【正文】 術(shù)綜合性強工業(yè)機器人與自動化成套技術(shù)，集中并融合了多項6 學科，涉及多項技術(shù)領域，包括工業(yè)機器人控制技術(shù)、機器人動力學及仿真、機器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、模塊化程序設計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強。 機器人 是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。有些人認為，最高級的機器人要做的和人一模一樣，其實非也。實際上，機器人是利用機械傳動、現(xiàn)代微電子技術(shù)組合而成的一種能模仿人某種技能的機械電子設備，他是在電子、機械及信息技術(shù)的基礎上發(fā)展而來的。然而，機器人的樣子不一定必須像人，只要能獨立完成一些人類的技能或有一定危險性的工作，就屬于機器人大家族的成員。 1． 3 搬運機器人的 種類 1． 3． 1 機床上下料搬運機器人 目前在機床加工行業(yè)中，要求加工精度高、批量加工速度快導致生產(chǎn)線體自動化程度要有很大的提升，首先一點就是針對機床方面進行全方位自動化處理，使人力從中解放出來，直角坐標機器人目前在機床行業(yè)內(nèi)正在逐步大量使用，包括數(shù)控車床上下料機器人、數(shù)控沖床上下料機器人、數(shù)控加工中心上下料機器人等等。在用立加加工輪轂等大型零件時，負載可達幾十公斤重，其外形也大多是盤類件。這7 類加工件數(shù)量大，機床幾乎要 24 小時運行。在歐美等發(fā)達國家早已采用機器手來自動上料和下料。要根據(jù)加工零件的形狀及加工工藝 的不同，來采用不同的手爪抓取系統(tǒng)。而完成抓取，搬運和取走過程的運動機構(gòu)就是大型直角坐標機器人，它們通常就是一個水平運動軸（ X軸）和上下運動軸（ Z 軸）。立式加工中心上下料機器人在被加工零件形狀和重量不同時，所采用的手爪形狀及結(jié)構(gòu)也不同，手爪的類型及尺寸要根據(jù)具體的零件及加工工藝來定。 在德國幾乎所有批量加工都采用機器人自動上下料。但根據(jù)要加工工件的幾何形狀，加工工藝和工作節(jié)拍不同，所采取的手爪和機器人的型號也有所區(qū)別。如加工工件不同或加工工件時間較長，可選用不同的手爪結(jié)構(gòu)，用單臺機器人對多臺機床進行上下料，或是多臺機器人聯(lián)機上下料實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線過程。無論多臺機器人同步工作，還是單臺機器人獨立工作，但其本質(zhì)是相近的，由于直角坐標機器人非常適合各種機床上下料應用，它不僅比其它的機器人成本低，而且效率更高，必將被在更多的行業(yè)被更廣泛的應用。 1． 3． 2 物料搬運機器人 搬運機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，8 加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果 ，受到機械工業(yè)的重視。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1． 4 研究意義與必要性 在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設備已成為自動化裝備的主流 機器人發(fā)展前景及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生 產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。 機器人技術(shù)是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術(shù)領域。國際電氣電子工程師協(xié)會 IEEE 的科學家在對未來科技發(fā)展方向進行預測中提出了4 個重點發(fā)展方向，機器人技術(shù)就是其中之一。 1990 年 10 月，國際機器人工業(yè)人士在丹麥首都哥本哈根召開了9 一次工業(yè)機器人國際標準大會，并在這次大會上通過了一個文件，把工業(yè)機器人分為四類：⑴順序型。這類機器人擁有規(guī)定的程序動 作控制系統(tǒng)；⑵沿軌跡作業(yè)型。這類機器人執(zhí)行某種移動作業(yè)，如焊接。噴漆等；⑶遠距作業(yè)型。比如在月球上自動工作的機器人；⑷智能型。這類機器人具有感知、適應及思維和人機通信機能。 根據(jù)日本政府 2020 年指定的一份計劃，日本 2050 年工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到 兆日元，擁有百萬工業(yè)機器人。按照一個工業(yè)機器人等價于 10 個勞動力的標準，百萬工業(yè)機器人相當于千萬勞動力，是目前日本全部勞動人口的 15%。我國工業(yè)機器人起步于 70 年代初，其發(fā)展過程大致可分為三個階段： 70 年代的萌芽期； 80 年代的開發(fā)期； 90 年代的實用化期。而 今經(jīng)過 20 多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國已生產(chǎn)出部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機器人已服務于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設計制造技術(shù)；工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計技術(shù)；機器人軟件的設計和編程技術(shù)；運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線與周邊配套設備的開發(fā)和制備技術(shù)等。某些關鍵技術(shù)已達到或接近世界水平。 一個國家要引入高技術(shù)并將其轉(zhuǎn)移 為產(chǎn)業(yè)技術(shù)（產(chǎn)業(yè)化），必須具備 5 個要素 5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有著“機器人王國”之稱的日本相比，我國有著截然不同的基本國10 情，那就是人口多，勞動力過剩。刺激日本發(fā)展工業(yè)機器人的根本動力就在于要解決勞動力嚴重短缺的問題。所以，我國工業(yè)機器人起步晚發(fā)展緩。但是正如前所述，廣泛使用機器人是實現(xiàn)工業(yè)自動化，提高社會生產(chǎn)效率的一種十分重要的途徑。我國正在努力發(fā)展工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)，引進國外技術(shù)和設備，培養(yǎng)人才，打開市場。日本工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的輝煌得益于 本國政府的鼓勵政策，我國在十一五綱要中也體現(xiàn)出了對發(fā)展工業(yè)機器人的大力支持。由此可知機器人的研究具有深遠的意義和必要性。 第二章 搬運機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 2． 1 國外研究現(xiàn)狀 機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設計。以德國 KUKA 公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的 RV 減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。并 聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎。意大利 COMAU公司，日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的 611 軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21 軸甚至 27 軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現(xiàn)實用化。 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本 KAWASAKI、 YASKAWA、 FANUC 和瑞典 ABB、德國 KUKA、 REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 網(wǎng)絡通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與 Canbus、 Profibus 總線及一些網(wǎng)絡的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網(wǎng)絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設 備發(fā)展。 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性 MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到 5 萬小時，幾冬天可以滿足任何場合的需求。 2． 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國工業(yè)機器人是從 二十 世紀 八十 年代開始起步，經(jīng)過 二十 多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機器人研究機構(gòu)和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機器人。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線相關的12 產(chǎn)品的年銷售額已突破 10 億元。目前國內(nèi)市場年需 求量在 3000 臺左右，年銷售額在 20 億元以上。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國市場上工業(yè)機器人總共擁有量盡萬臺，占全球總量的 %，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機器人 (行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè) )行業(yè)集中度占 30%左右，其余都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利等 20 多個國家引進的。國產(chǎn)工業(yè)機器人目前主要以國內(nèi)市場應用為主，年出口量為 100 臺左右，年出口額為 億元以上。 目前，工業(yè)機器人的應用領域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業(yè) 。 在我國，工業(yè)機器人的最初應用是在汽車和工程 機械行業(yè)，主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。目前，由于機器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機器人還主要應用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù) 不完全 統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)廠家所生產(chǎn)的