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【锐智观察】智能制造的核心技术之工业机器人

新闻和资讯 2320

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,具有柔性好、自动化程度高、可编程性好、通用性强等特点。在工业领域中,工业机器人的应用能够代替人进行单调重复的生产作业,或是在危险恶劣环境中的加工操作。

工业机器人的概念

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,具有柔性好、自动化程度高、可编程性好、通用性强等特点。在工业领域中,工业机器人的应用能够代替人进行单调重复的生产作业,或是在危险恶劣环境中的加工操作。国际上,工业机器人的定义主要有如下两种:

国际标准化组织(ISO)的定义:工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机。

美国机器人协会(RIA)的定义:一种可以反复编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统。

在智能制造领域,工业机器人作为一种集多种先进技术于一体的自动化装备,体现了现代工业技术的高效益、软硬件结合等特点,成为柔性制造系统、自动化工厂、智能工厂等现代化制造系统的重要组成部分。机器人技术的应用转变了传统的机械制造模式,提高了制造生产效率,为机械制造业的智能化发展提供了技术保障;优化了制造工艺流程,能够构建全自动智能生产线,为制造模块化作业生产提供了良好的环境条件,满足现代制造业的生产需要和发展需求。

工业机器人在智能制造中的应用

在智能制造领域,多关节工业机器人、并联机器人、移动机器人的本体开发及批量生产,使得机器人技术在焊接、搬运、喷涂、加工、装配、检测、清洁生产等领域得到规模化集成应用,极大地提高了生产效率和产品质量,降低了生产和劳动力成本。

1)焊接机器人

在汽车、工程机械、船舶、农机等行业,焊接机器人的应用十分普遍。作为精细度需求较高、工作环境质量较差的生产步骤,焊接的劳动强度极大,对焊接工作人员的专业素养要求较高。由于机器人具备抗疲劳、高精准、抗干扰等特点,应用焊接机器人技术取代人工焊接,可保证焊接质量一致性,提高焊接作业效率,同时也能直观地反馈焊接作业的质量。

目前,投放于焊接岗位的机器人的种类较多,根据使用场合的差异,选用的焊接机器人种类各有不同,其中多关节机器人的应用较为普遍,如图7所示。结合多关节机器人的运动灵活、空间自由度较高的特点,能够调整任意的焊接位置和姿态,有效地提升了制造中的生产效率与生产质量。

2)搬运机器人

机器人技术同样能够应用到制造业的搬运作业中。借助人工程序的构架与编排,将搬运机器人投放入当今制造业生产之中,从而实现运输、存储、包装等一系列工作的自动化进行,不仅有效地解放了劳动力,而且提高了搬运工作的实际效率。通过安装不同功能的执行器,搬运机器人能够适应各类自动生产线的搬运任务,实现多形状或不规则的物料搬运作业。同时考虑到化工原料及成品的危险性,利用搬运机器人进行运输能降低安全隐患,减小危险品及辐射品对搬运人员的人体伤害。

目前,固定式串联搬运机器人在制造业中应用广泛,其优点是工作空间大、结构简单,但其负载较低、刚性较差,只能在固定工位上完成简单的搬运工作,具有一定的局限性。通过结合移动机器人技术和并联机器人技术,能有效地提高搬运机器人的承载能力和作业范围,在汽车、物流、食品、医药等行业具有广阔的应用前景。

3)加工机器人

随着生产制造向着智能化和信息化发展,机器人技术越来越多地应用到制造加工的打磨、抛光、钻削、铣削、钻孔等工序当中。与进行加工作业的工人相比,加工机器人对工作环境的要求相对较低,具备持续加工的能力,同时加工产品质量稳定、生产效率高,能够加工多种材料类型的工件,如铝、不锈钢、铜、复合材料、树脂、木材和玻璃等,有能力完成各类高精度、大批量、高难度的复杂加工任务。

相比机床加工,工业机器人的缺点在于其自身的弱刚性。但是加工机器人具有较大的工作空间、较高的灵活性和较低的制造成本,对于小批量多品种工件的定制化加工,机器人在灵活性和成本方面显示出较大优势;同时,机器人更加适合与传感器技术、人工智能技术相结合,在航空、汽车、木制品、塑料制品、食品等领域具有广阔的应用前景,

工业机器人未来发展趋势

在智能制造领域中,以机器人为主体的制造业体现了智能化、数字化和网络化的发展要求,现代工业生产中大规模应用工业机器人正成为企业重要的发展策略。现代工业机器人已从功能单一、仅可执行某些固定动作的机械臂,发展为多功能、多任务的可编程、高柔性智能机器人。尽管系统中工业机器人个体是柔性可编程的,但目前采用的大多数固定式自动化生产系统柔性较差,适用于长周期、单一产品的大批量生产,而难以适应柔性化、智能化、高度集成化的现代智能制造模式。应对智能制造的发展需求,未来工业机器人系统有以下的发展趋势:

1)一体化发展趋势

一体化是工业机器人未来的发展趋势。可以对工业机器人进行多功能一体化的设计,使其具备进行多道工序加工的能力,对生产环节进行优化,实现测量、操作、加工一体化,能够减少生产过程中的累计误差,大大提升生产线的生产效率和自动化水平,降低制造中的时间成本和运输成本,适合集成化的智能制造模式。

2)智能信息化发展趋势

未来以“互联网+机器人”为核心的数字化工厂智能制造模式将成为制造业的发展方向,真正意义上实现了机器人、互联网、信息技术和智能设备在制造业的完美融合,涵盖了对工厂制造的生产、质量、物流等环节,是智能制造的典型代表。结合工业互联网技术、机器视觉技术、人机交互技术和智能控制算法等相关技术,工业机器人能够快速获取加工信息,精确识别和定位作业目标,排除工厂环境以及作业目标尺寸、形状多样性的干扰,实现多机器人智能协作生产,满足智能制造的多样化、精细化需求。

3)柔性化发展趋势

现代智能制造模式对工业机器人系统提出了柔性化的要求。通过开发工业机器人开放式的控制系统,使其具有可拓展和可移植的特点;同时设计制造工业机器人模块化、可重构化的机械结构,例如关节模块中实现伺服电机、减速器、检测系统三位一体化,使得生产车间能够根据生产制造的需求自行拓展或者组合系统的模块,提高生产线的柔性化程度,有能力完成各类小批量、定制化生产任务。

4)人机/多机协作化发展趋势

针对目前工业机器人存在的操作灵活性不足、在线感知与实时作业能力弱等问题,人机/多机协作化是其未来的发展趋势。通过研发机器人多模态感知、环境建模、优化决策等关键技术, 强化人机交互体验与人机协作效能,实现机器人和人在感知、理解、决策等等不同层面上的优势互补,能够有效提高工业机器人的复杂作业能力。同时通过研发工业机器人多机协同技术,实现群体机器人的分布式协同控制,其协同工作能力提高了任务的执行效率, 以及具有的冗余特性提高了任务应用的鲁棒性,能完成单一系统无法完成的各种高难度、高精度和分布式的作业任务。

5)大范围作业发展趋势

现代柔性制造系统对物流运输、生产作业等环节的效率、可靠性和适应性提出了较高的要求,在需要大范围作业的工作环境中,固定基座的工业机器人很难完成工作任务,通过引入移动机器人技术,有效地增大了工业机器人的工作空间,提高了机器人的灵巧性。

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