机器人与自动化技术

机器人与自动化技术“机器人、无处不在的屏幕、语音交互，这些都将改变我们看待‘电脑’的方式。一旦看、听、阅读能力得到提升，你就可以以新的方式进行交互。”----比尔•盖茨在某电视节目中，预测未来科技领域的下一件大事时表示：机器人与自动化技术将成为未来发展的一大趋势，可以改变世界！

工业机器人的应用，正从汽车工业向一般工业延伸，除了金属加工、食品饮料、塑料橡胶、3C、医药等行业，机器人在风能、太阳能、交通运输、建筑材料、物流甚至废品处理等行业都可以大有作为。当然，即将“改变世界”的机器人不仅仅具有代替人工的价值，在很多人类无法实现的领域也将出现机器人的身影。譬如，派送采矿机器人到月球和小行星上采挖稀土矿，将有望成为现实。而更令比尔•盖茨寄予厚望的是机器人将像“电脑”一样改变人类的生活。

日本早稻田大学研究人员推出一种新型仿人型家务机器人。它集安全性、可靠性和灵巧性于一身，还具有仿人脸的外观。在工作时，它将一名男子抱下床，与他聊天并为他准备早餐。由于拥有和成年女性大小相当的灵巧双臂、双手，这种机器人能够用夹子将面包从面包机中取出，而丝毫不弄碎它。

英国阿伯丁大学启动了一项新的研究计划，在3年内研发出允许机器人与人类进行交谈，甚至讨论具体决定的系统……。

作为先进制造业中不可替代的重要装备，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。

在机器人市场中，目前80%的市场份额仍由跨国公司占有，其中瑞典ABB、日本发那科FANUC、日本安川yaskawa和德国库卡KUKA四大企业则是市场第一梯队的“四大金刚”。其它有瑞士史陶比尔Staubli、德国克鲁斯CLOOS、德国百格拉、德国徕斯、德国斯图加特航空航天自动化集团（STUAA）、意太利瀚博士hanbs、意大利柯马COMAU、英国AutoTechRobotics等。目前国内生产机器人的企业主要有：中科院沈阳新松机器人自动化股份有限公司、芜湖埃夫特智能装备有限公司、上海新时达机器人有限公司、安川首钢机器人有限公司、哈工大海尔机器人有限公司、南京埃斯顿机器人工程有限公司、广州数控设备有限公司、上海沃迪自动化装备股份有限公司等。

2015年，中国机器人市场需求预计将达35000台，占全球比重16.9％，成为全球规模最大的市场。

一、机器人的系统构成

由3大部分6个子系统组成。

3大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。

6个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人-机交互系统、控制系统。

1.1、驱动系统

要使机器人运行起来，就需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。

驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮

系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。

1.2、机械结构系统

由机身、手臂、末端操作器3大件组成，每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。

若机身具有行走机构便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。

末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪。1.3、感受系统

由内部传感器模块和外部传感器模块组成，以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。

智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧。然后，对于

一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。

1.4、机器人-环境交互系统

是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、装配单元等。

1.5、人-机交互系统

人-机交互系统是使操作人员参与机器人控制，与机器人进行联系的装置，例如计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信息报警器等。

1.6、控制系统

控制系统的任务，是根据机器人的作业指令程序、以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成的运动和功能。

假如机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。

根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制。

二、机器人控制系统及结构

机器人控制系统是机器人的大脑，它根据指令以及传感信息控制机器人来完成一定的动作或作业任务。

控制系统的好坏直接决定了机器人性能的优劣。

2.1、工业机器人控制系统的组成2.1.1、控制计算机：控制系统的调度指挥中心机构。2.1.2、示教盒：

示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信

方式实现信息交互。2.1.3、操作面板：

由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。2.1.4、硬盘和软盘存储存：

储机器人工作程序的外围存储器。2.1.5、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。2.1.6、打印机接口：记录需要输出的各种信息。2.1.7、传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。2.1.8、轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。2.1.9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。2.1.10、通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。2.1.11、网络接口1）Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。

2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

2.2、机器人控制系统所要达到的功能

2.2.1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。2.2.2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。2.2.3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。2.2.4、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。2.2.5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。2.2.6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。2.2.7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。2.2.8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。

三、机器人控制系统的分类

3.3.1、程序控制系统：

给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。3.3.2、自适应控制系统：

当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误

差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。3.3.3、人工智能系统：

事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。3.3.4、点位式：

要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关。3.3.5、轨迹式：

要求机器人按示教的轨迹和速度运动。

3.3.6、控制总线：

国际标准总线控制系统。采用国际标准总线作为控制系统的控制总线，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。3.3.7、自定义总线控制系统：

