机器人先进制造技术课程论文.docx

1、机器人先进制造技术课程论文中 国 地 质 大 学研究生课程论文封面课程名称 先进制造技术 教师姓名 杨 杰 研究生姓名 研究生学号 研究生专业 机械工程 所在院系 机械与电子信息学院 类别: 工程硕士 日期: 年 月 日 工业机器人摘要：本文介绍了先进制造自动化技术中的工业机器人的概念、基本原理，以及当今世界工业机器人技术的前沿，描述了工业机器人的应用情况、典型事例等发展现状，并展望了今后工业机器人技术的发展趋势。关键词： 工业机器人；概况；现状；组成；分类；应用；发展趋势引言工业机器人是集机械、材料、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。代表

2、了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。它的研究和应用水平一个国家的自动化的水平。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,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,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业

3、生产的许多领域得到应用。1工业机器人的简介1.1 工业机器人的概念1.1.1 “机器人”一词的由来1920年，捷克剧作家卡里洛奇别克在其科幻剧本罗萨姆万能机器人制造公司(Rossums Universal Robots)首次使用了ROBOT这个名词，意思是“人造的人”。现在已被人们作为机器人的专用名词。1.1.2定义关于机器人的定义，专家们仍在争议之中，至今还没有人能够提出一个令人信服的明确定义，美国机器人协会（RIA）对机器人的定义一是：“所谓工业机器人，是为了完成不同的作业，根据种种程序化的运动来实现材料、零部件、工具货特殊装置的移动并可重新编程的多功能操作机。”日本产业机器人协会（JIR

4、A）的定义是:“所谓工业机器人，是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及其结构，并能完成复杂空间动作的多自由度的自动机械”或“根据感觉机能或认识机能，能够自行决定行动的机器（智能机器人）。”1国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。虽然工业机器人的定义不明确，但是有一点是可以明确的，那就是人们开发研究工业机器人的最终目标，在于要研制出一种能够综合人的所有动作特性通用性、柔软性、灵活性的自动机械。机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工

5、智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。工程技术人员了解和学习机器人学具有重要的意义。综上，工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的机械装置，由计算机控制，是无人参与的自动化控制系统，是可编程、具有柔性的自动化系统。它能复现人的动作和职能。反复调整以执行不同的功能。具有通用性、柔性和灵活性的自动机械。 已成为FMS和CIMS系统的重要设备。1.1.3发展历史工业机器人的问世，大约是在25年前，微处理机的诞生，大约是在15年前，正是由于微处理机的出现，以及各种LSI,VLSI的飞跃发展，才使得工业机器人控制系统的技能大幅度提

6、高，从而使数百种不同结构、不同控制方法、不同用途的工业机器人终于在八十年代，真正进入了实用与普及的阶段，并发挥了令人难以置信的巨大威力与经济效益。目前，工业机器人像计算机一样，可以按“代”分类。第一代工业机器人是指T/P方式（Teaching/Playback方式），即示教/再现方式。19世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了实用阶段。1954年美国的G. C. Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可进行点位和轨迹控制，这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。 70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技

7、术、人工智能技术的发展，机器人也得到了迅速的发展。1974年Cincinnati Milacron公司成功开发了多关节机器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控制的机器人，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是技术最先进的工业机器人。现在的工业机器人在结构上大体都以此为基础。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in / Playback）型机器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。第二代工业机器人是具有一些简单智能、可行走的、能对周围环境做出反应的机器人，

8、在机械、电子等生产领域得到了广泛的应用。进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分相关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到了广泛应用。第三代机器人称为智能机器人。这种机器人不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，视觉、触觉等智能，而且还具有像人一样的逻辑思维、逻辑判断机能，能推理、决策、自我规划、自我学习、有自立性。可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。21.2工业机器人的组成1.2.1机械本体 机器人的

