1、X X X X大 学本科生非闭卷考试（课程论文）工业机器人课 程 名 称 机械工程导论 考 试 方 式 课程作业 姓 名 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化 成 绩 学 院 机械工程学院 学习时间： 2010年3月至2010年6月工业机器人摘要：本文从工业机器人的概念入手，简单说明了工业机器人目前的发展状况，分析了目前中国工业机器人的状况和对未来发展趋势的展望。关键词：工业机器人；应用；库卡；中国；发展趋势。1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人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可
2、以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。 1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。后来，出现
3、了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。 当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感觉能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方面发展。目前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。2.工业机器人构造与分类工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有36个运动自由度，其中腕部通常有13个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制
4、系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。 工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。 工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。 工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太
5、网等通信方式传送到机器人控制柜。 示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。 具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它
6、能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。3.应用工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身
7、的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。 由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。4.世界先进工业机器人代表库卡机器人简介德国库卡公司成立于1898年，自1977年开始系列化生产各种用途的机器人，是目前国际上最大的机器人制造商之一。 库卡机器人最显著的特点是采用PC BASED控制系统，该系统在微软的Windows界面下操作。PC BASED控制系统的设计，再加上标准化的个人电脑硬件，以及简单的规划和设置，使其MTBF(平均故障间隔时间)超越7万5干小时。而机
8、器人平均使用寿命更长达10-15年。 机器人应用于包装机械行业已有多年历史，现在最新型的库卡卸码垛机器人采用了精巧的聚碳纤维材料制造，令机器人在非常轻巧的同时具有更高强度，使其尤其适用于高负载作业。该机器人的卸码垛过程采用了FEM的最优化操作方式，而四轴倾斜式的设计降低了维护保养的成本。 2001年，KUKA开发的“Robocoaster”是世界上第一台客运工业机器人。该机可提供两名乘客的类似于过山车式的运动序列，其行使实现了程序化。目前进行的“Robocoaster”开发针对轨道行程，开发目的是实现过山车，以及其它如主题公园与娱乐等沿预定路径运行的目标。5.中国的工业机器人5.1中国工业机器
9、人的发展历程我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。 70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。 进入80年代后，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，
10、研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。 从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。 虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来
11、说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。中国工业机器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动力价格低廉的状况,随着中国经济持续快速的发展,近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右,人民生活水平不断地提高,劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为“卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的要求。这些情况使得许多劳动密集型企业为了提高劳动生产率所采用的增加工人数量、延长工人劳动时间的方法变得成本高昂,同时也受到法律的限制和政策的阻碍。无论是企业还是社会
12、都认识到必须采取从改善机器设备入手,提高技术和资金的密集度来减少用工量以应对这种改变。总之,劳动力过剩程度降低、单个工人成本上升、对产品质量更高的要求、国家对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使用环境,工业机器人及技术在中国已逐步得到了政府和企业的重视。随着机器人知识的广泛普及,人们对于各种机器人的了解与认识逐步深化,利用机器人技术提升我国工业发展水平、从制造业大国向强国转变,提高人民生活质量成为全社会的共识。5.2国内工业机器人的市场特征以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展。汽车制造业属于技术、资金密集型产业,也是工业机器人应用最广泛的行业。在我国,工业机器人的最初应用是在汽
13、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。2000年开始,受国家宏观政策调控及居民消费水平提高的影响,我国汽车工业进入了一个高速增长期。面对这种局面,国际汽车巨头纷纷进入中国市场并与我国企业合资设厂或扩大原有生产规模,国内企业也纷纷转型或加大对汽车行业的投资,整个行业增产扩能增加了对工业机器人需求。据不完全统计,最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的,海关进出口增长数据与汽车行业增长数据具有较高的相关度。可知,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。沿海经济发达地区是工业机器人的主要市场。我国工业机器人的使用集中在广东、江苏、上海、北京等地,工
14、业机器人的拥有量占全国的一半以上,这种分布态势和增长趋势符合我国现阶段经济发展状况。我国经济最具活力的地区已经从珠江三角洲地区扩展到长江三角洲地区,而且长江三角洲地区在制造业中所占的比重越来越大。外商独资企业、中外合资企业和国有企业是工业机器人的主要客户。工业机器人属于技术含量高,价格相对昂贵的制造装备,采用工业机器人较多的企业,一般对产品的质量要求较高,企业在市场上具有更高的影响力。现阶段,工业机器人使用量最多的仍是外商独资或中外合资企业。国有企业也在加大对工业机器人的采购用于技术改造,如汽车行业中的一汽、二汽、上汽等,它们的产品在市场上已经具有了相当强的竞争力,它们对工业机器人有着较大的需
15、求,同时采购上它们能够得到国家和政府的支持,因此制造业中的大中型国有企业的工业机器人使用量一直很大,而且在未来相当长的时间内仍将保持这种增长势头。另外,我国的民营企业正逐渐认识到工业机器人的优势,对工业机器人的采用量也在逐步增加,虽然装备的数量上与以上企业仍存在较大差距,但是增长的速度惊人,将很快成为工业机器人市场的重要客户。国内进口工业机器人的国家和地区分布。20012004年我国进口的工业机器人主要来自日本与台湾,2004年日本对华出口金额占我国进口工业机器人金额的一半。6.我国机器人技术应用研究进展及发展趋势中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了
16、较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。中国的
17、工业机器人还没有形成自己的品牌。目前，尽管已经有一批企业在从事工业机器人技术的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场品牌的认知度，在机器人的市场方面一直面临国外品牌的竞争压力。国外机器人作为成熟的产业，采用降低整机价格，吸引国内的企业购买、而后续的维护备件费用却很高的策略，逐步占领中国的市场。我国机器人技术主题发展的战略目标是:根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。市场有了，但多是国外的，拥有了自主知识产权的机器人还很少，这一点要引起我们的高度重视。一方面国家要对国产工业机器人给予更多的扶持；另一方面也望企业使用国产机器人给国产工业机器人行业一个机会。由于国产工业机器人的功能已经与国外相当，只要有批量，一定能够造就一个或几个中国品牌的工业机器人。本科生课程论文成绩评定指导教师评语： 评定分数：_指导教师签字：年 月 日
