工業(yè)機器人常見的五大應(yīng)用領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)
［本文由指南車機器人學(xué)院推薦閱讀］去年全球工業(yè)機器人銷量達(dá)到24萬臺，同比增長8%。其中，我國工業(yè)機器人市場銷量超過6.6萬臺，繼續(xù)保持全球第一大工業(yè)機器人市場的地位。但是，按機器人密度來看，即每萬名員工對應(yīng)的機器人保有量，我國不足30臺，遠(yuǎn)低于全球約為50多臺的平均水平。
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2016-2021年中國工業(yè)機器人行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告》數(shù)據(jù)顯示：2015年我國工業(yè)機器人產(chǎn)量為 32996臺，同比增長21.7%。2016年機器人產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持快速增長，今年一季度我國工業(yè)機器人產(chǎn)量為11497臺，同比增長19.9%。此外，數(shù)據(jù)顯示，2015年我國自主品牌工業(yè)機器人生產(chǎn)銷售達(dá)22257臺，同比增長31.3%。國產(chǎn)自主品牌得到了一定程度的發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國家相比，仍有一定差距。
2016年未來全球工業(yè)機器人市場趨勢包括：大國政策主導(dǎo)，促使工業(yè)與服務(wù)機器人市場增長；汽車工業(yè)仍為工業(yè)機器人主要用戶；雙臂協(xié)力型機器人為工業(yè)機器人市場新亮點。
一、什么是工業(yè)機器人
工業(yè)機器人是一種通過重復(fù)編程和自動控制，能夠完成制造過程中某些操作任務(wù)的多功能、多自由度的機電一體化自動機械裝備和系統(tǒng)，它結(jié)合制造主機或生產(chǎn)線，可以組成單機或多機自動化系統(tǒng)，在無人參與下，實現(xiàn)搬運、焊接、裝配和噴涂等多種生產(chǎn)作業(yè)。
當(dāng)前，工業(yè)機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，在生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣泛，已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)中重要的高度自動化裝備。
二、工業(yè)機器人的特點
自20世紀(jì)60年代初第一代機器人在美國問世以來，工業(yè)機器人的研制和應(yīng)用有了飛速的發(fā)展，但工業(yè)機器人最顯著的特點歸納有以下幾個。
1.可編程。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)（ＦＭＳ）中的一個重要組成部分。
2.擬人化。工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。
3.通用性。除了專門設(shè)計的專用的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。
4.機電一體化。工業(yè)機器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來是機械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合——機電一體化技術(shù)。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其他技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以驗證一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平
三、工業(yè)機器人常見的五大應(yīng)用領(lǐng)域
1.機械加工應(yīng)用（2%）
機械加工行業(yè)機器人應(yīng)用量并不高，只占了2%，原因大概也是因為市面上有許多自動化設(shè)備可以勝任機械加工的任務(wù)。機械加工機器人主要從事應(yīng)用的領(lǐng)域包括零件鑄造、激光切割以及水射流切割。
2.機器人噴涂應(yīng)用（4%）
這里的機器人噴涂主要指的是涂裝、點膠、噴漆等工作，只有4%的工業(yè)機器人從事噴涂的應(yīng)用。
3.機器人裝配應(yīng)用（10%）
裝配機器人主要從事零部件的安裝、拆卸以及修復(fù)等工作，由于近年來機器人傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致機器人應(yīng)用越來越多樣化，直接導(dǎo)致機器人裝配應(yīng)用比例的下滑。
4.機器人焊接應(yīng)用（29%）
機器人焊接應(yīng)用主要包括在汽車行業(yè)中使用的點焊和弧焊，雖然點焊機器人比弧焊機器人更受歡迎，但是弧焊機器人近年來發(fā)展勢頭十分迅猛。許多加工車間都逐步引入焊接機器人，用來實現(xiàn)自動化焊接作業(yè)。
5.機器人搬運應(yīng)用（38%）
目前搬運仍然是機器人的第一大應(yīng)用領(lǐng)域，約占機器人應(yīng)用整體的4成左右。許多自動化生產(chǎn)線需要使用機器人進行上下料、搬運以及碼垛等操作。近年來，隨著協(xié)作機器人的興起，搬運機器人的市場份額一直呈增長態(tài)勢。
近年來隨著技術(shù)發(fā)展，工業(yè)機器人技術(shù)日新月異，那么到底不同類型的工業(yè)機器都涉及哪些高科技含量的技術(shù)呢？三、六類工業(yè)機器人及其關(guān)鍵技術(shù)
