《工业机器人技术及应用》课件-第1章

第1章绪论1.1工业机器人的时代背景1.2工业机器人的应用领域1.3工业机器人的产业链现状和前景1.4本书结构和章节关系

1.1

工业机器人的时代背景

为了占领世界工业新高地,德国政府在2013年汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”的概念,将“工业4.0”项目列入其2020高技术战略,以在新一轮工业革命中占领先机。德国“工业4.0”是指利用信息物理系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)将生产中的供应、制造、销售等环节的信息进行数据化和智能化,实现快速、有效、定制化的产品供应。

“工业4.0”美好愿景需要强大的技术支撑,包括工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D打印、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能等。“中国制造2025”重点支持的十大领域包括新一代信息技术、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械、农业机械装备等。“工业4.0”和“中国制造2025”都将机器人列为重点发展的关键技术。

1.2工业机器人的应用领域

随着“工业4.0”和“中国制造2025”战略的规划与实施,全球制造业的自动化、集成化、智能化、绿色化已成趋势。中国从“制造大国”向“制造强国”转变,以工业机器人为标志的智能制造应用领域越来越广泛,尤其是在3C、汽车制造、化工、医疗医药、食品、金属、冶金铸造、物流仓储、家用电器、纺织服装等行业,其中部分应用领域如图1-1所示。

图1-1

工业机器人的部分应用领域

图1-1

工业机器人的部分应用领域

1.3C行业

3C是指计算机(Computer)、通信(Communication)和消费(Consumer),工业机器人在中国3C行业和电气设备工业中的应用增长迅猛。

2.汽车制造行业

从全球范围来看,汽车制造行业是工业机器人应用最早、应用数量最多的行业。2021年,工业机器人在汽车制造业的销量达到了14万台,是仅次于3C行业的最大的消费市场。

3.化工行业

化工是我国的重要经济支柱产业,但危险的工业环境让人望而却步。化工行业对精密化、微型化、高质量和高可靠性等都有较高要求,而工业机器人在这些方面有非常大的优

势,不仅为化工行业的发展提供了良好的解决方案和替代方案,而且能降低企业用工成本。

4.医疗医药行业

医药机器人市场增速快、潜力大,在制药包装领域中扮演着重要角色,如铝塑膜包装能够实现不同产品和不同包装形式的高灵活性包装。医疗医药行业中机器人的应用也极大地推动了机器人技术的发展。

5.食品行业

人工操作食品加工难免会影响卫生状况,而自动化解决方案能够尽可能地消除污染风险。食品产品趋向精致化和多元化方向发展,单品种大批量的产品越来越少,多品种小批量的产品日益成为主流。在工业机器人的应用普及之前,国内食品生产工业中的大部分包装工作,特别是较复杂的包装、装配等工序仍然是人工操作的,会造成包装产品的污染。而通过集成传感器技术、人工智能和机器人技术等多项技术,可以为复杂多变的食品加工提供高效的智能化解决方案。

6.金属行业

金属行业是最重要的行业之一,金属种类多,如轻金属、彩色金属、贵金属、特殊金属等。金属快速成型是金属加工中的关键技术之一。工业机器人与成型机床结合,不仅可以解决企业用人问题,而且能够提高加工效率、精度和安全性。对于极为复杂的金属部件的加工,借助机器人自动化生产系统,不仅能显著提升机床、机械加工设备的制造能力,也能确保加工部件符合日趋严格的品质要求和小批量生产的趋势。

7.冶金铸造行业

冶金铸造行业属于高负荷、高负重的行业,其工作环境恶劣,如高污染、高温、强噪音等。绿色铸造成为越来越多的企业发展的趋势。机器人具有绝佳的定位性能、很高的承载力以及能够安全可靠地进行高强度作业等优势,其模块化的结构设计、灵活的控制系统、专用的应用软件能够满足铸造行业整个自动化应用领域的最高要求,提高产品效率和质量,降低成本,减少污染,能满足绿色铸造的特殊要求。

8.物流仓储行业

快速仓库货物储备是每个企业都需要考虑的问题。据统计,传统的物料仓储、搬运管理等物料流程的费用占企业生产成本的25%以上,物流周期则占企业生产周期的90%以上。越来越多的企业都开始使用物流机器人进行货物的仓储。智能仓储机器人在物流仓储中应用广泛,为物流提供了智能化和信息化的服务。

9.家用电器行业

家用电器行业是劳动密集型产业,在人力成本大幅增加、精密制造水平提升等客观因素下,家用电器制造高度自动化是必然趋势。因工业机器人具有高生产率、高精度、高可

靠性等优势,可以将其运用到家用电器生产工艺流程的所有环节,如生产、加工、搬运、测量和检验等。

10.纺织服装行业

纺织服装行业是我国的民生产业和支柱产业,是人口密集型行业。随着人口红利消失,纺织服装行业面临着前所未有的挑战。印染、印花、面料生产和服装制作等整个产业

的人工环节都将被机器人替代。

随着人工智能时代的到来,以及智能算法与算力和传感器感知能力的提升,工业机器人能够更智能地感知环境、自主决策和执行,真正迈向数字化智能制造时代。

1.3工业机器人的产业链现状和前景

工业机器人行业按照产业链分为上游、中游和下游。上游生产的是工业机器人的核心零部件,如控制器、减速器、伺服系统,在工业机器人整个产生链中利润占比最大。控制器相当于工业机器人的大脑,机器人的软件系统和控制器是相互匹配的,由机器人厂商自主设计研发。

中游是工业机器人本体生产商,生产内容包括工业机器人结构和执行结构,如手臂、腕部、行走架构等。从1959年“机器人之父”恩格尔伯格(JosephF.Engelberger)发明第一

台工业机器人以来,工业机器人市场经历了20世纪80年代后期的饱和,20世纪90年代的复苏,到现在的井喷式增长。

下游为系统集成商,包括单项系统集成商、综合系统集成商等,他们根据工业机器人的应用场景和用途进行针对性的集成和二次开发,集成内容包括焊接机器人、弧焊机器人、装配机器人、搬运机器人、上下料机器人、缝纫机器人等,为终端客户所用。

系统集成商是工业机器人的应用层,是工业机器人商业化和规模化的关键。系统集成商根据不同行业或不同终端用户的需求,将工业机器人本体、工业机器人核心零部件、其他自动化装备等设备整体集成,为终端用户提供应用解决方案。

机器人学科是一个机械、自动化、计算机、人工智能等多学科交叉融合的新兴学科,涉及知识广泛、技术综合性强。从机器人技术的层面看,机器人学科包括机器人机械结构、

运动学、动力学、轨迹规划、控制系统、驱动系统、传感系统、程序设计、通信协议等内容。

1.4本书结构