王至堯
(中國空間技術(shù)研究院)
學(xué)習(xí)德國工業(yè)4.0、中國智能制造講座(連載三)
王至堯
(中國空間技術(shù)研究院)
中國智能制造架構(gòu)如圖5-1所示。
圖5-1 中國智能制造架構(gòu)
5.1 智能制造裝備軍工技術(shù)優(yōu)勢(shì)
國外航空航天領(lǐng)域及汽車等領(lǐng)域,部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)配套設(shè)備的柔性智能化,并逐漸由單一的柔性智能設(shè)備演進(jìn)為多個(gè)設(shè)備集成的柔性智能裝配系統(tǒng),在這一技術(shù)演進(jìn)過程中涉及的核心技術(shù)有機(jī)器人技術(shù)、移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)、AGV引導(dǎo)技術(shù)、IGPS定位技術(shù)、過程仿真與優(yōu)化技術(shù)、多智能體調(diào)控技術(shù)和工業(yè)息化技術(shù)等。如圖5-2所示。
圖5-2 柔性智能裝配系統(tǒng)典型應(yīng)用
國內(nèi)經(jīng)過近十年的發(fā)展,在機(jī)器人研制與應(yīng)用、移動(dòng)平臺(tái)研制與應(yīng)用及工廠生產(chǎn)信息化等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但是面向高端裝備制造的智能化柔性制造系統(tǒng)還處于起步階段,與國外相關(guān)技術(shù)存在較大差距。以下分別從機(jī)器人技術(shù)、智能化移動(dòng)平臺(tái)和數(shù)字化制造技術(shù)等方面進(jìn)行分析。
5.2 工業(yè)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人是目前市場(chǎng)需求最為廣泛的一類機(jī)器人,其典型應(yīng)用包括銑削機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴涂機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人等。
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟,已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備得到了工業(yè)界的廣泛應(yīng)用,從而也形成了一批在國際上較有影響力的著名工業(yè)機(jī)器人公司,主要包括:瑞典ABB、日本FANUC、Yaskawa(安川)、NACHI(不二越)、OTC和MITSUBISHI(三菱),德國KUKA等等。
目前,國內(nèi)工業(yè)市場(chǎng)上70%以上的機(jī)器人為日本和歐洲產(chǎn)品,國內(nèi)產(chǎn)品不足20%,通用機(jī)器人產(chǎn)品基本被國外廠家以相對(duì)高質(zhì)量、低價(jià)格所壟斷。在工業(yè)機(jī)器人研制涉及的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置、軟件設(shè)計(jì)和編制、自動(dòng)化裝配線、全線自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制等技術(shù)領(lǐng)域與國外先進(jìn)水平有較大差距,尤其在機(jī)器人的基礎(chǔ)部組件如高性能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、諧波減速器、六維力傳感器和運(yùn)動(dòng)控制器等方面差距顯著。
5.2.1 銑削機(jī)器人
目前,采用機(jī)器人進(jìn)行銑面、切割等加工方法已經(jīng)在汽車、航空制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,并且,隨著柔性制造系統(tǒng)的出現(xiàn)以及機(jī)器人性能的不斷提高,機(jī)器人銑削加工在柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用也得到關(guān)注和重視。
Shinichi Matsuoka等采用機(jī)器人進(jìn)行銑削加工,通過使用小直徑端銑刀(φ3 mm)和高速電主軸(100 000 r/min)的方法,將鋁合金銑削加工中切削力降低到褶邊機(jī)械加工時(shí)的50%~70%,如圖5-3所示。
圖5-3 實(shí)驗(yàn)機(jī)器人加工示意圖
圖5-4 KUKA Milling 8
KUKA公司專門設(shè)計(jì)了Milling 8 kW的機(jī)器人作為加工機(jī)床使用,尤其適用于輕質(zhì)材料如塑料、木材和泡沫塑料等的銑削加工,如圖5-4所示。??怂箍挡捎肦OMCUT高速銑削機(jī)器人與白光系統(tǒng)集成方案,為汽車模具加工提供了高效的加工和檢測(cè)手段,如圖5-5和圖5-6所示。
圖5-5 ROMCUT高速銑削機(jī)器人用于模具加工
圖5-6 高速銑削機(jī)器人加工消失模
