工业机器人的发展分析解析

工业机器人发展

摘要:随着计算机技术的不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化,工业机器人已成为一种高新技术产业,为工业自动化水平发挥了巨大作用,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。本文介绍了工业机器人的国内国外的发展状况和应用趋势,以及带来的经济效益。

关键词:工业机器人发展应用效益

中图分类号:TP242.2

The research progress of industrial robots

CHEN Qiao

(College of Science & Technology Ningbo University, Ningbo 315211)

Abstract:Along with the computer technology continues to intelligent direction, robot application domain expanding and deepening, industrial robot has become a high-tech industry, for industrial automation level played a big role in the future, production and social development plays an increasingly important role. This paper introduces the domestic and international industrial robots the development status and the application trend, and bring economic benefits.

Key words:Industrial robot develop Application Effectiveness

1. 前言

工业机器人是机器人的一种,它由操作机,控制器,伺服驱动系统和检测传感器装置构成,是一种仿人操作自动控制,可重复编程,能在三难空间完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备,特别适合于多品种,变批量柔性生产。它对稳定和提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件的快速更新换代起着十分重要作用。

2. 工业机器人的由来

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。[10]

3.工业机器人的构造与分类

3.1构造分类

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构,包括臂部、腕部和手部,有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3~6个

运动自由度,其中腕部通常有1~3个运动

自由度;驱动系统包括动力装置和传动机构,用以使执行机构产生相应的动作;控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制。

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动;圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作;球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩;关节型的臂部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能,又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行

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图2

机构由一点到另一点的准确定位,适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业;连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动,适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件,通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。

示教输入型的示教方法有两种:一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒),将指令信号传给驱动系统,使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍;另一种是由操作者直接领动执行机构,按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时,工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时,控制系统从程序存储器中检出相应信息,将指令信号传给驱动机构,使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型

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工业机器人。

具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人,能在较为复杂的环境下工作;如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能,即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境,并自动完成更为复杂的工作。[10]

3.2 实际应用机器人

1.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、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。

2.点焊机器人

点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作,生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系,向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国,在该领域占据市场主导地位。

3.弧焊机器人

用于进行自动弧焊的工业机器人。弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同。一般的弧焊机器人是由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部

分组成。可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型,具有可长期进行焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着技术的发展,弧焊机器人人正向着智能化的方向发展。

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图3

4.激光加工机器人

激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中,通过高精度工业机器人实现更

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图4

加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作,也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测,产生加工件的模型,继而生成加工曲线,也可以利用CAD 数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。[15] 4. 工业机器人带来的效益

发达国家的使用经验表明:使用工业机器人可以降低废品率和产品成本,提高了机床的利用率,降低了工人误操作带来的残次零件风险等,其带来的一系列效益也是十分明显的,例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等。机器人具有执行各种任务特别是高危任务的能力,平均故障间隔期达60000小时以上,比传统的自动化工艺更加先进。采用工业机器人还有如下优点:第一,改善劳动条件,逐步提高生产效率;第二,更强与可控的生产能力,加快产品更新换代;第三,提高零件的处理能力与产品质量;第四,消除枯燥无味的工作,节约劳动力;第五,提供更安全的工作环境,降低工人的劳动强度,减少劳动风险;第六,提高机床;第七,减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存;第八,提高企业竞争力。

在面临全球性竞争的形势下,制造商们正在利用工业机器人技术来帮助生产价格合理的优质产品。一个公司想要获得一个或多个竞争优势,实现机器人自动化生产将是推动业务发展的有效手段。[13] [14]

5. 工业机器人的发展

随着科技的不断进步,工业机器人的发展过程可分为三代,第一代,为示教再现型机器人,它主要由机器手控制器和示教盒组成,可按预先引导动作记录下信息重复再现执行,当前工业中应用最多。第二代为感觉型机器人,如有力觉触觉和视觉等,它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力,目前已进入应用阶段。第三代为智能型机器人它具有感知和理解外部环境的能力,在工作环境改变的情况下,也能够成功地完成任务,它尚处于实验研究阶段。

5.1 国外工业机器人的发展

美国是机器人的诞生地,早在1961年,美国的Consolided Control Corp 和AMF

公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展,美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术

