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工业机器人:着力突破智能模块

2020-07-29 05:31:08

机器人产业在国际上被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”,发展机器人产业成为世界各国抢占未来经济科技制高点的国家战略。现在工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工业、电子电气行业、橡胶及塑料行业、食品工业等诸多领域。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。

在技术发展方面,未来工业机器人将在精度、速度、效率、人机交互和智能化等方面进一步发展。

机械结构向模块化、可重构化方向发展。例如,关节模块中伺服电机、减速器、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块以重组方式构造机器人整机。控制系统向开放化、高集成度方向发展,将采用PC机的开发型控制系统,便于标准化、网络化。控制系统器件集成度将提高,控制柜越来越小巧。传感器作用日益突出,装配、焊接机器人采用位置、速度、加速度、力觉等传感器,遥控机器人则采用视觉、声音、力觉、触觉等多传感器融合技术进行环境建模及决策控制。另外,随着机器学习等人工智能技术的发展,工业机器人将日趋智能,自主学习的同时还能自主挖掘大数据价值。

值得一提的是,2011年以来,我国工业机器人市场快速增长,机器人产业链逐步形成,但国内机器人核心技术仍受制于人,相关产品质量、性能、可靠性等方面也与国外产品有较大差距。

据悉,工业机器人核心零部件包括高精度减速器、高性能交流伺服电机和驱动器、高性能控制器等。这些核心零部件对整个工业机器人性能指标起着关键作用。目前,跨国企业在核心零部件、整机、系统集成等机器人产业链的各个环节均有明显优势。例如,在减速器领域,应用于工业关节机器人中的谐波减速器基本被日本哈默纳科一家公司垄断。另一种更为重要的RV减速器也基本被日本纳博特斯克一家公司垄断。上述两家日企目前占据全球工业机器人减速器市场的75%。近年来,国产RV减速器自主研发取得初步进展,但还处于小批量生产。

在伺服系统方面,机器人运动性质的特殊性使伺服系统要具备高精度、高动态响应、高过载能力、高可靠性等特性。目前,国产伺服系统在功能、性能和工艺方面与国外产品相比仍然有一定差距,尤其是国内没有完全掌握自适应机械共振抑制技术、自适应低频震动技术和惯量动态前馈技术等关键技术。

在控制器方面,国内机器人控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距,现有差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。

在工业机器人整机领域,发那科、库卡、ABB、安川四大企业是全球市场绝对的强者。另外,工业机器人的使用效益是通过高可靠性实现的,其涉及材料、设计、采购、加工、装备、检测、老化试验、技术维护等多个方面,投入大、周期长,这恰恰是国内企业短板。

工信部发布的《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》明确指出,将围绕市场需求,突破核心技术。下一步,工业和信息化部将组织制定中国机器人技术路线图及机器人产业“十三五”规划,通过加强顶层设计,引导行业发展,着力突破关键技术和重要环节,促进机器人产业健康发展。

专家观点

西门子(中国)公司数字化工厂集团运动控制部伺服电机产品经理曹跃宇

伺服电机需精确定位和快速响应

伺服电机作为机器人的“肌肉”,必须能够精确定位,快速响应。为了能够准确地实现定位,在电机尾部安装有高精度旋转编码器,通过编码器来检测摆臂的空间几何位置。一般伺服电机的额定转速都在每分钟几千转,而机器人的臂摆速度一般在几转或几十转。为了能够充分利用伺服电机的输出能力,提升机械稳定性,可在伺服电机与机械臂之间安装高精密的紧凑型减速箱,以提升输出转矩。摆臂旋转一周,伺服电机需要旋转几十周甚至上百周。因此编码器需要采用多圈绝对值编码器才能有效监测摆臂位置。

高效的路径移动或空间定位,并不是一个静态过程,而是一个动态过程。

优傲机器人中国总经理铁隆正(James Taylor)

人机协作机器人市场前景广阔

几十年前早期工业机器人是庞大的、笨重的、昂贵的和编程复杂,这意味着机器人很长时间固定在一个地方运行没有变化。人们对工业机器人有这些根深蒂固的印象,认为实现自动化之后灵活度降低,而且困难重重。这也在某种程度上让中小型企业对自动化望而却步。但实际上,我们看到工业机器人的发展已有显着的变化,更小、更轻、更具成本效益、更容易编程和更安全。这意味着制造商可以用机器人做各种各样的工作。人机协作机器人正踏上这个趋势的步点,这个趋势就是工业制造的趋灵活化和安全。

TI半导体事业部中国区模拟业务拓展经理朱文斌

工业机器人对传感器精度要求高

大家经常会看到工厂有机械手做加工,这是20年前很少看到的景象,现在越来越普遍。大型工业加工机器人的手臂和自动运行生产线对传感器的可靠性要求是很高的,而且对精度要求很高。因为工业现场,比如高精密加工,机械手臂如果没有很高精度的传感器处理的话,出来的产品可能容差不对、容差太大甚至出现次品。家用消费传感器会提出更高的要求。

在设计中容易忽略的是可靠性、安全性,因为这种机器人对安全性能要求更高。当下面有人时,如果压力没控制好就有可能发生失误,所以对压力传感芯片、30V输入过压的特性以及单片解决方案都会有要求。

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