玻璃、陶瓷工業(yè)加工用的工業(yè)機器人

玻璃、陶瓷加工業(yè)工業(yè)機器人2012年5月22日星期二機自091學(xué)號09楊超指導(dǎo)教師：玻璃、陶瓷加工業(yè)用的工業(yè)機器人通過上網(wǎng)查資料，我了解到2010年的時候，中國工業(yè)機器人總有量已經(jīng)超10000臺，約占全球總數(shù)的0.6%。同時，需求量將會超過3000臺。中國工業(yè)機器人市場將進入高速發(fā)展時期。這主要是由于我們國家現(xiàn)在正處的國情和所處的世界境遇?，F(xiàn)在機器人已經(jīng)慢慢融入到我們的社會的各行各業(yè)。同時，也在不斷地給我們的工業(yè)發(fā)展帶來諸多便利。那么，下面我就對工業(yè)機器人在玻璃、陶瓷加工業(yè)方面做些探討與分析工業(yè)機器人在這個行業(yè)的發(fā)展前景做些設(shè)想。基于玻璃、陶瓷產(chǎn)業(yè)大家相比不會感覺很陌生。而工業(yè)機器人雖然已經(jīng)進入大家的視線很多年，但是我相信大家對于機器人多少還會感覺一點陌生感吧！那么，我就從這個陌生的機器人先給大家講起。一、 工業(yè)機器人的由來：1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。1959年UNIMATION公司的第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀(jì)元。最早的關(guān)節(jié)機器人UNIMATION的VALCveryadvantagelanguage）語言也成為機器人領(lǐng)域最早的編程語言在各大學(xué)及科研機構(gòu)中傳播，也是各個機器人品牌的最基本范本。其機械結(jié)構(gòu)也成為行業(yè)的模板。其后，UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收購，并利用STAUBLI的技術(shù)優(yōu)勢，進一步得以改良發(fā)展。日本第一臺機器人由KAWASAKI從UNIMATION進口，并由kawasaki模仿改進在國內(nèi)推廣。二、 工業(yè)機器人的定義：工業(yè)機器人的定義在國際上還沒有統(tǒng)一的規(guī)定.但普遍認為它是“在三維空間中,具有高自由度，能進行多種動作功能的設(shè)備”。現(xiàn)代的工業(yè)機器人可定義為“具有類似人體上肢臂、手動作功能的、可進行多種動作的設(shè)備，或具有感覺功能、認識功能，能進行自律性行動的設(shè)備，即智能機器人”。三、 工業(yè)機器人的特點：（1）技術(shù)先進工業(yè)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進制造技術(shù)于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。（2）技術(shù)升級工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點，是繼動力機械、計算機之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。（3） 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(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、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。（4） 技術(shù)綜合性強工業(yè)機器人與自動化成套技術(shù)，集中并融合了多項學(xué)科，涉及多項技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機器人控制技術(shù)、機器人動力學(xué)及仿真、機器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、模塊化程序設(shè)計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強。