工业机器人的现状及发展趋势(精)(最新整理)

1、工业机器人的现状及发展趋势马光申桂英温州大学机械工程学院,浙江温州325027摘要:工业机器人在现代制造技术中起着举足轻重的作用。本文介绍了国内外工业机器人的发展现状,指出了我国工业机器人产业化发展的影响因素和实施策略,阐述了工业机器人技术的发展趋势。关键词:工业机器人;产业化;fms;cims;敏捷制造中图分类号:tp242.2文献标识码:a文章编号:1001-2265(200203-0048-04 the present situation and developing trend of industrial robotma guangshen guiyingabstract:indust

2、rial robot plays an very important rule in the modern manufacturing process.the paper summarizes the present situation of the industrial robot,put forwards the affecting factors and the implementing tactics of the industrialization about the industrial robot in our country,forecast the trend of its

3、development.k ey w ords:industrial robot;industrialization;fms;cims;agile manufacturing 1引言机器人学是一门综合性的新兴学科,它涉及机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能工程学等多门尖端学科。工业机器人是机器人学的一个分支,它代表了机电一体化的最高成就。随着科学技术的不断发展,工业机器人已成为柔性制造系统(fms、自动化工厂(fa、计算机集成制造系统(cims的自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且对保障人身安

4、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,对促进我国制造业的崛起,有着十分重要的意义。2工业机器人的发展现状2.1国外工业机器人的发展现状自1962年美国推出世界上第一台unimate型和versatra型工业机器人以来,机器人在工业发达国家得到了迅速发展。根据国际工业机器人联合会(ifr前几年的预测, 到2000年全世界工业机器人的总数将达到82万台,比1996年增加24%。其中,日本将拥有42万台,占全世界机器人总数的50%左右,继续保持“机器人王国”地位。除日本外, 世界上还有许多工业发达国家,如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。例

5、如,在美国,19701980年间的机器人台数增加20倍以上。尽管美国所拥有的机器人在台数上不如日本,但其技术水平较高,占有一定的优势。到1998年,美国拥有8万多台机器人,德国为7万多台,分别占世界机器人总数的15%和13%左右,排名世界第2位和第3位。在亚洲,韩国的机器人产业发展迅速,现排名世界第5位;而日本、韩国和新加坡的机器人密度(即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界第13位,包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫以及北美的加拿大等,机器人制造业及应用机器人的情况都有很大发展。表1显示了世界现役机器人台数和预测台数,从中可以看出近几年世界工业机器人

6、的发展状况。表119961998年现役工业机器人台数及19992002年台数预测国别1996199719981999200020012002日本美国德国意大利法 国 英国39962970858600002549414784875141296177108668172838615632995841180081700732003150016200108004331009070080200334001720012100428800101800884003610018000131004334001148009570039100190001420036660012020010380047400200001

7、5000 2.2国内工业机器人的发展现状我国工业机器人起步于20世纪70年代初期,经过30多年的发展,大致可分为3个阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期,90年代的实用化期。在高技术发展的推动下,随着改革开放方针的实施,我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持。在80年代中期,国家组织了对工业机器人需求的行业调研,结果表明,对第一代工业机器人的需求主要集中在汽车行业(占总需求的60%70%。在众多专家的建议和规划下,于“七五”期间,由机电部主持,中央各部委、中科院及地方科研院所和大学参加,国家投入相当资金,进行了工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程的开发研究。经过五

8、年攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术(包括机械手、控制系统、驱动转动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等的开发,研制出喷漆、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机,几类专用和通用控制系统及几类关键元部件的主要性能指标达到80年代初国外同类产品的水平,并且形成小批量生产能力。经过80年代尤其是后5年的努力,我国的工业机器人技术发展基本上可以立足于国内。90年代中期,国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发研究,从而迅速掌握焊接机器人应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术。目前已有500 台左右的焊接机器人分布于大陆各大中城市的汽车、摩托车、工程机械