美國Electroimpact公司與英國空客公司聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)(ONCE),搭載KUKA350-2六軸臂式機(jī)器人,主要用于鉆孔、锪孔以及測(cè)量緊固件孔,如圖5-7所示。瑞典Novator公司根據(jù)Orbital鉆頭專利技術(shù)開發(fā)了一套機(jī)器人多功能鉆削系統(tǒng)(Orbital E-D100),如圖5-8所示,其具備壓緊、鉆孔和排屑等功能,鉆孔深度可達(dá)25 mm。
圖5-7 ONCE末端執(zhí)行器
圖5-8 Orbital E-D100
與國外先進(jìn)水平相比,目前,我國在銑削機(jī)器人方面的研究較少,僅有少數(shù)的研究所和大學(xué)在進(jìn)行相關(guān)研究,且仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
5.2.2 焊接機(jī)器人
在國外,焊接機(jī)器人在20世紀(jì)60年代后期就已經(jīng)問世并用于生產(chǎn)中。目前,基于機(jī)器視覺傳感器的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)發(fā)展比較快。如美國Worthington Industries公司開發(fā)了一種焊縫跟蹤傳感器,能夠?qū)す夂附舆^程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,定位精度可以達(dá)到0.1 mm;Meta Machines Ltd.公司,開發(fā)了使用2個(gè)30 mW激光器的Meta Torch 500,可以增加光強(qiáng)和改善光強(qiáng)分布,提高了傳感器的信噪比和抗干擾能力,如圖5-9所示。加拿大Servo Robot公司設(shè)計(jì)的一款多功能傳感器,采用了并列裝配的雙激光視覺傳感器,中間為激光焊接聚焦裝置并監(jiān)視焊接熔池,后端傳感器通過條型激光條紋檢測(cè)焊后焊縫的形狀和焊接缺陷,如圖5-10所示。
圖5-9 Meta公司的激光焊縫跟蹤傳感器 圖5-10 多功能激光視覺傳感器
在國內(nèi),焊接機(jī)器人起步較晚,但應(yīng)用較為成熟。目前,我國工業(yè)用焊接機(jī)器人數(shù)量只有約2 500臺(tái),其中55%左右為弧焊機(jī)器人,45%左右為點(diǎn)焊機(jī)器人。2008年9月,哈工大機(jī)器人研究所研制完成國內(nèi)首臺(tái)165 kg級(jí)點(diǎn)焊機(jī)器人,并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。新松機(jī)器人公司已經(jīng)開發(fā)出RH6弧焊機(jī)器人,并進(jìn)行了小批量生產(chǎn),焊接質(zhì)量達(dá)到了國外同類機(jī)器人產(chǎn)品的水平。
5.2.3 裝配機(jī)器人
裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序,在制造業(yè)中占有重要地位,在人力、物力和財(cái)力消耗中占有很大比例,作為一項(xiàng)新興的工業(yè)技術(shù),機(jī)器人裝配應(yīng)運(yùn)而生。
安川開發(fā)出了MOTOMAN-DA20雙臂機(jī)器人,機(jī)器人有一個(gè)類似于腰部的回轉(zhuǎn)軸及在回轉(zhuǎn)軸上各有六個(gè)自由度的雙臂,每個(gè)手臂可握持20 kg的重物,可以靈活地完成較為復(fù)雜的單獨(dú)動(dòng)作與組合動(dòng)作,而且可以高效率完成更為復(fù)雜的裝配工藝作業(yè)。
ABB在S4Cplus機(jī)器人控制器的基礎(chǔ)上開發(fā)出一個(gè)新型力量/位置混合平臺(tái),如圖5-11所示,解決了機(jī)器人定位和力量控制的問題,使機(jī)器人具有“感覺"的能力,同時(shí)又沒有影響機(jī)器人現(xiàn)有的功能。DENSO公司推出包括四軸、五軸和六軸機(jī)器人,如圖5-12所示,承載的負(fù)荷最高達(dá)到20 kg。Staubli公司擴(kuò)大它的四軸和六軸機(jī)器人投資,并且推出能夠處理1~220 kg載荷,控制范圍達(dá)到400~3 100 mm的機(jī)器人,這些全部是在一個(gè)單獨(dú)的控制平臺(tái)上運(yùn)轉(zhuǎn)的。
圖5-11 FANUC機(jī)器人應(yīng)用在航空裝配
圖5-12 MOTOMAN—DA20雙臂機(jī)器人
經(jīng)過多年的研究與開發(fā),我國在裝配機(jī)器人方面有了很大的進(jìn)步。我國已研制出實(shí)用型裝配機(jī)器人,如廣東吊扇電機(jī)機(jī)器人自動(dòng)裝配線、小型電器機(jī)器人自動(dòng)裝配線,以及自動(dòng)導(dǎo)引汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線和精密機(jī)芯機(jī)器人自動(dòng)裝配線等機(jī)器人示范應(yīng)用工程。大連賢科機(jī)器人技術(shù)有限公司與國內(nèi)5家高校和科研所合作,開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列化裝配機(jī)器人。“賢科”自主開發(fā)的裝配機(jī)器人已在家電、電子儀表和輕工等行業(yè)得到初步應(yīng)用。
5.2.4 噴涂機(jī)器人
