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工业机器人毕业设计论文

工业机器人论文

专业：

机械制造及其自动化

课程：

先进制造技术

学号：

姓名：

老师：

2016年11月20日

一、什么是工业机器人

二、工业机器人的分类

三、工业机器人的发展现状与趋势

（一）国内工业机器人的发展

（二）国外工业机器人的发展

（三）世界工业机器人的发展

（四）未来工业机器人的发展的技术走向

四、工业机器人的发展面临的技术难题

五、工业机器人的常见应用领域

六、结论

参考文献

工业机器人

摘要：

随着计算机科学技术的不断发展,工业机器人应用领域也随之不断扩展和深化。

工业机器人已成为一种高新技术产业,正为工业自动化发挥着巨大作用。

本文简要介绍了国内外工业机器人的主要应用及发展现状。

指出了我国工业机器人产业化发展的影响因素和实施策略,阐述了工业机器人技术的发展趋势提出若干面向产业化的机器人技术发展建议。

关键词：

工业机器人，工业机器人技术，控制系统，自由度，技术。

一、什么是工业机器人

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。

二、工业机器人的分类

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3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3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。

三、工业机器人的发展现状与趋势

（一）、国内工业机器人的发展

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：

70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。

随着20世纪70年代世界科技快速发展，工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮，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20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高技术浪潮的冲击下，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，对工定机器人及零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷漆，点焊，弧焊和搬运机器人。

，国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年研究，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2O世纪9O年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变期，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了一大步，先后研制了点焊，弧焊，装配，喷漆，切割，搬运，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，形成了一批工业机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

但是与发达国家相比，我国工业机器人还有很大差距。

目前，我国工业机器人公司主要有中国新松机器自动化股份有限公司和首钢莫托曼机器人有限公司。

随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用。

从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。

如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。

在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。

汽车制造是一个技术和资金高度密集的产业，也是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整个工业机器人的一半以上。

在我国，工业机器人最初也是应用于汽车和工程机械行业中。

在汽车生产中工业机器人是一种主要的制动化设备，在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、冲压等工艺中大量使用。

据预测我国正在进入汽车拥有率上升时期，在未来几年里，汽车仍将每年15％左右的速度增长。

所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50％左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。

工业机器人除了在汽车行业的广泛应用，在电子，食品加工，非金属加工，日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。

在亚洲，2005年安装工业机器人72，600台，与2004年相比，增长了40％，而应用在电子行业的就占了31％左右。

在欧洲地区，据统计2005年与2004年相l：

tI业机器人在食品加工行业的应用增长了17％左右，在非金属加工行业的应用增长了20％左右，在日用品消费行业增长了32％，在木材家具加工行业增长了18％左右。

工业机器人在石油方面也有广泛的应用，如海上石油钻井、采油平台、管道的检测、炼油厂、大型油罐和储罐的焊接等均可使用机器人来完成。

在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在工业机器人工作领域，这些技术会使工业机器人的应用更为高效，高质，运行成本低。

据预测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。

在我国，工业机器人市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着。

在国际强手面前，国内的工业机器人企业面临着相当大的竞争压力。

如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给工业机器人产业发展注入新的动力。

（二）、国外工业机器人的发展

美国是机器人的诞生地，早在1961年，美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。

经过40多年的发展，美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。

其技术全面、先进，适应性也很强。

日本在1967年从美国引进第一台机器人，1976年以后，随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加，日本当时劳动力显著不足，工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎，使其日本工业机器人得到快速发展，现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。

德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年，但战争所导致的劳动力短缺，国民的技术水平较高等社会环境，却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。

此外，在德国规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。

这为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。

目前，德国工业机器人的总数占世界第二位，仅次于日本。

法国政府一直比较重视机器人技术，通过大力支持一系列研究计划，建立了一个完整的科学技术体系，使法国机器人的发展比较顺利。

在政府组织的项目中，特别注重机器人基础技术方面的研究，把重点放在开展机器人的应用研究上。

而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界得以迅速发展和普及，从而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。

英国纪70年代末开始，推行并实施了一系措施列支持机器人发展的政策，使英国工业机器人起步比当今的机器人大国日本还要早，并曾经取得了早期的辉煌。

然而，这时候政府对工业机器人实行了限制发展的错误。

这个错误导致英国的机器人工业一蹶不振，在西欧几乎处于末位。

近些年，意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于自身国内机器人市场的大量需求，发展速度非常迅速。