9、机械本体机构基本上分为两大类，一类是执行机构，即操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，是一组具有与人手脚功能相似的机械机构；另一类为移动型本体结构，主要实现移动功能。如行进系统。 1)手部（抓取机构或夹持器）：用来直接抓取工件或工具。有机械式、真空吸附式、磁性吸附式。2)腕部：是联接手部和臂部的部件，用以支撑和调整手部的姿态。 3)臂部：是支撑腕部的部件，由动力关节和连杆组成。用以承受工件或工具负荷，改变工件的空间位置，并送至预定的位置。4)机身（立柱）：是支撑臂部的部件，扩大臂部的活动范围。5)机座及行走机构：是支撑整个机器人的基础件，确定并改变机器人的位置。1.2.2控制系统：控制系统即计算

10、机控制系统，各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。机器人通常采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制。它是机器人的大脑，控制与支配机器人按给定的程序动作，并记忆人们示教的指令信息，可再现控制所存储的示教信息。机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务。如图示：1）控制计算机：是调度指挥机构，微型机。2）示教盒：工作轨迹和参数设定，拥有独立存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 3）控制面板：各操作功能按钮，状态指示灯。 4）硬盘和软盘存储：存储程序。 5）数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令输入输出。6）轴控制器：

11、完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。1.2.3驱动系统驱动系统即驱动伺服单元，它是机器人执行作业的动力源，按照控制系统发出的指令驱动执行机构完成规定的作业。其作用是使驱动单元驱动关节并带动负载按预定的轨迹运动。已广泛采用的驱动方式有：液压伺服驱动、电机伺服驱动，气动伺服驱动。1.2.4传感系统传感系统，除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）。如：感知系统和人工智能系统等。1.2.5输入/输出系统接口为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。1.3工业机器人的分类首先，工业机器人

12、做为完成任务的机具，按用途包括以下几种：（a）搬运、上料机器人；（b）喷涞机器人；（c）焊接与切割机器人，点焊与弧焊；（d）装配机器人；（e）最后工序机器人，完成打毛剌、分类、检验、包装等工作。3可见工业机器人的用途实为广泛。接着，更深一步，从技术上可以把工业机器人分为以下几类：1.3.1按系统功能分1)专用机器人：用固定的程序在固定的地点工作的机器人。其结构简单，成本低。自动化的机械手。2)通用机器人：具有独立的控制系统，通过改变程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范围大，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。 3)示教再现机器人：具有记忆功能，在操作者示教操作后，能按示教

13、的顺序、位置、条件与其他信息反复示教作业。4)智能机器人：采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等多功能和识别功能。通过比较和识别，自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。1.3.2按驱动方式分1)气压传动机器人：以压缩空气作为动力源驱动执行机构的机器人，动作简单、成本低廉，适用于高速轻载、高温和粉尘大的环境作业。 2)液压传动机器人：采用液压驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于低速、重载的场合。3)电气传动机器人：用交流或直流伺服电动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，结构简单、响应速度快、控制精度高。 1.3.3按结构形式分1)直角坐标型：由三个相互

14、正交的平移坐标轴组成，坐标轴运动独立。控制简单、定位精度高。 2)圆柱坐标型：由立柱和一个安装在立柱上的水平臂组成，其立柱安装在回转的机座上，水平臂可以伸缩，并可沿立柱上下移动。一个旋转轴和一个平移轴。如：Verstran 机器人。3)球坐标型：由回转机座、俯仰绞链和伸缩臂组成，有两个旋转轴和一个平移轴。4)关节型：由大臂、小臂和立柱组成。肘关节、肩关节是绞链。有三个旋转轴。如：关节型搬运机器人、关节型焊接机器人1.3.4根据自由度分类自由度是表达机器人通用性、灵活性的重要指标。目前，一般商业化的工业机器人自由度大都在37之间。如：仿生型特种机器人，该系列机器人，自由度一般较多，具有更强的适应

15、性和灵活性，但控制更复杂，成本更高，刚性较差。如：类人型机器人、蛇形机器人、仿狗机器人、六足漫游机器人、六轮漫游机器人、仿鱼机器人、仿鸟机器人等1.3.5根据负载能力与空间动作领域分类：类型负载能力与空间动作领域超大型机器人1t以上大型机器人100kg1t 动作领域10m以上中型机器人10kg100kg 动作领域1 m10 m小型机器人0.1kg10kg 动作领域0.1 m1 m超小型机器人0.1kg以下 动作领域0.1 m以下1.3.6根据顺序信息分类：名称定义操纵机械手直接操作型的机械手单机能机器人仅具有固定记忆机能的机械手，这种控制装置无法实现多种反复作业反复作业机器人单纯反复作业机器人

