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1、玻璃、陶瓷加工业工业机器人2012 年 5 月 22 日星期二 机自 091 学号 09 杨超 指导教师：卜繁岭玻璃、陶瓷加工业用的工业机器人通过上网查资料，我了解到 2010 年的时候，中国工业机器人总有量已经超 10000 台，约占全球总数的 0.6%。同时，需求量将会超过 3000 台。中国工业机 器人市场将进入高速发展时期。这主要是由于我们国家现在正处的国情和所处 的世界境遇。现在机器人已经慢慢融入到我们的社会的各行各业。同时，也在 不断地给我们的工业发展带来诸多便利。那么，下面我就对工业机器人在玻璃、陶瓷加工业方面做些探讨与分析工业 机器人在这个行业的发展前景做些设想。基于玻璃、陶瓷
2、产业大家相比不会感觉很陌生。而工业机器人虽然已经进入 大家的视线很多年，但是我相信大家对于机器人多少还会感觉一点陌生感吧！ 那么，我就从这个陌生的机器人先给大家讲起。 一、工业机器人的由来： 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要 点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器 人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差 不多都采用这种控制方式。1959 年 UNIMATION 公司的第一台工业机器人在美 国诞生，开创了机器人发展的新纪元。 最早的关节机器人 UNIMATION 的 VAL（very advan
3、tage language)语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学 及科研机构中传播，也是各个机器人品牌的最基本范本。其机械结构也成为行 业的模板。其后，UNIMATION 公司被瑞士 STAUBLI 收购，并利用 STAUBLI 的技术优势，进一步得以改良发展。日本第一台机器人由 KAWASAKI 从UNIMATION 进口，并由 kawasaki 模仿改进在国内推广。 二、工业机器人的定义： 工业机器人的定义在国际上还没有统一的规定. 但普遍认为它是“在三维空间 中,具有高自由度, 能进行多种动作功能的设备” 。现代的工业机器人可定义 为 “具有类似人体上肢臂、手动作功能的、可进行多种
4、动作的设备, 或具有感 觉功能、认识功能, 能进行自律性行动的设备, 即智能机器人” 。 三、工业机器人的特点：（1）技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发 等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决 策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业 自动化水平的最高体现。 （2）技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以 及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体 力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。 （3）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装
5、备是生产过程的关键设备， 可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零 部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC 装备、军工、烟草、金融、 医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。 （4）技术综合性强工业机器人与自动化成套技术，集中并融合了多项学 科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机 器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工 一体化、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。四、工业机器人的动力源： 目前工业机器人使用的动力源有电气式、液压式、气动式、机械式及真空吸附 和磁力式等, 在