全面、先进,适应性也很强

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5

图6

日本在1967年从美国引进第一台机器人,1976年以后,随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加,日本当时劳动力显著不足,工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎,使其日本工业机器人得到快速发展,现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一,素有“机器人王国”之称。

德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年,但战争所导致的劳动力短缺,国民的技术水平较高等社会环境,却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外,在德国规定,对于一些危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动。这为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机器人技术的发展。目前,德国工业机器人的总数占世界第二位,仅次于日本。

法国政府一直比较重视机器人技术,通过大力支持一系列研究计划,建立了一个完整的科学技术体系,使法国机器人的发展比较顺利。在政府组织的项目中,特别注重机器人基础技术方面的研究,把重点放在开展机器人的应用研究上。而由工业界支持开展应用和开发方面的工作,两者相辅相成,使机器人在法国企业界得以迅速发展和普及,从而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。

英国纪70年代末开始,推行并实施了一系措施列支持机器人发展的政策,使英国工业机器人起步比当今的机器人大国日本还要早,并曾经取得了早期的辉煌。然而,这时候政府对工业机器人实行了限制发展的错误。这个错误导致英国的机器人工业一蹶不振,在西欧几乎处于末位。

近些年,意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于自身国内机器人市场的大量需求,发展速度非常迅速。

目前,国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。[1] [5] [11]

5.2 国内工业机器人的发展

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期,经过30多年发展,大致经历了3个阶段:70年代萌芽期,80年代的开发期和90年代的应用化期。

随着20世纪70年代世界科技快速发展,工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮,在这种背景下,我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入20世纪80年代后,随着改革开放的不断深入,在高技术浪潮的

冲击下,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持,"七五"期间,国家投入资金,对工定机器人及零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制出了喷漆,点焊,弧焊和搬运机器人。

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图7

1986年,国家高技术研究发展计划开始实施,经过几年研究,取得了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人。

从20世纪90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步,先后研制了点焊, 弧焊,装配,喷漆,切割,搬运,码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批工业机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是与发达国家相比,我国工业机器人还有很大差距。

目前,我国工业机器人公司主要有中国新松机器自动化股份有限公司和首钢莫托曼机器人有限公司。[8][9]

6. 工业机器人的应用

随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高,工业机器人已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。

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图8

汽车制造是一个技术和资金高度密集的产业,也是工业机器人应用最广泛的行业,几乎占到整个工业机器人的一半以上。在我国,工业机器人最初也是应用于汽车和工程机械行业中。在汽车生产中工业机器人是一种主要的制动化设备,在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、冲压等工艺中大量使用。据预测我国正在进入汽车拥有率上升时期,在未来几年里,汽车仍将每年15%左右的速度增长。所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势,年增幅达到50%左右,工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。

工业机器人除了在汽车行业的广泛应用,在电子,食品加工,非金属加工,日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。在亚洲,2005年安装工业机器人72,600台,与2004年相比,增长了40%,而应用在电子行业的就占了31%左右。在欧洲地区,据统计2005年与2004年相比工业机器人在食品加工行业的应用增长了17%左右,在非金属加工行业的应用增长了20%左右,在日用品消费行业增长了32%,在木材家具加工行业增长了18%左右。工业机器人在石油方面也有广泛的应用,如海上石油钻井、采油平台、管道的检测、炼油厂、大型油罐和储罐的焊接等均可使用机器人来完成。

在未来几年,传感技术,激光技术,工程网络技术将会被广泛应用在工业机器人工作领域,这些技术会使工业机器人的应用更为高效,高质,运行成本低。据预测,今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运

输和农业水产等领域得到应用。[2] [3] [12] 7 国内工业机器人市场

7.1 国内工业机器人的需求情况

工业机器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动力价格低廉的状况,随着中国经济持续快速的发展,近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右,人民生活水平不断地提高,劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为“卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的要求。这些情况使得许多劳动密集型企业为了提高劳动生产率所采用的增加工人数量、延长工人劳动时间的方法变得成本高昂,同时也受到法律的限制和政策的阻碍。无论是企业还是社会都认识到必须采取从改善机器设备入手,提高技术和资金的密集度来减少用工量以应对这种改变。总之,劳动力过剩程度降低、单个工人成本上升、对产品质量更高的要求、国家对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使用环境,工业机器人及技术在中国已逐步得到了政府和企业的重视。随着机器人知识的广泛普及,人们对于各种机器人的了解与认识逐步深化,利用机器人技术提升我国工业发展水平、从制造业大国向强国转变,提高人民生活质量成为全社会的共识。