16、固定程序作业程序难以变更的机器人可变程序作业程序容易变更，而且根据程序可以进行固定顺序控制的机器人作业程序容易变更，而且具有作业条件分枝机能的机器人多种反复作业机器人可变程序具有多个作业程序，根据指令或作业条件，作业程序可以自由选择或自动选择的机器人智能机器人根据感觉机能或认识机能，能够自行决定行动的机器人1.3.7根据动力能源分类动力能源是指驱动机器人可动部分的传动方式，一般多采用电压、液压和空压三种方式。1.3.8根据RANK分类RANK是表达机器人所具有的可回转关节数。42工业机器人的性能指标2.1工业机器人的自由度自由度是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动的趋势。用以表示机器人动

17、作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。自由度：机器人所具有的独立运动坐标轴的数目，有时海包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6个自由度。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于6个自由度，也可能大于6个自由度。例如，A4020装配机器人具有4个自由度，可以在印刷电路板上接插电子器件，PUMA562机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。2.2工作空间工作空间：是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合（包括形状和

18、大小）。取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。2.3承载能力承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。承载能力不仅不仅决定于负载的质量，还与机器人运行的速度和加速度有关。提取重力：反映其负载能力的一个参数，微型机器人：10N以下；小型机器人：1050N；中型机器人：50300N；大型机器人：300500N；重型机器人：500N以上。2.4运动速度运动速度：影响到机器人的工作效率。最大工作速度：指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，或手臂末端的最大合成速度。通用机器人的最大直线速度大多在1000mm/s以下。2.5精度精度：包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器

19、人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人手部重复定位于同一目标位置的能力（用标准偏差表示）位置精度：实到位置中心之间的偏差。影响到机器人的工作质量。取决于位置控制方式、机器人运动部件本身的精度和刚度、提取的重力和运动速度有关。典型机器人的定位精度一般在0.025mm范围。3工业机器人技术的发展3.1国外工业机器人技术的发展与现状1920年，捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。1954年，美国人George C. Devol 发明了一种称为可编程程序

20、的关节型搬运装置，并在1956年获得美国专利。首先提出了工业机器人和示教再现的概念。1958年，美国联合控制公司研制出了第一台数控机器人原型机，揭开了研制工业机器人的序幕。1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器“Unimate” 球坐标。1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，圆柱坐标。1967年， Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。6070年代是机器技术获得

21、巨大发展的阶段。日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。3.2国内工业机器人技术的发展与现状我国机器人技术起步较晚，70年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇号）。国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支

22、持。建立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。北京机械自动化所研制的喷漆机器人；沈阳自动化所研制的自动导引小车、机器人控制器、6000m水下机器人；哈尔滨工业大学博实公司开发的包装码垛机器人；南开太阳公司开发的微型驱动机器人；同济大学的提升机器人等等。20世纪80年代，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，经过二十年余年的努力，先后研发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压

23、、喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿以上。工业机器人50%以上用在汽车领域。当前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激

24、光加工等复杂作业。 世界工业机器人各领域应用比例（如右图示）在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术以及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据统计，近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。53.3国内外工业机器人厂商在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、著名的工业机器人公司。她们包括：瑞典的ABB Robotics，瑞士Staubli公司日本的FAN

25、UC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，意大利COMAU，英国的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性企业。在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长在40%左右。4工业机器人的应用在制造业中，机器人可以用于毛坯制造（冲压、

26、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、装配及仓库堆垛等作业中。 4.1在焊接方面的应用焊接是制造业中一项繁重的、对工人健康影响较大的作业之一，是工业机器人应用最多的行业。利用焊接机器人可以有效提高产品质量，降低能耗，改善工人劳动条件。焊接机器人有点焊和弧焊两种，可以单机焊接，也可构成焊接机器人生产线。（1）点焊机器人焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各