6、电气式动力源中多用伺服电机和步进电机。伺服电机与微型机 相结合, 可以完成各种控制, 所以被广泛的应用于各种工业机器人上。直线运 动的部件直接采用直线电机驱动。由于不需要运动转换机构, 所以具有高速、 高精度的优良控制性能。不断发展和改进的步进电机由于能适应多种控制形式 而在工业机械人中得到广泛的普及。在液压动力源中, 喷嘴挡板式电液伺服阀 可获得高精度的位置和速度控制是应用最广泛的控制元件。气动式动力源所使 用的介质是可压缩的气体, 所以给控制带来很大困难, 只限于在单纯作双位置 动作控制时采用。 为了实现动力源的小型、高输出, 多自由度,文章还报道了目前正在开发的 超声波马达、记忆合金驱动
7、元件以及生物微型机械手用压电动力源等 五、工业机器人在玻璃行业的应用：1、(1)某平板玻璃生产线由于经常发生人工堆垛玻璃而发生玻璃表面擦伤 及沾染污渍而导致玻璃报废，而且搬运过程中浪费了大量劳力，工作效率很低。 因此，东南大学控制系经过努力研究、实验。最终研究出来了一个机器人，这 个机器人从而解决以上的人所达不到的目的。（2)以下三幅图便是我们研究的机器人相关结构图：图 1 UP6 型机器人外观简化图图 2 ABB-UP6 型机器人机构简图图 3 ABB 工业机器人自动码垛系统平面布置图(3）为了解决上面的难题，我们采用了4 台ABBUP 6 工业机器人并将其加 以改造，从而用于自动码垛系统的
8、作业,ABB UP6 机器人自动装箱、码垛系统是 一种集成化的系统，它包括工业机器人、控制器、编程器、机器人手爪、在线 机器人视觉系统和码垛模式软件。系统配置自动称重、贴标签和检测与通信系 统。并与生产控制系统相连接，以形成一个完整的集成化玻璃生产线。这种柔 性码垛系统通过机器人用吸盘式手爪抓取平板玻璃，并进行玻璃码垛作业。2、（1）玻璃基板搬运机器人是一种应用于无尘或真空环境下的传输用工业机 器人, 它主要应用在FPD产业中, 联结前后段制程并在各制程中实现玻璃基板的 交换与传递。因此,该玻璃基板搬运机器人应具有高刚度、高速度、高定位。（2）目前, FPD 产业中玻璃基板搬运机器人常用构型有
9、多关节型机器人、 直角坐标型机器人和圆柱坐标型机器人。多关节型机器人通常含有4 6个自由 度,定位精确度高, 灵活性大, 但其运动控制和轨迹规划较复杂, 手臂结构刚性 较低, 且设计制造该类型机器人成本较高。直角坐标型机器人通常具有2 3个 自由度,其运动空间常为长方体, 该类型机器人结构简单, 结构刚性好, 定位精 度高, 但其体积大, 运动时的空间利用率低。 3、 玻璃码垛机器人的特点就是高速和重载。玻璃是片状物品，面积较大（本 项目最大码垛玻璃尺寸：24403660mm）,高速600片h，但速度问题按照目 前技术水平，完全能达到；中片玻璃其重量在360kg以下，因此机器人抓起重 量应不低
10、于360kg,360kg对于六轴机器人是属于重载，目前国内机器人均属于 轻载，其抓起重量在150 kg以下。国外用于玻璃码垛超重载机器人最大抓起重 量已达到1200 kg,因此研发重载、超重载机器人，是机器人发展的必然趋势。4、估计已有多达250个机器人正在世界玻璃工业中工作。其用途十分广泛：雷达设备、电视显象管、白炽灯泡、日光灯管、平板玻璃、广口瓶以及玻璃容器 的生产。如果说资方把自己贡献于这项技术, 这只不过是机器人在玻璃工业中 应用的光明未来的开端。 5、机器人的首要用途之一是在玻璃输送的操作中,通用机器人被用来码放日 光灯管。机器人的这项工作是要码放灯管的装载板。该装载板放在链式传带旁
11、 边的机器人身上。当传送带端头的灯管到达一个限位开关时, 传送带停止了。 开关指令机器人,在拾取区内有31 根灯管一正好码一层。机器人就一下拾起这 31 根灯管, 转动90 后, 把它们放在四周有立桩的装载板上。当码满24 层 时, 机器人暂停, 并指令传送带送另一组空装载板。 六、工业机器人在陶瓷行业的应用：1 ( 1) 建立机器人快速制造粘土类陶瓷原型加工系统，针对所加工材料的特 性选择合适的刀具和机器人加工轨迹。 针对软材料的切削原理，研究针对粘土材料的机器人加工工艺，找到合适的加工参数，制作满足熔射制模技术要求的 耐高温陶瓷原型。通过对粘土坯料进行加工实验，验证了新工艺的可行性，同 时
