工控技术讲析系列之工业机器人
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  随着技术的进步,工业机器人应用领域变得更加广泛,从传统的汽车制造业向电子电器、食品加工、冶金、化工等行业扩张,工业机器人的发展成为自动化生产时代到来的助力。在这里介绍一下工业机器人的发展、特点及应用情况。

  工业机器人介绍

  工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

  1920年捷克作家卡雷尔查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词,剧中机器人Robot这个词的本意是苦力,即剧作家笔下的一个具有人的外表,特征和功能的机器,是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。

  20世纪40年代中后期,机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后,美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手,如图0.2所示,这是一种主从型控制系统,主机械手的运动。系统中加入力反馈,可使操作者获知施加力的大小,主从机械手之间有防护墙隔开,操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视,主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。

  1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。

  UNIMATION的VAL(veryadvantagelanguage)语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学及科研机构中传播,也是各个机器人品牌的最基本范本。其机械结构也成为行业的模板。其后,UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收购,并利用STAUBLI的技术优势,进一步得以改良发展。日本第一台机器人由KAWASAKI从UNIMATION进口,并由kawasaki模仿改进在国内推广。

  工业机器人特点

  工业机器人最显著的特点有以下几个:

  (1)可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程,因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用,是柔性制造系统中的一个重要组成部分。

  (2)拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分,在控制上有电脑。此外,智能化工业机器人还有许多类似人类的生物传感器,如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。

  (3)通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外,一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如,更换工业机器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。

  (4)工业机器技术涉及的学科相当广泛,归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器,而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能,这些都是微电子技术的应用,特别是计算机技术的应用密切相关。因此,机器人技术的发展必将带动其他技术的发展,机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。

  为适应市场需求,工业机器人在发展中呈现如下特点:适用性,专用化,高精度、高速度,模拟性,易操作,更灵活,易控制,更自动化。

  1适用性

  有什么样的需求会产生什么样的产品,工业机器人也不例外。此款机器人适合汽车行业,另一款机器人则适合电子加工,不同的机器人则对应不用的行业。英国Motomen公司为满足最近生产了为了满足新型汽车Jaguarsaloo制造需要,专门生产了两台焊接机器人设备。第一台除有一个标准的外形外,还带有一个报警器和一个电力线的载源,六轴的机器人和两个自动变址的工作台。而第二台有六轴机器人和一个手动变址的旋转工作台。前者为汽车管座框架实行金属焊条惰性气体保护弧焊。后者靠辐射支架和其它部件自动完成12种弧焊。从两台机器人投入生产以来,汽车的预期生产量超过了十三万部。

  2专用化

  世界机器人的发展越来越专用化。为了完成某一生产任务,机器人的结构尽量的简单。如上述英国Motomen公司最近介绍了一种型号为SP-100的机器人,为了实现专门完成自动包装码垛和拆卸的任务而被特殊设计。此机器人有效载重高达160公斤,仅有四个轴,用NC伺服电机控制,结构设计既简单又精度高。在SP-100类型机器人的手臂内部有两个独立的气流通道给抓手提供气动力,同时又通过23根电缆为抓手提供电动力。

  英国一家公司研制出了一条铸造和拖拉金条的全自动生产线。这条生产线采用了先进的机器人系统,并在英国首次投入生产。由于这种机器人的高速度和高准确率,而使得它能够被理想地运用于自动装配,检测、挑选和安放等操作,也能运用于准确、重复性的操作之中。利用这条生产线来铸造金条不但可以降低成本,而且最重要的就是铸造出来的金条精确度高,误差小。因此,该机器人专用于铸造金条。

  3高精度高速度

  日本松下电器公司研制的焊接机器人具有RF350溢变器-焊接能量源和一高速旋转弧传感器系统。此焊接机器人是使用空心齿轮和小型伺服电机的高度压制品,目的是能在最小的空间内进行高精度高速度的焊接操作。特别是旋转弧传感器担任了重要的角色,通过指令使机器人跟踪零部件两配合处的沉积物产生高质量的焊接。

  4模拟性

  日本东京科技大学的研究人员,结合蚂蚁回家的本能研制了一种新的导航技术,导航技术是用连有充电设备的照相机作眼睛来模拟蚂蚁从附近回到洞穴的机理,并由此制造了机器人飞船模型,模型直径1.1米,长度1.9米。模型中使用了一台六自由度的推进器,可以前后左右上下移动。由照相机扑获的信息导航。在20米远的测试中,飞船几乎能100%地从所处位置回到家。当然该导航技术还能用在其它方面,如塔桥和核能设备的检测中。它的检测是靠无线电连续传播的方向,高度和宽度三项指标相对位置的数据决定的。

  5易操作更灵活

  英国一家公司发明了一种新技术,可以在机器人的手臂上实现快速的更换。这种功能的实现是通过联接器,联接器的一端直接安装在机器人的法兰盘上,另一端与几个系统连接,由开关通过气压控制,起到可在短时间内更换系统的作用。同时,系统能随时改变以便提供各种设备最佳组合。互锁系统可以保证机器联接的可靠性,甚至在气压下降或很小的情况下,无需更换机器人手臂就可以更好供给到位。由于系统在机器人手臂上更换灵活,易操作,因此,该设备的产品已遍及法国、德国及欧洲其它国家,南美洲和远东地区。

