机器人产业现状与中国制造.docx

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机器人产业现状与中国制造

机器人产业现状与“中国制造2025”

院（系）别

机电及自动化学院

专业

机械制造及其自动化

年级

2015级

课程名称

现代制造技术

组别

第二组

成员

陶寅周菁李慧慧陈琦宋意刘冲

任课老师

沈剑云研究员

2016年1月15日

摘要

机器人集现代制造技术、新型材料技术和信息控制技术为一体，是智能制造的代表性产品，其研发、制造、应用成为衡量一个国家科技创新和制造业水平的重要标志，引起了世界制造强国的高度重视。

《中国制造2025》站在历史的新高度，从战略全局出发，在重点领域技术创新路线图中明确了我国未来十年机器人产业的发展重点主要为两个方向：

一是开发工业机器人本体和关键零部件系列化产品，推动工业机器人产业化及应用，满足我国制造业转型升级迫切需求；二是突破智能机器人关键技术，开发一批智能机器人，积极应对新一轮科技革命和产业变革的挑战。

工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。

特别是焊接机器人在高质高效的焊接生产中,发挥了极其重要的作用。

关键词：

工业机器人，焊接机器人，现代制造技术

Abstract

Robotsetmodernmanufacturingtechnology,newmaterialtechnologyandinformationcontroltechnologyasawhole,itisarepresentativeproductofintelligentmanufacturing,itsresearchanddevelopment,manufacturing,applicationisameasureofanationalscienceandtechnologyinnovationandmanufacturinglevelofanimportantsymbol,causingtheworldmanufacturingpowerofhighattention."Chinamade2025"inthehistoryofthenewheight,fromastrategicperspective,inthekeyareasoftechnologicalinnovationroadmapinthefuturetenyears,thefocusofthedevelopmentoftherobotindustryfocusmainlyintwodirections:

first,thedevelopmentofindustrialrobotontologyandkeypartsoftheproduct,tomeettheurgentneedsofChina'smanufacturingindustrytransformationandupgrading,twokeytechnologiestodevelopanumberofintelligentrobots,activelyrespondtoanewroundoftechnologicalrevolutionandindustrialrevolution.Theresearch,developmentandapplicationofindustrialrobottechnology,haspromotedthedevelopmentoftheworldindustrytechnology.Especiallytheweldingrobotplaysanextremelyimportantroleinthehighqualityandhighefficiencyweldingproduction.

KeyWord:

Industrialrobot,Weldingrobots,ModernManufacturingTechnology

第1章调研背景

1.1中国工业机器人发展现状[1-3]

我国工业机器人从二十世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，863机器人技术主题对机器人技术发展作了重要战略调整，从单纯的研发机器人技术向机器人技术与自动化工艺装备扩展，将中心任务定义为“研究和开发面向先进制造的机器人制造单元及系统，自动化装备、特种机器人，促进传统机器的智能化和机器人产业的发展，提高我国自动化技术的整体水平”。

通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的优化设计制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握了弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制造技术，掌握了运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。

其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。

“十五”期间，根据“有所为，有所不为”，“重创新、抓应用、建环境、促发展、见效益”的指导思想，显现了有以机器人技术为主向基础装备和成套装备研发方向的转移。

总体来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：

可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.5%。

以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术问题，对产品进行全面规划，搞好标准化、系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

纵观目前经济发展现状，我国机器人市场增长非常迅猛，从销售量上更是充分说明了这个不争的事实。

在中国市场上占有35%的市场份额的ABB公司2004年在中国卖出了600台机器人。

而该公司在过去9年中一共才在中国大陆市场销售2000台机器人。

专家预测，中国机器人到2010年拥有量将达到17300台，到2015年，市场容量将达到十几万台（套）。

汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的产业，其中所需机器人的品种以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。

其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础，但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。

