工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展！

工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)線上的自動(dòng)化加工、裝配、搬運(yùn)、焊接、噴涂等工作。工業(yè)機(jī)器人可以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品精度和質(zhì)量，同時(shí)也可以減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹了部分種類工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展。 - 文章信息 -

本文引自：《智能制造裝備基礎(chǔ)》。作者：吳玉厚、陳關(guān)龍、張珂、趙德宏、鞏亞東、劉春時(shí)。由「智造苑」原創(chuàng)首發(fā)， 數(shù)字化企業(yè)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。 隨著科技的不斷進(jìn)步和人工智能技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展也在不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)具備了更高的靈活性和自主性，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行編程和控制，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境和工藝要求。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人的智能化程度也在不斷提高，可以通過視覺識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的操作和決策。 1

搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展

1）搬運(yùn)機(jī)器人的功能

搬運(yùn)作業(yè)是指用一種設(shè)備（或機(jī)器、裝置）握持工件（或物品），使之從一種制造加工狀態(tài)（或位置）移動(dòng)到另一種制造加工狀態(tài)（或位置）的過程。搬運(yùn)機(jī)器人就是用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，廣泛運(yùn)用于化工、食品加工、包裝物流行業(yè)等諸多領(lǐng)域，并向其他領(lǐng)域不斷地延伸和發(fā)展。搬運(yùn)機(jī)器人主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）改善物流管理和調(diào)度的能力。

（2）滿足柔性的場(chǎng)地要求和滿足特殊工作環(huán)境需求。

（3）負(fù)載能力強(qiáng)。

（4）具有高動(dòng)態(tài)特性，工作效率高；搬運(yùn)精度高。

（5）簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、易維修、使用壽命長(zhǎng)，一般壽命可達(dá)20年。

2）搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)組成

搬運(yùn)機(jī)器人是一個(gè)完整系統(tǒng)。以關(guān)節(jié)式搬運(yùn)機(jī)器人為例（見圖1），其工作站主要由操作機(jī)、控制系統(tǒng)、搬運(yùn)系統(tǒng)（氣體發(fā)生裝置、真空發(fā)生裝置和手爪等）和安全保護(hù)裝置組成[1]。

圖1 搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)組成

3）搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展

搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)、搬運(yùn)技術(shù)和傳感技術(shù)的融合。針對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的開發(fā)會(huì)重點(diǎn)放于對(duì)其各項(xiàng)性能的完善上，主要體現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）高負(fù)載。對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人的承載能力要求會(huì)有較大提高，其所能承載的重量將會(huì)越來(lái)越大；如ABB公司推出的IRB 6660-100/3.3，就旨在解決坯件大、重、距離長(zhǎng)等壓機(jī)上下料的難題。

（2）高可靠性。在搬運(yùn)機(jī)器人的工作過程中，其運(yùn)行的穩(wěn)定性十分重要，若是在工作過程中發(fā)生了較多的故障，極有可能導(dǎo)致搬運(yùn)機(jī)器人將物料損壞；如日本FANUC公司推出的 FANUC R-2000iB，有緊湊的手腕結(jié)構(gòu)、狹小的后部干涉區(qū)域、可高密度布置機(jī)構(gòu)、高可靠性等特點(diǎn)。

（3）和諧的人機(jī)交互。搬運(yùn)機(jī)器人愈加常見于人們的生活中，因此有必要提高搬運(yùn)機(jī)器人與人類的交流，可以有效地提高效率。

（4）智能化。隨著個(gè)性化需求和服務(wù)的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的制造模式將無(wú)法滿足多樣化生產(chǎn)的需求，需要升級(jí)到具有個(gè)性化定制能力的智能制造模式。不只是要求搬運(yùn)機(jī)器人完成預(yù)定的工作，還要求搬運(yùn)機(jī)器人根據(jù)環(huán)境的變化做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)；如FANUC公司推出的機(jī)器人控制柜R-30iA，內(nèi)置視覺功能、散堆工件取出功能、故障診斷功能優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)散堆工件搬運(yùn)，一定程度上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化與網(wǎng)絡(luò)化。

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碼垛機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展

1）碼垛機(jī)器人的功能

碼垛機(jī)器人是在物流生產(chǎn)線末端取代工人或碼垛機(jī)完成工件自動(dòng)碼垛功能的設(shè)備，是機(jī)械與計(jì)算機(jī)程序有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。碼垛機(jī)器人能在工業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)大批量工件、包裝件的快速獲取、搬運(yùn)、裝箱、堆垛、拆垛等作業(yè)，是可以集成在生產(chǎn)線上任意階段的高新機(jī)電產(chǎn)品。碼垛機(jī)器人主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低、性能可靠、保養(yǎng)維修方便；占地面積少，操作范圍大。

（2）適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)不同的產(chǎn)品類型和實(shí)際需求進(jìn)行編程來(lái)滿足需求。

