工业机器人在智能制造产业的发展研究文档格式.docx

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字数不少于5000字。

学业作品的教学目标：

1.综合运用所学专业知识分析、解决实际问题的能力。

2.掌握文献检索、资料查询的基本方法及获取新知识的能力。

3.书面和口头表达的能力。

4.协作配合工作的能力。

进度安排（以周为单位）：

准备周：

根据论文题目查找资料。

第1周：

完成开题报告和写作大纲。

第2－4周：

完成论文一稿。

第5－7周：

完成论文二稿。

第8－9周：

完成论文三稿。

第10周：

论文定稿打印、装订，交指导老师评审。

第11周：

准备答辩。

系主任（签字）

指导教师（签字）

注：

1、本表任务指指导教师根据论文要求给学生下达的任务。

2、本表一式二份：

学生留存一份，院（系）留存一份。

题目：

1、本课题的课题来源及选题依据：

（1）此次研究是企业的实际需求而进行的，主要是希望能够通过此次的学业作品更好的掌握工业机器人方面的基本知识和技能。

（2）此次研究包括工业机器人和智能制造两部分。

（3）本课题来源于《机电工程技术》。

2、本课题的研究意义：

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且可以保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本。

因此，研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。

工业机器人作为高科技装备，无论在推动国防军事、智能制造、资源开发，还是在培育发展未来机器人产业上都具有重要意义。

目前一些新兴的中低端市场也迅速扩大，如工程机械领域，某些过去传统的劳动密集型企业如石化、粮食、建材、化肥、饲料等领域市场需求也迅速发展起来。

近年来，通过拓展下游应用服务，开拓传统市场接纳新兴生产方式，家电、轨道交通、船舶等领域是机器人未来应用的主战场。

在一般工业应用的新领域，如光伏产业、动力电池制造业，包括酒类、饮料、乳业、糖等在内的食品工业，以及化纤、玻璃纤维、五金打磨、冶金浇铸、医药等行业，都有工业机器人的应用空间。

3、本课题的基本内容、重点和难点，拟采用的实现手段：

（1）查有关的资料，学习相关知识，完成开题报告；

（2）工业机器人及智能制造的产业现状；

（3）工业机器人在智能制造产业的研究；

（4）收集相关资料进行筛选并分析研究；

（5）完成学业作品说明书。

4、文献综述：

[1]张铁，工业机器人及智能制造发展现状分析.广东：

机械工业出版社，2015

[2]王海霞，李志宏，吴清锋.工业机器人在制造业中的应用和发展.机电工程技术，2015.10-0112-03。

[3]杜祥瑛，工业机器人及其应用[M]，机械工业出版社，2004

[4]马光，申桂英，工业机器人的现状及发展趋势[J]，组合机床与自动加工技术，2004年第4期。

[5]吴振彪，工业机器人[M]，华中科技大学出版社，2002

[6]HanJianhai.Industrialrobot,HuazhongUniversityofScienceandTechnologypress,2009

指导教师意见：

指导教师：

年月日

系意见：

盖章

年月日

摘要1

【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。

随着信息技术与先进制造技术的高速发展，我国智能制造装备的发展深度和广度日益提升。

以智能控制系统、工业机器人、自动化成套生产线等为代表的智能制造装备产业体系初步形成。

一批具有自主知识产权的重大智能制造装备正在实现突破。

到2015年，我国智能装备制造业的销售收入将超过1万亿元，年均增长率超过25％，工业增加值率达到35％，本土化智能制造装备的国内市场占有率将超过30％。

【关键词】工业机器人先进制造技术智能制造智能控制系统

Researchonthedevelopmentofindustrialrobotinintelligentmanufacturingindustry

[Abstract]Withthecomputertechnologytotheintelligentdirection,expandinganddeepeningtheapplicationfieldoftherobot,industrialrobothasbecomeahigh-techindustry,playagreatroleinindustrialautomation,andsocialdevelopmentoffutureproductionwillplayamoreandmoreimportantrole.Withtherapiddevelopmentofinformationtechnologyandadvancedmanufacturingtechnology,thedevelopmentdepthandbreadthofintelligentmanufacturingequipmentinourcountryareincreasingdaybyday.Intelligentcontrolsystem,industrialrobot,automatedassemblyline,representedbytheintelligentmanufacturingequipmentindustrysysteminitiallyformed.Anumberofindependentintellectualpropertyrightsofmajorintelligentmanufacturingequipmentisabreakthrough.By2015,China'

ssmartequipmentmanufacturingindustrysalesrevenuewillexceed1trillionyuan,theaverageannualgrowthrateofmorethan25%,theindustrialaddedvalueratereached35%,thelocalizationofintelligentmanufacturingequipmentinthedomesticmarketshareofmorethan30%.

