环球市场/理论探讨
工业机器人的技术发展趋势及产业应用现状
魏 爽
苏州德迈科电气有限公司上海分公司
摘要：工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进生产制造柔性化、增强企业核心竞争力等诸多方面具有举足轻重的地位，因此也是越来越受到重视。工业机器人的发展处于上升阶段，我国在借鉴国外先进的技术与管理经验的同时，也要注重提升工业机器人企业的创新能力，从而能够更好提高我国工业发展水平、从制造业大国变成制造业强国。基于此本文分析了工业机器人的技术发展趋势及产业应用现状。
关键词：工业机器人；技术发展趋势；应用现状1、国内外工业机器人的发展现状1.1国外的发展
第一台工业机器人的研制成功是在美国，它的出现是机器人出现在现实世界的开端。就目前来看，工业机器人的生产技术趋于成熟，但是优势还是重点集中在以美国为代表的少数发达国家的身上，他们有最先进的生产技术，生产出来的机器人质量高，可操作性强，不容易出现不受控制的现象。机器人这一行业中，在国际上有名望的企业也大多也来自于美国、日本或者欧洲国家。现在全球几乎全部的工业工厂都有机器人的出现，在过去的几年里，机器人在工业发展上也做出了突出的贡献。许多发展中国家对传统工业机器人的制造技术也日渐成熟，机器人的价格也在没有出现一开始的涨幅趋势，而是在每年不断地下降。传统的工业机器人也越来越不能满足人们的需求，现在各国的技术工程师正在致力于研究具有完全自主的人工智能机器人。随着工业机器人智能水平的提高，它不仅仅局限的服务于传统的制造业，还服务于其他行业。机器人可以进行采矿，农业，建筑等相关行业，在抢险救灾中也起到了很大的作用。随着技术的进步，家用型的机器人进入了人们的家庭生活当中，机器人充当了保姆的角色，在家里帮助主人做家务，人们也不用担心与保姆不熟悉产生不必要的误会的事件的发生。机器人在军事领域也得以运用，许多可能存在生命危险的事情由机器人代替，减少了国家军事人才的损失。
1.2国内的发展
在改革开放的推动下，我国的工业机器人也飞快的发展，为了与那些工业化发达的国家缩短距离，我国也对发展这项新型的科技进行了鼓励与支持。在进行机器人的研究时我们应该借鉴与吸取国外已经发展成熟的先进的生产技术，站在一个高的起点上进行突破，以推动我国工业机器人技术的发展，要多向其他国家学习，毕竟我们的生产技术还不太成熟，技术人员对生产技术把握的还不是很好。现在在国内有上百家的单位进行着机器人事业的研发工作，数十家企业专门从事机器人的制造生产。在国家的支持下中科院有专门研究相关技术的部门，在许多重点大学加设机器人研发的相关课程的讲授，允许在这方面有突出成就的大学生加入研究工作。
2、工业机器人的关键技术
机器人学是一门典型的交叉学科，工业机器人是一种集成了各领域技术的高科技机电一体化产品，工业机器人关键技术的涵盖面非常广泛，本文选取了几种具有代表性的关键技术的发展方向。
2.1新材料技术
就目前的情况来看，很多的工业机器人的零部件具有很多优点，
主要是体现在耐磨性和高刚性方面，做好该方面能够有效提高精度，对此其对于制造的材料的要求也是非常高，特别是在材料化学元、含量、金相组织控制，以及超常规热处理工艺方面。
2.2人工智能技术
随着科学技术的发展，工业机器人也得到了了进一步发展，尤其是在智能化、拟人化作业能力方面，从而能够更好的满足工业机器人在生产线上的应用，对于这方面也将是最后的发展方向。对于人工智能技术主要是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法和技术，但是如今科学家仍然还是不能完全的掌握人脑的运行机制，从而也不能设计出高智能的工业机器人。
2.3新型伺服器技术
在工业机器人中非常重要的技术是伺服器，其能够根据变化的目标物体，能够进一步控制控制机器人的下一个动作，伺服器性能直接影响着机器人的质量优劣，因此进一步加强对其的研究非常有必要。
2.4新型减速器技术
随着社会的不断发展，工业机器人技术也逐渐的朝向高精度、高响应速度、高稳定性方向发展，就目前的情况来看，减速器已经不能很好的满足发展的需求，因此加强对新型减速器技术的研究非常有必要。加上我国减速器技术还落后与工业比较发达的地区，因此其也是具有很大的发展空间。
