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目录目录摘要 Iabstract II1引言 12工业机器人集成的相关概述 12.1 工业机器人的构成 12.2 工业机器人的工作原理 22.3 工业机器人系统集成的概念 22.4 工业机器人系统集成设计的方法和步骤 33工业机器人集成在汽配行业中的应用实践 43.1 汽车装配作业及液体物质填充集成 53.2 焊接集成 53.4组装集成 73.5涂胶集成 83.6喷涂集成 83.7搬运集成 93.8机床集成 94工业机器人集成的发展路径 104.1由产品批量大、利润高的产业向一般工业延伸 104.2由自动化程度高的行业向自动化程度低的行业延伸 104.3市场规模随用工成本增加而扩大 115工业机器人集成的发展趋势 115.1围绕核心技术及产品做系统集成 115.2熟悉工艺并提炼出可批量化应用的核心技术 115.3通过多种资本运作方式增强融资能力 115.4整合资源提供整体解决方案 115.5利用数据资源构建工业云 126结论 12鸣谢 13参考文献 14摘要PAGEII摘要随着全球机器人产业的发展,工业机器人开始在很多领域得到应用,极大地提高工业生产效率的同时也保护了工人的生命安全。我国工业机器人市场规模已经位居世界第一,发展态势迅猛。伴随着工业机器人热销,机器人系统集成商也得到了顺利发展,但由于机器人系统集成行业门槛较低,大量企业开始进入该行业,并加剧了该行业的竞争激烈程度,我国工业机器人集成企业要想在行业中获得发展,就需要充分关注可集成的领域,从而制造相应的集成机器人。本文将对工业机器人集成应用实践进行分析,以汽车汽配为例,来分析其在汽车装配、焊接、组装、涂胶、喷涂、搬运以及机床等方面的应用,提出几点工业机器人集成的发展思路,从而为更多工业机器人集成商提供发展的指导参考作用。关键词:工业机器人;系统集成;应用实践论工业机器人集成应用实践1引言过去的40年见证了工业机器人在大多数制造领域中的应用,很多从事劳动强度大或重复性高工作的工人开始被工业机器人所取代,工业机器人还在进一步向更多的领域发展,极大提高工业生产效率的同时也保护了工人的生命安全。随着全球机器人产业的发展,美、德、英、法、日、韩、欧盟都先后提出符合各自特点的机器人产业发展规划,我国也于2016年4月提出了《机器人产业发展规划(2016年-2020年)》,工业机器人的生产和销售开始大规模进行。2018年上半年,国内销售机器人19257台,较上年增长37.7%,实际销量比上年增长70.8%,我国工业机器人市场规模已经位居世界第一,发展态势迅猛。伴随着工业机器人热销,机器人系统集成商也得到了顺利发展,截止到2018年8月,中国机器人相关企业共有3800家,其中系统集成商就占95%以上。这些集成商主要分布在汽车、3C电子、金属加工、食品等领域,通过机器人与企业部分业务进行集成,从而极大地提升了生产的有效性。但是由于机器人系统集成行业门槛较低,大量企业开始进入该行业,并加剧了该行业的竞争激烈程度,我国工业机器人集成企业要想在行业中获得发展,就需要充分关注可集成的领域,从而制造相应的集成机器人。本文将对工业机器人集成应用实践进行分析,以汽车汽配为例,来分析应用的发展思路,从而为更多的工业机器人集成商提供发展的指导参考作用。2工业机器人集成的相关概述工业机器人的构成工人机器人一般由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统等几个部分构成,其中,机械系统主要由机身、臂部、手腕、末端操作器和行走机构等几个部分构成,并且都有一定的自由度;驱动系统是指为机械系统提供动作驱动力的装置,这些动力主要来源于电气、液压、气压以及几种的综合系统,但无论是电气、液压驱动的机器人,手爪的开合都是气动式的;控制系统是指根据从传感器反馈回来的信号或者机器人作业指令程序进行执行的系统,从而保障相关动作和功能的实现,控制系统有开环和闭环之分,取决于机器人是否具备信息法规特征。感知系统有内外两种感知器组成,主要负责对内部和外部环境的信息进行搜集,并将其反馈给控制系统,该系统功能如同人体的五官。