  6易控制

  日本中南部一所大学的研究人员研制出了一个靠传感器像螃蟹一样爬斜坡的机器人。机器人有4条腿和两个轮子,它不像其它机动行走的机器人一样使用多个传感器,而是仅在腿关节处使用一种传感器。机器人4条腿行走时,无论是上坡或下坡,它的两轮子都支撑着躯干。整个运动过程仅用一台计算机控制。机器人的结构特点简化了控制线路软件,使其控制更容易。此类机器人已用在大型圆木加工厂帮助运输圆木。

  日本科学家已经研制成了一只与人类手有同样灵敏度的机器人手。这种机器人手是由硅树脂制成的。它的手指形状和人手相似,内部空裹着大量的传感器。当这个机器人手抓起一个物体时,手指内部就全收缩的程序来决定被抓物体的重量和光滑度。从而决定要用多大的力量才能保证被抓物体能够被抓起而不掉下。正是由于相同的思路,日本科学家还在努力提高技术,以便能够研制成一只带有触觉传感器的机器人手,通过这只手来有效提高生产率和产品的质量。

  7更自动化

  为了使系统的自动化程度更高。英国在其新型装卸机器人系统上设置了一些特殊的装置等,如激光扫描设备和六自由度的卷尺测量装置。该类机器人设计成塔状,可以装卸150-180米之间的部件,并可进行自动测量,其测量范围可高达150平方米。该系统包括四个主要组成部分:用于装载的真空抓爪,用于表格设计的装载工具、卸载抓爪和一个码垛的工具。这种机器人的抓重量极大,可允许在任何一个分层面上承担高达3500公斤的工件。

  机器人需求剧增的时代,从上述举例分析可看出,世界工业机器人若想得到发展,就必须要瞄准市场,生产那些市销对路的机器人产品。近年来,我国工业机器人发展很快,相信随着我国市场经济的发展,以后会发展更快。

  工业机器人的关键技术

  关键技术包括:(1)开放性模块化的控制系统体系结构:采用分布式CPU计算机结构,分为机器人控制器(RC),运动控制器(MC),光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能,而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

  (2)模块化层次化的控制器软件系统:软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上,采用分层和模块化结构设计,以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次:硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求,对应不同层次的开发,系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成,这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

  (3)机器人的故障诊断与安全维护技术:通过各种信息,对机器人故障进行诊断,并进行相应维护,是保证机器人安全性的关键技术。

  (4)网络化机器人控制器技术:目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展,机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯,便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。移动机器人(AGV)移动机器人(AGV)是工业机器人的一种类型,它由计算机控制,具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能,它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能,也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统(以AGV作为活动装配平台);同时可在车站、机尝邮局的物品分捡中作为运输工具。

  工业机器人发展趋势

  国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

  1.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。

  2.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

  3.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

  4.机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

  5.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

  6.当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

  7.机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出虚拟轴机床以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。

  工业机器人的应用

  目前,工业机器人在汽车制造业应用最广,在中国,50%的工业机器人应用于汽车制造业,其中50%以上为焊接机器人;在发达国家,汽车工业机器人占机器人总保有量的53%以上。据统计,世界各大汽车制造厂,年产每万辆汽车所拥有的机器人数量为10台以上。随着机器人技术的不断发展和日臻完善,工业机器人必将对汽车制造业的发展起到极大的促进作用。而中国正由制造大国向制造强国迈进,需要提升加工手段,提高产品质量,增加企业竞争力,这一切都预示机器人的发展前景巨大。

  电子类的IC、贴片元器件,工业机器人在这些领域的应用均较普遍。目前世界工业界装机最多的工业机器人是SCARA型四轴机器人。第二位的是串联关节型垂直6轴机器人。在手机生产领域,视觉机器人,例如分拣装箱、撕膜系统、激光塑料焊接、高速四轴码垛机器人等适用于触摸屏检测、擦洗、贴膜等一系列流程的自动化系统的应用。

  化工行业是工业机器人主要应用领域之一。目前应用于化工行业的主要洁净机器人及其自动化设备有大气机械手、真空机械手、洁净镀膜机械手、洁净AGV、RGV及洁净物流自动传输系统等。很多现代化工业品生产要求精密化、微型化、高纯度、高质量和高可靠性,在产品的生产中要求有一个洁净的环境,洁净度的高低直接影响产品的合格率,洁净技术就是按照产品生产对洁净生产环境的污染物的控制要求、控制方法以及控制设施的日益严格而不断发展。因此,在化工领域,随着未来更多的化工生产场合对于环境清洁度的要求越来越高,洁净机器人将会得到进一步的利用,因此其具有广阔的市场空间。

  在很多的传统工业领域中人们也在努力使机器人代替人类工作,在食品工业中的情况也是如此。目前人们已经开发出的食品工业机器人有包装罐头机器人,自动午餐机器人和切割牛肉机器人等。

  工业机器人在我国烟草行业的应用出现在90年代中期,玉溪卷烟厂采用工业机器人对其卷烟成品进行码垛作业,用AGV(自行走小车)搬运成品托盘,节省了大量人力,减少了烟箱破损,提高了自动化水平。工业机器人在烟草行业的应用我国烟草行业多年来不断加强技术改造,促进技术进步,重点卷烟企业大部分应用工业机器人。

  还有其他行业比如冶金行业、家用电器行业、铸造行业等等,在未来,工厂中只看见机器人未必不可能。

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