（3）智能程度高，可根據(jù)設(shè)定的信息對(duì)貨物進(jìn)行識(shí)別，送至不同位置。

（4）操作簡(jiǎn)單，可在控制柜屏幕上操作，示教方法簡(jiǎn)單易懂。

（5）能耗低，碼垛機(jī)功率在26kW左右，而碼垛機(jī)器人功率僅為5kW左右。

2）碼垛機(jī)器人系統(tǒng)組成

如圖2所示，碼垛機(jī)器人系統(tǒng)主要由操作機(jī)、控制系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)（氣體發(fā)生裝置、液壓發(fā)生裝置）和安全保護(hù)裝置組成。

圖2 碼垛機(jī)器人系統(tǒng)組成

3）碼垛機(jī)器人技術(shù)發(fā)展

在全球生產(chǎn)制造最大利益化趨勢(shì)下，碼垛逐漸成為各個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的瓶頸。為了能夠適應(yīng)不斷變化的商品對(duì)于碼垛的要求，讓碼垛機(jī)器人盡可能更好地服務(wù)工業(yè)生產(chǎn)，必須解決限制碼垛機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的因素，針對(duì)碼垛機(jī)器人的新功能、新特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展，使得整個(gè)包裝物流業(yè)逐漸向“自動(dòng)化、無(wú)人化”發(fā)展。碼垛機(jī)器人未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）自動(dòng)化程度不斷提高。機(jī)電綜合技術(shù)將會(huì)成為碼垛機(jī)器人發(fā)展的主流，碼垛機(jī)器人自動(dòng)化主要包括自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)，微電子、紅外線、傳感器等新技術(shù)，尤其是微小型計(jì)算機(jī)的廣泛使用會(huì)使碼垛機(jī)器人的自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)水平飛速提升，從而大大提高碼垛質(zhì)量。

（2）模塊集成化。采用模塊化結(jié)構(gòu)不僅能夠讓碼垛機(jī)器人最大限度地滿足不同物品對(duì)機(jī)器人的要求，同時(shí)可以讓設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造更方便，能夠降低成本、縮短生產(chǎn)周期。如KUKA 公司的KRC4控制器將安全控制、機(jī)器人控制、運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制及工藝控制集中在一個(gè)開放高效數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架中，具有高性能、可升級(jí)和靈活性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人部分的模塊集成。

（3）功能多樣化。近年來(lái)由于多品種、小批量商品市場(chǎng)的不斷壯大以及中、小型用戶的急劇增加，多功能通用碼垛機(jī)器人的發(fā)展速度越來(lái)越快，應(yīng)用前景也十分開闊。

（4）高速化。不僅要促進(jìn)單機(jī)高速化，而且要提高碼垛系統(tǒng)的高速化；在不斷提升自動(dòng)化程度的前提下，不斷改進(jìn)碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，讓整個(gè)碼垛系統(tǒng)的高速化向更深的層次發(fā)展。如ABB公司推出的全球最快碼垛機(jī)器人IRB-460，操作節(jié)拍可到達(dá)2190次/h，運(yùn)行速度比常規(guī)機(jī)器人提升15%。

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焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展

1）焊接機(jī)器人的功能

焊接機(jī)器人是替代人類從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人集焊接技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、數(shù)控加工等多種知識(shí)領(lǐng)域于一體，在制造業(yè)中的應(yīng)用數(shù)量逐年增加，焊接機(jī)器人的使用可以提高焊接生產(chǎn)效率，改善工作人員的勞動(dòng)條件，穩(wěn)定和保證產(chǎn)品質(zhì)量，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化生產(chǎn)，并能夠推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化升級(jí)改造。通常所說(shuō)的焊接機(jī)器人包括：點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、激光焊接機(jī)器人、攪拌摩擦焊接機(jī)器人、等離子焊接機(jī)器人等，其中點(diǎn)焊、弧焊和激光焊接機(jī)器人應(yīng)用比較普遍。焊接機(jī)器人主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均勻性。采用機(jī)器人焊接時(shí)，每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）改善了勞動(dòng)條件，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。采用機(jī)器人焊接，工人只需要裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等有害環(huán)境，使工人從高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)，并且實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)。

（3）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。

2）焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成

根據(jù)焊接工藝的不同，焊接機(jī)器人的系統(tǒng)組成也略有不同，基本可以分為機(jī)器人系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)兩部分，具體點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成分別如圖3~圖5所示。

圖3 點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)組成

圖4 弧焊機(jī)器人系統(tǒng)組成

圖5 激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成

3）焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展

焊接是一個(gè)高度非線性、多變量、多種不確定因素作用的過程，使得控制焊縫成形質(zhì)量極為困難，機(jī)器人焊接領(lǐng)域的發(fā)展需要采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、信息和傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科知識(shí)，實(shí)現(xiàn)焊接電源靜動(dòng)特性的無(wú)級(jí)控制、焊接初始位置的自主識(shí)別、焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、焊接熔池動(dòng)態(tài)特征信息獲取、焊接參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)等，以確保焊接質(zhì)量和提高焊接效率。

焊接機(jī)器人未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）智能化水平更高。未來(lái)焊接機(jī)器人需要提高對(duì)加工模式及工作環(huán)境的識(shí)別能力，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并提出解決方案加以實(shí)施，創(chuàng)建能夠從有限的數(shù)據(jù)中快速學(xué)習(xí)的系統(tǒng)。