2.5新型控制器技术
随着工业机器人的不断研究，采用单CPU芯片的硬件架构和基于传统算法的软件架构逐渐不能满足要求，工业机器人的控制器技术逐渐向多CPU、并行化发展，算法逐渐向人工智能方向发展。
3、机器人应用现场安全控制
在工业机器人提升工作效率和产品品质的同时，其安全生产问题也应该是重中之重。
3.1人的安全
(1)机器人操作以“安全第一，预防为主”为原则，使用机器人过程中人的安全永远为第一位。(2)把机器人安装在没有漏洞的安全围栏内，这样，在机器人运行过程中，可以有效防止人员进入机器人工作区。(3)在机器人操作运行中或者等待中，切不可进入机器人的运动范围。(4)护栏上的安全门应带有安全插销及其感应装置。安全门必须通过拔开插销才能打开，并且拔开插销必须能使机器人自动安全停止。(5)当需要示教/检查机器人，而进入安全围栏时，操作人员必须将安全插销随身带在身上再进入，以免有人意外操作机器人。同时，要在电控箱前指派一个监察员，用于监控各操作，并能随时准备按紧急停止按钮。监察员也必须是完成了相关培训课程的员工。(6)清晰地标示当前机器人状态，例如：“自动模式”“示教中”“安装调试中”“维修保养中”等信息。这样每个人都可以看到机器人当前的运行情况。
3.2系统设备的安全
(1)机器人夹具。机器人夹具的传感器需接进整个系统，机器人进行与夹具有关的动作时需确认夹具的状态信号，机器人夹具应设为在失电情况下闭合，保证在突然掉电时手爪中的产品不会掉落。
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自旋转磨削硅片时，砂轮每转磨削深度tw与砂轮轴向进给速度f和硅片转速nw关系为：
单晶硅片自旋转磨削中，为了减少磨削热、提高磨削质量，实际磨削中硅片与砂轮为半接触。为了兼顾磨削效率与磨削质量，常常釆用较髙的砂轮转速，较低的硅片转速，砂轮与硅片的转速比大于等于10。
通过相关计算最终得出：
tw=f/nw根据公式，对给定的砂轮轴向进给速度f，提高硅片转速nw，可以减小硅片磨削深度。对于一些超精密磨床，其砂轮轴向进给速度可以控制到1μmmin以内，如果硅片转速为200rpm，则硅片每转的磨削深度只有0.005μm，可以实现微量切深的延性域磨削。若在保持与传统的往复平面磨削相同的磨削深度磨削时，可以通过大幅度提高砂轮轴向进给速度，增大材料去除率，从而实现高效磨削。
由此，得出单颗磨粒在距硅片中心距离为R处的平均磨削深度为：
1)在一定范围内增加砂轮转速，磨削硅片的材料去除率略有提高，砂轮的主轴电机电流减小，并且硅片磨削表面质量有所改善。但是过高的砂轮转速不利于提高材料去除率和改善表面质量。2)砂轮进给速度是硅片磨削效率和磨削质量的主要因素，进给速度越大，硅片的去除率越大，但是砂轮主轴电机电流越大，表面质量越差。磨削过程应分快速进给磨削、慢速进给磨削和无火花磨削三个阶段
其中，ap是砂轮的磨削深度。根据自旋转磨削运动特点，砂轮除了绕自身轴线做旋转运动外，还沿轴线做轴向进给运动，在每一个磨削周期内，并没有固定不变的磨削深度，这与平面磨削有很大的不同。
2、硅片自旋转磨削表面粗糙度实验
硅片自旋转磨削时，硅片固定在尺寸略大于硅片的真空吸盘上，并随吸盘一起绕其中心轴旋转，杯型砂轮绕其主轴旋转并沿轴向进给。自旋转磨削加工过程中，当砂轮主轴与吸盘主轴平行时，理论上砂轮与硅片之间的全接触磨削面积或弧长；但是在实际磨削加工中，为了减小磨削力和减少磨削热，通常有意调整砂轮主轴与吸盘主轴之间的角度，产生一个微倾角使砂轮和硅片实现半接触(half-contact)磨削。
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进行，既能提高磨削质量又能兼顾加工效率。3)砂轮粒度越细，磨削加工材料去除率越小，主轴驱动电机电流越大，磨削表面粗糙度越小，但是采用比#2000粒度更细的砂轮磨削加工时，材料去除率减小，而表面粗糙度变化不大。
参考文献：
[1]田业冰.硅片超精密磨削表面质量和材料去除率的研究[D].大连理工大学，2005.
