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    智造講堂:智能制造的核心技術之工業機器人

    2022/2/26 9:24:38 人評論 次瀏覽 來源:智造苑 分類:新聞

    改編自:《智能制造概論》(作者:李培根,高亮)該書已出版,詳細信息請見文末~



    1. 工業機器人的概念



    工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置,具有柔性好、自動化程度高、可編程性好、通用性強等特點。在工業領域中,工業機器人的應用能夠代替人進行單調重復的生產作業,或是在危險惡劣環境中的加工操作。國際上,工業機器人的定義主要有如下兩種:


    國際標準化組織(ISO)的定義:工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能,能完成各種作業的可編程操作機。


    美國機器人協會(RIA)的定義:一種可以反復編程和多功能的,用來搬運材料、零件、工具的操作機;或者為了執行不同的任務而具有可改變的和可編程的動作的專門系統。


    在智能制造領域,工業機器人作為一種集多種先進技術于一體的自動化裝備,體現了現代工業技術的高效益、軟硬件結合等特點,成為柔性制造系統、自動化工廠、智能工廠等現代化制造系統的重要組成部分。機器人技術的應用轉變了傳統的機械制造模式,提高了制造生產效率,為機械制造業的智能化發展提供了技術保障;優化了制造工藝流程,能夠構建全自動智能生產線,為制造模塊化作業生產提供了良好的環境條件,滿足現代制造業的生產需要和發展需求。



    2. 工業機器人的結構與功能



    工業機器人一般由3個部分、6個子系統組成,如圖1所示。


    圖1 工業機器人結構


    1)機械部分


    機械部分包括工業機器人的機械結構系統和驅動系統。機械部分是工業機器人的基礎,其結構決定了機器人的用途、性能和控制特性。


    (1)機械結構系統,即工業機器人的本體結構,包括基座和執行機構,有些機器人還具有行走機構,是機器人的主要承載體。機械結構系統的強度、剛度及穩定性是機器人靈活運轉和精確定位的重要保證。


    (2)驅動系統,包括工業機器人動力裝置和傳動機構,按動力源分為液壓、氣動、電動和混合動力驅動,其作用是提供機器人各部位、各關節動作的原動力,使執行機構產生相應的動作。驅動系統可以與機械系統直接相連,也可通過同步帶、鏈條、齒輪、諧波傳動裝置等與機械系統間接相連。


    2)傳感部分


    傳感部分包括工業機器人的感受系統和機器人-環境交互系統。傳感部分是工業機器人的信息來源,能夠獲取有效的外部和內部信息來指導機器人的操作。


    (1)感受系統,是工業機器人獲取外界信息的主要窗口,機器人根據布置的各種傳感元件獲取周圍環境狀態信息,對結果進行分析處理后控制系統對執行元件下達相應的動作命令。感受系統通常由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成:內部傳感器模塊用于檢測機器人自身狀態;外部傳感器模塊用于檢測操作對象和作業環境。


    (2)機器人-環境交互系統,是工業機器人與外部環境中的設備進行相互聯系和協調的系統。在實際生產環境中,工業機器人通常與外部設備集成為一個功能單元。該系統幫助工業機器人與外部設備建立良好的交互渠道,能夠共同服務于生產需求。


    3)控制部分


    控制部分包括工業機器人的人-機交互系統和控制系統??刂撇糠质枪I機器人的核心,決定了生產過程的加工質量和效率,便于操作人員及時準確地獲取作業信息,按照加工需求對驅動系統和執行機構發出指令信號并進行控制。


    (1)人-機交互系統,是人與工業機器人進行信息交換的設備,主要包括指令給定裝置和信息顯示裝置。人-機交互技術應用于工業機器人的示教、監控、仿真、離線編程和在線控制等方面,優化了操作人員的操作體驗,提高了人機交互效率。


    (2)控制系統,是根據機器人的作業指令程序以及從傳感器反饋回來的信號,支配工業機器人的執行機構完成規定動作的系統??刂葡到y可以根據是否具備信息反饋特征分為閉環控制系統和開環控制系統;根據控制原理可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智能控制系統;根據控制運動的形式可分為點位控制系統和連續軌跡控制系統。