噴涂機(jī)器人由于具有自動(dòng)化程度高、效率高、通用性強(qiáng)和工作可靠等優(yōu)點(diǎn),越來越受到汽車業(yè)的重視,已經(jīng)在汽車生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。其中,比較有代表性的是ABB公司以及日本FANUC、安川和三菱等公司生產(chǎn)制造的噴涂機(jī)器人。如圖5-13所示,ABB IRB5500機(jī)器人具有獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)和高加速特性,允許噴漆室更窄更短,可以在一個(gè)更加緊湊的噴漆室內(nèi)進(jìn)行,從而有效改善油漆流量和傳遞效率,并能省去噴漆室的軌道軸。
圖5-13 I RB5500機(jī)器人
我國噴涂機(jī)器人已有一定程度的發(fā)展,但總的來看,我國的噴涂機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平與國外相比還有不小的差距,主要表現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量及性能、技術(shù)水平及品種、新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品在國內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等幾個(gè)方面。
5.2.5 搬運(yùn)機(jī)器人
工業(yè)上常用于搬運(yùn)作業(yè)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為帶有吸盤的真空吸附裝置。搬運(yùn)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車零部件制造、汽車生產(chǎn)組裝、機(jī)械加工、電子電氣、橡膠及塑料和木材與家具制造等行業(yè)中。圖5-14所示為DELTA機(jī)器人上安裝的真空吸附裝置。
圖5-14 DELA機(jī)器人真空吸附裝置
在國外,目前主要采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的搬運(yùn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),如ABB公司研制了圖5-15所示的四自由度IRB360 Flex Picker Delta機(jī)器人,并配置了Coguex公司的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)。法國蒙彼利埃實(shí)驗(yàn)室的Par4型并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī),己投入了工業(yè)應(yīng)用,如圖5-16所示。
圖5-15 ABB的IRB360 FlexPicker機(jī)器人 圖5-16 蒙彼利埃Par4型并聯(lián)搬運(yùn)機(jī)器人
目前,國內(nèi)搬運(yùn)機(jī)器人研究現(xiàn)狀:一方面,國內(nèi)的搬運(yùn)機(jī)器人研究主要以機(jī)構(gòu)學(xué)理論為主,產(chǎn)業(yè)化推廣不夠;另一方面,在高速搬運(yùn)并聯(lián)機(jī)器人等熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究較少,只有天津大學(xué)、大連理工大學(xué)等高校進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究。
5.3 智能化移動(dòng)平臺(tái)
智能化移動(dòng)平臺(tái)設(shè)備主要采用雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的舵輪和麥克納姆輪等2種形式。兩者相比,前者具有承載能力大,在一些重載、超重載場(chǎng)合具有很好的優(yōu)勢(shì);在運(yùn)動(dòng)的連貫性、方向切換的靈活性和運(yùn)動(dòng)精度等方面,麥克納姆輪具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)?;邴溈思{姆輪的全向智能移動(dòng)平臺(tái)因其全方位移動(dòng)、支持大型重載、調(diào)整精度高和可與多種工業(yè)設(shè)備集成等特點(diǎn),在重型大承載領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
5.3.1 全向智能移動(dòng)設(shè)備國外發(fā)展現(xiàn)狀
目前,美國、德國和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家在全向智能移動(dòng)設(shè)備研制方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),部分應(yīng)用在智能平臺(tái)、機(jī)器人、AGV小車和叉車等產(chǎn)品上,并已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
德國KUKA公司開發(fā)的omniMove移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng),通過手持遙控器操作,能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)在平面內(nèi)360°任意方向的靈活移動(dòng)。該移動(dòng)平臺(tái)的輪系采用麥克納姆輪設(shè)計(jì),具有很好的擴(kuò)展能力,目前已開發(fā)出一系列的功能擴(kuò)展模塊,包括高空升降模塊、起吊模塊和機(jī)器人模塊等。其典型應(yīng)用如下。