目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。

日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。

欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的CO毗U及奥地利的工GM公司。

（三）、世界工业机器人的发展趋势

机器人问世于50年代，经历了几十年的发展尚未形成明确的定义，主要原因是随着信息技术的飞速发展，机器人本身处于不断发展当中。

一般定义机器人是一种高度自动化的机器，能够根据设定的程序自动完成某项工作。

根据使用环境的不同，机器人可以分为工业机器人和服务机器人，工业机器人一般用于制造业生产环境，服务机器人一般用于生活等非制造业环境。

工业机器人，指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、家电产品、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。

工业机器人是一种集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等跨学科先进技术于一体的高端制造业重要的智能装备，一般由控制系统、执行器和传感器三部分组成。

以关节型多用途机器人为例，控制系统是机器人的大脑，由计算机数字控制系统组成，通过设定程序，机器人能够完成特定的操作和对特定环境做出反应；执行器能根据控制系统设定的程序移动或反应，执行器的末端装有“手爪”，该组件可以模拟手部动作，搭配夹具、焊枪或吸盘等完成工作流程；机器人通过安装传感器，能对周围环境做出反应，如可以按照预设程序从多个零部件中抓取特定的零部件。

控制系统、执行器和传感器这三者有机结合共同决定了工业机器人的性能指标，即负载量、运动精度、稳定性和可操控性。

工业机器人产业链由关键零部件、机器人本体和相关自动化系统集成组成：

核心零部件包括伺服电机、精密减速器以及控制系统等；机器人本体企业主要包括发那科、安川电机、库卡、ABB等厂商；相关系统集成领域既可以由本体厂商独立完成，也可以通过第三方系统集成商完成。

全球工业机器人销量重回增长。

金融危机以后，以美国为代表的发达国家为实现制造业回流，工业机器人需求快速复苏。

与此同时，中国制造业面临人力成本上升和转型升级压力，需求进入快速增长期。

2011年全球工业机器人出货量达到16.6万台（IFR仅统计关节型多用途工业机器人），创历史新高。

国际巨头牢牢占据全球本体市场。

机器人本体具有高复杂性特点，行业具有高技术壁垒，发那科、安川电机、ABB和库卡四家企业占据全球50%的市场份额；工业机器人和制造业具有嵌入关系，日本、德国等制造业大国在工业机器人应用和生产领域均保持领先。

（四）、未来工业机器人发展的技术走向

当前的工业机器人的价格成本原因，制约着以中国为首的发展中国国家机器人应用规模的增大。

未来的机器人产业技术发展过程中，降低成本也是重要方向，下面未来国际机器人发展的技术走向分析：

（1）结构的模块化、可重构化

研究机构、控制与感知的可重构技术，通过快速重构生成适应新环境、新任务的机器人系统，体现出良好的作业柔性。

（2）控制系统的开放化、网络化

研究控制系统的可扩展性、互操作性、可移植性、可裁减性，机器人由独立系统向群体系统发展。

（3）驱动系统的数字化、分散化

通过分布式控制、远程联网和现场控制，实现机器人驱动系统的数字化和网络化的运动控制。

（4）多传感器融合的实用化

协同感知系统的实用化及高效可行（特别是针对非线性、非平稳、非正态分布的现实信息）的多传感器融合算法。

（5）机器人作业的人性化、集成化

研究以人为核心的作业系统，实现作业过程中机器人群体协调、群智能和人机和谐共存。

（6）人机交互的图形化、三维全息化

全浸入式图形化环境、三维全息环境建模、真三维虚拟现实装置以及力、温度、振动等多物理作用效应人机交互装置。

四、工业机器人的发展面临的技术难题

1、打光的稳定性

工业视觉应用一般分成四大类：

定位、测量、检测和识别，其中测量对光照的稳定性要求最高，因为光照只要发生10-20%的变化，测量结果将可能偏差出1-2个像素，这不是软件的问题，这是光照变化，导致了图像上边缘位置发生了变化，即使再厉害的软件也解决不了问题，必须从系统设计的角度，排除环境光的干扰，同时要保证主动照明光源的发光稳定性。