[Keyword]IndustrialrobotAdvancedmanufacturingtechnologyIntelligentmanufacturingIntelligentcontrolsystem

绪论

机器人涉及多学科交叉综合；

人工智能、机器人技术、通信技术、传感器技术、信息及编程技术、计算机学、材料学、电子技术、传动技术、接口技术、单片机原理、精密机械技术、自动控制理论、伺服传动技术等诸多领域的技术集成。

工业机器人是机器人的一种。

机器人可以代替或者协助人类完成各种工作，凡是枯燥的、危险的、有毒的、有害的工作，都可由机器人大显身手。

机器人除了广泛应用于制造业领域外，还应用于资源勘探开发、救灾排险、医疗服务、家庭娱乐、军事和航天等其他领域。

机器人是工业和非产业界的重大生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

工业机器人作为一种特殊的自动化设备，具备智能技术，所以工业机器人在传统产业的应用将大大的提升企业产品的竞争力，促进产品的更新换代，对国家经济产生巨大的推动作用。

而在科学研究，资源勘探方面，工业机器人可替代人的大部分工作，因此促进了国家的可持续发展，并增强了国家的国地位。

在国防领域工业机器人的研究更是层出不穷，特别是在强调零伤亡战争的今天，机器人可替代士兵前往危险的前沿地区，而且没有人性的一些弱点，增强了战斗力，为国家创造了一个和平安定的环境。

1.工业机器人的起源

1.1工业机器人的发展历史

工业机器人诞生于20世纪60年代，在20世纪90年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术.它是综合了计算机，控制论，机构学，信息和传感技术，人工智能，仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调，重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。

在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验，引进到自主开发的转变，促进了我国制造业，勘探业等行业的发展。

随着我国改革开放的逐渐深入，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，掌握国内工业机器人市场的实际情况，把握我国工业机器人的相关技术与研究进展，显得十分重要。

1.2工业机器人技术现状

1.2.1工业机器人技术概念

工业机器人由操作机（机械本体），控制器，伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种，变批量的柔性生产。

它对稳定，提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机，控制论，机构学，信息和传感技术，人工智能，仿生学等多学科而形成的高新技术。

是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。

既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作，精确度高，抗恶劣环境的能力。

从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.2.2工业机器人技术发展现状

在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）。

（1）机械结构：

1）以关节型为主流，80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。

90年代初开发的适应于窄小空间，快节奏，60度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上下料。

2）应3K和汽车，建筑，桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。

如焊接树10米长，10吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构。

3）CAD，CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。

（2）控制技术：

1）大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术，离线编程技术大量采用。

2）协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机，多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。

采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流。

3）其成本低，具有标准现场网络功能。

（3）驱动技术：

1）80年代发展起来的AC侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中，DD驱动技术则广泛地用于装配机器人中。

2）新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合，已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。

（4）应用智能化的传感器：

装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。

（5）通用机器人编程语言：

在ABB公司的20多个小型号产品中，采用了通用模化块语言RAPID。

最近美国“机器人工作空间技术公司”开发了RobotScriptV.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器URC的WinNT/95环境。

该语言易学医用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。

（6）网络通用方式：

大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用RS-232，RA-422，RS-485等通讯接口.。

（7）高速，高精度，多功能化：

目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s，位置重复精度为正负0.01mm。

但有一种速度竞达到80m/s；

而另一种并连机构的NC机器人，其位置重复精度大1微秒。

（8）集成化与系统化：

当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机单元向系统发展，百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）。

跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化，开放化，网络化的“虚拟制造”为工业机器人系统化的发展推波助澜。

2.工业机器人的结构及工作原理

2.1概述

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。

根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。

驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。

它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。

机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。

检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。

控制系统有两种方式。

一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。

另一种是分散式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；

作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。

机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同组成的，其中包括机器人机械系统，驱动系统，控制系统，和感知系统四的部分组成。

可以说机器人的组成部分与人类极为类似。

一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。

从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。

2.2结构

工业机器人的机械系统包括机身，臂部，手腕，末端操作器和行走机构等部分组成，每一部分都有若干自由度的机械系统。

此外，有的机器人还具有行走机构，若具有行走机构则构成行走机器人，若没有则构成单机器人手臂。

工业机器人的机械机械系统相当于人的身体（骨骼，手，臂，腿等）。

驱动系统主要是指驱动机械系统动作的驱动装置。

这部分的作用相当于人的肌肉。

根据驱动源的不同，驱动系统分为电气，液压，气压以及把它们结合起来应用的综合系统。

电气驱动在工业机器人中应用的最为广泛，主要分为步进电动机，直流伺服电机和交流伺服电机三种。

液压驱动运动平稳，且负载能力大，对于重载的搬运和零件加工机器人，采用液压驱动比较合理。

但液压驱动管道复杂，清洁困难，因此限制了在装配作业中的作用。

无论电气还是液压驱动的机器人，其手爪的开合都采用气动形式。

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。

如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统；

如果机器人具备信息反馈特征，则还控制系统称为闭环控制系统。

该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。

软件主要有人与机器人联系的人机交互系统和控制算法等组成。

该部分的作用相当于人的大脑。

感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。

内部状态传感器用于检测各个关节的位置，速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。

外部状态传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离，接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其实别物体并作出相应处理。