工业机器人的工作原理作为一个典型的机电一体化系统,机器人在工作的过程中,主要遵循如下原理:首先由控制系统发出动作指令,驱动系统接受到指令后,驱动机械系统的末端操作器来完成相应的动作,做出相应的姿态,最后确保作业任务的有效达成。感知系统会将末端操作器在空间的实时位姿反馈给控制系统,控制系统在比较实际位姿和目标位姿的情况下发出下一个动作的指令,直到整个作业任务圆满完成。工业机器人系统集成的概念工业机器人系统集成是指工业机器人在实际应用中针对现场的集成开发,包括工作装备、外部设备控制系统等,完整的一个系统的调试开发即工业机器人的系统集成。也可以理解为将出厂状态下的工业机器人通过集成开发变为可实际应用的工业机器人。现代工业机器人生产供应商的产品一般只涉及工业机器人本体和其控制器,并不包含任何其他的工装夹具等。以KUKA工业机器人为例,如图2-1所示,用户从KtJKA购买的工业机器人一般只包含相应型号的控制系统(控制柜)、工业机器人本体②和示教器③。图2-1工业机器人出厂配置从图2-1中可以看到,工业机器人的出厂配置,仅能实现对工业机器人本体的控制和编程,让机器人按照预先设定的路线和流程进行运动和定位。但由于没有任何的工作装备,工业机器人根本不能进行实际的操作,完全无法投入生产工艺流程中使用。要使其能真正的完成相应工艺操作,就必须加装整套的工作装备,包括刀具、模具、夹具、量具、检具、辅具、钳工工具、工位器具、变位机及移动滑台等,装设外部控制系统,如传感器系统、安全控制系统等,也就是工业机器人系统集成。工业机器人系统集成设计的方法和步骤工业机器人系统集成设计属于工业机器人应用研究范畴,通过对工业机器人应用及其系统集成定义的研究,结合文献、资料及案例的分析研究后,可以总结其一般步骤与方法为:(1)解读分析工业机器人工作任务:工业机器人的工作任务是整个系统集成设计的核心问题和要求,所有的设计都必须围绕工作任务来完成。它决定了将为工业机器人本身的选型、工艺软件的使用、工作装备的选用或设计、外部设备的配合以及外围控制系统的设计。所以,必须准确而清晰的解读分析工业机器人工作任务,否则将使系统集成设计达不到预期的效果,甚至完全错误.(2)合理选用或设计工作装备:工作装备是工业机器人进行工艺加工操作的执行元件,没有工作装备工业机器人就仅仅是一台运动定位设备。选用或设计工作装备的根本依据是工作任务。工业机器人究竟是需要进行何种操作,是焊接操作,或是搬运码垛操作,亦或是打磨抛光操作等,是否需要配备变为机、移动滑台等,以及操作所需要达到的工艺水准,加工对象的情况,都是需要综合考虑的。只有正确、合理的选用或设计工作装备,让它们与工业机器人配合起来,才能使工业机器人发挥出其应有的功效,更好的完成加工工艺。(3)工业机器人的合理选型:当工作装备被确定下来后,就课题进行工业机器人的选型,它是其应用系统的核心元件。由于不同品牌的工业机器人其技术特点、擅长领域各不相同,所以首先根据工作任务的工艺要求,初步选定工业机器人的品牌。其次根据工作任务、工作装备、操作对象以及工作环境等因素决定所需工业机器人的负载、最大运动范围、防护等级等性能指标,最终确定工业机器人的型号,之后再详细考虑如系统先进性、配套工艺软件、I/O接口、总线通信方式、外部设备配合等问题。在满足工作任务要求的前提下,尽量选用控制系统更先进、I/O接口更多、有配套工艺软件的品牌和型号,以利使系统具有一定的冗余性和扩充性。同时,成本也是选型时必须考虑的问题。综上所述,最终选定工业机器人的品牌和型号;(4)工艺辅助软件的选择和使用:工业机器人工艺辅助软件是当工业机器人应用系统涉及复杂工艺操作时,辅助技术人员进行机器人工作路径规划、工艺参数管理和点位示教的软件,一般会与三维建模软件同时使用。功能强大的工艺辅助软件还可以进行如生产数据管理、工艺编制、生产资源管理和工具选择,甚至可以直接输出工业机器人运动程序。根据工作任务和选定工业机器人品牌,共同决定工艺软件的使用。由于工业机器人不同品牌的原因,导致了其核心控制器件的不同,从而也就导致了某些工业机器人生产供应商针对不同加工工艺,能提供配套的工艺软件,提升工艺水准,而另一些则没有相应的工艺软件。