。它能夠代替工作人員在特殊崗位上的工作,比如在高危領域如核污染區域、有毒區域、核污染區域、高危未知區域進行探測。還有人類無法具體到達的地方,如病人患病部位的探測、工業瑕疵的探測、在地震救災現場的生命探測等均有建樹。 [4] 

工業機器人安裝

在工業生產領域中,工業機器人的安裝至為重要,若是安裝出現問題,不僅會影響機器人設備的使用性能,同時還會導致工業機器人使用壽命降低,並會對工業生產安全造成影響,對企業的經濟效益造成損傷,因此做好工業機器人的安裝工作十分重要,結合以往的工作經驗,筆者認為在工業機器人安裝過程中,必須要做好以下三個方面的工作。 [1] 
1 瞭解程序
在實際安裝前,相關人員要對工業機器人的工作程序有詳細的瞭解,明確工業機器人設備零部件之間有哪些關係,哪些設備之間的尺寸位置要做到絲毫不差,而哪些可以適當放寬標準。此外還需對安裝圖紙進行細化分析,要掌握工業機器人的工作原理和功能結構,並在安裝前尋找適當的工具和設備,這樣才能更好地為安裝效果提供保障。 [1] 
2 制定方案
要結合現場的實際生產情況,對每台工業機器人安裝制定詳細的方案,同時還應該制定相關的應急方案,確保面面俱到,放矢有度。此外在實際安裝前,還應該制定相關的作業指導書,要在作業指導書中明確具體的操作規程、操作要點、需要人員和自檢要求等,從而為工業機器人設備安全提供統一依據。同時作業指導書一式多份,如生產公司、監理部門、安裝調試部門、現場安裝部門等,都應該各自保留一份,這樣若是今後出現相關問題,才能有責可追,避免相互扯皮的問題發生。 [1] 
3 認知執行
主要是指每安裝完一條工業機器人設備,都需要進行詳細的複查,如在安裝完工業機器人的連接設備時,就需要對已經安裝好的零部件進行關鍵尺寸的詳細複查,這樣可以避免因尺寸變化而造成整體返工的問題出現。而在所有的工業機器人設備全部安裝結束後,還應該進行一次全面的自檢,要儘量在後期調試之前,及時發現問題,並針對性地做出解決,從而達到安裝驗收一次性合格的高標準,從而為工業機器人設備安裝進度提供保障,確保工業機器人設備安裝可以在規定的工期內完成。 [1] 

工業機器人調試

機器人的安裝是在在現場進行的,而真正的生產作業環境會受空間利用率等方面影響,致使機器人的很多姿態受到一定的限制,而這就很容易導致工業機器人在實際工作中,出現震動、移位等現象,並最終導致工業機器人無法按照設計的速度運作,因此在工業機器人安裝結束後,投入實際生產工作前,進行現場調試校準就顯得至為重要,具體而言,調試工作主要包括以下兩個方面。 [1] 
1.對工業機器人各軸進行歸零調試
機器人在安裝出廠後,工業機器人各軸未必是歸零的,這樣的機器人若是直接投入生產使用,各軸的重心可能沒有準確的固定在支撐點上,生產過程中就有可能導致傾斜,這不僅會對正常的工業生產造成影響,同時可能還會危及工作人員的生命安全,因此對工業機器人各軸進行歸零調試是十分必要的。通常情況下,工業機器人的各個軸臂上會留下回零點的標誌,只需操作各軸回到該位置,就表示各軸調試歸零,另外在機器人的底座上也會貼有各軸原點6個軸對應的角度,這都是調試中的重要參考依據。但具體的調試還需根據現場環境和需要完成的任務做出特定的分析,如在這個過程中,相關的調試人員可以特定規劃出一條合理的歸零“路線”,再通過示教器依次將機器人移動到各個點,然後對相關數據進行記錄,最後調試人員結合自身的校對經驗反覆實驗,將工業機器人各軸按照實際生產作業要求進行歸零調試。 [1] 
2.對工業機器人進行信號處理調試
現代該改良版的工業機器人可按照人工智能的方式,根據指定的原則綱領自動化操作,如可根據接收到的信號,完成信號指令規定的運行軌跡,從而快速適應新的環境。而工業機器人系統並不是單獨使用的,在工業機器人投入生產的過程中,必須要與其他外圍設備聯繫在一起,而這些外圍設備上的信號必須要通過CC-link和工業生產機器人系統信號聯繫在一起。因此在機器人安裝出廠後,投入實際生產使用前,對工業機器人進行信號處理調試是十分必要的一個環節。具體而言,調試的過程中,需要對CC-link進行設置,但需要注意的是,調試人員設置的CC-ling信號必須要與PCC的型號、主站、從站、站信息保持一致,同時在信號設置結束後,還需要對所有信號進行列表化處理,並且在PLC編程時進行註釋,要經過這樣的信號調試後,工業機器人才能正式投入生產使用。 [1] 

工業機器人發展趨勢

1.人機協作
隨着機器人從與人保持距離作業向與人自然交互並協同作業方面發展。拖動示教、人工教學技術的成熟,使得編程更簡單易用,降低了對操作人員的專業要求,熟練技工的工藝經驗更容易傳遞。 [5] 
2.自主化
目前機器人從預編程、示教再現控制、直接控制、遙操作等被操縱作業模式向自主學習、自主作業方向發展。智能化機器人可根據工況或環境需求,自動設定和優化軌跡路徑、自動避開奇異點、進行干涉與碰撞的預判並避障等。 [5] 
3.智能化、信息化、網絡化
越來越多的3D視覺、力傳感器會使用到機器人上,機器人將會變得越來越智能化。隨着傳感與識別系統、人工智能等技術進步,機器人從被單向控制向自己存儲、自己應用數據方向發展,逐漸信息化。隨着多機器人協同、控制、通信等技術進步,機器人從獨立個體向相互聯網、協同合作方向發展。 [5] 
2022年9月6日,工信部裝備工業一司副司長郭守剛表示,中國機器人產業規模快速增長,2021年機器人全行業營業收入超過1300億元。其中,工業機器人產量達36.6萬台,比2015年增長了10倍,穩居全球第一大工業機器人市場 [9] 

工業機器人統計數據

2023年2月28日,國家統計局發佈《中華人民共和國2022年國民經濟和社會發展統計公報》,初步核算,2022年工業機器人產量44.3萬套,比上年增長21.0%。 [10] 

工業機器人相關報道

2023年12月,記者走訪西安國際港務區西安港科創產業園(達升西部工業機器人產業示範基地),百億產值!西安“工業機器人”快速成長中。 [11] 
參考資料
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