当然通过硬件相机分辨率的提升也是提高精度，抗环境干扰的一种办法了。

比如之前的相机对应物空间尺寸是1个像素10um，而通过提升分辨率后变成1个像素5um，精度近似可以认为提升1倍，对环境的干扰自然增强了。

2、工件位置的不一致性

一般做测量的项目，无论是离线检测，还是在线检测，只要是全自动化的检测设备，首先做的第一步工作都是要能找到待测目标物。

每次待测目标物出现在拍摄视场中时，要能精确知道待测目标物在哪里，即使你使用一些机械夹具等，也不能特别高精度保证待测目标物每次都出现在同一位置的，这就需要用到定位功能，如果定位不准确，可能测量工具出现的位置就不准确，测量结果有时会有较大偏差。

3、标定

一般在高精度测量时需要做以下几个标定：

第一，光学畸变标定（如果您不是用的软件镜头，一般都必须标定）;第二，投影畸变的标定，也就是因为您安装位置误差代表的图像畸变校正，三物像空间的标定，也就是具体算出每个像素对应物空间的尺寸。

不过目前的标定算法都是基于平面的标定，如果待测量的物理不是平面的，标定就会需要作一些特种算法来处理，通常的标定算法是解决不了的。

此外有些标定，因为不方面使用标定板，也必须设计特殊的标定方法，因此标定不一定能通过软件中已有的标定算法全部解决

4、物体的运动速度

如果被测量的物体不是静止的，而是在运动状态，那么一定要考虑运动模糊对图像精度（模糊像素=物体运动速度*相机曝光时间），这也不是软件能够解决的。

5、软件的测量精度

在测量应用中软件的精度只能按照1/2—1/4个像素考虑，最好按照1/2，而不能向定位应用一样达到1/10-1/30个像素精度，因为测量应用中软件能够从图像上提取的特征点非常少。

机器视觉的运动速度和测量精度在整个产品中占有重要的位置，运动速度快慢以检测能力是成反比的，运动越快检测的质量效果相对较差，因此提高运动精度和检测细节很重要。

五、工业机器人的常见应用领域

1.机械加工应用

机械加工行业机器人应用量并不高，只占了2%，原因大概也是因为市面上有许多自动化设备可以胜任机械加工的任务。

机械加工机器人主要从事应用的领域包括零件铸造、激光切割以及水射流切割。

2.机器人喷涂应用

这里的机器人喷涂主要指的是涂装、点胶、喷漆等工作，只有4%的工业机器人从事喷涂的应用。

3.机器人装配应用

装配机器人主要从事零部件的安装、拆卸以及修复等工作，由于近年来机器人传感器技术的飞速发展，导致机器人应用越来越多样化，直接导致机器人装配应用比例的下滑。

4.机器人焊接应用

机器人焊接应用主要包括在汽车行业中使用的点焊和弧焊，虽然点焊机器人比弧焊机器人更受欢迎，但是弧焊机器人近年来发展势头十分迅猛。

许多加工车间都逐步引入焊接机器人，用来实现自动化焊接作业。

5.机器人搬运应用

目前搬运仍然是机器人的第一大应用领域，约占机器人应用整体的4成左右。

许多自动化生产线需要使用机器人进行上下料、搬运以及码垛等操作。

近年来，随着协作机器人的兴起，搬运机器人的市场份额一直呈增长态势。

六、结论

这学期开通了工业机器人以及先进制造技术课程，通过学习对机器人的有了更多的了解。

机器人是20世纪以来高新科技的新产品，整体本就是一个复杂的系统，机器人的迅速发展也标志这世界科技买入新的科技发展阶段。

工业机器人市场竞争越来越激烈,中国工业用机器人领域方面居世界前列，发展也逐渐跃居世界强国，在机器人行业发展至今，中国的机器人技术逐渐赶超其他发达国家。

与此同时，中国制造业也面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。

因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况:

第一,工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家的科技发展计划中,应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人时不要盲目进口,应该综合评估,立足国产。

随着国家的经济发展，机器人的应用越来越广泛，但是由于机器人的技术，造价以及多方面的原因，机器人仅用于有限的场景及相关的发展领域。

工业机器人的使用，使得国家发展愈加迅速，无论是在哪一个领域，运用到机器人，都会带来极大的便利与效益。

当今世界处于科技创新的大发展时代，在今后的发展中，相信机器人的应用会渐渐的普及到千家万户。

参考文献

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