综合考虑工作任务和所选定的工业机器人品牌,确定是否选用工艺软件,选用何种工艺软件;(5)外部控制系统的设计和选型:根据前面步骤所选定的工业机器人型号、工作装备,综合考虑工作任务后初步选定外部控制系统的核心控制器件。一般情况下,都选用可编程控制器(PLC)作为外围控制系统的核心控制器件,但是在某些特殊的加工工艺中,比如工艺过程连续,对时间要求非常精确的情况下,需要考虑PLC的I/O延迟是否会对加工工艺造成不良影响,否则必须选用其他控制器件,如嵌入式系统等。应尽量考虑在工业机器人以及各外部控制设备之间采用工业现场总线的通信方式,以减少安装施工工作量与周期,提高系统可靠性,同时也降低后期维护维修成本。同时,安全问题在外部控制系统中也是非常重要的,在某些情况下甚至是首要考虑的因素。而安全问题包括了设备安全和人身安全,关于前者的设备如防碰撞传感器等,关于后者的设备如安全光幕等,都是外部控制系统必须的设备。综合考虑以上因素,进行整个系统集成的设计与选型,在该过程中充分考虑系统的先进性、安全性、可靠性、兼容性和扩充性的基础上,尽可能的采用成熟的器件与设计思路;(6)系统安装与调试:前述所有步骤均以完成后,就可以进入系统安装、调试阶段。在工业机器人应用系统的安装阶段,需严格遵守施工规范,保证施工质量。调试时应尽量考虑到各种使用情况,尽可能的提早发现问题并反馈。不论是安装还是调试,安全问题都是重中之重,必须时刻牢记安全操作规程。3工业机器人集成在汽配行业中的应用实践目前,工业机器人已经在很多制造行业得到了广泛的应用,从而极大地提升了企业的工作效率,为了更符合企业的生产实际,机器人开始与各行业企业的生产实际结合起来,从而出现了工业机器人的集成应用。本文主要以汽配行业为例来分析工业机器人的集成应用情况。通过调查发现,工业机器人在汽配行业的集成比例如下:选择弧焊、点焊、物料搬运、装配、喷漆、铸造、冲压、上料卸料以及码垛、检测、研磨抛光和激光加工等复杂作业集成的机器人比例分别为16%、15%、13%,22%、3%、3%、3%、15%、14%。目前,61%的工业机器人已经在汽配行业获得了成功集成。但是,大部分工业机器人在应用中主要在汽配作业、焊接、组装、涂胶、喷涂、搬运等几个环节,在机床工作方面的集成有待增加。随着全球汽车生产向着多品种、小批量方向发展,工业机器人在汽车工业中的应用越来越普遍,其主要应用领域体现在以下几个方面。汽车装配作业及液体物质填充集成工业机器人在汽车装配作业和液体物质填充方面的集成已经较为普遍,从而使得这些作业由人机结合的形式的开展。工业机器人的集成,极大地提升了作业的灵活性,机器人与输送系统、随行夹具、在线专机、测量设备等的组合,极大地促进了汽车装配效率的提升。汽车装配流水线的传输方式有同步传输、非同步传输两种方式,但是工业机器人的使用,则促进了汽车装配的半自动化,也越来越在批量装配中显得举足轻重。工业机器人可以出现在装配的各个工位上,比如车门安装、仪表盘安装、前后挡板安装、车灯安装、汽车电池安装、座椅安装及发动机装配等,从而极大地提升了装配的自动化程度。机器人也可以用来填充刹车油、离合器油、热交换器油、助力液、车窗清洗液等液体物质,在填充的过程中,可以控制液体的填充量,从而做到降低污染物的排放量。焊接集成焊接是汽车制造中不可或缺的关键工艺,每辆车上的焊接点数量几乎超过4000个,但焊接工作环境较为恶劣,工人手工完成焊接工作,会威胁到自身的身体健康,而且焊接的有效性也很难提升,但是机器人在焊接过程中的集成,则可以很好的提升焊接的工作效率和质量,而且可以避免焊接工人的身体出现损害。图2FANUCR-2000iB机器人螺柱焊接工业机器人在焊接的过程中,一般会在工作站、生产线、焊接专机等方面进行集成,极大地促进了焊接自动化程度的提升,使得额焊接质量有保障,焊接的效率日益提升,焊接工人不用在恶劣的工作环境下工作,焊接的批量也可以大型化,从而确保焊接柔性生产目的的实现。图2是某汽车零部件厂的焊接图,焊接的汽车零部件有底盘、座椅骨架、导轨、消声器及液力变矩器等,焊接的机器人是FANUCR-2000iB型智能机器人,在焊接的过程中主要采取螺柱焊接工序。这种焊接机器人不仅有较强的负重能力,而且可以确保多种零部件的有机组合,使得焊接的需求得到了进一步的满足。