工业机器人-工作站设计

工业机器人工作站设计一、 工业机器人技术发展历史1. 国外从国外的技术发展历程来看，工业机器人技术的发展经历了三个阶段。产生和初步发展阶段：1958年-1970年。工业机器人领域的第一件专利由乔治德沃尔在1958年申请，名为可编程的操作装置。约瑟夫恩格尔伯格对此专利很感兴趣，联合德沃尔在1959年共同制造了世界上第一台工业机器人，称之为Robot，其含义是“人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，机器人再按照事先教给它们的程序进行重复工作”，并主要用于工业生产的铸造、锻造、冲压、焊接等生产领域，特称为工业机器人。技术快速进步与商业化规模运用阶段：1970年1984年。这一时期的技术相较于此前有很大进步，工业机器人开始具有一定的感知功能和自适应能力的离线编程，可以根据作业对象的状况改变作业内容。伴随着技术的快速进步发展，这一时期的工业机器人还突出表现为商业化运用迅猛发展的特点，工业机器人的“四大家族”库卡、ABB、安川、FANUC公司分别在1974年、1976年、1978年和1979年开始了全球专利的布局。智能机器人阶段：1985年至今。智能机器人带有多种传感器，可以将传感器得到的信息进行融合，有效地适应变化的环境，因而具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。在2000年以后，美国、日本等国都开始了智能军用机器人研究，并在2002年由美国波士顿公司和日本公司共同申请了第一件“机械狗”(Boston Dynamics Big Dog)智能军用机器人专利，2004年在美国政府DARPA/SPAWAR计划支持下申请了智能军用机器人专利。2. 国内我国的工业机器人发展历程具有不同于国外的特点，起步相对较晚，大致可分为4个阶段。理论研究阶段：20世纪70年代到80年代初。由于当时国家经济条件等因素的制约，我国主要从事工业机器人基础理论的研究，在机器人造助学、机构学等方面取得了一定的进展，为后续工业机器人的研究奠定了基础。样机研发阶段：20世纪80年代中后期。随着工业发达国家开始大量应用和普及工业机器人，我国的工业机器人研究得到政府的重视和支持，国家组织了对工业机器人需求行业的调研，投入大量的资金开展工业机器人的研究，进入了样机开发阶段。示范应用阶段：20世纪90年代。我国在这一阶段研制出平面关节型统配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人等7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了100余项机器人应用工程。为了促进国产机器人的产业化，在90年代末建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。初步产业化阶段：21世纪以来。国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)突出增强自主创新能力这一条主线，着力营造有利于自主创新的政策环境，加快促进企业成为创新主体，大力倡导企业为主体，产学研紧密结合，国内一大批企业或自主研制或与科研院所合作，加入工业机器人研制和生产行列，我国工业机器人进入初步产业化阶段。过上述四个阶段的发展，我国的工业机器人得到一定程度的普及。数据显示，到2016年，中国工业机器人的保有量达到30万台。但是，与先进的制造业国家相比，我国工业机器人使用密度仍有不少差距，工业机器人的保有量仍有巨大上升空间。二、 工业机器人技术现状1. 国外世界各国工业机器人发展计划。世界各国纷纷将突破机器人技术、发展机器人产业摆在本国科技发展的重要战略地位。美国、日本、欧洲等地都非常重视机器人技术与产业的发展,将机器人产业作为战略产业,纷纷制定其机器人国家发展战略规划。美国工业机器人发展计划。美国机器人发展起步早,其发展思路是立足于相关机器人核心技术实现产业化。接着,美国在2013年3月提出了“美国机器人发展路线图”,将围绕制造业攻克工业机器人的强适应性和可重构的装配、仿人灵巧操作、基于模型的集成和供应链的设计、自主导航、非结构化环境的感知、教育训练、机器人与人共事的本质安全性等关键技术。日本一贯将工业机器人技术列入国家的发展计划和重大项目,不论在技术方面,还是在市场规模方面,日本称得上是“机器人大国”。日本提出了机器人路线图,包含三个领域,即“新世纪工业机器人”、“服务机器人”和“特种机器人”,并从技术图中的重要技术明确其性能和技术指标,并提到创建和扩大机器人的早期市场,缩短满足多种需求的机器人的开发时间、降低成本、扩大加入的企业。欧洲相关工业机器人发展计划。欧盟第七研发框架计划(2007-2013年)投入机器人研究经费达6亿欧元,未来的研究计划(2013-2020年)对机器人研究的经费投入将达到140亿欧元,另外还提出了2002-2022年欧洲机器人研究与应用的路线图。2. 国内从二十世纪80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,从单纯的研发机器人技术向机器人技术与目动化工艺装备扩展,将中心任务定义为“研究和开发面向先进制造的机器人制造单元及系统,自动化装备、特种机器人,促进传统机器的智能化和机器人产业的发展,提高我国自动化技术的整体水平”。通过“七五”、“八五”科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的优化设计制造技术,解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术,机器人软件的设计和编程等关键技术,还掌握了弧焊、点焊及大型机器人自动生产线(工作站)与周边配套设备的开发和制造技术,掌握了运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。