1.2发展先进制造技术的必要性

长期以来，由于我国人口众多、劳动力价格低廉、生产技术水平又相对落后，工业机器人的应用受到了很大限制。

改革开放后，随着大量外资、合资企业的出现以及国内企业技术水平的不断提高，特别是汽车业的快速发展，我国工业机器人应用情况发生了相当大的变化。

据统计，“九·五”期间，我国工业机器人的需求量以每年30％以上的速度快速增长。

至2000年时，我国工业机器人的拥有量已达3500台左右，主要包括点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人，销售额为6．7亿元。

2005年时拥有量达到7000台，年销售额增长到28.7亿元。

近几年来，随着经济的快速增长，特别是汽车业的高速发展，我国每年新增的工业机器人台数以及总拥有量都在快速增长。

例如，2006年我国工业机器人新安装台数为5770台，2007年为6581台，2008年则达到7500台。

截止到2008年末，我国已拥有31400台工业机器人。

广泛采用工业机器人，不仅可以有效提高产品质量，而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本都有十分重要的意义。

从制造业的发展历程看，我国正处于工业化过程中，生产手段必然要经历机械化、自动化、智能化、信息化的变革，工业制成品也将经历数量、质量、柔性低成本的发展阶段。

目前制造业普遍需要技术和设备升级改造，以增强竞争力，提高经济效益，因此，机器人产业的发展空间很大。

机器人工作站，特别是机器人自动化生产线的不断出现，不仅大大增强了企业竞争力，也给用户带来了显著效益。

随着企业自动化水平的不断提高，机器人自动化生产线的市场肯定会越来越大，将逐渐成为自动化生产线的主要形式。

实际上，随着国民经济的快速发展以及生产技术的不断进步和劳动力成本的不断上升，如何进一步提高生产率、提高产品质量、降低劳动强度、改善劳动条件已经成为不少企业不得不考虑的问题。

作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人的应用和普及自然成为企业较理想的选择。

在国际上，工业机器人的应用水平已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。

第2章国内外工业机器人的发展现状

2.1国外工业机器人发展现状

工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，以四自由度机器人为例，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至1997年的6.5万美元，再降到2002年的3.8万美元。

从1960-2006年底，全球累计安装工业机器人175万台（套），其中2006年新安装工业机器人67478台，比2005年增加9%。

2006年，安装的工业机器人中60%的是关节型机器人，直角坐标机器人有2005年的20%上升到22%，圆柱坐标型机器人由2005年的12%下降到4%，水平多关节机器人由2005年8%上升到13%，直角坐标机器人新安装24148台，比2005年增加4%，圆柱坐标机器人15509台，比2005年下降了71%，Scara机器人1867台，比2005年增加了48%。

机械结构向模块化、可重构化发展，例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问市。

工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、智能化、网络化。

器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构。

大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接、切割、点胶机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

2.2我国工业机器人发展现状

我国工业机器人从二十世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，863机器人技术主题对机器人技术发展作了重要战略调整，从单纯的研发机器人技术向机器人技术与自动化工艺装备扩展，将中心任务定义为“研究和开发面向先进制造的机器人制造单元及系统，自动化装备、特种机器人，促进传统机器的智能化和机器人产业的发展，提高我国自动化技术的整体水平”。

通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的优化设计制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握了弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制造技术，掌握了运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。

其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。

“十五”期间，根据“有所为，有所不为”，“重创新、抓应用、建环境、促发展、见效益”的指导思想，显现了有以机器人技术为主向基础装备和成套装备研发方向的转移。

以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术问题，对产品进行全面规划，搞好标准化、系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。

其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础，但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。

总体来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：

可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.5%。

第3章国内外机器人先进制造技术发展现状

3.1先进制造技术的概念及发展分析

3.1.1数字化是发展的核心

数字化包括以设计为中心的数字制造、以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。

对数字化制造设备而言，其控制参数均为数字化信号；对数字化制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识和技能等）均以数字形式通过网络在企业内传递，在多种数字化技术的支持下，企业对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程仿真或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组和对市场的快速反应。