尤其是在功能强大的R-30iA控制器和TCP(toolcenterpoint工具中心点)自动校零技术等的帮助下,机器人的工作效率更高。作为一项新技术,TCP自动校零器由一梯形固定支座和一组激光传感器组成,无论焊枪以何种方式经过TCP支座,数据都能被激光传感器捕捉,并传递到CPU,CPU将其与最初设定值进行比较,可以帮助机器人了解到偏差的大小,从而结合机器人的实际,来纠正指令程序,比如自动调整每根轴的角度等,确保机器人可以在TCP零位下工作,提高工作的准确性和可靠度。工业机器人的存在,使得焊枪与夹具之间的碰撞等不可预见性因素被有效预防,从而减少了TCP位置偏离的情况发生。图3搬运机器人+焊接机器人协同工作图3是工业机器人在搬运程序中的应用,集成的机器人依然是FANUCR-2000iB型智能机器人,这一机器人将电焊程序与搬运程序有机组合在一起,每一台机器负责一个程序,在两部机器人的有效配合下,焊接和搬运工作无缝对接。但也存在两部机器人配合不协调的情况存在,如果至少一部机器人出现了故障,就会出现这一情况,为了防止这一情况的发生,可以将最新一代的FANUCR-30iA机器人控制器安装在机器人身上,从而确保其性能、响应效率、安全性等的提升,在充分集成视觉功能的情况,使得不同的机器人在工作时配合更为默契,并确保单机系统或多机系统都可以在有效的控制状态下,此外,在传感器硬件、系统等的集成下,机器人的生产效率会大大提升。图4汽车零部件焊接自动线图4是该汽车零部件生产中焊接自动线,主要焊接的汽车零部件是汽车底盘,所采取的机器人是发那科机器人,多台机器人分别坚守在焊接、冲压、涂胶、测量、搬运和悬挂输送等几个部分,从而确保汽车零部件产品的焊接加工冲压涂胶等工序的有效完成的。这种机器人使用了视觉传感技术,兼容性强,可以在焊接的过程中自动识别焊缝位置,在空间中寻找和跟踪焊缝、焊缝起点、焊接终点等,从而更好地定位焊缝的位置,并做到有效的自我调节。3.4组装集成图5组装作业组装对机器人的要求较高,集成的机器人需要具备较高的精度和速度,从而确保很多小零部件的成功安装,因此,这是人工难以完成的一项作业,但是机器人的存在可以使得车门、仪表盘、前后挡车、车灯、电池、座椅等的安装更加有效,确保组装有效性的不断提升。3.5涂胶集成图6涂胶作业涂胶是一项作业量大、准确度要求较高的工作,其工作成功与否直接影响到汽车的外观品质,随着消费者对汽车外观的要求不断提升,涂胶作业也需要不断改善,从而使得车身、汽车党风挡风玻璃、车底、汽车发动机等零件可以涂上不同的涂胶,确保汽车外观符合消费者的需求。工业机器人可以将折胶、涂胶、PVC涂胶及汽车发动机涂胶等有效得涂在制定的部分上,提高了涂胶工序的有效性。3.6喷涂集成图7喷漆作业主要是用于车体外表的漆皮的喷涂。这个对于车体的整车效果影响很大。众所周知,人眼睛是最挑剔的,深浅稍有不同,就会让顾客联想到汽车内部品质的不可靠性。所以机器人在这方面的使用使得喷涂作业更均匀,使外观更能赢得消费者的亲睐。3.7搬运集成图8搬运作业搬运需要和生产环节精密地结合,且最大限度的避免搬运中对于加工零部件的损害。这些都非常适合于机器人来执行。3.8机床集成在焊接、搬运、码垛、装配等领域里,工业机器人基本上占据主导地位,但是在与机床的集成中,工业机器人基本属于从属的地位的,其在应用的过程中,主要体现在如下几方面:(1)单机上下料工业机器人广泛应用于单机上下料中,相比人工来完成这一工作,机器人完成的更加高效,有利于产量的提升。在汽车零配件中,有很多中小零部件的加工工作,这些工作批量大,加工时间较长,需要工人夜以继日地工作,才能保障产量的提升。但这无疑会耗费更多的人力和时间,但是机器人在机床中的集成,并于机床合二为一,可以促进这些中小零部件的高效生产。尤其在部分贵重的零部件需要转移时,机器人的优势更加突出,可以保障任务的圆满完成。机器人在机床中的安装可以是固定式、移动式和柄架式等几种类型。(2)机器人与机床组成柔性生产线机器人还可以与其他的机床结合在一起,从而促进生产线的形成,这一生产线具备较强的柔性,可以做到生产的灵活和自由化,这一种方式比单机上下料更为有效,充分应用于工业转型升级的过程中,这进一步促进了工业机器人的需求扩张。