四、 工業(yè)機器人的動力源：目前工業(yè)機器人使用的動力源有電氣式、液壓式、氣動式、機械式及真空吸附和磁力式等，在電氣式動力源中多用伺服電機和步進電機。伺服電機與微型機相結(jié)合，可以完成各種控制，所以被廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)機器人上。直線運動的部件直接采用直線電機驅(qū)動。由于不需要運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)，所以具有高速、高精度的優(yōu)良控制性能。不斷發(fā)展和改進的步進電機由于能適應(yīng)多種控制形式而在工業(yè)機械人中得到廣泛的普及。在液壓動力源中，噴嘴擋板式電液伺服閥可獲得高精度的位置和速度控制是應(yīng)用最廣泛的控制元件。氣動式動力源所使用的介質(zhì)是可壓縮的氣體，所以給控制帶來很大困難，只限于在單純作雙位置動作控制時采用。為了實現(xiàn)動力源的小型、高輸出，多自由度，文章還報道了目前正在開發(fā)的超聲波馬達、記憶合金驅(qū)動元件以及生物微型機械手用壓電動力源等五、 工業(yè)機器人在玻璃行業(yè)的應(yīng)用：1、（1）某平板玻璃生產(chǎn)線由于經(jīng)常發(fā)生人工堆垛玻璃而發(fā)生玻璃表面擦傷及沾染污漬而導(dǎo)致玻璃報廢，而且搬運過程中浪費了大量勞力，工作效率很低。因此，東南大學(xué)控制系經(jīng)過努力研究、實驗。最終研究出來了一個機器人，這個機器人從而解決以上的人所達不到的目的。（2）以下三幅圖便是我們研究的機器人相關(guān)結(jié)構(gòu)圖:

賺（±司臉） TM9啊SW）圖1UP6型機器人外觀簡化圖

圖2ABB-UP6型機器人機構(gòu)簡圖控削挹 相覺系統(tǒng)圖3ABB工業(yè)機器人自動碼垛系統(tǒng)平面布置圖（3）為了解決上面的難題，我們采用了4臺ABBUP6工業(yè)機器人并將其加以改造，從而用于自動碼垛系統(tǒng)的作業(yè),ABBUP6機器人自動裝箱、碼垛系統(tǒng)是一種集成化的系統(tǒng)，它包括工業(yè)機器人、控制器、編程器、機器人手爪、在線機器人視覺系統(tǒng)和碼垛模式軟件。系統(tǒng)配置自動稱重、貼標(biāo)簽和檢測與通信系統(tǒng)。并與生產(chǎn)控制系統(tǒng)相連接，以形成一個完整的集成化玻璃生產(chǎn)線。這種柔性碼垛系統(tǒng)通過機器人用吸盤式手爪抓取平板玻璃，并進行玻璃碼垛作業(yè)。2、 （1）玻璃基板搬運機器人是一種應(yīng)用于無塵或真空環(huán)境下的傳輸用工業(yè)機器人，它主要應(yīng)用在FPD產(chǎn)業(yè)中，聯(lián)結(jié)前后段制程并在各制程中實現(xiàn)玻璃基板的交換與傳遞。因此，該玻璃基板搬運機器人應(yīng)具有高剛度、高速度、高定位。（2）目前，F(xiàn)PD產(chǎn)業(yè)中玻璃基板搬運機器人常用構(gòu)型有多關(guān)節(jié)型機器人、直角坐標(biāo)型機器人和圓柱坐標(biāo)型機器人。多關(guān)節(jié)型機器人通常含有4?6個自由度，定位精確度高，靈活性大，但其運動控制和軌跡規(guī)劃較復(fù)雜，手臂結(jié)構(gòu)剛性較低，且設(shè)計制造該類型機器人成本較高。直角坐標(biāo)型機器人通常具有2~3個自由度，其運動空間常為長方體，該類型機器人結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)剛性好，定位精度高,但其體積大，運動時的空間利用率低。3、 玻璃碼垛機器人的特點就是高速和重載。玻璃是片狀物品，面積較大（本項目最大碼垛玻璃尺寸：2440x3660mm），高速600片/h，但速度問題按照目前技術(shù)水平，完全能達到；中片玻璃其重量在360kg以下，因此機器人抓起重量應(yīng)不低于360kg,360kg對于六軸機器人是屬于重載，目前國內(nèi)機器人均屬于輕載，其抓起重量在150kg以下。國外用于玻璃碼垛超重載機器人最大抓起重量已達到1200kg,因此研發(fā)重載、超重載機器人，是機器人發(fā)展的必然趨勢。4、 估計已有多達250個機器人正在世界玻璃工業(yè)中工作。