总之,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人,约占全球安装台数的0.5%。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础,但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品。三、 工业机器人技术未来趋势1、工业机器人的智能化是工业机器人的主要发展方向,通过智能化,可以提升工业机器人的执行力,为工业机器人的发展创造有利的条件。因此,工业机器人技术的发展趋势就是实现工业机器人的智能化。工业机器人的智能化需要注意以下几点问题:第一,利用神经元与模糊控制等智能化策略进行控制,在此基础上利用被控制对象模拟性不强的特点解决复杂性问题，是智能化的最低层次，也是智能化发展的初步目标。第二，通过程序设计，使机器人具备与人类类似的问题解决能力以及逻辑推理能力，实现非结构环境的自主解决，提升工业机器人的自主解决能力，实现更高层次的智能化，实现人类思维方式的模拟，使机器人的功能更加齐全，具备问题解决能力。2、另外，随着互联网+时代的来临，工业机器人技术也在不断发展，其契合了互联网+的发展时机，功能更加齐全，获得的使用效果也更好，从而实现了我国工业技术更为长远的发展。工业机器人的协调化由于工业机器人的生产规模不断扩大,协调化发展也越来越迫切,在大型生产线上,需要较多机器人共同完成工作,因此,机器人的控制与设计不再单纯的是自身控制问题,不仅需要协调工作,还需要互相配合。除此之外,随着capp、cad等技术的发展,需要将设计、工艺、生产制造等零部件存储与配送相结合促进工业机器人的协调发展,实现计算机集成制造,工业机器人的协调化目的。3、工业机器人的微型化工业机器人的微型化是一种未来的发展趋势,是21世纪的尖端技术之一,近些年,技术不断发展,我国已经开发出了手指大小的微型机器人,此类机器人在生产生活中发挥了重要的作用,尤其在医疗领域与军事领域,占据了不可替代的重要位置。微型机器人的应用十分广泛,随着科技的快速发展,预计在未来可以发展出毫米级大小的微型移动机器人,可以发挥更加重要的作用,不仅可以进行精密机械加工,还可以在现代光学仪器、现代生物工程、医学工程与遗传工程等方面产生重要的影响,促进社会的进步与发展。4、工业机器人的模块化与标准化实现工业机器人的模块化与标准化是提高工业机器人工作效率与质量的关键,在工业机器人发展过程中,高性能部件的设计已经朝着模块化发展,软件编程也朝着模块化发展,可见,模块化是机器人发展的主要方向。另一方面,标准化也是工业机器人发展的另一主要方向,是一份艰巨而重要的任务,实现机器人的标准化发展,可以实现不同厂家机器人之间零部件与通信的互换,提升企业经济效益,促进工业机器人的快速发展,达到理想的发展效果,实现未来工业机器人的标准化、智能化与模块化。四、 工业机器人工作站组成机器人工作站是指使用一台或多台机器人，配以相应的周边设备，用于完成某一特定工序作业的独立生产系统，也可称为机器人工作单元。他主要由机器人及其控制系统，辅助设备以及其他周边设备所构成。一般的工作站的构成：(1) 机器人(2) 机器人末端执行器(3) 夹具和变位器(4) 机器人座驾(5) 配套及安全装置(6) 动力源(7) 工作对象的储运设备(8) 控制系统五、 工业机器人工作原理机器人的基本工作原理，现在广泛应用的工业机器人都属于第一代机器人，它的基本工作原理是示教再现，如图1-1所示。图1-1示教也称为导引，即由用户引导机器人，一步步将实际任务操作一遍，机器人在引导过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数、工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作，这就是示教与再现。（1）机器人手臂的运动，机器人的机械臂是由数个刚性杆体和旋转或移动的关节连接而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的安装着末端执行器（如焊枪），在机器人操作时，机器人手臂前端的末端执行器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动合成的。因此，机器人运动控制中，必须要知道机械臂各关节变量空间和末端执行器的位置和姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。一台机器人机械臂的几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。工业机器人的基本工作原理是怎样的（2）机器人轨迹规划，机器人机械手端部从起点的位置和姿态到终点的位置以及姿态的运动轨迹空间曲线叫做路径。轨迹规划的任务是用一种函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并沿时间轴产生一系列“控制设定点”，用于控制机械手运动。目前常用的轨迹规划方法有空间关节插值法和笛卡尔空间规划两种方法。（3）机器人机械手的控制，当一台机器人机械手的动态运动方程已给定，它的控制目的就是按预定性能要求保持机械手的动态响应。但是，由于机器人机械手的惯性力、耦合反应力和重力负载都随运动空间的变化而变化，因此要对它进行高精度、高速度、高动态品质的控制是相当复杂且困难的。目前工业机器人上采用的控制方法是把机械手上每一个关节都当做一个单独的伺服机构，即把一个非线性的、关节间耦合的变负载系统，简化为线性的非耦合单独系统。六、 工业机器人编程的方式1. 示教编程示教编程是指操作人员通过人工手动的方式,利用示教板移动机器人未端焊枪跟踪焊缝,适时记录焊件焊缝轨迹和焊接工艺参数,机器人根据记录信息采用逐点示教的方式再现焊接过程。这种逐点记录焊枪姿态再重现的方法需要操作人员充当外部传感的角色,机器人自身缺乏外部信息传感,灵活性较差,