1)普通轉(zhuǎn)運(yùn)移動(dòng)平臺(tái)。德國KUKA公司開發(fā)的移動(dòng)平臺(tái)如圖5-17所示,用于實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)部的大載荷轉(zhuǎn)運(yùn)。
圖5-17 普通轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)
2)擴(kuò)展升降模塊、起吊模塊。KUKA公司開發(fā)的omniMove移動(dòng)平臺(tái)取代常規(guī)升降車和起吊車的移動(dòng)底盤如圖5-18所示,可用于大部件吊裝以及飛機(jī)總裝過程中的輔助人工裝配。
圖5-18 擴(kuò)展升降及起吊模塊的移動(dòng)平臺(tái)
3)超大載荷轉(zhuǎn)運(yùn)。 KUKA在德國Augsburg 工廠所生產(chǎn)出來的omniMove移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)如圖5-19所示。該平臺(tái)長(zhǎng)度約為30 m、寬約5 m,可以運(yùn)載約35 m長(zhǎng),10 m寬的飛機(jī)機(jī)身零件,最高載重可達(dá)100 t。這些可通過遙控方式來操作的運(yùn)輸平臺(tái)深獲飛機(jī)制造商Airbus的青睞。
圖5-19 應(yīng)用于飛機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)的移動(dòng)平臺(tái)
5.3.2 全向智能移動(dòng)設(shè)備國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
在國內(nèi),全方位轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的研究還處于起步階段,研究單位主要有新松公司、北京衛(wèi)星制造廠、解放軍裝甲兵工程學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)等。
其中,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了一種輪徑140 mm的雙排徑向直布輥?zhàn)邮饺轿惠?,并由此開發(fā)了一種微小型移動(dòng)機(jī)構(gòu)。東南大學(xué)研究人員進(jìn)行了基于麥克納姆輪的全方位移動(dòng)機(jī)器人研究,研制出了外形尺寸為272 mm×405 mm×215 mm、承載能力為15 kg的微小型全方位運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前,兩所高校的研究多集中在實(shí)驗(yàn)室小型移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究上,缺少轉(zhuǎn)化為具體的工程應(yīng)用。
解放軍裝甲兵工程學(xué)院與浙江美科斯叉車公司聯(lián)合研制出可承載500~600 kg的萬向運(yùn)動(dòng)叉車樣機(jī),如圖5-20所示,其車輪采用類似VETEX公司的內(nèi)輪轂斷續(xù)輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)的輥?zhàn)訌闹虚g一分為二進(jìn)行安裝固定。
圖5-20 萬向運(yùn)動(dòng)叉車
新松公司推出的移動(dòng)平臺(tái)如圖5-21所示,該平臺(tái)區(qū)別于其他單位的麥克納姆輪輪設(shè)計(jì)。采用雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的舵輪形式,主要用于物流領(lǐng)域。經(jīng)過近幾年的發(fā)展,目前已開發(fā)出基于視覺導(dǎo)航的物料搬運(yùn)系統(tǒng)。
圖5-21 移動(dòng)叉車及自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)
北京衛(wèi)星制造廠研發(fā)的基于麥克納姆輪的全向智能移動(dòng)設(shè)備擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),并已經(jīng)通過國防科技成果鑒定。目前已形成390、485、574和620等4種系列產(chǎn)品。全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)技術(shù)發(fā)展較為成熟, 其產(chǎn)品已應(yīng)用于航空航天、軌道交通、武器裝備、電力傳輸與檢測(cè)等領(lǐng)域。部分產(chǎn)品的典型應(yīng)用如圖5-22~圖5-25所示。
圖5-22 重載搬運(yùn)平臺(tái)
圖5-23 精確裝配平臺(tái)
圖5-24 檢修平臺(tái)
圖5-25 智能移動(dòng)平臺(tái)
新松公司、北京衛(wèi)星制造廠、德國KUKA和VETEX的業(yè)務(wù)范圍、業(yè)務(wù)板塊及相關(guān)產(chǎn)品性能指標(biāo)對(duì)比見表5-2。
表5-2 對(duì)比情況表
(待續(xù))