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工业机器人技术论文

2017-11-22 17:02:35  字体:   打印 收藏 

摘 要:工业机器人技术的发展与应用综述 摘 要:工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势,在传统制造业、特别是劳动密集型产业的转型升级中将发挥重要作用。通过回顾工业机器人的发展背景和起源,介绍了本体与主要核心部件的骨

关键词:工业机器人技术论文


  工业机器人技术的发展与应用综述

  摘 要:工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势,在传统制造业、特别是劳动密集型产业的转型升级中将发挥重要作用。通过回顾工业机器人的发展背景和起源,介绍了本体与主要核心部件的骨干生产企业;总结了机器人的机械结构、感知系统、驱动系统、操作系统、手把手示教等关键技术的研究进展情况;给出了基于PDA示教的船舶焊接机器人、双臂装配机器人、装配/拆卸双功能机器人、移动式工业机器人、打磨抛光机器人和缝纫机器人等新型工业机器人的应用案例。

  推荐期刊:《机电工程》

  工业机器人的设计与制造是一个非常复杂的过程,涉及的技术与领域很多,如机电、电气、计算机、工业设计等,其是多种先进技术的有机结合体,因此工业机器人的发展离不开所涉及的各项技术的支持。为了更好地满足人们对使用功能的要求,工业机器人不断地向标准化和网络化发展,以下对工业机器人的技术发展与应用进行浅析。

  1 工业机器人的国内外发展史

  1.1 国内发展史

  受核心技术的限制,我国在工业机器人领域起步较晚,直到20世纪70年代才有企业和高校开始进行工业机器人的研发,截止到目前,已经开展了近40年的研究,并取得了一定的成果。在早期的研究中,主要是解决国产化的问题,因为缺乏先进的技术和经验,导致在研发过程中出现各种各样的问题,致使进度相对缓慢,随着我国对工业机器人重视程度的提升,并将其列入国家计划当中,工业机器人的发展速度明显提升,尤其是在数个五年计划中均给予工业机器人足够的支持,为其发展提供了良好的契机。近些年来,随着科技的发展和社会的进步,工业机器人被广泛应用于工业生产中,并为企业带来高额的利润,其需求量也在不断扩大,因此,机器人的自动化生产开始被引进国内,与此同时,工业生产设备也在向自动化方向发展,这些都为工业机器人的发展提供了优质的条件,目前,北京、上海、广州等一线城市已经具备了工业机器人的自主研发能力,并已经实现产业化, 在实际的应用中表现良好。

  1.2 国外发展史

  工业机器人技术最为先进的国家是日本,目前,日本占据了全球工业机器人市场份额的40%左右,日本具有最为先进可靠的技术,而且已经拓展出广阔的市场,在全球工业机器人领域占有着举足轻重的作用。日本于2004年将工业机器人的发展列入到国家发展战略中,通过政府在经济及技术方面的支持,为日本工业机器人的发展提供了良好的外部环境。机器人的发源地是美国,其对工业机器人的研究也是最早的,经过多年的发展,美国在工业机器人领域也具有更为先进的技术,并且相关的生产商在研发能力上较为突出,为工业机器人技术的更新和发展提供了理论与技术支持。欧洲等其他较为发达的国家,也都给予工业机器人足够的重视,并为工业机器人技术的发展营造出良好的氛围。

  2 工业机器人技术分析

  工业机器人通常包含两个主要部件,分别为机械主体和控制系统,再加上其他辅助部件共同完成工业生产操作,很大程度的节省了人力和物力。控制与传动系统是决定工业机器人性能的最为关键的部件,为了最大程度的提升工业机器人的准确性和可靠性,为企业创造更大的价值,需要选用优质的控制与传动系统,并加强后期维护,及时进行相关部件的更新与升级。而在我国,对于工业机器人的核心技术还未完全掌握,很大程度上限制了我国工业机器人事业的发展。

  2.1 高精度减速机

  在我国工业机器人的发展历程中,高精度减速机一直都是一道瓶颈,缺乏自主研发能力,要想制造高精度机器人就需要向国外进口高精度减速机,这�泳痛蟠笙拗屏宋夜�工业机器人事业的发展。为了能尽早的实现高精度工业机器人的国产化,部分科研能力较强的高校开始致力于高精度减速机的研究和开发,并已经将部分研究成果转变成了相关产品,但是在实际的应用过程中仍未取得理想的效果,制约高精度减速器研发的技术主要有以下几个方面:第一,材料成型控制技术。为了更好地提升工业机器人的精确性和可靠性,需要保证减速机的减速齿轮具有足够的耐磨性,这样才能保证工业机器人性能的稳定,所以,这就对减速齿轮的成型技术提出了更高的要求,并且在成型过程中要控制好各种原辅材料的比例。第二,某些特殊部件的加工工艺。在减速机的结构中,最为复杂的部件当属非标特殊轴承,在其生产过程中,间隙一定要控制在合理的范围内,否则将会影响减速机的性能,需要采取特殊的加工工艺才能得以实现,但是在国内尚未找到合适的加工工艺,所生产的产品也达不到相关标准的要求。第三,装配技术的精密性。在实际的应用过程中,工业机器人必须具有良好的减速效果,所以,在工业机器人的装配过程中,需要引进高精度的装配技术,通过精密安装保证其具有足够的减速性能。

