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工业机器人应用
发布时间: 2012-10-07 00:06:00 来源: 编辑: 周文煜

  从广义上来说,除了表演机器人外,其余的都可叫做工业机器人。目前,工业机器人的应用领域主要在以下三个方面。

  1.自动化工业领域。

  早期工业机器人在生产上主要用于:机床上下料、点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现,机器人扮演了更重要的角色,现举例如下。

  1)焊接机器人。焊接工艺是工业机器人应用的重要领域,它使人从灼热的、不舒服的、有时是危险的工作环境中解脱出来。在焊接工艺中,机器人主要用于点焊和弧焊作业。点焊机器人能保证复杂空间结构件上焊接点位置和数量的正确性,而人工作业往往在诸多的焊点中会遗漏。弧焊机器人需要六个自由度,三个自由度用来控制焊具跟随焊缝的空间轨迹,另三个自由度保持焊具与工件表面有正确的姿态关系,这样才能保证良好的焊缝质量。

  汽车制造厂已广泛应用焊接机器人进行承重大梁和车身结构的焊接。装配每台汽车一般大约需要完成3000~4000个焊点,其中60%是由点焊机器人完成的。图11.13所示为某公司点焊机器人要完成汽车驾驶室焊点分布图,图中数字为各区的焊点数。

  

  11.13汽车驾驶室焊点分布图

  点焊的机器人通常采用液压驱动的机器人,因为要拿起质量70kg的焊枪,一般的电动机驱动机器人承受不了。点焊机器人是属于点位控制,点与点之间的移动轨迹和移动的速度是不重要,点焊所要求的位置精度在1mm左右,一般的机器人都能满足这个精度要求。图11.14为德国产IR6621/100型点焊机器人总图,它是一种用于地面安装的工业机器人。

  

  11.14 IR6621/100型点焊机器人

  1-手臂及手腕;2-臂架;3-橡皮缓冲器;4-肘形节杆;5-回转台;6-基座;7-连接电缆;8-转台缓冲器;

  9-第一轴(转台)电动机;10-平衡气缸;11-第二轴(臂架)电动机;12-第三轴螺杆;驱动臂架;14-电动机组;15-控制柜。

  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,焊接轨迹的精度取决于焊接项目的类型和尺寸。弧焊机器人的应用范围很广,除汽车行业外,在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。图11.15为弧焊机器人示意图,其结构形式为空间多关节型,自由度数为6,采用直流伺服电动机驱动。双工位回转工作台,可手动操作回转1800。中间加隔板,工人在一边上、下料,另一边由机器人施焊。气动定位锁紧。回转夹具出现误动作时,机器人动作,以保安全。

  2)材料搬运机器人。材料搬运机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需较少的自由度;一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度,增加其灵巧性。

  

  11.15弧焊机器人示意图

  搬运机器人应用实例,图11.16是一个耐火砖自动压制系统,它由压机、搬运机器人和烧成车组成。制造耐火转时,把和好的耐火材料送入压机,经过模压后,使耐火材料成为砖的形状,搬运机器人从压机中把砖夹出来,在烧成车上堆垛,然后把烧成车同砖送入炉中烧烤。搬运机器人的主要作业是从压机中取出砖块,按堆垛要求,把砖块推放在烧成车上。机器人与压机、烧成车按一定顺序作业,并保持一定的互锁关系。

  

  11.16耐火砖自动压制系统

  3)检测机器人。零件制造过程中的检测以及成品检测都是保证产品质量的关键问题。它主要有两个工作内容:确认零件尺寸是否在允许的公差内;零件质量控制上的分类。

  4)装配机器人。装配是一个比较复杂的作业过程,不仅要检测装配作业过程中的误差,而且要试图纠正这种误差。因此,装配机器人应用了许多传感器,如接触传感器、视觉传感器、接近觉传感器、听觉传感器等。听觉传感器用来判断压入件或滑入件是否到位。图11.17所示是用机器人装配计算机硬盘。用两台SCARA型装配机器人装配计算机硬盘的系统,它具有一条传送线、两个装配工件供应单元(一个单元供应AE五种部件;另一个单元供应螺钉)。传送线上的传送平台是装配作业的基台。一台机器人负责把AE五个部件按装配位置互相装好,另一台机器人配有螺钉手爪,专管把螺钉按一定力矩要求安装到工件上。全部系统是在超净间安装工作的。