    3. 工業機器人的關鍵技術



    在智能制造領域中,工業機器人有3類關鍵技術,如圖2所示。


    圖2 機器人技術


    1)整機技術


    整機技術是指以提高工業機器人產品的可靠性和控制性能,提升工業機器人的負載/自重比,實現工業機器人的系列化設計和批量化制造為目標的機器人技術。主要有:本體優化設計技術、機器人系列化標準化設計技術、機器人批量化生產制造技術、快速標定和誤差修正技術、機器人系統軟件平臺等。本體優化設計技術是其中的代表性技術。

    本體優化設計技術即對工業機器人的本體進行優化設計和性能評估的技術。在現代工業生產的一些高速、重載的應用場合下,需要保證工業機器人加工過程中的運動精度和運動平穩性,因此在工業機器人的本體結構設計開發時,必須對其慣性參數和結構參數進行不斷優化,使機構的質量、剛度得到合理的分布,工業機器人整機具有良好的動態性能?;玖鞒淌牵菏紫雀鶕a需求設計工業機器人機械結構,利用三維軟件建立本體結構模型,并進行虛擬裝配,如圖3所示;然后利用計算機仿真技術對機器人進行運動學和動力學仿真分析,分析機器人的各項性能;最后利用有限元技術等方法對結構進行優化,以實現機器人的輕量化,提高機器人的動態性能。


    圖3 本體優化設計


    在本體結構輕量化設計方面,主要體現在新材料、新工藝和結構優化理論的應用上;在本體結構模塊化設計方面,主要體現在各種機構的選用和組合上。


    2)部件技術


    部件技術是指以研發高性能機器人零部件,滿足工業機器人關鍵部件需求為目標的機器人技術。主要有:高性能伺服電機設計制造技術、高性能/高精度機器人專用減速器設計制造技術、開放式/跨平臺機器人專用控制(軟件)技術、變負載高性能伺服控制技術等。高性能伺服電機設計制造技術和高性能/高精度機器人專用減速器設計制造技術是其中的代表性技術。


    伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機,能將電壓信號轉化為轉矩和轉速信號以驅動控制對象,是機器人的核心零部件之一,如圖4所示。伺服電機作為工業機器人的關鍵執行部件,是驅動工業機器人運動的主要動力系統,伺服電機的性能很大程度上決定了工業機器人整體的動力性能。工業機器人領域中應用的伺服電機應具有快速響應、高啟動轉矩、低慣量、寬廣且平滑的調速范圍等特性,目前應用較多的是交流伺服電機。設計高性能高功率密度伺服電機需要根據設計指標綜合考慮電機結構參數、部件材料、磁路結構等要素,并通過有限元等方法綜合分析電機性能。


    圖4 伺服電機


    減速器通常用作原動件與工作機之間的減速傳動裝置,起到匹配轉速和傳遞轉矩的作用,一般由封閉在剛性殼體內的齒輪傳動、蝸桿傳動、齒輪-蝸桿傳動組成,是機器人傳動機構的核心部件之一,如圖5所示。機器人領域常用的精密傳動裝置主要有輕載條件下的諧波減速器和重載條件下的RV減速器。諧波減速器具有輕量小型、無齒輪間隙、高轉矩容量等優點,但其精度壽命較差,主要是由于在高度循環的交變應力情況下柔輪極易出現疲勞失效,通常應用在關節型機器人的末端執行等輕載部位;RV減速器主要包含了行星齒輪與擺線針輪兩級減速兩個部分,具有減速范圍寬、功率密度大、運行平穩等優點,已成為工業機器人最常用的精密減速器。設計高性能/高精度機器人專用減速器需綜合考慮傳動精度、齒廓修形、扭轉剛度以及回差等技術指標。


    圖5 減速器


    當前,我國高性能伺服電機、減速器等關鍵零部件的設計制造技術與外國相比,在可靠性、精度、動態反應能力等方面存在一定差距,是制約我國工業機器人發展的瓶頸之一。


    3)集成應用技術

    集成應用技術是指以提升工業機器人任務重構、偏差自適應調整能力,提高機器人人機交互性能為目標的機器人技術。主要有:基于智能傳感器的智能控制技術、遠程故障診斷及維護技術、基于末端力檢測的力控制及應用技術、快速編程和智能示教技術、生產線快速標定技術、視覺識別和定位技術等。視覺識別定位技術是其中的代表性技術。