  2.2 电机和高精度伺服驱动器

  要想实现高难度的操作,需要工业机器人具有足够的控制精度,传统的电机以及驱动器无法实现这一目标,所以需要采用专业的电机和驱动器来实现精准控制,国外相关的研究起步较早,目前已经研制出专业的电机和驱动器,在保证控制精度的同时,还能实现节能降噪的目标,而在国内,相关的研究才刚刚起步,尚未形成成型的产品,而且也缺乏专业电机和驱动器开发的关键技术。下面对相关的技术进行简要的分析:第一,伺服控制器快速响应技术。现阶段,工业机器人的电机驱动主要受三个方面的影响,任何一方面都占有着举足轻重的作用,都是不可代替的,伺服控制器快速响应技术作为电机驱动的核心技术,很大程度上影响着电机的电流环,但是国内由于在补偿算法等方面与国外存在着较大的距离,无法通过模型对闭环进行优化,大大影响了电机驱动的性能。第二,在线参数自整定技术。我国的自整定技术辨识功能较弱,使得工业机器人的电机和驱动的适应能力较差,最终会影响工业机器人操作的可靠性。

  3 工业机器人的关键技术发展趋势   作为一门复杂的交叉学科,工业机器人是极富科技含量的机电一体化产品,其涉及的技术主要有:自动化控制技术、机电技术、计算机技术、传感器技术、电子通信技术、新材料技术、仿生技术等,由于其涵盖的关键技术较多,以下选择几种具有代表性的关键技术的发展趋势进行分析。

  3.1 新材料技术

  工业机器人的很多部件需要具有足够的坚硬程度和耐磨程度,这样才能保证自动控制的准确性,这就对这些部件的制造材料提出了更高的要求,尤其是在材料化学元、含量金相组织控制,以及超常规热处理工艺方面须具有更优质的性能。

  3.2 人工智能技术

  为了更好地满足工业自动化生产的需求,智能化和拟人化是工业机器人的一个重要发展方向。人工智能技术的核心就是模拟人类智能理论、方法与技术,但是以目前的科学技术水平,仍然无法彻底研究清楚人脑的运行机制,这也就给进一步提升工业机器人的智能化带来阻碍,相信随着科技的进一步发展,人工智能技术定能突破瓶颈,更好地应用于工业机器人中。

  3.3 新型伺服器技术

  伺服器是工业机器人中最为核心的部件,其能对受控物体所处的状态进行判断,然后准确无误的控制机器人下一步的动作,可见伺服器的好坏将会直接影响机器人性能的好坏,影响其使用功能的发挥。

  3.4 新型减速器技术

  高精度、高可靠性、高灵敏度是工业机器人未来的发展方向之一,但是现行的减速器却制约了这一方向的发展,因此,进行新型减速器的研制就显得尤为重要,我国在工业机器人减速器的研究上仍处在起步阶段,还有很大的上升空间。

  3.5 新型控制器技术

  随着自动化水平的提高,工业机器人的复杂程度也在显著增强,传统的单核芯片构成以及计算方法已经无法满足现行设计的需求,这就要求控制器向着多核并行的方向发展,算法也要更加的智能化。

  4 工业机器人的产业化应用

  随着科技的发展,工业机器人被广泛应用于工业生产中,改变了原有的生产方式,有效节省了人力和物力,以下对应用数量最多的几种机器人进行简要介绍。

  4.1 焊接机器人

  因为焊接过程中会产生毒烟和光辐射,工作环境较差,所以,很多大型工厂引进焊接机器人进行焊接操作,其工作原理较为简单,而且成本也不高,可以进行机电设备整机和零部件的电焊作业,其主要的优势体现在:可以保障焊接的准确性、可靠性与美观性;大幅提升工作效率,可以实现24 h不间断作业;有效改善工人的工作环境,避免长期在不良环境下工作给身体带来伤害;可操作性强;降低人员雇佣费用,为企业节省成本;可以实现批量生产,节省工程占地。

  4.2 装配机器人

  目前,工厂生产设备的自动化水平不断提高,对生产速度和精度的要求也不断攀升,这就使得传统的手工装配工艺愈发不能满足现行生产状态的需求,装配机器人就是在这种背景下应运而生的,装配机器人主要应用于工业流水线上产品的组装,一次投资,多年受益,不仅大幅节省了人力的消耗,而且还能明显提升生产效率。

  4.3 搬运机器人

  相对于传统的搬运方式,比如人工、塔吊、叉车等,在同等的环境下,搬运机器人具有更高的精度、更快的速度,以及更大的安全度。

  4.4 材料加工机器人

  材料加工机器人被广泛应用于材料加工领域,比如切割、打磨、抛光等,其具有良好的适用性,可用于多种材料的加工,比如铜、铁等金属、玻璃钢、木材等。

  4.5 喷涂机器人

  喷涂机器人可以实现全方位无死角的喷涂,可以根据客户需求自动生成最佳解决方案,其具有如下优点:灵活性强、自动化程度高;可以有效避免视觉误差,保证喷涂的质量;可以实现一天24 h连续作业;提升工作效率,为企业大幅节省成本。

  5 结语

  在我国经济技术快速发展进步的背影下,工业机器人的发展带来了新的契机,尤其是国内企业对工业机器人的需求量正逐渐增大、相关技术的发展与成熟、国家的大力支持等,都在为国内的相关研发机构提供便利条件。然而我国的工业机器人相关研究工作开始较晚,大量的关键技术欠缺,这就需要有关部门重视人才的培养和引进,不断攻克工业机器人研发过程的瓶颈,尽快实现工业机器人的国产化。

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