工業(yè)機器人的關鍵技術及應用趨勢

　　我國工業(yè)機器人的市場主要集中在汽車、汽車零部件、摩托車、電器、工程機械、石油化工等行業(yè)。中國作為亞洲第三大的工業(yè)機器人需求國，市場發(fā)展穩(wěn)定，2007年共裝配了約6,581臺工業(yè)機器人，較上年安裝的5,770臺上升了百分之十四點零五，汽車及其零部件制造仍然是工業(yè)機器人的主要應用領域，隨著我國產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整升級不斷深入和國際制造業(yè)中心向中國的轉移，我國的機器人市場會進一步加大，市場擴展的速度也會進一步提高。本文就當前工業(yè)機器人的關鍵技術及其應用進行了梳理。

機器人控制技術

　　機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機器人控制技術的主要任務就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。

關鍵技術包括：
　　(1)開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結構：采用分布式CPU計算機結構，分為機器人控制器(RC)，運動控制器(MC)，光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進行通訊。機器人控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。
　　(2)模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實時多任務操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結構設計，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內(nèi)部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實現(xiàn)該層次所提供的功能。
　　(3)機器人的故障診斷與安全維護技術：通過各種信息，對機器人故障進行診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。
　　(4)網(wǎng)絡化機器人控制器技術：目前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產(chǎn)線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術變得越來越重要�？刂破魃暇哂写�口、現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能�？捎糜跈C器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便于對機器人生產(chǎn)線進行監(jiān)控、診斷和管理。

移動機器人（AGV）

　　移動機器人（AGV）是工業(yè)機器人的一種類型，它由計算機控制，具有移動、自動導航、多傳感器控制、網(wǎng)絡交互等功能，它可廣泛應用于機械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運、傳輸?shù)裙δ埽�也用于自動化立體倉庫、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)（以AGV作為活動裝配平臺）；同時可在車站、機場、郵局的物品分撿中作為運輸工具。

　　國際物流技術發(fā)展的新趨勢之一，而移動機器人是其中的核心技術和設備，是用現(xiàn)代物流技術配合、支撐、改造、提升傳統(tǒng)生產(chǎn)線，實現(xiàn)點對點自動存取的高架箱儲、作業(yè)和搬運相結合，實現(xiàn)精細化、柔性化、信息化，縮短物流流程，降低物料損耗，減少占地面積，降低建設投資等的高新技術和裝備。

點焊機器人

　　焊接機器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運動速度快和負荷能力強等特點，焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于人工焊接，大大提高了點焊作業(yè)的生產(chǎn)率。

　　點焊機器人主要用于汽車整車的焊接工作，生產(chǎn)過程由各大汽車主機廠負責完成。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關系，向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點焊機器人單元產(chǎn)品并以焊接機器人與整車生產(chǎn)線配套形式進入中國，在該領域占據(jù)市場主導地位。

　　隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機器人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008年9月，機器人研究所研制完成國內(nèi)首臺165公斤級點焊機器人，并成功應用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經(jīng)過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，該機器人整體技術指標已經(jīng)達到國外同類機器人水平。

弧焊機器人

　　弧焊機器人主要應用于各類汽車零部件的焊接生產(chǎn)。在該領域，國際大型工業(yè)機器人生產(chǎn)企業(yè)主要以向成套裝備供應商提供單元產(chǎn)品為主。本公司主要從事弧焊機器人成套裝備的生產(chǎn)，根據(jù)各類項目的不同需求，自行生產(chǎn)成套裝備中的機器人單元產(chǎn)品，也可向大型工業(yè)機器人企業(yè)采購并組成各類弧焊機器人成套裝備。在該領域，本公司與國際大型工業(yè)機器人生產(chǎn)企業(yè)既是競爭亦是合作關系。

關鍵技術包括：
　　(1)弧焊機器人系統(tǒng)優(yōu)化集成技術：弧焊機器人采用交流伺服驅動技術以及高精度、高剛性的RV減速機和諧波減速器，具有良好的低速穩(wěn)定性和高速動態(tài)響應，并可實現(xiàn)免維護功能。
　　(2)協(xié)調(diào)控制技術：控制多機器人及變位機協(xié)調(diào)運動，既能保持焊槍和工件的相對姿態(tài)以滿足焊接工藝的要求，又能避免焊槍和工件的碰撞。
　　(3)精確焊縫軌跡跟蹤技術：結合激光傳感器和視覺傳感器離線工作方式的優(yōu)點，采用激光傳感器實現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤，提升焊接機器人對復雜工件進行焊接的柔性和適應性，結合視覺傳感器離線觀察獲得焊縫跟蹤的殘余偏差，基于偏差統(tǒng)計獲得補償數(shù)據(jù)并進行機器人運動軌跡的修正，在各種工況下都能獲得最佳的焊接質(zhì)量。