（2）離線編程仿真技術(shù)應(yīng)用更廣。目前使用的示教再現(xiàn)編程耗時(shí)長(zhǎng)，機(jī)器人長(zhǎng)期處于空置狀態(tài)，影響加工效率。離線編程及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將工藝分析、程序編制、工藝調(diào)整等工作集中于離線操作，不影響焊接機(jī)器人的正常生產(chǎn)，這將在提高生產(chǎn)率方面起到積極的作用。

（3）向基于PC機(jī)的通用型控制轉(zhuǎn)變。焊接機(jī)器人已經(jīng)開始從之前特定的控制器控制向基于PC機(jī)的通用型控制轉(zhuǎn)變，從而把聲音識(shí)別、圖像處理、人工智能等一系列研究成果更好地應(yīng)用于實(shí)際工程生產(chǎn)中。

（4）多智能焊接機(jī)器人調(diào)控技術(shù)應(yīng)用。在工業(yè)上可以根據(jù)生產(chǎn)需要將各種功能的機(jī)器人組裝成一個(gè)群組加工平臺(tái)，更適用于流水線式生產(chǎn)操作；如YASKAWA公司推出的機(jī)器人控制柜可以協(xié)調(diào)控制多達(dá)72個(gè)軸，更好地為群組作業(yè)服務(wù)。

（5）焊接技術(shù)更加柔性化、網(wǎng)絡(luò)化。將各種光、機(jī)、電技術(shù)與焊接技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)焊接的精密化和柔性化；如FANUC公司的R-0iA與林肯新型弧焊電源之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)字通訊，網(wǎng)絡(luò)化水平更高。

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裝配機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展

1）裝配機(jī)器人的功能

裝配機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)中用于裝配生產(chǎn)線上對(duì)零件或部件進(jìn)行裝配的一類工業(yè)機(jī)器人。裝配機(jī)器人作為柔性自動(dòng)化裝配作業(yè)線的核心設(shè)備，在不同裝配生產(chǎn)線上發(fā)揮著強(qiáng)大的裝配作用。裝配機(jī)器人主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）操作速度快，加速性能好，縮短工作循環(huán)時(shí)間。

（2）精度高，具有極高的重復(fù)定位精度，保證裝配精度。

（3）能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍和末端執(zhí)行器的動(dòng)作狀態(tài)；可以通過更換不同的末端執(zhí)行器來(lái)適應(yīng)裝配任務(wù)的變化，方便快捷。

（4）柔順性好，能夠與零件供給器、輸送裝置等輔助設(shè)備集成，能與其他系統(tǒng)配套使用，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

（5）多帶有視覺傳感器、觸覺傳感器、接近度傳感器和力傳感器等，大大提高了裝配機(jī)器人的作業(yè)性能和環(huán)境適應(yīng)性，保證裝配任務(wù)的精準(zhǔn)性。

2）裝配機(jī)器人系統(tǒng)組成

裝配機(jī)器人由裝配系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)兩部分組成（見圖6），其中裝配系統(tǒng)主要包括：操作機(jī)、控制系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)（手爪、氣體發(fā)生裝置、真空發(fā)生裝置或電動(dòng)裝置）、傳感系統(tǒng)和安全保護(hù)裝置[2]。

圖6 裝配機(jī)器人系統(tǒng)組成

3）裝配機(jī)器人技術(shù)發(fā)展

裝配機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的自動(dòng)化裝備，已成為柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化工廠、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)中代表性的自動(dòng)化設(shè)備，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，裝配機(jī)器人正逐步實(shí)現(xiàn)柔性化、無(wú)人化、一體化裝配工作。

裝配機(jī)器人未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展；如日本川田工業(yè)株式會(huì)社推出的 NEXTAGE 裝配機(jī)器人具有15個(gè)軸，打破機(jī)器人定點(diǎn)安裝的局限，機(jī)器人底部配有移動(dòng)導(dǎo)向輪，可適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的裝配生產(chǎn)線。

（2）直接驅(qū)動(dòng)裝配機(jī)器人：傳統(tǒng)機(jī)器人減速裝置中的傳動(dòng)鏈會(huì)增加系統(tǒng)功耗，產(chǎn)生慣量、誤差等，并降低系統(tǒng)可靠性，采用高扭矩低速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)可避免此種問題。

（3）多傳感器融合技術(shù)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器融合是關(guān)鍵；如YASKAWA機(jī)器人公司推出的雙臂機(jī)器人SDA10F，具有15個(gè)軸，并配備VGA CCD 攝像頭，極大地促進(jìn)了裝配準(zhǔn)確性。

（4）機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)：通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。

（5）虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。

（6）并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用范圍擴(kuò)大：傳統(tǒng)機(jī)器人采用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而并聯(lián)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布得到改善，可減少非累積定位誤差，和奇異位置數(shù)量。

（7）多智能體協(xié)調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，是對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理、感知與學(xué)習(xí)方法、建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究；同時(shí)，也要關(guān)注同一機(jī)器人雙臂的協(xié)作，以及人與機(jī)器人的協(xié)作。

審核編輯 ：李倩