由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。3.3.8、编程方式：

物理设置编程系统。由操作者设置固定的限位开关，实现起动，停车的程序操作，只能用于简单的拾起和放置作业。3.3.9、在线编程：通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式，包括直接示教模拟示教和示教盒示教。3.3.10、离线编程：

不对实际作业的机器人直接示教，而是脱离实际作业环境，示教程序，通过使用高级机器人，编程语言，远程式离线生成机

器人的作业轨迹。

四、机器人控制系统结构

机器人控制系统按其控制方式可分为三类。

4.1、集中控制系统CCS(Centralized

Control

System)

用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期的机器人中常采用这种结构，其构成框图，如图2所示。

基于PC的集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性：多种控制卡，传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。

集中式控制系统的优点是：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。其缺点也显而易见：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；由于机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外，系统连线复杂，会降低系统的可靠性。

4.2、主从控制系统

采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等：从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图，如图3所示。

主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。

4.3、分散控制系统DCS(Distribute

Control

System)

按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图4所示。

其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以DCS系统又称为集散控制系统或分散控制系统。

这种结构中，子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等相互通讯。分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式。

两级分布式控制系统通常由上位机、下为机和网络组成。上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。上位机和下位机通过通讯总线相互协调工作，这里的通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB总线等形式。

现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。尤其是现场总线，它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统

FCS(FiledbusControlSystem)。在工厂生产网络中，将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。从系统论的角度来说，工业机器人作为工厂的生产设备之一，也可以归纳为现场设备。在机器人系统中引入现场总线技术后，更有利于机器人在工业生产环境中的集成。

分布式控制系统的优点在于：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。

对于具有多自由度的工业机器人而言，集中控制对各个控制轴之间的藕合关系处理得很好，可以很简单的进行补偿。但是，当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时，其控制性能会恶化。而且，当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时，可能会导致系统的重新设计。与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意味着，系统有较少的轴间祸合和较高的系统重构性。

目前，国内机器人控制系统所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距，差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。随着技术和应用经验的积累，国内企业机器人控制器正在走向成熟，是机器人产品中与国外产品差距最小的关键技术。未来中国国产机器人将得到快速发展，国产机器人的应用市场即将迎来重大的发展契机。

