工业机器人的关键技术.docx

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工业机器人的关键技术

摘要：

本文简单的介绍了机器人的技术：

定义、组成及分类，着重阐述了工业机器人关键技术，并对六种工业机器人：

移动机器人、点焊机器人、弧焊机器人、激光加工机器人真空机器人及洁净机器人等的关键技术进行了详细分析。

关键词：

工业机器人关键技术制造业

1工业机器人技术概述1.1定义

工业机器人（英语：

industrialrobot□简称IR）是种能自动控制、可重复编程、多功能、多自山度的操作机。

它们通常配有机械手、刀具或其它装配的加工工具，能够搬运材料、工件，完成各种作业，是种柔性自动化设备。

1.2结构组成

工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。

机器人手臂具有3个自由度（运动坐标轴），机器人作业空间由手臂运动范围决定。

手腕是机器人工具（如焊枪、喷嘴、机加工刀具、夹爪）与主构架的连接机构，它具有3个自由度。

驱动系统为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。

测量系统用于机器人运动部件的位移、速度和加速度的测量。

控制器（RC）用于控制机器人各运动部件的位置、速度和加速度，使机器人手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。

通过传感器获得搬运对象和机器人本身的状态信息，如工件及其位置的识别，障碍物的识别，抓举工件的重量是否过载等。

工业机器人的典型结构如图1所示。

图1机器人的典型结构

1.3分类

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。

2工业机器人的关键技术

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。

工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。

具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

关键技术包括：

1）开放性模块化的控制系统体系结构：

采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器（RC），运动控制器（MC），光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。

机器人控制器（RC）和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。

机器人控制器（RC）的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

2）模块化层次化的控制器软件系统:

软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Lmux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。

整个控制器软件系统分为三个层次：

硬件驱动层、核心层和应用层。

三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

3）机器人的故障诊断与安全维护技术：

通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

4）网络化机器人控制器技术：

目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。

控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。

可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

3六种典型工业机器人

3.1移动机器人（AGV）

移动机器人（AGV）是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）；同时可在车站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。

国际物流技术发展的新趋势之一，而移动机器人是其中的核心技术和设备，是用现代物流技术配合、支撑、改造、提升传统生产线，实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结合，实现精细化、柔性化、信息化，缩短物流流程，降低物料损耗，减少占地面积，降低建设投资等的高新技术和装备。

3.2点焊机器人

焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。

点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。

国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。

随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。

2008年9月，机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。

2009年9月，经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收，该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水

平。

3.3弧焊机器人

弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。

在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。

本公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不同需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。

在该领域，本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。

关键技术包括：

1）弧焊机器人系统优化集成技术：

弧焊机器人采用交流伺服驱动技术以及高精度、高刚性的RV减速机和谐波减速器，具有良好的低速稳定性和高速动态响应，并可实现免维护

功能。

2）协调控制技术：

控制多机器人及变位机协调运动，既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求，又能避免焊枪和工件的碰撞。

3）精确焊缝轨迹跟踪技术：

结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点，采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪，提升焊接机器人对复杂工件进行焊接的柔性和适应性，结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差，基于偏差统计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正，在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

3.4激光加工机器人

激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。

本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。

该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数据直接加工。

可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

关键技术包括：

1）激光加工机器人结构优化设计技术：

采用大范围框架式本体结构，在增大作业范围的同时，保证机器人精度；

2）机器人系统的误差补偿技术：

针对一体化加工机器人工作空间大，精度高等要求，并结合其结构特点，采取非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法，完成了几何参数误差和非几何参数误差的补偿。

3）高精度机器人检测技术：

将三坐标测量技术和机器人技术相结合，实现了机器人高

精度在线测量。

4）激光加工机器人专用语言实现技术：

根据激光加工及机器人作业特点，完成激光加

工机器人专用语言。

5）网络通讯和离线编程技术：

具有串口、CAN等网络通讯功能，实现对机器人生产线的监控和管理;并实现上位机对机器人的离线编程控制。

3.5真空机器人

真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。

真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。

而且国外对广东买家严加审查，归属于禁运产品目录，真空机械手已成为严重制约国内半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。

直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。

关键技术包括：

1）真空机器人新构型设计技术：

通过结构分析和优化设计，避开国际专利，设计新构型满足真空机器人对刚度和伸缩比的要求；

2）大间隙真空直驱电机技术:

涉及大间隙真空直接驱动电机和高洁净直驱电机开展电机理论分析、结构设计、制作工艺、电机材料表面处理、低速大转矩控制、小型多轴驱动器

等方面。

3）真空环境下的多轴精密轴系的设计。

采用轴在轴中的设计方法，减小轴之间的不同心以及惯量不对称的问题。

4）动态轨迹修正技术：

通过传感器信息和机器人运动信息的融合，检测出晶圆与手指之间基准位置之间的偏移，通过动态修正运动轨迹，保证机器人准确地将晶圆从真空腔室中的一个工位传送到另一个工位。

5）符合SEMI标准的真空机器人语言：

根据真空机器人搬运要求、机器人作业特点及SEMI标准，完成真空机器人专用语言。

6）可靠性系统工程技术：

在1C制造中，设备故障会带来巨大的损失。

根据半导体设备对MCBF的高要求，对各个部件的可靠性进行测试、评价和控制，提高机械手各个部件的可靠性，从而保证机械手满足1C制造的高要求。

3.6洁净工机器人

洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。

随着生产技术水平不断提高，其对生产环境的要求也日益苛刻，很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行，洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。

关键技术包括：

1）洁净润滑技术:

通过采用负压抑尘结构和非挥发性润滑脂，实现对环境无颗粒污染,满足洁净要求。

2）高速平稳控制技术：

通过轨迹优化和提高关节伺服性能，实现洁净搬运的平稳性。

3）控制器的小型化技术：

根据洁净室建造和运营成本高，通过控制器小型化技术减小洁净机器人的占用空间。

4）晶圆检测技术：

通过光学传感器，能够通过机器人的扫描，获得卡匣中晶圆有无缺片、倾斜等信息。

3结束语

在21世纪，工艺与装备技术的发展仍将体现在高精度、高效率、低成本、高柔性和洁净化等几个方面。

发展工业机器人技术是促进我国传统制造行业的技术改造与产业升级，

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实现跨越式发展的迫切需要