《【深度】机器人发展现状及趋势分析》

  • 来源专题:数控机床——前沿技术
  • 编译者: 杨芳
  • 发布时间:2018-06-21
  • 一、机器人 创新发展概述

    机器人是集机械、电子、控制、传感、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备。自1956年机器人产业诞生后,经过近60年发展,机器人已经被广泛应用在装备制造、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业。机器人与人工智能技术、先进制造技术和移动互联网技术的融合发展,推动了人类社会生活方式的变革。

    当前,我国机器人市场 进入高速增长期,工业机器人 连续五年成为全球第一大应用市场,服务机器人 需求潜力巨大,核心零部件国产化进程不断加快,创新型企业大量涌现,部分技术已可形成规模化产品,并在某些领域具有明显优势。

    (一)机器人创新发展进程

    图1 机器人创新发展进程

    第一阶段,发展萌芽期。1954年,第一台可编程的机器人在美国诞生。1958年,美国发明家恩格尔伯格建立了Unimation公司,并于1959年研制出了世界上第一台工业机器人。这一阶段,随着机构理论和伺服理论的发展,机器人进入了实用阶段。

    第二阶段,产业孕育期。1962年,美国AMF公司生产出第一台圆柱坐标型机器人。1969年,日本研发出第一台以双臂走路的机器人。同时日本、德国等国家面临劳动力短缺等问题,因而投入巨资研发机器人,技术迅速发展,成为机器人强国。这一阶段,随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展,机器人也得到了迅速的发展。这一时期的机器人属于“示教再现”(Teach-in/Playback)型机器人,只具有记忆、存储能力,按相应程序重复作业,对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。

    第三阶段,快速发展期。1984年,美国推出医疗 服务机器人Help Mate,可在医院里为病人送饭、送药、送邮件。1999年,日本索尼公司推出大型机器人爱宝(AIBO)。这一阶段,随着传感技术,包括视觉传感器、非视觉传感器(力觉、触觉、接近觉等)以及信息处理技术的发展,出现了有感觉的机器人。焊接、喷涂、搬运等机器人被广泛应用于工业行业。2002年,丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人,是目前世界上销量最大的家用机器人 。2006年起,机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显。近五年来,全球工业机器人销量年均增速超过17%,与此同时,服务机器人发展迅速,应用范围日趋广泛,以手术机器人为代表的医疗康复机器人形成了较大产业规模,空间机器人 、仿生机器人 和反恐防暴机器人等特种作业机器人实现了应用。

    第四阶段,智能应用期。这一阶段,随着感知、计算、控制等技术的迭代升级和图像识别、自然语音处理、深度认知学习等人工智能技术在机器人领域的深入应用,机器人领域的服务化趋势日益明显,逐渐渗透到社会生产生活的每一个角落。

    (二)机器人产业规模加速增长

    根据IDC预测,在全球机器人区域分布中,亚太市场处于绝对领先地位,预计其2020年支出将达1330亿美元,全球占比达71%;欧洲、中东和非洲为第二大区域;美洲是第三大市场。

    图2 2020年全球机器人市场占比

    近年来,中国各地发展机器人积极性较高,行业应用得到快速推广,市场规模增速明显。2017年,我国机器人市场规模达到62.8亿美元,2020年,预计超过100亿美元。

    图3 中国机器人市场规模.