其用途十分廣泛：雷達設(shè)備、電視顯象管、白熾燈泡、日光燈管、平板玻璃、廣口瓶以及玻璃容器的生產(chǎn)。如果說資方把自己貢獻于這項技術(shù)，這只不過是機器人在玻璃工業(yè)中應(yīng)用的光明未來的開端。5、 機器人的首要用途之一是在玻璃輸送的操作中，通用機器人被用來碼放日光燈管。機器人的這項工作是要碼放燈管的裝載板。該裝載板放在鏈?zhǔn)絺鲙赃叺臋C器人身上。當(dāng)傳送帶端頭的燈管到達一個限位開關(guān)時，傳送帶停止了。開關(guān)指令機器人,在拾取區(qū)內(nèi)有31根燈管一正好碼一層。機器人就一下拾起這31根燈管，轉(zhuǎn)動90°C后，把它們放在四周有立樁的裝載板上。當(dāng)碼滿24層時，機器人暫停，并指令傳送帶送另一組空裝載板。六、工業(yè)機器人在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用：1（1）建立機器人快速制造粘土類陶瓷原型加工系統(tǒng)，針對所加工材料的特性選擇合適的刀具和機器人加工軌跡。針對軟材料的切削原理，研究針對粘土材料的機器人加工工藝，找到合適的加工參數(shù)，制作滿足熔射制模技術(shù)要求的耐高溫陶瓷原型。通過對粘土坯料進行加工實驗，驗證了新工藝的可行性，同時也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如切屑粘刀，排屑不暢及精加工過程中的崩豁問題，這些都需要我們在后面的研究中繼續(xù)展開工作。2、陶瓷原型加工路徑的建立。以汽車覆蓋件陶瓷原型，其最大尺寸(370X325X70)mm,成形件表面質(zhì)量要求高。因此，以汽車覆蓋件陶瓷原型為例討論陶瓷原型的加工，具有比較典型的代表性。基于UGCAM對機器人加工路徑進行規(guī)劃。使用UG時，操作者可以通過對話框進行加工參數(shù)設(shè)定與修改，包括幾何參數(shù)、刀具、方法、程序四方面。首先選取加工方式，設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，可生成刀軌路徑。然后通過仿真檢查并優(yōu)化刀軌，生成NC代碼。最后用本實驗室開發(fā)的轉(zhuǎn)換程序NC2JBI,實現(xiàn)NC代碼到機器人的代碼轉(zhuǎn)換。3(1)從不同方向返回測點時都存在不同的誤差；機器人軌跡中存在誤差最小的坐標(biāo)軸方向，走刀時應(yīng)盡量沿此方向。機器人軌跡位置精度測量的結(jié)果：最大、最小誤差的變化趨勢基本相同，但兩者相差約0.01mm;行走速度變化時，兩種誤差的變化規(guī)律基本相同，不隨行走速度變化。建立NC代碼與機器人代碼的轉(zhuǎn)換公式，考慮沿軌跡位置誤差最小的軸方向走刀并對軌跡作補償處理，得到了可生成優(yōu)化的機器人銑削路徑代碼的算法和CAM軟件。實際加工得到用于熔射制模的陶瓷型熔射原型，滿足熔射要求，從而驗證了所開發(fā)的軟硬件以及加工技術(shù)的可行性。4、工業(yè)機器人在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用，在國外已是一個較為成熟的技術(shù)。工業(yè)機器人在施釉和翻模、坯胎出模的工序中適應(yīng)了不同的工件和模具。這樣，可在施釉工藝這樣一種粉塵較大、作業(yè)較復(fù)雜的工作中，取代人工作業(yè)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。在翻模、取坯作業(yè)這種體力勞動強度大，需較仔細的作業(yè)中避免人工操作易疲勞，造成功效低，易損壞毛坯的毛病。另一方面，由于機器人能“存入”許多工件的最佳施釉工作“曲線”，且每次調(diào)用只需非常簡單地將相關(guān)的程序調(diào)人機器人的“當(dāng)前”操作指令中。所以，一旦工件變化時，機器人能以最快的速度適應(yīng)工件，噴涂出高質(zhì)量的釉面。這是人難以達到。5、工業(yè)機器人快速制造原型是正在發(fā)展的一種快速制造原型和零件的方法，但是在過去的十幾年，它的應(yīng)用范圍普遍局限于石蠟、木材、塑料和輕金屬等材料。