激光加工機器人

　　激光加工機器人是將機器人技術應用于激光加工中，通過高精度工業(yè)機器人實現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)。本系統(tǒng)通過示教盒進行在線操作，也可通過離線方式進行編程。該系統(tǒng)通過對加工工件的自動檢測，產(chǎn)生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD數(shù)據(jù)直接加工�？捎糜诠ぜ�的激光表面處理、打孔、焊接和模具修復等。

關鍵技術包括：
　　(1)激光加工機器人結構優(yōu)化設計技術：采用大范圍框架式本體結構，在增大作業(yè)范圍的同時，保證機器人精度；
　　(2)機器人系統(tǒng)的誤差補償技術：針對一體化加工機器人工作空間大，精度高等要求，并結合其結構特點，采取非模型方法與基于模型方法相結合的混合機器人補償方法，完成了幾何參數(shù)誤差和非幾何參數(shù)誤差的補償。
　　(3)高精度機器人檢測技術：將三坐標測量技術和機器人技術相結合，實現(xiàn)了機器人高精度在線測量。
　　(4)激光加工機器人專用語言實現(xiàn)技術：根據(jù)激光加工及機器人作業(yè)特點，完成激光加工機器人專用語言。
　　(5)網(wǎng)絡通訊和離線編程技術：具有串口、CAN等網(wǎng)絡通訊功能，實現(xiàn)對機器人生產(chǎn)線的監(jiān)控和管理；并實現(xiàn)上位機對機器人的離線編程控制。

真空機器人

　　真空機器人是一種在真空環(huán)境下工作的機器人，主要應用于半導體工業(yè)中，實現(xiàn)晶圓在真空腔室內(nèi)的傳輸。真空機械手難進口、受限制、用量大、通用性強，其成為制約了半導體裝備整機的研發(fā)進度和整機產(chǎn)品競爭力的關鍵部件。而且國外對中國買家嚴加審查，歸屬于禁運產(chǎn)品目錄，真空機械手已成為嚴重制約我國半導體設備整機裝備制造的“卡脖子”問題。直驅型真空機器人技術屬于原始創(chuàng)新技術。

關鍵技術包括：
　　(1)真空機器人新構型設計技術：通過結構分析和優(yōu)化設計，避開國際專利，設計新構型滿足真空機器人對剛度和伸縮比的要求；
　　(2)大間隙真空直驅電機技術：涉及大間隙真空直接驅動電機和高潔凈直驅電機開展電機理論分析、結構設計、制作工藝、電機材料表面處理、低速大轉矩控制、小型多軸驅動器等方面。
　　(3)真空環(huán)境下的多軸精密軸系的設計。采用軸在軸中的設計方法，減小軸之間的不同心以及慣量不對稱的問題。
　　(4)動態(tài)軌跡修正技術：通過傳感器信息和機器人運動信息的融合，檢測出晶圓與手指之間基準位置之間的偏移，通過動態(tài)修正運動軌跡，保證機器人準確地將晶圓從真空腔室中的一個工位傳送到另一個工位。
　　(5)符合SEMI標準的真空機器人語言：根據(jù)真空機器人搬運要求、機器人作業(yè)特點及SEMI標準，完成真空機器人專用語言。
　　(6)可靠性系統(tǒng)工程技術：在IC制造中，設備故障會帶來巨大的損失。根據(jù)半導體設備對MCBF的高要求，對各個部件的可靠性進行測試、評價和控制，提高機械手各個部件的可靠性，從而保證機械手滿足IC制造的高要求。

潔凈機器人

　　潔凈機器人是一種在潔凈環(huán)境中使用的工業(yè)機器人。隨著生產(chǎn)技術水平不斷提高，其對生產(chǎn)環(huán)境的要求也日益苛刻，很多現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)都要求在潔凈環(huán)境進行，潔凈機器人是潔凈環(huán)境下生產(chǎn)需要的關鍵設備。

關鍵技術包括：
　　(1)潔凈潤滑技術：通過采用負壓抑塵結構和非揮發(fā)性潤滑脂，實現(xiàn)對環(huán)境無顆粒污染，滿足潔凈要求。
　　(2)高速平穩(wěn)控制技術：通過軌跡優(yōu)化和提高關節(jié)伺服性能，實現(xiàn)潔凈搬運的平穩(wěn)性。
　　(3)控制器的小型化技術：根據(jù)潔凈室建造和運營成本高，通過控制器小型化技術減小潔凈機器人的占用空間。
　　(4)晶圓檢測技術：通過光學傳感器，能夠通過機器人的掃描，獲得卡匣中晶圓有無缺片、傾斜等信息。