机器人在先进制造业应用与研究 - 文章

机器人在先进制造业应用与研究

作者：苏东海李怀东

欢迎访问e展厅
展厅 1	工业机器人展厅大负载机器人, 直角坐标机器人, 机械手, ...

1、先进制造业发展趋势

随着信息技术、材料技术、新能源技术等新技术与制造技术的相互交叉、渗透、融合，现在的制造业与过去相比有了许多重大而深刻的变化。日益增长的复杂性是现在制造业的一个重要特点，这不仅表现在制造系统中，还表现在所制造的产品，制造过程以及企业的结构中。这种复杂性对传统的控制和调度方法提出了严峻的挑战。先进制造技术，先进制造技术作为一个专有名词的提出始于20世纪80年代末期的美国，这个概念一经提出立即获得世界各国的积极响应，将制造技术的研究推向新的高潮。包括机器人、柔性制造系统以及它们所依赖的控制软件会给现代企业带来重大的冲击。

传统的计算机集成制造系统是适应规模生产的，它的层次控制适合于在稳定状态下的批量生产，可以通过批量规模以及标准化来节约硬件成本。因此，每一个制造系统都有自己固定的软硬件结构，但是它的缺点也是显而易见的，那就是无法适应动态变化环境下的小批量生产。为了解决当前日益复杂的制造业面临的问题，继柔性制造、计算机集成制造系统、精良生产及并行工程之后，各国政府、产业界及科技界纷纷研究和探索 “下一代制造系统”或者 “21世纪的制造模式”。许多企业正在采用先进制造技术，以提高自己的市场竞争力，使得企业能够在国内外激烈竞争的市场环境下生存和发展。1994年，我国国家科委组织的国家关键技术选择研究组提出了国家四大关键技术，AMT便是其中之一。

柔性制造系统FMS

柔性制造系统是60年代后期发展起来的一种先进制造系统，关于柔性制造的定义很多，但是一直未形成统一的认识。柔性生产主要依靠有高度柔性的制造设备来实现多品种小批量的生产。它的优势是明显的：如增强制造企业的灵活性和应变能力、缩短产品生产周期、提高设备使用效率和员工劳动生产率、改善产品质量等。

计算机集成制造系统CIMS

CIMS将制造系统中的各种自动化孤岛用计算机进行有机的集成，使制造系统适合于多品种，中小批量的生产，提高制造系统的总体效益。

精益生产系统LPS

精益生产是美国麻省理工学院根据其在INVP(International Motor Vehicle Program)的研究中对日本丰田生产方式的总结，于1990年提出的制造生产模式。精益生产的原则是：团队作业，交流，有效利用资源并消灭一切浪费，不断改进及改善。精益生产追求的目标是大幅度降低劳动力需求、占地面积、投资、工程时间及新产品开发时间。

智能制造系统IMS

智能制造是指应用智能制造技术和智能制造系统的制造生产模式，是在制造的各个环节中，以一种高度柔性和高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存贮、完善、共享、继承和发展。

敏捷制造系统AMS

敏捷制造是美国Lehigh大学和美国通用汽车公司在1998年首次提出的。它强调的是一种新的企业结构，在这个结构中每一个公司都能开发自己的产品和实施自己的经营战略。构成这个结构的基石是三种基本资源：有创新精神的管理结构和组织：有技术、有知识的高素质人员；先进制造技术。敏捷源于这三种制造资源的有效集成。

全能制造系统HMS

HMS由若干个全能体（Holon）组成，每一个全能体是一个既独立又协作的完整的个体，且在每个个体中都含有整个系统的价值和目的、每个全能体可以互相转换、传送、存储和确认信息及物理对象。一般来说，全能体既包含信息处理部分，也包含物理处理部分，同时也可以是另一全能体的特殊条件。

虚拟制造系统VMS

VMS是多学科先进制造技术的综合应用。其本质是以计算机支持的仿真技术、产品建模技术、人工智能技术、并行工程技术、分布式智能协同求解技术等为前提，对设计、制造等过程进行统一建模，在产品设计阶段实时地、并行地模拟产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品的可制造性、产品的成本等。从而更有效地、灵活地组织生产，使工厂与车间的设计与布局更为合理，以达到产品的开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化，生产效率的最高化。

高效快速重组生产系统

通过对柔性生产、精益生产和敏捷制造的比较、综合和创新，我国学者也提出了“高效快速重组生产系统”的概念。高效快速重组生产系统是指，全面吸收精益生产、敏捷制造和柔性生产的精髓，包含了全面质量管理、准时制生产等现代管理的经验，而将这些技术和经验及相关的资源集成为一个独特的管理环境和生产实体的系统，其主导思想是 “对市场的快速灵活反映”和“制造资源的有效集成”。这一研究目前尚处于构建理论体系的阶段。

2、机器人与先进制造系统

2.1 机器人与机器人技术

机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。1961年，美国的Consolided Control Corp和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

当前，机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。是当代十分活跃的研究开发领域，它包括正在逐步深入的机器人学基础技术研究，也包扩对国民经济有着重要作用的机器人工程应用技术研究。

2.2 机器人应用现状及国内外发展趋势

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，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设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术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（站）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。但总的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比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。我国尚未形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是针对用户的要求，“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。在机器人的发展历史上，存在着两种不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需求牵引，技术驱动” ，以机器人结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人，从而形成了庞大的机器人产业；另一条是英、美倡导的把机器人作为研究人工智能的载体，看成是计算机科学一部分的技术路线，但是，由于人工智能技术和其它智能技术的发展远远落后于人们对它的希望致使大部分研究成果走不出实验室。