9、等制造业,其中55%左右为弧焊机器人,45%左右为点焊机器人,已建成的机器人焊接柔性生产线5条,机器人焊接工作站300个。90年代后半期是实现国产机器人的商品化,为产业化奠定基础的时期。目前,我国(指大陆地区,不包括港、台、澳工业机器人数量只有约2500 台,还没达到1997年新加坡(3000多台和我国台湾省(5000多台的水平。3产业化是我国工业机器人发展的必由之路从国内外的现状分析可以看出,我国的工业机器人的装机台数和技术水平与国外还有一定的差距。随着我国加入世界贸易组织(wto,我国的机器人产业将面临着新的发展机遇和来自国外的挑战。要把握这一机遇,迎接挑战,取得快速发展的必由之路是走产业

10、化道路。3.1 产业化的影响因素1市场方面我国大力推行国企改革,推行市场经济,工业企业大都在进行重组,并正用先进制造技术来改造传统的生产方式,提高基层的柔性生产水平是技术改造的重点。大量的企业进行产品转型生产夏改造与扩建为机器人提供了市场,企业可毫无顾虑的在人与机器人之间做出选择,以获得高质量、高效率、低成本的产品。同时,生产的全球化和竞争的国际化,以及产品的个性化和不断发展创新,要求许多行业必须使用机器人和机械手才能参与国际市场的竞争,包括汽车、工程机械、摩托车、电子、电机、金属加工、家用电器制造业等行业。这些行业目前使用的机器人太少,将成为机器人未来潜在的巨大市场。另外,机器人价格将大幅度

11、降低。最近几年,机器人本身的价格下降了30%,随着高速处理器、大功率晶体管和永磁电机的高速发展,机器人同计算机一样,功能越来越强,结构越来越简单,而价格越来越低,机器人日益成为大众化的具有广泛用途的机器,低价高性能使机器人在我国将具有非常广泛的前景。同时也应注意到,世界机器人公司高度关注中国市场。目前进入中国市场的机器人公司主要为日本fanuc、安川、川崎重工和欧洲的kuka、abb等世界名牌,但所有机器人公司均对中国市场保持着高度注意力,都希望来开拓中国的机器人市场。这既是机遇,也是挑战,对此必须加以研究,制定相应的发展策略。2技术方面我国于1972年开始研究工业机器人,上海、天津、北京、沈

12、阳、哈尔滨、广州、昆明等研究单位和院校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人,并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。我国的机器人研究开发工作虽然起步较晚,但在国家有关部门的支持和广大机器人学科技和教育工作者的努力下,进展较快。已在工业机器人、特种机器人和智能机器人各方面取得明显成绩,其中,国家“863” 计划智能机器人主题的研究更是令人瞩目,成果层出。这些成就已为发展工业机器人和智能机器人储备了许多重要的技术,跟踪了国际先进的机器人技术,将大大加快中国机器人产业化的进程。3人员方面随着国内外机器人学的快速发展,国内许多大学开设了机器人学课程,很多硕士研究生和博士研究生在从事机器

13、人的开发和研究工作。同时,国家“863”计划从1987 年开始实施以来,组织和培养了一支2000多人的机器人研究开发队伍。另外,国家正逐步制定必要的政策,吸引在机器人技术方面学有所长的留学人员回国服务。虽然这支队伍还不够大、也不够强,需要继续锻炼,发展壮大,但他们将成为机器人产业化的主力军。4观念方面机器人能提供稳定的高效率与高质量的产品,是人无法提供的,尤其在生产节拍高的自动化生产线和恶劣的环境中,人无法取代机器人,市场日益全球化,不使用机器人,难以提高竞争力。中国人口众多,劳动力廉价,不需要机器人的观念正在改变。3.2 产业化的发展策略1政府给予支持开拓国内机器人市场的一个重要举措是出台扶

14、植机器人产业的优惠政策。这些政策包括在新生产线建设、旧设备技术改造、贷款和税收方面的政策和法规,这样机器人的推广应用环境就会宽松得多。同时,经济发达地区的地方政府应加强在机器人技术方面的宣传和引导,普及机器人的知识,以便更多的企业了解机器人的作用,更多的采用机器人来提高市场竞争力。注意让那些希望采用机器人的企业得到政策和技术咨询,以避免花高昂的代价买来不合适的设备,让现有的机器人发挥更好的作用。2建立示范工程我国目前的机器人市场不大,但其潜在市场很大。建立几个具有代表性的工业机器人示范工程,真正起到示范和引导的作用。只要用得成功,就比较容易推广应用。扩大机器人的应用领域是开拓国内机器人市场的必