虚拟制造技术（VM）已经在现代制造领域起到非常重要的影响，如美国波音公司在设计波音777飞机时，对整机设计、部件测试、整机装配及试飞均采用ＶＭ技术，使该机型的开发周期由8年缩短为5年；美国克莱斯勒公司开发93LH系列汽车采用VM技术，使开发时间从36个月缩短为24个月。

对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟,迅速协同设计并制造出相应的产品。

3.1.2精密化是发展的关键

现代超精密机械中对精度要求极高，如人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度和表面粗糙度等均达到纳米级。

基因操作机械的移动距离为纳米级，移动精度为0.1nm，细微加工、纳米加工技术可达纳米以下的要求，如果借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜的加工，则可达0.1

。

显然，没有先进制造技术，就没有先进电子技术装备。

先进制造技术与先进信息技术是相互渗透、相互支持、紧密结合的。

纳米技术将精密化发展推向了极致，纳米技术激发出过去从未有过的活力。

在纳米尺度上，出现了一系列在纳米范畴以上不可估量的新概念、新性质和新功能。

纳米技术可用来测量、控制和操纵纳米尺度物质，以改变其性质和功能，并逐步扩大其应用的宽带和广度。

3.1.3极品化是发展的焦点

极品化是指生产特需产品的制造技术，其必须达到“极”的要求。

例如能在高温、高压、高湿、强冲击、强磁场和强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性等特点，或极大、极小、极厚、极薄和奇形怪状的产品等，都属于特需产品。

“微机电系统”就是其中之一。

这是工业发达国家高度关注的前沿科技，亦即所谓微系统微制造。

3.1.4自动化是发展的条件

自动化是减轻、强化、延伸和取代人的有关劳动的技术或手段。

自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。

可以说，机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。

从控制理论、控制技术到控制系统、控制元件等，都有了极大的发展。

近年来,工业机器人在适应性、专用化、高精度、高速度、模拟性、灵活性、易操作、易控制和自动化等方面取得了较大的发展，自动化已成为先进制造技术发展的前提条件。

3.1.5集成化是发展的方法

集成化主要指现代技术的集成、加工技术的集成和企业的集成等。

集成化使专业、学科间的界限逐渐淡化和消失。

先进制造技术的不断发展在冷热加工之间，加工、检测、物流和装配过程之间，设计、材料应用和加工制造之间的界限均逐渐淡化，逐步走向一体化。

例如CAD、CAPP和CAM的出现、精密成形技术的发展、快速原型件制造技术的产生、机器人加工工作站及FMS的出现，现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分。

很多新材料的配制和成型是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。

3.1.6网络化是发展的道路

网络化是先进制造技术发展的必由之路。

制造业在市场竞争中，面临多方面的压力，如采购成本不断提高、产品更新速度加快、市场需求不断变化、全球化所带来的冲击日益加强等。

制造技术的网络化会导致新的制造模式，即虚拟制造组织，形成动态的“虚拟企业”或“企业联盟”,此时，各企业致力于自己的核心业务，实现优势互补、资源优化动态组合与共享。

3.1.7智能化是发展的前景

近20年来，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出某种智能，以便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，因此智能制造越来越受到重视。

