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)

5 建立中國智能制造架構(gòu)

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

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)、移動平臺技術(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、移動平臺研制與應(yīng)用及工廠生產(chǎn)信息化等方面取得了長足的進(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)、智能化移動平臺和數(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高質(zhì)量、低價格所壟斷。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)動系統(tǒng)配置、軟件設(shè)計(jì)和編制、自動化裝配線、全線自動通信、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)動電動機(jī)、諧波減速器、六維力傳感器和運(yùn)動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，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165 kg級點(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)器人有一個類似于腰部的回轉(zhuǎn)軸及在回轉(zhuǎn)軸上各有六個自由度的雙臂，每個手臂可握持20 kg的重物，可以靈活地完成較為復(fù)雜的單獨(dú)動作與組合動作，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)出一個新型力量/位置混合平臺，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，這些全部是在一個單獨(dú)的控制平臺上運(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)器人自動裝配線、小型電器機(jī)器人自動裝配線，以及自動導(dǎo)引汽車發(fā)動機(jī)裝配線和精密機(jī)芯機(jī)器人自動裝配線等機(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)動和高加速特性，允許噴漆室更窄更短，可以在一個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)外市場競爭力等幾個方面。

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 智能化移動平臺

智能化移動平臺設(shè)備主要采用雙電動機(jī)驅(qū)動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、超重載場合具有很好的優(yōu)勢；在運(yùn)動的連貫性、方向切換的靈活性和運(yùn)動精度等方面，麥克納姆輪具有更加明顯的優(yōu)勢?；邴溈思{姆輪的全向智能移動平臺因其全方位移動、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設(shè)備研制方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，部分應(yīng)用在智能平臺、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移動平臺系統(tǒng)，通過手持遙控器操作,能夠?qū)崿F(xiàn)平臺在平面內(nèi)360°任意方向的靈活移動。該移動平臺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)移動平臺。德國KUKA公司開發(fā)的移動平臺如圖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

2)擴(kuò)展升降模塊、起吊模塊。KUKA公司開發(fā)的omniMove移動平臺取代常規(guī)升降車和起吊車的移動底盤如圖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平臺

3)超大載荷轉(zhuǎn)運(yùn)。 KUKA在德國Augsburg 工廠所生產(chǎn)出來的omniMove移動平臺系統(tǒng)如圖5-19所示。該平臺長度約為30 m、寬約5 m，可以運(yùn)載約35 m長，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)的移動平臺

5.3.2 全向智能移動設(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轿惠啠⒂纱碎_發(fā)了一種微小型移動機(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)動叉車

新松公司推出的移動平臺如圖5-21所示，該平臺區(qū)別于其他單位的麥克納姆輪輪設(shè)計(jì)。采用雙電動機(jī)驅(qū)動的舵輪形式，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 移動叉車及自動轉(zhuǎn)運(yùn)平臺

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設(shè)備擁有自主知識產(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

圖5-23 精確裝配平臺

圖5-24 檢修平臺

圖5-25 智能移動平臺

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)對比見表5-2。

表5-2 對比情況表

(待續(xù))