研究人員考慮縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高設(shè)備的功能性以及環(huán)境和諧性和產(chǎn)品質(zhì)量，已經(jīng)構(gòu)筑了多種機器人快速原型系統(tǒng)。構(gòu)筑了一個銑削泡末材料的快速原型系統(tǒng)機器人系統(tǒng)。構(gòu)筑了面向大型制件的機器人快速原型系統(tǒng)，工作空間為4mX2mX2m，可以制作許多大型零件。構(gòu)筑了基于雙機器人的快速靈活制造木制船模系統(tǒng)。發(fā)展了一個基于工業(yè)機器人的薄壁鋁金屬成型系統(tǒng)。國內(nèi)機械科學(xué)研究總院單忠德研究員在機器人快速制造鑄型方面也做了很多工作。七、工業(yè)機器人的前景：1經(jīng)濟環(huán)境改變與市場供需增加2012年中國政府實施新勞動法后，勞動力成本大幅提升，經(jīng)濟環(huán)境發(fā)生了變化。這一方面使某些制造商將勞動密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到勞動力成本更加低廉的東南亞各國，另一方面促使本土企業(yè)更加重視提升工廠自動化水平。另外，越來越多的國際汽車廠商登陸中國，激烈的市場競爭刺激了中國本土汽車廠商對工業(yè)機器人的需求。例如，奇瑞將在2012年生產(chǎn)100臺自用的焊接工業(yè)機器人。同時，更多的工業(yè)機器人國際供應(yīng)商也在加速進入中國市場。例如，專注于汽車噴涂、焊接工業(yè)機器人的柯馬(Comau)將在2012年底建立昆山工廠。2、 技術(shù)發(fā)展加快受到國家863計劃的資助，目前已經(jīng)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)等30余所高校展開了對工業(yè)機器人的研究。一些數(shù)控機床和系統(tǒng)制造商開始將未來的盈利點瞄向工業(yè)機器人。例如，沈陽機床已有研發(fā)工業(yè)機器人的計劃；華中數(shù)控、廣州數(shù)控也已經(jīng)開始研發(fā)并制造工業(yè)機器人。國際運動控制軟件和傳感器制造商不斷加大與中國的交流，中國工業(yè)機器人制造商將獲得對以往難于突破的技術(shù)瓶頸的支持。通過集成方式將先進的傳感器和控制技術(shù)引入機器人，實現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用中較為關(guān)注的工業(yè)機器人自學(xué)習(xí)功能。3、 政府政策刺激中國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》和《863計劃先進制造技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展綱要》提出，對工業(yè)機器人工程化產(chǎn)品及自動化生產(chǎn)線和機械手關(guān)鍵技術(shù)，提供1億元資金支持。同時，各省也對工業(yè)機器人的研發(fā)和制造提出了各自的支持計劃。例如，山東省將在2012年前通過政府注資形式，建立機器人技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，及重點實驗室和工程技術(shù)研究中心，同時對面向加工制造業(yè)的工業(yè)機器人實行15%的企業(yè)所得稅減免等優(yōu)惠措施。4中國工業(yè)機器人現(xiàn)狀目前，與制造業(yè)大國地位不符的是，中國的工業(yè)機器人應(yīng)用數(shù)量仍然偏少，且主要依賴從日本、瑞典、德國、意大利、美國進口。其中，日本約占50%，歐洲約占40%。制造商主要有FANUC、YASKAWAABB、COMAU、KUKA和Staubli等。同時，中國的工業(yè)機器人制造業(yè)剛起步，制造水平和技術(shù)含量都較為落后。以目前規(guī)模最大、技術(shù)領(lǐng)先的廠商新松公司為例，2009年僅生產(chǎn)600多臺工業(yè)機器人，與國際上動輒年產(chǎn)數(shù)千臺有很大差距。中國長期實施的勞動密集型生產(chǎn)模式，眾多的熟練工人和低廉的工資，以及促進就業(yè)的政策，導(dǎo)致了企業(yè)升級生產(chǎn)設(shè)備、提高制造自動化水平動力不足，以