    視覺識別和定位技術是一項涉及人工智能、圖像處理、傳感器技術和計算機技術等多領域的綜合技術,與工業機器人結合非常緊密,廣泛地應用在工業生產中的缺陷檢測、目標識別與定位和智能導航等方面。典型的視覺應用系統包括圖像捕捉、光源系統、圖像數字化模塊、數字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執行模塊,如圖6所示。


    圖6 視覺應用系統


    視覺識別和定位技術在工業機器人領域的應用主要以下3個方面:


    (1)視覺測量:針對精度要求較高(毫米級甚至為微米級)的零部件,使用人的肉眼無法完成其精度測量,通過引入視覺非接觸測量技術構成機器人柔性在線測量系統,能夠有效獲取零部件表面質量和基本尺寸信息。


    (2)視覺引導:基于機器視覺技術能夠快速準確地找到目標零件并確認其位置,采用模式識別的方式,在三維圖像中獲取目標點或目標軌跡引導工業機器人抓取、加工等操作,提高生產智能化程度,實現自動化作業。


    (3)視覺檢測:通過機器視覺檢測完成產品的制造工藝檢測、自動化跟蹤、追溯與控制等生產環節,識別零件的存在或缺失以保證部件裝配的完整性,判別產品表面缺陷以保證 生產質量。


    視覺識別和定位技術的應用使得工業機器人能夠適應復雜工業環境中的智能柔性化生產,大大提高了工業生產中的智能化和自動化水平。

    工業機器人的關鍵技術推動了機器人產品的系列化設計和批量化制造。



    4. 工業機器人在智能制造中的應用



    在智能制造領域,多關節工業機器人、并聯機器人、移動機器人的本體開發及批量生產,使得機器人技術在焊接、搬運、噴涂、加工、裝配、檢測、清潔生產等領域得到規?;蓱?,極大地提高了生產效率和產品質量,降低了生產和勞動力成本。


    1)焊接機器人


    在汽車、工程機械、船舶、農機等行業,焊接機器人的應用十分普遍。作為精細度需求較高、工作環境質量較差的生產步驟,焊接的勞動強度極大,對焊接工作人員的專業素養要求較高。由于機器人具備抗疲勞、高精準、抗干擾等特點,應用焊接機器人技術取代人工焊接,可保證焊接質量一致性,提高焊接作業效率,同時也能直觀地反饋焊接作業的質量。


    目前,投放于焊接崗位的機器人的種類較多,根據使用場合的差異,選用的焊接機器人種類各有不同,其中多關節機器人的應用較為普遍,如圖7所示。結合多關節機器人的運動靈活、空間自由度較高的特點,能夠調整任意的焊接位置和姿態,有效地提升了制造中的生產效率與生產質量。


    圖7 焊接機器人


    2)搬運機器人


    機器人技術同樣能夠應用到制造業的搬運作業中。借助人工程序的構架與編排,將搬運機器人投放入當今制造業生產之中,從而實現運輸、存儲、包裝等一系列工作的自動化進行,不僅有效地解放了勞動力,而且提高了搬運工作的實際效率。通過安裝不同功能的執行器,搬運機器人能夠適應各類自動生產線的搬運任務,實現多形狀或不規則的物料搬運作業。同時考慮到化工原料及成品的危險性,利用搬運機器人進行運輸能降低安全隱患,減小危險品及輻射品對搬運人員的人體傷害。

    目前,固定式串聯搬運機器人在制造業中應用廣泛,其優點是工作空間大、結構簡單,但其負載較低、剛性較差,只能在固定工位上完成簡單的搬運工作,具有一定的局限性。通過結合移動機器人技術和并聯機器人技術,能有效地提高搬運機器人的承載能力和作業范圍,在汽車、物流、食品、醫藥等行業具有廣闊的應用前景,如圖8所示。