12、也发现了一些问题，比如切屑粘刀，排屑不畅及精加工过程中的崩豁问题， 这些都需 要我们在后面的研究中继续展开工作。2、 陶瓷原型加工路径的建立。以汽车覆盖件陶瓷原型, 其最大尺寸( 37032570) mm, 成形件表面质量要求高。因此, 以汽车覆盖件陶瓷原型为例讨论陶瓷原型的加工, 具有比较典型的代表性。基于UG CAM 对机器人加工 路径进行规划。使用UG 时, 操作者可以通过对话框进行加工参数设定与修改, 包括几何参数、刀具、方法、程序四方面。首先选取加工方式, 设定相关参数 后, 可生成刀轨路径。然后通过仿真检查并优化刀轨, 生成NC 代码。最后用本 实验室开发的转换程序NC2JBI,
13、实现NC 代码到机器人的代码转换。3 ( 1) 从不同方向返回测点时都存在不同的误差; 机器人轨迹中存在误差最 小的坐标轴方向, 走刀时应尽量沿此方向。 机器人轨迹位置精度测量的结果: 最大、最小误差的变化趋势基本相同, 但两者相差约0.01mm; 行走速度变化时, 两种误差的变化规律基本相同, 不随行走速度变化。建立NC 代码与机器人代码 的转换公式,考虑沿轨迹位置误差最小的轴方向走刀并对轨迹作补偿处理, 得到 了可生成优化的机器人铣削路径代码的算法和CAM 软件。实际加工得到用于熔 射制模的陶瓷型熔射原型, 满足熔射要求, 从而验证了所开发的软硬件以及加 工技术的可行性。4、工业机器人在陶
14、瓷行业的应用, 在国外已是一个较为成熟的技术。工业机 器人在施釉和翻模、坯胎出模的工序中适应了不同的工件和模具。这样, 可在 施釉工艺这样一种粉尘较大、作业较复杂的工作中, 取代人工作业, 提高产品 质量和劳动生产率。在翻模、取坯作业这种体力劳动强度大, 需较仔细的作业 中避免人工操作易疲劳, 造成功效低, 易损坏毛坯的毛病。另一方面, 由于机 器人能 “存入” 许多工件的最佳施釉工作“ 曲线” , 且每次调用只需非常简单地将 相关的程序调人机器人的“ 当前” 操作指令中。所以, 一旦工件变化时, 机 器 人能以最快的速度适应工件, 喷涂出高质量的釉面。这是人难以达到。 5、工业机器人快速制造
15、原型是正在发展的一种快速制造原型和零件的方法，但 是在过去的十几年，它的应用范围普遍局限于石蜡、木材、塑料和轻金属等材 料。研究人员考虑缩短产品的开发时间，提高设备的功能性以及环境和谐性和 产品质量，已经构筑了多种机器人快速原型系统。构筑了一个铣削泡末材料的 快速原型系统机器人系统。构筑了面向大型制件的机器人快速原型系统，工作 空间为4m 2m 2m，可以制作许多大型零件。构筑了基于双机器人的快速 灵活制造木制船模系统。发展了一个基于工业机器人的薄壁铝金属成型系统。 国内机械科学研究总院单忠德研究员在机器人快速制造铸型方面也做了很多工 作。七、工业机器人的前景：1 经济环境改变与市场供需增加
16、2012 年中国政府实施新劳动法后，劳动力成本大幅提升，经济环境发生了 变化。这一方面使某些制造商将劳动密集型产业转移到劳动力成本更加低廉的 东南亚各国，另一方面促使本土企业更加重视提升工厂自动化水平。 另外，越来越多的国际汽车厂商登陆中国，激烈的市场竞争刺激了中国本 土汽车厂商对工业机器人的需求。例如，奇瑞将在 2012 年生产 100 台自用的焊 接工业机器人。同时，更多的工业机器人国际供应商也在加速进入中国市场。 例如，专注于汽车喷涂、焊接工业机器人的柯马（Comau）将在 2012 年底建立 昆山工厂。 2、技术发展加快 受到国家 863 计划的资助，目前已经有哈尔滨工业大学、燕山大学等 30 余 所高校展开了对工业机器人的研究。 一些数控机床和系统制造商开始将未来的盈利点瞄向工业机器人。例如， 沈阳机床已有研发工业机器人的计划；华中数控、广州数控也已经开始研发并 制造工业机器人。 国际运动控制软件和传感器制造商不断加大与中国的交流，中国工业机器 人制造商将获得对以往难于突破的技术瓶颈的支持。通过集成方式将先进的传 感器和控制技术