7.2 国内工业机器人的销售情况

国家863机器人技术主题自成立以来一直重视机器人技术在产业中的推广和应用,长期以来推进机器人技术以提升传统产业,利用机器人技术发展高新产业。目前,政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额,并提供优惠措施鼓励更多企业使用机器人及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机器人,各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。根据我国海关统计,最近4年来许多企业在华的销售量甚至是前面十几年销售量的几倍,年平均增长率超过40%。2001年我国工业机器人海关进出口数量不过是3774台,国内生产数量约700台左右。2004年市场规模已经增长到万台左右,数量和金额相对于2001年都增长了两倍。2004年国产工业机器人数量突破了1400台,产值突破8亿元人民币。进口机器人数量超过9000台,其中多功能机器人约1700台,简易机器人7500台,进口额约25亿美元。德国CLOOS公司在华焊接机器人销售量2000年以前为47台,2000年以后已经突破121台,销售量翻了近3倍。可以预见,中国的工业机器人产业不久后将会作为一种在国民经济中占据重要地位的产业而存在

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图9

7.3 国内工业机器人的市场特征

1.以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展。汽车制造业属于技术、资金密集型产业,也是工业机器人应用最广泛的行业。在我国,工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业,主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。2000年开始,受国家宏观政策调控及居民消费水平提高的影响,我国汽车工业进入了一个高速增长期。面对这种局面,国际汽车巨头纷纷进入中国市场并与我国企业合资设厂或扩大原有生产规模,国内企业也纷纷转型或加大对汽车行业的投资,整个行业增产扩能增加了对工业机器人需求。据不完全统计,最近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业的,海关进出口增长数据与汽车行业增长数据具有较高的相关度。

可知,汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。

2.沿海经济发达地区是工业机器人的主要市场。我国工业机器人的使用集中在广东、江苏、上海、北京等地,工业机器人的拥有量占全国的一半以上,这种分布态势和增长趋势符合我国现阶段经济发展状况。我国经济最具活力的地区已经从珠江三角洲地区扩展到长江三角洲地区,而且长江三角洲地区在制造业中所占的比重越来越大。

3.外商独资企业、中外合资企业和国有企业是工业机器人的主要客户。工业机器人属于技术含量高,价格相对昂贵的制造装备,采用工业机器人较多的企业,一般对产品的质量要求较高,企业在市场上具有更高的影响力。现阶段,工业机器人使用量最多的仍是外商独资或中外合资企业。国有企业也在加大对工业机器人的采购用于技术改造,如汽车行业中的一汽、二汽、上汽等,它们的产品在市场上已经具有了相当强的竞争力,它们对工业机器人有着较大的需求,同时采购上它们能够得到国家和政府的支持,因此制造业中的大中型国有企业的工业机器人使用量一直很大,而且在未来相当长的时间内仍将保持这种增长势头。另外,我国的民营企业正逐渐认识到工业机器人的优势,对工业机器人的采用量也在逐步增加,虽然装备的数量上与以上企业仍存在较大差距,但是增长的速度惊人,将很快成为工业机器人市场的重要客户。

4.国内进口工业机器人的国家和地区分布。2001~2004年我国进口的工业机器人主要来自日本与台湾,2004年日本对华出口金额占我国进口工业机器人金额的一半[6]

8.我国机器人技术应用研究进展及发展趋势

中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。

我国机器人技术主题发展的战略目标是:根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成[7]

9. 结束语

工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况:第一,工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家的科技发展计划中,应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人

时不要盲目进口,应该综合评估,立足国产。

参考文献

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[2] 杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势[J].机械工程师,2002,(5):8-10

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作者简介:陈樵,男,1989年出生,机械专业本科学生。

E-mail:chenqiao@http://m.wendangku.net/doc/c3bcc834ce84b9d528ea81c758f5f61fb6362872.html

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