与传统的制造相比，智能制造系统的突出之处在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。

近年来，物联网技术在各领域的快速发展和广泛应用，为机械系统状态监测技术的发展提供了新的环境，这给机械系统状态监测技术的发展带来了新的机遇和挑战。

3.1.8绿色化是发展的方向

日趋严格的环境与资源的约束，使绿色制造业显得越来越重要,它将是21世纪制造业的重要特征，与此相应，绿色制造技术也将获得快速的发展。

制造业的产品从构思开始到设计、制造、销售、使用与维修，再到回收、再制造等各阶段，都必须充分顾及环境保护与改善。

不仅要保护与改善自然环境，还要保护与改善社会环境、生产环境以及生产者的身心健康。

主要体现在：

（一）绿色产品设计技术；

（二）绿色制造技术；

（三）产品的回收和循环再制造。

其实，保护与改善环境也是保护与发展生产力。

因此，发展与采用新技术时，必须树立科学的发展观，使制造业不断迈向绿色制造。

3.2国内外机器人先进制造技术发展现状分析

在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。

从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，其中包括：

瑞典的ABB，日本的FANUC、YASKAWA、MOTOMAN。

德国的KUKA，美国的AdeptTechnology，意大利COMAU，这些公司已经成为其所在国家的支柱企业。

我国的工业机器人研究开始于20世纪70年代，由于当时经济体制等因素的制约，发展比较缓慢，研究和应用水平也比较低。

1985年，随着工业发达国家开始大量应用和普及工业机器人，我国在“七·五”科技攻关计划中将工业机器人列入了发展计划，由当时的机械工业部牵头组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人攻关，其他部委也积极立项支持，形成了中国工业机器人第一次高潮。

进入20世纪90年代后，为了实现高技术发展与国家经济主战场的密切衔接，863计划确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针。

经过广大科技工作者的辛勤努力，开发了7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了100余项机器人应用工程[4]。

在20世纪90年代末期，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地，包括沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实自动化设备有限公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心、海尔机器人公司等。

产业化基地的建设带来了产业化的希望，为发展我国机器人产业奠定了基础。

经过广大科技人员的不懈努力，我国目前已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人和AGV自动导引车等一系列产品，其中一些品种实现了小批量生产。

一批企业根据市场的需求，自主研制或与科研院所合作，进行机器人产业化开发。

如奇瑞汽车与哈工大合作进行点焊机器人的产业化开发、西安北村精密数控与哈工大合作进行机床上下料搬运机器人的产业化开发、昆山华恒与东南大学等合作开发弧焊机器人、广州数控开发焊接机器人、盐城宏达开发弧焊机器人。

但是，我国目前还没有像日本的FANUC和德国的KUKA那样的形成规模的工业机器人制造厂，工业机器人产业目前在我国还仅仅处于萌芽阶段。

随着我国现代制造业的发展。

我国工业机器人的需求量在快速增长。

工业机器人作为最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。

国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。

随着我国工业企业自动化水平的不断提高，工业机器人市场也会越来越大，这就给工业机器人的研究、开发、生产商带来巨大商机。

然而机遇也意味着挑战，目前全球各大工业机器人供应商都已大力开拓中国市场。

因此中国必须大力发展机器人产业，通过发挥中国生产制造优势，提高自主创新能力，寻求有特色的发展道路，在国家相关政策的支持下扶持和鼓励一大批民族的机器人产业成长壮大。

第4章焊接机器人与先进制造

4.1焊接机器人技术及现状

4.1.1焊接机器人用弧焊电源的研究

电源之于电器相当于食物之于人类，所以说电源对任何一种电器来说都是至关重要的，作为一种智能电器，焊接机器人也不例外，它是否能够保持高效率地工作，一个好的电源非常重要。

因此，焊接机器人用弧焊电源的研究一直是焊接机器人研究的重中之重。

逆变电源与晶闸管电源是当前的弧焊机器人通常使用的两种电源。

另外，由于全数字化焊机具有焊接参数波动小，不容易受温度升高等因素的干扰，而且具有重复性较高的优点，所以它将是弧焊机器人焊接电源的一个重要的研究方向[5]。

4.1.2焊缝跟踪技术的研究

想要保证焊接的质量和效率，焊接条件是否稳定是一个非常重要的因素。

而我们都知道，绝对的稳定条件是不可能的，所以是否可以实时检测出由于焊接条件波动引起的焊缝偏差会直接影响焊接的质量，因此也就离不开焊缝跟踪技术的支持。

焊缝跟踪技术的研究主要以以下两种技术为主[6]。

首先，传感器技术，目前研究的比较多的有光学传感器和电弧传感器这两种，其中前者又以视觉传感器的研究比较密集，这主要是因为它可以获得非常多的信息并使用