  

  11.17机器人装配计算机硬盘

  1—螺钉供给单元;2—装配机器人;3—传送辊道;4—控制器;5—定位器;6—随行夹具;7拧螺钉

  5)喷漆和喷涂。喷涂作业机器人的应用范围越来越广泛,除了在汽车、家用电器和仪表壳体的喷涂作业中大量采用机器人工作外,还在涂胶、铸型涂料、耐火饰面材料、陶瓷制品釉料、粉状涂料等作业中开展应用,并在高层建筑墙壁的喷涂、船舶保护层的涂覆和焦炼内水泥喷射等作业开展了应用研究工作,而机器人应用在喷涂作业的自动化程度越来越高,以汽车为例,已由车体外表面多机自动自动喷涂,发展到多机内表面的成线自动喷涂。喷漆和喷涂机器人一般在三维表面作业至少要五个自由度。由于可燃环境的存在,驱动装置必须防燃防爆。在大件上作业时,往往把机器人装在一个导轨上,以便行走。

  11.18是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4PJ-1B2PJ-1A喷漆机器人、2PM-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,并具有联锁保护、故障报警和自动记录喷涂工件数量等装置。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顶喷机及相关终端进行群控,实现面漆喷涂自动作业。此喷涂线已应用数年,获得明显的经济效益。

  

  11.18东风汽车系列驾驶室多品种混流机器人系统喷涂线

  6)其他诸如密封和粘接、清砂和抛光、熔模铸造和压铸、锻造等等也有广泛的应用。

  2.恶劣工作环境,危险工作场合

  这个领域的作业是一种有害于健康,并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业,用工业机器人去干是最适宜的。比如,图11.19所示的核电站蒸汽发生器检测机器人,可在有核污染的并危及生命的环境下替人进行作业。成折叠收缩状态的机器人沿入孔4的轴线方向进入,利用压紧器16顶紧,在计算机的控制下各臂依次张开,使前端摄像机14到达预定的观察点。又如爬壁机器人特别适合超高层建筑外墙的喷涂、检查、修理工作。再如机器人在冲床上下料、采矿、喷漆、锻造及水下作业等场合的应用,使人受到很好的劳动保护。

  

  11.19蒸汽发生器检测机器人

  管板; 2隔板; 3球面; 4入孔; 5主管道;6循环管; 7水室; 8机座;

  支承臂;10平台; 11连接臂; 12中间臂; 13上臂;14摄像机; 15手轮; 16压紧器

  3.特殊作业场合

  这个领域对人来说是力所不能及的,只有机器人才能去进行作业,如图11.20所示的航天飞机上的操作臂飞机上用来回收卫星的操作臂。

  

  11.20航天飞机上的操作臂

  它是由加拿大SPAR航天公司设计并制造的,该操作臂是世界上最大的关节式机器人(操作臂)。该操作臂额定载荷为15000kg,最大 载 荷 为30000kg;末端操作器的最大速度是:空载 时 为06/s,承载150000kg时为0.06m/s,承载30000kg时为0.03/s;定位精度为±005m。然而,这些额定参数是在外层空间抓放自由飞行体时的参数。若在地球重力环境下,即使没有任何外加载荷,举起自身总质量为450kg的操作臂也将产生很大的变形。

  11.21所示为在狭小容器内(人和一般设备是无法进入的)进行检查、维护和修理作业的具有七个自由度的机器臂。这种机器臂也叫做容器内操作装置,七关节机器臂握持工具可绕过180°进行作业。

