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学科前沿工业机器人汇总
《学科前沿》课程论文
题目:
学科前沿工业机器人
学院:
机械工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化年级:
2011
学生:
艾纯财
学号:
20112496
完成时间:
2014、6、28
成绩:
学科前沿工业机器人
摘要:
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。
作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段,工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。
关键词:
工业机器人,历史,发展,前沿,简述
1引言
工业机器人市场的大幕已经拉开,世界机器人市场的需求即将进人喷发期,中国潜在的巨大机械设备生产市场需求已初露端倪,工业机器人进军机床行业投资前景可期。
工业机器人能替代越来越昂贵的劳动力,同时能提升工作效率和产品品质。
富士康机器人可以承接生产线精密零件的组装任务,更可替代人工在喷涂、焊接、装配等不良工作环境中工作,并可与数控超精密铁床等工作母机结合模具加工生产,提高生产效率,替代部分非技术工人。
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十分明显,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危险任务的能力,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。
2工业机器人的历史与发展
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,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。
20世纪50年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人;60年代初,美国研制成功两种工业机器人,并很快地在工业生产中得到应用;1969年,美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。
此后,各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。
由于工业机器人具有一定的通用性和适应性,能适应多品种中、小批量的生产,70年代起,常与数字控制机床结合在一起,成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。
3工业机器人的技术原理
机器人控制系统是机器人的大脑,是决定机器人功能和性能的主要因素。
工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。
具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。
(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:
当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工业机器人分类
4.1移动机器人
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。
国际物流技术发展的新趋势之一,而移动机器人是其中的核心技术和设备,是用现代物流技术配合、支撑、改造、提升传统生产线,实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结合,实现精细化、柔性化、信息化,缩短物流流程,降低物料损耗,减少占地面积,降低建设投资等的高新技术和装备。
4.2点焊机器人
焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点,焊接质量明显优于人工焊接,大大提高了点焊作业的生产率。
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。
随着汽车工业的发展,焊接生产线要求焊钳一体化,重量越来越大,165公斤点焊机器人是当前汽车焊接中最常用的一种机器人。
2008年9月,机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人,并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。
2009年9月,经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收,该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水平。
4.3洁净机器人
洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。
随着生产技术水平不断提高,其对生产环境的要求也日益苛刻,很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行,洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。
关键技术包括:
(1)洁净润滑技术:
通过采用负压抑尘结构和非挥发性润滑脂,实现对环境无颗粒污染,满足洁净要求。
(2)高速平稳控制技术:
通过轨迹优化和提高关节伺服性能,实现洁净搬运的平稳性。
(3)控制器的小型化技术:
根据洁净室建造和运营成本高,通过控制器小型化技术减小洁净机器人的占用空间。
(4)晶圆检测技术:
通过光学传感器,能够通过机器人的扫描,获得卡匣中晶圆有无缺片、倾斜等信息。
除上述工业机器人之外,还有弧焊机器人、激光加工机器人、真空机器人等工业机器人。
5工业机器人的应用
工业机器人具有输送、涂胶、焊接、自动装箱、自动焊接等多多种功能,能运用于各种各样的行业,如建材、家电、电子、化纤、汽车、食品、铁路、航空航天、军工、冶金等行业当中。
5.1涂胶
工业机器人涂胶主要包括机器人、供胶系统、涂胶工作台、工作站控制系统及其它周边配套设备。
为了提高系统的可靠性,涂胶工作站中的机器人和供胶系统,一般采用国外产品。
该工作站自动化程度高,适用于多品种、大批量生产,可广泛地应用于汽车风挡、汽车摩托车车灯、建材门窗、太阳能光伏电池涂胶等行业。
使用工业机器人涂胶:
(1)自动化程度高,生产效率高,产量大。
(2)运行可靠,涂胶精度高,产品质量稳定。
(3)节省人力,节省材料,降低生产成本。
(4)改善作业环境,符合环保要求。
(5)产量增加时,无需增加人力,只需增加机器人工作时间。
5.2焊接
工业机器人焊接主要有以下优点:
⑴稳定和提高焊接质量;⑵提高劳动生产率;⑶改善工人劳动强度,机器人可在有害环境下工作;⑷降低了对工人操作技术的要求;⑸缩短了产品改型换代的准备周期(只需修改软件和必要的夹具即可),减少相应的设备投资。
自动机器人焊接工作站可广泛地应用于铁路、航空航天、军工、冶金、汽车、电器等各个行业。
该系统一般多采用熔化极气体保护焊(MIG、MAG、CO2焊)或非熔化极气体保护焊(TIG、等离子弧焊)方法。
设备一般包括:
焊接电源、焊枪和送丝机构、焊接机器人系统及相应的焊接软件及其它辅助设备等。
采用机器人进行焊接作业可以极大地提高生产效益和经济效率;另一方面,机器人的移位速度快,可达3m/s,甚至更快。
因此,一般而言,采用机器人焊接比同样用人工焊接效率可提高2~4倍,焊接质量优良且稳定。
5.3自动装箱
机器人自动装箱、码垛工作站是一种集成化的系统,它包括工业机器人、控制器、编程器、机器人手爪、自动拆/叠盘机、托盘输送及定位设备和码垛模式软件等。
它还配置自动称重、贴标签和检测及通讯系统,并与生产控制系统相连接,以形成一个完整的集成化包装生产线。
由于机器人自动装箱、码垛工作站在产品的装箱、码垛等工序实现了自动化作业,并且具有安全检测、连锁控制、故障自诊断、示教再现、顺序控制、自动判断等功能,从而大大地提高了生产效率和工作质量,节省了人力,建立了现代化的生产环境。
5.4自动焊接
转轴自动焊接工作站用于以转轴为基体(上置若干悬臂)的各类工件的焊接,它由焊接机器人、回转双工位变位机(若干个工位)及工装夹具组成,在同一工作站内通过使用不同的夹具可实现多品种的转轴自动焊接,焊接的相对位置精度很高。
由于采用双工位变位机,焊接的同时,其他工位可拆装工件,极大地提高了效率。
采用手工电弧焊进行转轴焊接,工人劳动强度极大,产品的一致性差,生产效率低,仅为2—3件/小时。
采用自动焊接工作站后,产量可达到15—20件/小时,焊接质量和产品的一致性也大幅度的提高。
6我国工业机器人的未来
机器人技术是高技术的重要组成部分,其产业化的进程在我国刚刚起步,虽然取得了一定的成绩,但仍然存在很多困难和不足,因此更需要多方面的关心和支持。
国家政策支持,是加速高新技术产业化的重要前提。
根据我国政府有关部门应组织力量进行充分地调查研究,在此基础上,制定切实可行的推广、应用机器人和促进机器人研究开发的倾斜政策。
如在税收、投资和贷款方面对机器人产业实行扶持政策。
日本政府通过制定政策,采取一系列措施鼓励企业应用机器人,为日本机器人在国内开拓市场的经验值得我们借鉴。
另外,对机器人用户,可以考虑给予一定的资金补贴,以鼓励购买.为了避免危险恶劣的工作环境导致的工伤事故和职业病,保护工人的身心安全,对一些特殊工种,如喷涂,铸造等通过劳动法强制采用工业机器人来代替.这样可以大大增加工业机器人的需求数量。
我国的机器人产业化必须由市场来拉动。
机器人作为高技术,它的发展与社会的生产、经济状况密切相关。
机器人的研制、开发只有从技术上实现可能性大为原则选择机器人优先应用的领域,并以此为突破口,向其他领域渗透、扩散至为重要。
我国机器的应用人要顺利走上市场,实现产业化,还是需要各方面的共同努力。
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