\o"周总"周总、

\o"姬周子弟"姬周子弟

等5人觉得个人日记\o"显示评论签名"附录资料:不需要的可以自行删除管件工艺流程及技术特点1、生产工艺流程：1.1弯头工艺流程原材料复检原材料复检下料推制成型平口盘头整形热处理坡口加工表面处理无损探伤几何检验油漆标识资料确认包装入库发货1.2热压三通生产工艺流程：原材料复检原材料复检下料整形压制成型热处理端面加工工表面处理无损检测几何检验油漆标识资料确认包装入库发货1.3钢板制对焊三通工艺流程材料检验材料检验直缝焊接卷板成型下料压制成型整型处理三通盘头超声探伤端面加工表面处理无损检测热处理成品检验储存发运标记包装1.4热压大小头生产工艺流程：原材料复检原材料复检下料整形压制成型热处理端面加工工表面处理无损检测几何检验油漆标识资料确认包装入库发货1.5中频推制弯管生产工艺流程包装发运包装发运资料确认成品检验无损检测加工坡口热处理盘头整型切割下料原材料复检平口推制成型表面处理2、生产过程中关键工序的控制：2.1材料2.1.1材料选用1）冶炼方式：原材料按相应标准规定的方法进行冶炼，必须为镇静钢且具有要求的热处理状态。2）选用制作管件材料的表面，应无缺陷、油脂、过多的锈迹、焊渣或其它异物。3）材料标志清楚、完整符合项目工程有关条款的技术要求。4）原材料应有证明书，其检验项目应符合相关标准的规定或订货要求。无标记、无批号、无质量证明书或质量说明书项目不全的钢材不能使用。2.1.2材料尺寸。制造管件选用管材应根据管件几何尺寸及设计计算选择长度、外径、宽度及壁厚。2.1.3材料的检验表面及尺寸检验：原材料的表面应平整、光滑、厚度均匀，不得有超过标准要求的凹坑、重皮、裂纹、油污、腐蚀和其它污物。表面尺寸检验、除锈后的材料进行表面及尺寸检查。原材料应有证明书，其检验项目应符合相关标准的规定或订货要求。无标记、无批号、无质量证明书或质量说明书项目不全的钢材不能使用。材料按炉号进行化学分析，原材料的化学成分最大百分含量应符合相应标准及本项目技术规格书的要求原材料的力学性能应符合相应标准及本项目技术规格书的要求对于复检不合格的原材料应予退回，不允许用于管件制作。材料的追溯性标识清楚，在制造过程中，原材料的炉号、批号以及所用材料部位及过程编号等均应有追溯性记录。2.2下料2.2.1下料方法主要是机械切割，切割后应用机械方法清理切割面至露出金属光泽。2.2.2下料操作人员应熟悉切割设备的性能和操作规范，按规定画样、切割。切割时应根据操作工技能和设备不同留一定的切割量。下料管材表面清理除锈后不允许有低熔点金属污染。不应有重皮、裂纹等严重缺陷。2.2.3在下料后的坯料上将原材料上的标识内容进行移植。2.3管件成型2.3.1弯头生产作业指导书先启动中频电源将推制芯棒加热到规定温度以上，将推制弯头用坯管放在推制机芯棒上启动液压推进装置推动坯管随芯棒外形而变化。根据坯管的材质和规格不同按相应工艺规定的温度和推速控制推制过程中的感应套加热温度和液压系统的推进速度。推制成型后的弯头半成品在热态下放在胎具中用压力机进行整形处理。推制弯头在整形完成后根据半成品的情况和成品要求的外形尺寸进行盘口处理，盘口后留有5-15mm的加工余量。2.3.2热压三通生产作业指导书热压前准备.1操作人员应学习相关工艺文件并熟悉设备的操作方法及工艺过程。.2操作人员应按工艺卡要求和下料尺寸对坯管进行检查并标记,坯管装炉前表面不允许有低熔点金属污染（铜、锡、铝等），不应有重皮、裂纹等缺陷。.3准备好在工作过程中需用的各类器具。装炉:将坯管放在加热炉中用耐火材料将其垫高距炉台200mm以上,两坯管之间间隔100mm以上。坯管压扁：加热温度（详见工艺卡），恒温≥5分钟出炉在压力机下把坯管压扁成椭圆形，对于变形量小的（支管/主管≤1/3）压扁管可采用冷压制。压制鼓包开孔拔制：将具有三通形状的工件在支管顶端划线开椭圆孔，对开孔处进行拔制成型。拔制应由小到大逐级进行直至支口达到要求尺寸，拔制过程中应用测温仪对工件温度进行监测，当工件温度低于工艺要求温度时应将工件装炉重新加热。整型处理：将具有三通形状的工件进炉加热，加热至规定温度后保温规定时间后，出炉后进行整型。2.3.3钢板制对焊热压三通生产作业指导书卷板成型。选择适宜的板材尺寸切割后按图纸加工成筒状，材料及加工尺寸见卷管图。2.3.3.2卷管焊接(按焊接工艺卡)。对卷管成型后进行机械坡口和修整，并对坡口处进行分层检测。对坡口完好的卷管按焊接工艺规程进行焊接，焊接应由持证焊工操作且焊工应经过焊接工艺评定。2.3.3.3热压前准备2.操作人员应学习相关工艺文件并熟悉设备的操作方法及工艺过程。2.操作人员应按工艺卡要求和下料尺寸对卷管进行检查并标记,坯管装炉前表面不允许有低熔点金属污染（铜、锡、铝等），不应有重皮、裂纹等缺陷。2.准备好在工作过程中需用的各类器具。装炉:将卷管放在加热炉中用耐火材料将其垫高距炉台200mm以上,两卷管之间间隔100mm以上。2.坯管压扁：加热温度（根据不同材料参见压制工艺卡）。2.压制鼓包：将压扁后的坯管进炉加热，加热温度（根据不同材料参见压制工艺卡）每次压制都要在胎具上涂抹润滑剂以得到光滑的成型面。