2.3 机器人在先进制造系统中的地位

通过我们对先进制造模式的分析可以看出，柔性是它的重要特点之一，能否把现有的大规模生产线转化为能进行中小批量生产的“柔性”生产线，以达到生产同类产品的价格与批量无关，这将决定一个企业、一个地区，乃至一个国家在未来市场竞争中的地位。而机器人是一种具有高度柔性的自动化设备，对提高制造生产线的柔性具有特别重要的意义，因此机器人将在未来的制造企业中扮演越来越重要的角色。未来的典型制造工厂将是由计算机网络控制的包含多个机器人加工单元的分布式自主制造系统。在未来的制造工厂中，机器人技术不仅对工厂的底层车间产生深刻的影响，还将对产品的设计产生重要影响产品设计者将在产品设计过程中应用工厂和机器人等设备的模型来检验其产品的可制造性。

机器人并不仅仅是在简单意义上代替人工的劳动，它还是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造系统中不可缺少的自动化设备。因此，工业机器人必须改变过去的“部件发展方式”，而应该优先虑 “系统发展方式”。随着工业机器人应用范围的不断扩大，器人不应该仅仅适用于简单重复的工作，而是要作为一个可程的高度柔性的、开放的加工单元集成到先进制造系统中来。

3、制约机器人向先进制造系统集成的问题

工业机器人从其最早期的应用开始，就一直在制造业中发挥重要的作用。也正是随着制造业（如汽车业）的发展，工业机器人产业不断壮大，产量不断增加。当前先进制造技术发展迅速，作为一个以示教再现为基本特点的可编程操作臂，要能够继续在制造业占据重要地位，求得其产业的继续增长（对国内而言，则是为保持住我国工业机器人产业化的起始发展）就必须要注意解决有可能制约机器人向先进制造系统集成的问题。

3.1 机器人控制器的开放性

工业机器人内在的一些特性，包括它的柔性以及可重复编程性使得它在制造行业中的地位越来越重要，但是要将机器人作为一个自动化生产设备集成到先进制造系统中来，必须解决它与系统中其它自动化设备的连接问题。机器人是一种具有很高柔性的自动化生产设备，同种机器人可以应用于不同的制造对象，但是不同的工作可能要求机器人控制器具有不同的控制软件和硬件接口，而对于制造业企业来说，他们也希望所购买的设备具有较高的应用价值，这就要求机器人控制器的性能可以被方便的扩展和改进，也就是说，机器人控制器要具有开放性。

开放的控制系统应具备以下特征：

可扩展性：第三方可容易地加入软件及硬件功能；
互操作性：多台计算机之间可容易地交换信息；
可移植性：一个系统应用软件可方便地用到另一系统中；
可裁减性：现有系统功能可根据应用的要求增加或减少。

机器人控制系统的开放性，必须建立在控制器中内嵌开放式计算机平台开发系统的基础之上。在开放式的开发平台上开发人员可以应用面向对象技术将整个控制软件分成不同的模块，并留出相应的软件接口，这样就可以对机器人应用程序进行多次开发，如果用户想为控制器增加或改变功能，无需了解全部控制程序的编制过程，只需知道接口所要求的参数就可以方便地进行二次开发，增加功能，满足机器人用户的各种需要，以增加机器人的附加应用价值。

3.2 机器人技术与通讯联网

在一个包括机器人在内的先进制造系统中还可能有其它的设备，比如外部设备传感器单元、可编程逻辑控制单元等，整个工作单元的管理要由与车间级计算机相连接的主计算机来完成。既然整个工作单元涉及到许多复杂的装置，那么连接这些复杂装置的通讯系统对于整个工作单元的有效管理来说就具有非常重要的意义。另外，在一个先进的制造系统中，工业机器人将不再完全工作在示教再现方式下，离线编程方式也是被要求的。而离线编程作为机器人系统开发的核心技术，也要求外部计算机直接与机器人控制器通信。同时，随着电子技术的迅猛发展，尤其是计算机技术以两三年一代的速度向前发展，世界上各种自动化生产线也不断向前发展。在一条生产线上仅有一台机器人是不够的，而是需要十几台甚至是几十台机器人共同工作，这就要求我们能够将作为生产线底层设备的多台机器人通过网络进行互联。

而且在应用中，人们还期望通过网络更进一步扩大机器人系统的作业功能，如协调作业。对网络也有较高的要求，如实时性强、同步准确、可靠性高等。因此无论是从先进制造系统的发展方向来看，还是从机器人自身的发展来看，机器人与机器人以及机器人与其它自动化生产设备的通讯与联网都成为了制约机器人向先进制造系统集成的另一个重要问题。

一般说来，一个工厂环境下的通信环节需要多层的网络，它的范围涵盖了车间底层的设备网，车间级的监控网，以及管理层所需的管理和财政网络以至最终的协作层网络，甚至还可能涉及到全球的通信过程。根据国际标准化组织的定义，一个自动化生产系统可以被描述成一个三层网络结构，如图1所示。

图1 自动化系统三层网络结构

机器人作为一种自动化生产设备，在入网的时候也应该遵循这三层网络的准则，被划为车间级控制设备或具体的生产设备集成到自动化网络中来。

4、结束语

在未来的制造工厂中，工业机器人被发展成为“智能机器”，可以根据不同的需要有机地组成机器人化制造单元。它所组成的智能制造单元、建模方法及仿真技术的应用研究将对制造自动化水平的提高起很大的作用。

参考文献
[1] 熊有伦. 机器人技术基础. 华中理工大学出版社 1996. pp.67.
[2] 日本机器人学会编. 宗光华，刘海波，程君实等译. 机器人技术手册.pp.17.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/30/2006)


您的位置：首页 > 工业自动化展区 > 工业机器人展厅 > 产品库 > 技术论文 > 正文	产品库会展人才帮助 \| 注册登录