但是在应用的过程中,工艺路线和现场条件等因素会影响到机床的布局,从而使其出现L型、U型和直线型、对面布置等几种常见的类型,其中的U型布局更是包括三台数控机床和一台机器人,衔接较为连贯。(3)与机床共同完成加工工艺过程在冲剪、折弯机上集成工业机器人,可以保障更多人工作业被机器人取代,从而确保上下料的有效实现,进一步促进产品质量和生产效率的提升,防止工人在工作中受到工伤。(4)独立完成加工工序如果装上了专用手爪,机器人还可以完成切割、打磨、抛光、清洗等工作,这些工作较为精细,而且存在很大的安全隐患,稍有不慎,就会出现人员伤亡的情况,但是让机器人来完成这一工作,不仅可以保障工作的完成,而且可以充当机床的角色,确保打孔、攻丝、铆接、切削等加工工序不受耽误。在视觉、触觉等传感器的安装下,机器人就可以具备更强的触觉和视觉等,从而在完成组装、零件分选等复杂工序上更加精准,省下了安装专用工位器具的麻烦。此外,在特殊手爪的装备下,机器人就还可以高温环境下作业,比如进行铸造、机械锻造、,取铁液、浇注、上下热毛坯、更换热态模具等。在集成下,工业机器人的自动化程度更高,机床的应用范围更加广泛,很多功能还在不断开发中,4工业机器人集成的发展路径4.1由产品批量大、利润高的产业向一般工业延伸纵观机器人系统集成行业的发展历程可知,首先应用的行业都是批量化生产、利润高的行业。目前机器人系统集成业务集中在汽车工业、3C电子、金属加工、食品饮料等行业,这些行业中大额、高利润订单已逐步被大型集成商瓜分,而一般工业的自动化改造需求仍然相对旺盛,随着传统市场的饱和,机器人系统集成商未来开发的市场通常都将逐步趋向于工艺复杂、标准化程度低、产品批量小、利润空间有限的一般工业。4.2由自动化程度高的行业向自动化程度低的行业延伸机器人系统集成业务通常分布在自动化基础比较好的行业,如汽车、3C'电子、金属加工、物流等技术要求高、自动化程度高的行业,但随着上述行业竞争的加剧及市场的饱和,系统集成业务将会向自动化程度较低的行业延伸。在此过程中,由于企业自身的自动化、标准化程度低,会对系统集成商提出更多的针对特殊工艺的要求,这不仅蕴含着更多的行业机会,也会进一步促进工厂自动化水平的提升少。4.3市场规模随用工成本增加而扩大如果单纯从成本的角度考虑,在复杂的工作条件下,人类相比机器更加“聪明”和“廉价”,而在需要发挥想象力、创造力的工作场景,人类甚至具有机器不可替代的作用。但是对于简单重复性劳动,机器人具有明显的成本优势口习,因此,具备简单、重复性工作特点的手工劳动者所从事的工作,理论上都是潜在的机器人系统集成市场领域。北京航空航天大学王田苗教授指出,用工成本的增加和工业机器人成本的降低,对于工业机器人的应用存在一个拐点,当人力成本大于机器人及成套装备成本时,拐点到来,工业机器人市场随即呈现井喷式发展。这就表明,机器换人存在一个动态的效益平衡点,可以预见,未来的工人将从事要求更高、需要更“聪明”的工种,而用工成本也会更高。由上述理论可以推断,未来随着劳动力成本的攀升,效益平衡点将随之移动,而机器人系统集成行业的市场规模也将随之扩大。5工业机器人集成的发展趋势5.1围绕核心技术及产品做系统集成企业可以结合自身技术背景,构建核心技术及产品,并将这类技术或产品经过系统集成最终为客户提供服务。目前己有相关学者围绕机器视觉、软件工程构建及重构等核心技术,探讨其在机器人系统集成行业的应用。5.2熟悉工艺并提炼出可批量化应用的核心技术机器人系统集成商可以将各细分领域内具有特殊工艺要求的部分做成通用产品,通过不断迭代产品来提升性能,最终达到提高企业利润率,构筑企业护城河,降低项目成本的目的。国内大型系统集成商大都采取该策略,如德梅柯提供汽车整线的系统集成,即是典型的案例。5.3通过多种资本运作方式增强融资能力在企业资金紧张、业务量大、市场需求旺盛的情况下,可以考虑采取贷款、拉风投、上市、融资租赁等多种形式来尽快打开局而,占领市场,避免财务能力成为企业发展的瓶颈。连硕自动化被上市企业海伦哲全资收购,即是凭借上市公司获得融资的典型案例。5.4整合资源提供整体解决方案未来机器人系统集成企业的竞争力,很大程度上体现在提

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