在连续成型过程中，工件表面达到规定温度后，恒温≥10分钟即可出炉压制。2.开孔拔制：将具有三通形状的工件在支管顶端划线开椭圆孔，拔制应由小到大逐级进行直至支口达到要求尺寸，拔制过程中应用测温仪对工件温度进行监测，当工件温度低于工艺要求温度时应将工件装炉重新加热。2.整型处理：将具有三通形状的工件进炉加热，加热至一定后保温规定时间后，出炉后进行整型。2.3.4热压大小头生产作业指导书清除炉内水、锈及其它杂物。注意不同材质的坯料不能放在同一炉内加热。装炉。.1采用天然气或电加热炉，加热炉应经过有效加热区测定，各仪器、仪表均处在有效检定期内，加热炉的控温精度要求为±10℃；.2装炉前将坯料上的标识做好移植记录，必要时绘制装料位置图。.3将坯料放在加热炉中用耐火材料将其垫高距炉台200mm以上,两坯料之间间隔100mm以上，坯料不得与炉壁接触。坯料加热.1加热过程应使用可连续记录加热温度的记录仪记录加温温度曲线，最高加热温度（详见工艺卡）。压制成型.1管件料坯在加热炉内保温规定时间后出炉进行压制。坯料出炉后要尽快的移到胎具上进行压制，要求始压温度（详见工艺卡）。压制过程中要用红外测温仪或光学高温计对压制温度进行监测，当温度超出规定时应终止压制。.2热挤压异径管应在保证质量的前提下尽可能的减少压制次数（即减少加热的次数）。.3坯料冷却后将原标识移植回坯料本体。整型处理：对形状不符合要求的压制坯料应当整形校正。校正如使用支撑物不允许焊接在工件上。大小头整型后进行表面质量、尺寸检查。2.3.5钢板制对焊大小头生产作业指导书钢板卷制焊接.1将下好的坯片吊装到卷板机上进行大小头的卷制加工。加工可用导轮也可通过调整下杠间隙进行。.2坯管卷制成型后进行表面及尺寸检查,对于成型后多余的部分应切割掉，当不合乎要求时，应在组片前进行矫正。.3所有焊缝（包括返修焊缝）应由考核合格的焊工按照评定合格的焊接工艺完成。焊接工艺评定按照JB4708进行，焊工考试按《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》进行。.4卷管完毕后按焊接工艺卡进行焊接。.5焊后的卷管焊缝进行清理修磨，再进行UT探伤检测,按JB/T4730—2005相关要求达到Ⅰ级合格。焊缝缺陷可采用打磨的方法进行修理，但不应产生沟、槽，去除的厚度不应超过直管段公称厚度的6.5％，同一位置的焊缝返修不允许超过2次。热压大小头.1清除炉内水、锈及其它杂物。注意不同材质的坯料不能放在同一炉内加热。.2装炉。将坯料放在加热炉中用耐火材料将坯管垫高距离炉台200mm以上，两坯料之间间隔100mm，以便使坯料能够受热均匀。.3检查加热炉通风系统及炉台，炉门运行装置是否顺畅。检查燃料是否充足。.4台车推进炉内防止坯料与炉体接触。关闭炉门检查炉门的密封是否良好。.5开启风路，点燃加热炉，检查记录仪监测升温情况。控制温度升速不能超过200℃/小时。.6加热过程中经常检查风路，燃料供给系统的运行情况，根据记录仪的显示情况对燃料供给量进行随时调节，力求炉内温度均衡。.7当温度升至（根据材料不同参见具体工艺卡）时，适当减小风量，使温度控制在一定温度范围内保温（根据材料不同参见具体工艺卡），连续炉恒温时间（根据材料不同参见具体工艺卡）。.8先关闭风路与燃料供给系统，打开炉门迅速开出台车，用叉车将坯料取出放到胎具规定的位置上，开启压力进行压制。2.3.6中频推制弯管生产作业指导书弯前准备.1操作人员应熟悉设备的技术性能、工艺过程。.2弯管操作人员应按工艺卡要求和弯管尺寸对钢管进行检查和准备，钢管表面清理除锈后不允许有低熔点金属污染（铜、锡、铝等），不应有重皮、裂纹等严重缺陷。.3将钢管纵焊缝放置在内弧距壁厚基本不变的中性线±10°区域内，弯管不允许对接。.4弯管在下料时，各部位尺寸应测量准确，并在管材上标记。.5准备好在工作过程中需用的各类器具，监测弯管加热温度的温度显示器（动态温度测量用光学高温计）。.6将摇臂转“0”位，夹具准确放在所要求的弯曲半径处，该值应考虑材料的回弹变化量，并在材料上划线做点。.7操作工应检查弯管机的主机、辅机、水泵、油泵、空压机，纯水装置等，应正常完好处于备用状态。.8弯管前检查弯管机四周，不得有妨碍弯管机运行的障碍物，环境应保持干净整洁。.9检查感应圈与钢管间隙应均匀，应控制在20±3mm之间。.10应准备应付停电等意外情况的应急措施。弯制过程.1开启冷却水系统，检查感应圈喷水情况（准备好通针）。.2开启中频电源，并检查调整。中频启动后，液压推制系统启动，(弯制温度应根据材料的化学成分及临界温度值确定最佳加热温度)开始热煨制。.3调整液压推进装置控制推速、外弧侧喷水角度、内弧侧喷水角度、中性区喷水角度及加热带宽度等参数。随时调整水泵压力,控制喷水量和冷却速度。.4弯制开始初期，应密切注意推进速度和加热温度，功率升降推速增减，均要与温度密切配合，使三者实现最佳匹配。.5弯制过程中，要对推制温度用动态光学高温计测量值进行测量和记录。.6弯制过程中，经常检查设备及辅件的运行情况是否正常，.7弯管弯制将近终弯,调整中频电源功率,降低温度，当加热温度降至煨制最低温度时，停机并快速降温