1.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(dǎo)航、多傳感器控制、網(wǎng)絡(luò)交互等功能，它可廣泛應(yīng)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?，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(shù)發(fā)展的新趨勢之一，而移動機器人是其中的核心技術(shù)和設(shè)備，是用現(xiàn)代物流技術(shù)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(jié)合，實現(xiàn)精細(xì)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(shè)投資等的高新技術(shù)和裝備。
2.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(fù)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(fù)責(zé)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(guān)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(lǐng)域占據(jù)市場主導(dǎo)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公斤點焊機器人是當(dāng)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(yīng)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(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類機器人水平。
3.弧焊機器人
弧焊機器人主要應(yīng)用于各類汽車零部件的焊接生產(chǎn)。在該領(lǐng)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(yīng)商提供單元產(chǎn)品為主。
關(guān)鍵技術(shù)包括：
（1）弧焊機器人系統(tǒng)優(yōu)化集成技術(shù)：弧焊機器人采用交流伺服驅(qū)動技術(shù)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(yīng)，并可實現(xiàn)免維護功能。
（2）協(xié)調(diào)控制技術(shù)：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(shù)：結(jié)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(fù)雜工件進行焊接的柔性和適應(yīng)性，結(jié)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。
4.激光加工機器人
激光加工機器人是將機器人技術(shù)應(yīng)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?？捎糜诠ぜ募す獗砻嫣幚?、打孔、焊接和模具修復(fù)等。
關(guān)鍵技術(shù)包括：
（1）激光加工機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：采用大范圍框架式本體結(jié)構(gòu)，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(shù)：針對一體化加工機器人工作空間大，精度高等要求，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點，采取非模型方法與基于模型方法相結(jié)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(shù)：將三坐標(biāo)測量技術(shù)和機器人技術(shù)相結(jié)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(shù)：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(luò)通訊和離線編程技術(shù)：具有串口、CAN等網(wǎng)絡(luò)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。
5.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(yīng)用于半導(dǎo)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(dǎo)體裝備整機的研發(fā)進度和整機產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵部件。而且國外對中國買家嚴(yán)加審查，歸屬于禁運產(chǎn)品目錄，真空機械手已成為嚴(yán)重制約我國半導(dǎo)體設(shè)備整機裝備制造的“卡脖子”問題。直驅(qū)型真空機器人技術(shù)屬于原始創(chuàng)新技術(shù)。
關(guān)鍵技術(shù)包括：
（1）真空機器人新構(gòu)型設(shè)計技術(shù)：通過結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計，避開國際專利，設(shè)計新構(gòu)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(qū)電機技術(shù)：涉及大間隙真空直接驅(qū)動電機和高潔凈直驅(qū)電機開展電機理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作工藝、電機材料表面處理、低速大轉(zhuǎn)矩控制、小型多軸驅(qū)動器等方面。