    圖8 搬運機器人


    3)加工機器人


    隨著生產制造向著智能化和信息化發展,機器人技術越來越多地應用到制造加工的打磨、拋光、鉆削、銑削、鉆孔等工序當中。與進行加工作業的工人相比,加工機器人對工作環境的要求相對較低,具備持續加工的能力,同時加工產品質量穩定、生產效率高,能夠加工多種材料類型的工件,如鋁、不銹鋼、銅、復合材料、樹脂、木材和玻璃等,有能力完成各類高精度、大批量、高難度的復雜加工任務。

    相比機床加工,工業機器人的缺點在于其自身的弱剛性。但是加工機器人具有較大的工作空間、較高的靈活性和較低的制造成本,對于小批量多品種工件的定制化加工,機器人在靈活性和成本方面顯示出較大優勢;同時,機器人更加適合與傳感器技術、人工智能技術相結合,在航空、汽車、木制品、塑料制品、食品等領域具有廣闊的應用前景,如圖9所示。


    圖9 加工機器人



    5. 工業機器人未來發展趨勢



    在智能制造領域中,以機器人為主體的制造業體現了智能化、數字化和網絡化的發展要求,現代工業生產中大規模應用工業機器人正成為企業重要的發展策略?,F代工業機器人已從功能單一、僅可執行某些固定動作的機械臂,發展為多功能、多任務的可編程、高柔性智能機器人。盡管系統中工業機器人個體是柔性可編程的,但目前采用的大多數固定式自動化生產系統柔性較差,適用于長周期、單一產品的大批量生產,而難以適應柔性化、智能化、高度集成化的現代智能制造模式。應對智能制造的發展需求,未來工業機器人系統有以下的發展趨勢:


    1)一體化發展趨勢


    一體化是工業機器人未來的發展趨勢??梢詫I機器人進行多功能一體化的設計,使其具備進行多道工序加工的能力,對生產環節進行優化,實現測量、操作、加工一體化,能夠減少生產過程中的累計誤差,大大提升生產線的生產效率和自動化水平,降低制造中的時間成本和運輸成本,適合集成化的智能制造模式。


    2)智能信息化發展趨勢


    未來以“互聯網+機器人”為核心的數字化工廠智能制造模式將成為制造業的發展方向,真正意義上實現了機器人、互聯網、信息技術和智能設備在制造業的完美融合,涵蓋了對工廠制造的生產、質量、物流等環節,是智能制造的典型代表。結合工業互聯網技術、機器視覺技術、人機交互技術和智能控制算法等相關技術,工業機器人能夠快速獲取加工信息,精確識別和定位作業目標,排除工廠環境以及作業目標尺寸、形狀多樣性的干擾,實現多機器人智能協作生產,滿足智能制造的多樣化、精細化需求。


    3)柔性化發展趨勢


    現代智能制造模式對工業機器人系統提出了柔性化的要求。通過開發工業機器人開放式的控制系統,使其具有可拓展和可移植的特點;同時設計制造工業機器人模塊化、可重構化的機械結構,例如關節模塊中實現伺服電機、減速器、檢測系統三位一體化,使得生產車間能夠根據生產制造的需求自行拓展或者組合系統的模塊,提高生產線的柔性化程度,有能力完成各類小批量、定制化生產任務。


    4)人機/多機協作化發展趨勢


    針對目前工業機器人存在的操作靈活性不足、在線感知與實時作業能力弱等問題,人機/多機協作化是其未來的發展趨勢。通過研發機器人多模態感知、環境建模、優化決策等關鍵技術, 強化人機交互體驗與人機協作效能,實現機器人和人在感知、理解、決策等等不同層面上的優勢互補,能夠有效提高工業機器人的復雜作業能力。同時通過研發工業機器人多機協同技術,實現群體機器人的分布式協同控制,其協同工作能力提高了任務的執行效率, 以及具有的冗余特性提高了任務應用的魯棒性,能完成單一系統無法完成的各種高難度、高精度和分布式的作業任務。


    5)大范圍作業發展趨勢


    現代柔性制造系統對物流運輸、生產作業等環節的效率、可靠性和適應性提出了較高的要求,在需要大范圍作業的工作環境中,固定基座的工業機器人很難完成工作任務,通過引入移動機器人技術,有效地增大了工業機器人的工作空間,提高了機器人的靈巧性。






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