27、类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。装配每台汽车车体一般大约需要完成30004000个焊点，其中60%是由点焊机器人完成的。焊接机器人通常是采用液压驱动的机器人，因为要拿起质量达70kg的焊枪，一般电动机驱动的机器人承受不了这个负荷。点焊机器人是属于点位控制。点焊所要求的位置精度在1mm左右。（2）弧焊机器人弧焊是连续轨迹操作，机器人必须按预先规定的路线和要求的移动速度进行作业。1989年天津自行车二厂采用国产机器人焊接自行车前三角架，提高了产品质量，并获得了显著的社会、经济效益。4.2在喷涂方面的应用机器人喷涂作业在汽车、家用电器和仪表壳

28、体制造中已发挥了重要作用。机器人作业既可单机喷涂，也可多机喷涂，还可组成生产线自动喷涂，自动化程度越来越高。我国第二汽车制造厂东风系列驾驶室多品种混流机器人系统喷涂线。它由2台PJ-1A 、4台PJ-1B喷漆机器人、2台PM-111顶喷机、一台工件识别装置、一台同步器、多台起动装置和总控制台等组成。由一台工业PC（微型计算机）为主构成的总控台，通过通信系统，对6台机器人、 2台顶喷机及相关终端进行群控，实现面漆喷涂自动作业。图示：东风系列驾驶室多品种混流机器人系统喷涂线4.3在搬运方面的应用加工工件的装卸，特别是自动化机床工件的装卸是工业机器人的重要应用领域之一。如：搬运机器人、码垛机器人等4

29、.4在装配方面的应用在电子产品装配中，由于电子元件多，体积小，结构复杂，人工装配生产率低，质量不易保证，因而使用装配机器人可以极大地改变这种状况。日本日立公司的一条电子电路板自动装配线就装备了56台各种机器人，使 电子元件的自动插装率达到 85% 。如SCARA型装配机器人。4.5在其他方面的应用（1）冲压机器人用于汽车、电机、家用电器等工业中，与冲压设备构成单机自动冲压机和多机冲压自动线。如美国克莱斯勒公司汽车车门的加工就是利用由10 台 Danly 上、下料机器人和 6 台压力机组成的自动线进行的。（2）压铸机器人用于汽车零件的生产，一个工人可以管理多台压铸机，节省劳动力。德国开发了锻造机

30、器人技术，北京机床厂通过引进开发，已生产了热模锻和辊锻机器人，且全部国产化。（3）还有采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修机器人等。在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。5工业机器人的发展趋势5.1技术发展趋势（1）高级智能化。计算机技术、模糊控制技术、专家系统技术、人工神经网络技术和智能工程技术等高新技术。具有学习知识和运用知识解决问题的能力，并具有视觉、力觉、感觉等功能，能感知环境的变化，有很高的自适应能力，几乎能象人一样去干更多的

31、工作。 （2）结构一体化。工业机器的本体采用杆臂结构，并与关节机构、电动机、减速器、编码器等有机结合，全部电、管、线不外露，形成十分完整的防尘、防漏、防爆、防水全封闭的一体化结构。（3）应用广泛化。在 21 世纪，机器人不再局限于工业生产，而是向服务领域扩展。社会的各个领域都可由机器人在工作，从而使人类进入机器人时代。据专家预测，用于家庭的“个人机器人”必将在21 世纪得到推广和普及，人类生活将变得更加美好舒适；警备和军事用机器人也将在保卫国家安全方面发挥重要作用。 （4）产品微型化。微机械电子技术和精密加工技术的发展为机器人微型化创造了条件，以功能材料、智能材料为基础的微驱动器、微移动机构以及高度自治的控制系统的开发使微型化成为可能。微型机器人可以代替人进入人本身不能到达的领域进行工作，帮助人类进行微观领域的研究；帮助医生对病人进行微循环系统的手术，甚至可注入血管清理血液，清除病灶和癌变，尺寸极微小的纳米机器人将不再是梦想。（5）组件、构件通用化、标准化和模块化。机器人是一种高科技产品，其制造、使用维护成本比较高，操作机和控制器采用通用元器件，让机器人组件、构件实现标准化、模块化是降低成本的重要途径之一。大力制订和推广“三化”，将使机器人产品更能适应国际市场价格竞争的环境。（6）高精度、高可靠性。随着人类对产品和服务质量的要求越来越高，对从事制造业或服务业