该部分的作用相当于人的五官。

2.3工作原理

机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：

控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。

末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。

3.关键技术

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。

4.工业机器人的发展趋势

敏捷制造策略的提出，为工业机器人的发展提供了新的机遇。

敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组，快速响应市场变化，生产出满足用户需求的个性化产品。

敏捷制造要求企业底层的生产设备具有柔性和可动态重组的能力。

机器人是一种具有高度柔性的自动化生产设备。

如果我们站在更高的层次，将机器人视为一种有“感知、思维和行动”的机器，那么，敏捷生产设备就应当是新一代机器人化的机器。

这将为工业机器人的发展提出更高的要求。

4.1朝着标准化方向发展

提高运动速度和运动精度，减轻重量和减少安装占用空间，必将导致工业机器人功能部件的标准化和模块组合化（它可以分为机械模块、信息检测模块、控制模块等），以降低制造成本和提高可靠性。

近年来，世界各国注意发展组合式机器人。

它是采用标准化的组合件拼装而成的。

日前，国外己经研制和生产了各种不同的标准组件。

除了机器人用的各种伺服电机、传感器外，手臂、手腕和机身的结构也己经标准化了，如臂仲缩轴、臂升降轴、臂俯仰轴、臂摆动轴;

手腕旋转轴、摆动轴、固定台身、机座、移动轴等。

4.2研究新型机器人结构

随着工业机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，应开发新型微动机构保证动作精度;

开发多关节、多自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构等以适应复杂的作业的需要。

4.3朝着智能化方向发展

在多品种，小批量生产的柔性制造自动化技术中，特别是机器人自动装配技术中，要求工业机器人对外部环境和对象物体有自适应能力，即具有一定的“智能”，机器人的智能化是指机器人具有感觉、知觉等，即有很强的检测功能和判断功能。

为此，必须开发类似人类感觉器官的传感器（如触觉传感器、视觉传感器、测距传感器等），发展多传感器的信息融合技术。

通过各种传感器得到关于工作对象和外部环境的信息，以及信息库中存储的数据、经验、规划的资料，以完成模式识别，用“专家系统”等智能系统进行问题求解，动作规划。

4.4研究机器人协作控制

先进制造技术的发展对协作机器人学的研究与发展起着积极的促进作用。

随着先进制造技术的发展，工业机器人己从当初的柔性上、下料装置正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。

在这样的生产线上，机器人是作为一个群体工作的，不论每个机器人在生产线上起什么作用，它总是作为系统中的一员而存在。

因此，要从组成敏捷制造生产系统的观点出发，来研究工业机器人的进一步发展。

而面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成。

因此，以系统的观点来发展新的机器人控制系统，有大量的理论与实践的工作要做。

5.工业机器人及智能制造产业分析

5.1工业机器人

众所周知，工业机器人关键零部件包括伺服电机、减速器、控制器、传感器和机械本体，广东省在伺服电机、控制器和传感器领域处于领先地位，但是和国外发达国家的相关领域比较仍有很大的差距。

从产品成本构成分析，伺服电机产品占成本的20%左右，减速器占产品成本的25%左右，控制器占产品成本的27%，因此工业机器人产业化的关键问题是掌握这些关键部件的产业化。

5.2智能制造

智能制造实际是工业机器人产品的延伸，不能将工业机器人产业当作一个独立的产业，而应将工业机器人作为现代机械装备制造业的一个核心单元之一。

实际上智能制造就是在现代生产中，集成各种高技术产品，包括机器人、物流系统、智能传感系统、控制系统、计算机控制软件等高技术，实现在现代制造中将劳动者从简单重复的劳动中解放出来的目的，实施智能制造将使得集成生产厂商和用户双方获益。

5.3广东省机器人现状及制造业企业实施智能制造的分析

广东在我国的制造业具有领先地位，同时珠三角地区也是改革开放的前沿和窗口，是我国市场经济的核心地带，毗邻香港国际市场，又是国内多层次资本市场建设的重心，发展机器人产业从技术引进、产品销售、企业融资、产业链整合都具有特殊的便利环境。

广东省机器人产业主要集中在珠江三角洲，其中深圳和东莞等地市由于在电子业、制造业具有良好的基础，因此在机器人控制器、伺服驱