15、要举措之一。3国际技术合作北京、上海、沈阳等与国外的工业机器人制造商已经有了实质性的合作,这种合作的深度和广度还有很大的潜力。通过国际合作,能够提高我国开发和生产工业机器人及其系统的能力,提高国产工业机器人的性能和可靠性,降低生产成本和销售价格, 建立国际水准的我国机器人产业,让高性能低成本的国产机器人占领国内市场。4重视基础研究为加大技术储备,要加强机器人学基础研究,重视基础件的开发。在跟踪国际先进机器人技术的同时,要注意自主创新,建立知识产权。把重点放在工业机器人上,先进行应用和推广,再进行简单有市场的产品开发,对一切都考虑经济效益,用机器人市场去带动机器人产业,机器人产业带动机器人研究。

16、5形成规模生产我国应选择工业发达、交通方便和技术密集的一些地区,重点扶植在机器人开发和生产方面有优势的单位,建立几个机器人工程公司,从事工业机器人的批量生产和实施机器人应用工程,使我国的机器人生产和应用向产业化、集团化方向发展。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

17、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、和控制模块等,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。目前,国外已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已经标准化了, 如臂伸缩轴、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

18、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”

19、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,工业机器人已从当初的柔性上、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

20、机器人控制系统,有大量的理论与实践的工作要做。5结束语工业机器人的诞生和机器人学的建立,无疑是20世纪人类科学技术的重大成就。要缩短我国工业机器人应用及研究与国外的差距,必须利用自己的优势走产业化的发展道路。同时, 在现代制造技术快速发展的今天,还必须在研究和开发上跟踪机器人技术的发展趋势。工业机器人产业和技术的发展必将大大加速我国制造业的崛起。参考文献1王越超,谈大龙.中国第 五 届 机 器 人 学 术 会 议 论 文 集 ,1997:1723 2h.v.brussel.about cim ,concurrent engineering andmechatronics.int.j.advan

21、ced manufacturing technology ,1994(9:2530 3廖鹏凯,张帅恒,廖鹏志.机器人在中国有广阔的市场1机器人,1998(20:1651684 c.buhler.restored robots :european view.robotica , 1998,16(5:4874905 龚振邦.从国际大环境出发在我国机器人技术和产业发展战略上的若干思考.机器人,1999,21(6:2732766 蒋新松.未来机器人技术发展方向的探讨.机器人,1996, 18(5:2852917 蒋新松等.日本工业机器人与人工智能考察报告.国外自动化,1984(4,1985(1、(28

22、刘海波.21世纪智能机器人发展预测.机器人,1991,13 (4:39469 张军.“863”计划机器人产业发展战略.机器人技术与应用,1997(2:6910 蔡自兴.机器人学.北京:清华大学出版社,2000,9:34636611 林尚扬等.焊接机器人及其应用.北京:机械工业出版社,2000,7:4712 周伯英.工业机器人设计.北京:机械工业出版社,1995, 8:11113 刘文剑.工业机器人设计与应用.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1990,10:18收稿日期:2001-08-06作者简介:马光(1964-,男,温州大学副教授,工学博士。(编辑江复图3实验系统框图图4铣削力矩m 的波形图

23、(上接第47页图4所示为在改装的普通铣床上所做实验的铣削力矩m 的波形图。实验切削条件及切削参数:铣刀:30mm高速钢四刃螺旋棒铣刀;刀具情况:破两齿;工件材料:普通45#钢;切削厚度:2.5mm;切削宽度:4mm ;主轴转度:400r/min ;进给速度:70mm/min;切削方式:干式切削。采样脉冲频率为200hz,即主轴每转采样40个点,图中所示为主轴4转内的刀齿切削波形,由于刀具有4刃,则可以看出各转中每个刀点的切削力情况,由图可见,有两处切削力明显减小,而紧随其后的一个未破损点,由于切削厚度增加,切削刀骤然上升。通过实验可见,我们所采用的算法和实验结果基本吻合,说明我们的算法是可行的。参考文献1 张廷贤.螺旋棒铣刀铣削力建模与仿真.机械工程学报, 1990(4:1282 孙刚.应用“力信号时间序列分析”在线监测铣削过程刀具破损.机械工程学