（3）真空環(huán)境下的多軸精密軸系的設(shè)計。采用軸在軸中的設(shè)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(shù)：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(zhǔn)位置之間的偏移，通過動態(tài)修正運動軌跡，保證機器人準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，完成真空機器人專用語言。
（6）可靠性系統(tǒng)工程技術(shù)：在IC制造中，設(shè)備故障會帶來巨大的損失。根據(jù)半導(dǎo)體設(shè)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。
6.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(shù)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(guān)鍵設(shè)備。
關(guān)鍵技術(shù)包括：
（1）潔凈潤滑技術(shù)：通過采用負(fù)壓抑塵結(jié)構(gòu)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(shù)：通過軌跡優(yōu)化和提高關(guān)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(shù)：根據(jù)潔凈室建造和運營成本高，通過控制器小型化技術(shù)減小潔凈機器人的占用空間。
（4）晶圓檢測技術(shù)：通過光學(xué)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。
隨著智能裝備的發(fā)展，機器人在工業(yè)制造中的優(yōu)勢越來越顯著，機器人企業(yè)也如雨后春筍般的出現(xiàn)。然而占據(jù)主導(dǎo)地位的還是那些龍頭企業(yè)。
附：工業(yè)機器人的十大品牌
1.發(fā)那科
發(fā)那科是日本一家專門研究數(shù)控系統(tǒng)的公司，是世界上唯一一家由機器人來做機器人的公司，是世界上唯一提供集成視覺系統(tǒng)的機器人企業(yè)。FANUC機器人產(chǎn)品系列多達(dá)240種，廣泛應(yīng)用在裝配、搬運、焊接、鑄造、噴涂、碼垛等不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)。
2.庫卡
庫卡是世界工業(yè)機器人和自動控制系統(tǒng)領(lǐng)域的頂尖制造商。庫卡工業(yè)機器人的用戶包括通用汽車、西門子等眾多單位。KUKA的機器人產(chǎn)品最通用的應(yīng)用范圍包括工廠焊接、操作、碼垛、包裝、加工或其它自動化作業(yè)，同時還適用于醫(yī)院。
3.那智不二越
那智不二越是從原材料產(chǎn)品到機床的全方位綜合制造型企業(yè)。有機械加工、工業(yè)機器人、功能零部件等豐富的產(chǎn)品，應(yīng)用的領(lǐng)域也十分廣泛，例如航天工業(yè)，軌道交通、汽車制造、機加工等。那智不二越著眼全球，從歐美市場擴展到中國市場，下一步將開發(fā)東南亞市場。
4.川崎機器人
川崎機器人在物流生產(chǎn)線上提供了多種多樣的機器人產(chǎn)品，在飲料、食品、肥料、太陽能等多種領(lǐng)域都有非?？捎^的銷量。川崎的碼垛搬運等機器人種類繁多，針對客戶工場的不同狀況和不同需求提供最適合的機器人。并且公司內(nèi)部有展示用噴涂機器人、焊接機器人，以及試驗用噴房等能夠為顧客提供各種相關(guān)服務(wù)。
5.ABB機器人
中國已經(jīng)成為ABB全球第一大市場。目前，ABB機器人產(chǎn)品和解決方案已廣泛應(yīng)用于汽車制造、食品飲料、計算機和消費電子等眾多行業(yè)的焊接、裝配、搬運、噴涂、精加工、包裝和碼垛等不同作業(yè)環(huán)節(jié)，幫助客戶大大提高其生產(chǎn)率。
6.史陶比爾
史陶比爾集團制造生產(chǎn)精密機械電子產(chǎn)品：紡織機械、工業(yè)接頭和工業(yè)機器人。系列齊全的輕、中、重負(fù)載機器人、4軸SCARA機器人、6軸機器人、特殊機器人，專用于眾多不同行業(yè)和應(yīng)用。目前史陶比爾生產(chǎn)的工業(yè)機器人具有更快的速度，更高的精度，更好的靈活性和更好的用戶環(huán)境的特點。
7.柯馬
柯馬公司研發(fā)出的全系列機器人產(chǎn)品，負(fù)載范圍最小可至6公斤，最大可達(dá)800公斤?？埋R最新一代SMART系列機器人是針對點焊，弧焊，搬運，壓機自動連線，鑄造，涂膠，組裝和切割的SMART自動化應(yīng)用方案的技術(shù)核心?？埋R以其不斷創(chuàng)新的技術(shù)，成為了機器人自動化集成解決方案的佼佼者。
8.愛普生機器人
目前，愛普生機器人在中國地區(qū)推廣的產(chǎn)品主要以4軸工業(yè)機器人、6軸工業(yè)機器人為主，同時提供業(yè)內(nèi)通用的工業(yè)機器人（機械手）附件。作為水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，愛普生全新的LS系列產(chǎn)品，旨在減輕繁重的人工操作。
9.日本安川
安川機器人活躍在從日本國內(nèi)到世界各國的焊接、搬運、裝配、噴涂以及放置在無塵室內(nèi)的液晶顯示器、等離子顯示器和半導(dǎo)體制造的搬運搬送等各種各樣的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中。日本安川工業(yè)機器人一直獲得用戶的青睞。
10.新松機器人
新松機器人是以機器人及自動化技術(shù)為核心，致力于數(shù)字化高端裝備制造的高技術(shù)企業(yè)，在工業(yè)機器人、智能物流、自動化成套裝備、智能服務(wù)機器人等領(lǐng)域呈產(chǎn)業(yè)群組化發(fā)展。公司以工業(yè)機器人技術(shù)為核心，形成了大型自動化成套裝備與多種產(chǎn)品類別，廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器等行業(yè)
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