[2]霍凤伟.硅片延性域磨削机理研究[D].大连理工大学，2006.[3]田业冰.大尺寸硅片磨削平整化理论与工艺技术的研究[D].大连理工大学，2007.
[4]羽家平.自旋转精密磨削过程磨削力控制策略和控制系统研究[D].广东工业大学，2011.
机器人夹具的设计应保证机器人取放料时姿态流畅，动作合理。(2)外围设备。外围设备是指送料机，传送带，收料机等系统接口设备。的外围设备与系统配线连接时应使用继电器隔离，外围设备中与人员操作有关的部分应在方便位置设置系统急停按钮。(3)冲床模具。冲床模具上应有感应物料状态的传感器，应能检测到冲床模具上有料、叠料等情况，并以此信号控制冲床。(4)冲床。为了对应冲床的双手制启动，将系统发出的启动信号经继电器转换后，将继电器常开触点并接在冲床启动输入点的常开回路上，继电器常闭触点串接在冲床启动输入点的常闭回路中。冲床的安全光栅应能检知机器人的取放料动作。系统与冲床联机时，使用继电器隔离，冲床的维修与保养应由有专业资格的人员完成。
4、工业机器人的发展趋势4.1工业机器人的标准化任务
要发展健康的工业机器人产业，需有一套与时俱进的健全的标准体系做指导。标准体系应以市场为导向，迎合技术的不断更新换代，引导整个行业的高质量发展。标准的制定要注重发挥企业在标准定制中的重要作用，协同推进产品研发与标准制定。
在标准化体系的建设过程中，建立企业标准—团体标准—省市级地方标准—国家标准—国际标准的模式，将具有先进性的标准推广到更高更广的层面，从而推动整个行业的发展。根据市场和创新的需求制定团体标准，规范建立企业产品和服务标准自我声明公开和监督制度。为加快我国标准国际化的进程，需要鼓励更多的企业、科研院所、行业组织等参与到国际标准的制定中，将中国制造推向世界的高端制造业。
4.2发展趋势
工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益。
(1)朝着标准化方向发展。当前，世界各个国家均在研究、开发发展组合式机器人。这种机器人就是运用标准化的组合件进行拼装而制成的。可以说，今后将朝着伺服电机、传感器、手臂、手腕与机身等工业机器人组件标准化方向发展。(2)朝着智能化方向发展。工业机器人智能化通俗地讲是让机器人有感觉、有知觉，能够迅速、准确地检测及判断各种复杂的信息。(3)研究新型机器人结构。新型微动机器人结构可以提升工业机器人的作业精度、改善工业机器人的作业环境，为此研制新型工业机器人结构也是将来适应工作强度高、环境复杂的作业需要。(4)研究机器人协作控制。在先进制造环境中，需要多个机器人、生产线、周边设备、生产管理系统与人的集成，完成协作控制，进而工业机器人的协作控制系统是未来的一个发展趋势。
总之，工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进生产制造柔性化、增强企业核心竞争力等诸多方面具有举足轻重的地位，工业机器人必将成为我国制造业升级的重要依据力量，因此，研究工业机器人产业的技术和产业情况具有重要的研究意义，需要引起我们的重视。
参考文献：
[1]吴潮华.多工业机器人基座标系标定及协同作业研究与实现[D].浙江大学，2015.
[2]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报，2014，09：1-13.
[3]赵杰.我国工业机器人发展面临的挑战[J].航空制造技术，2012 (12)：27-29.
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