  

  11.21容器内操作机器人

  尤其是由微米级电机、减速器、执行器等机械装置及显微传感器组装的微型机器人的出现,更开拓了其特殊作业的用途。美国波士顿大学已经为一台微型机器人——“机器蚂蚁申请了专利。蚂蚁的每条腿是长1mm或不到1mm的硅杆,当施加电压时使蚂蚁具有机动性,它由传到中央处理器的声频信号控制,通过带传动装置的压电微电机来驱动各条腿运动。机器蚂蚁有很多用途,如在实验室中收集放射性的尘埃以及从活着的病人体内收取患病的血细胞等。有人预测,微型机器人将被装入汽车的燃油系统中,用以清理燃油管路和喷油口;微型机器人将被置入人体内,以施行诸如修理人体特定细胞,铲去动脉管内的斑块等显微手术。

  4.工业机器人技术的发展趋势

     工业机器人技术是一门涉及机械学、电子学、计算机科学、控制技术、传感器技术、仿生学、人工智能甚至生命科学等学科领域的交叉性科学,机器人技术的发展依赖于这些相关学科技术的发展和进步。

  归纳起来,工业机器人技术的发展趋势有以下几个方面。

  1)机器人的智能化

     智能化是工业机器人一个重要的发展方向。目前,机器人的智能化研究可以分为两个层次,一是利用模糊控制、神经元网络控制等智能控制策略,利用被控对象对模型依赖性不强的特点来解决机器人的复杂控制问题,或者在此基础上增加轨迹或动作规划等内容,这是智能化的最低层次;二是使机器人具有与人类类似的逻辑推理和问题求解能力,面对非结构性环境能够自主寻求解决方案并加以执行,这是更高层次的智能化。使机器人能够具有复杂的推理和问题求解能力,以便模拟人的思维方式,目前还很难有所突破。智能技术领域有很多的研究热点,如虚拟现实、智能材料(如形状记忆合金)、人工神经网络、专家系统、多传感器集成和信息融合技术等。

  2)机器人的多机协调化

    由于生产规模不断扩大,对机器人的多机协调作业要求越来越迫切。在很多大型生产线上,往往要求很多机器人共同完成一个生产过程,因而每个机器人的控制就不单纯是自身的控制问题,需要多机协调动作。此外,随着CADCAMCAPP等技术的发展,更多地把设计、工艺规划、生产制造、零部件储存和配送等有机地结合起来,在性制造、计算机集成制造等现代加工制造系统中,机器人已经不再是一个个独立的作业机械,而是成为了其中的重要组成部分,这些都要求多个机器人之间、机器人和生产系统之间必须协调作业。多机协调也可以认为是智能化的一个分支。

  3)机器人的标准化

    机器人的标准化工作是一项十分重要而又艰巨的任务。机器人的标准化有利于制造业的发展,但目前不同厂家的机器人之间很难进行通信和零部件的互换。机器人的标准化问题不是技术层面的问题,而主要是不同企业之间的认同和利益问题。

  4)机器人的模块化

  智能机器人和高级机器人的结构力求简单紧凑,其高性能部件甚至全部机构的设计已向模块化方向发展。其驱动采用交流伺服电动机,并向小型和高输出方向发展;其控制装置向小型化和智能化方向发展;其软件编程也在向模块化方向发展。

  5)机器人的微型化

  微型机器人是21世纪的尖端技术之一。目前已经开发出手指大小的微型移动机器人,预计将生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小(纳米级)的医疗和军事机器人。微型驱动器、微型传感器等是开发微型机器人的基础和关键技术,它们将对精密机械加工、现代光学仪器、超大规模集成电路、现代生物工程、遗传工程和医学工程等产生重要影响。介于大中型机器人和微型机器人之间的小型机器人也是机器人发展的一个趋势。

  

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