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    • 智能机床是智能制造的基础。如今,机床智能化发展极大地推进了我国机床行业的发展,助推国产机床走向世界,创造了更多的价值。本文,同济大学现代制造技术研究所名誉所长张曙教授对智能机床的现状进行分析以及对未来的展望。以下为主要内容。   智能机床是智能制造的基础。机床智能化可分为3个方面:①机床部件本身,包括主轴单元、进给驱动、结构件的智能化,用以抑制振动和热变形补偿等;②数控系统智能化,从加工设备控制器进化到工厂网络的终端,生产数据能够自动采集,实现机床与机床、机床与各级管理系统的实时通信,使生产透明化,融入企业的组织和管理,缔造智能化工厂;③机床智能化和网络化为制造资源社会共享、构建异地的、虚拟的云工厂创造了条件,从而迈向共享经济新时代,创造更多的价值。   沈阳i5智能机床   传统的数控机床是按照G指令和M指令驱动机床部件,实现刀具与工件的相对运动,对机床的实际工作状态并无感知和反馈。机床在工作过程中,在切削力、惯性力、摩擦力以及内部和环境热载荷的作用下,产生变形和振动,导致刀具的实际路径偏离理论路径,降低加工精度、表面质量和生产效率。   智能机床的核心在于构建一个基于模型的闭环加工系统。借助温度、加速度和位移等传感器监测机床工作状态和环境的变化,实时进行调节和控制,优化切削参数,抑制或消除振动,补偿热变形,充分发挥机床的潜力。智能机床的另一功能是网络通信,它是工厂网络的一个节点,可实现机床之间和车间管理系统的相互通信,提高生产系统效率和效益。   智能主轴   智能主轴的特征是自主性、自学习、兼容性和开放性。从感知到决策到控制,再到执行是实现智能的四部曲。主轴的智能化分为两类:①与主轴结构相关,即对温度或热误差、主轴平衡、主轴健康的监控和控制,进而实现温度控制和热误差补偿、不平衡度监控和主动平衡、主轴元器件损坏和失效监控与基于主轴实际状态的预测维护。②与加工过程有关,对颤振、刀具状态、主轴干涉的监控和控制,从而实现颤振的辨识及抑制和控制、刀具磨损和破损监测、刀具变形补偿、有效预防干涉与碰撞。   瑞士StepTec智能主轴是智能主轴的范例,它的智能化系统由电感轴向位移传感器、热电偶温度监控、主轴诊断模块、拉杆位置传感系统、加速度计振动测量、前轴承液压预紧载荷系统组成。可通过V3D三维振动测量和SDS主轴诊断软件优化主轴性能;通过AMS轴向位移传感器、TMS温度控制系统、SDM主轴诊断模块进行误差控制。   图1 基于模型的闭环加工系统   德国Prometec公司的主轴传感系统和分析(Spindle Sensor System and Analysis,3SA)环由固定的外环和旋转的内环组成,可安装在任何电主轴的前端,实现主轴智能化。安装在主轴壳体上的固定外环上分布有传感器,与安装在主轴上的旋转内环相互作用,进行主轴工作状态监控。3SA环可记录主轴的载荷状态、监控轴承或主轴的损伤和不平衡度,将信号发送给机床数控系统,补偿主轴的位置误差。3SA环提高了主轴的可用性和性能、以及知识的积累,实现基于主轴工作状态的维护,同时进行刀具和加工过程的监控。3SA环记录主轴工况变化的所有数据,如连接计算机或数控系统人机界面可随时显示,并对最近90次变化进行趋势分析。   智能机床结构   日本Makino T4钛合金加工机床的力控制智能导轨是一种控制导轨表面摩擦力与切削力保持平衡而消除振动的方法,其原理是借助测微计测量移动部件与导轨之间的间隙,控制伺服阀,调整气垫腔的上浮力,从而改变摩擦力,抵消切削力的变化。   增加机床结构的阻尼可减小受激振动的振幅,并使其很快衰减。机床结构阻尼器有两种:调谐阻尼器与主动阻尼器。调谐阻尼器(Turned Damping Device)是在主体结构上附加一定质量比的振动系统,用相位差来抵消振动,同时吸收能量并转化成热能耗散,兼具动力吸振和阻尼性能改善。主动阻尼器(Active Damping Device,ADD)是借助传感器感知机床结构的振动,经放大后转换成电信号,通过动圈式作动器改变机床主体结构的阻尼性能,抑制其振动。主动阻尼器具有频率响应范围宽、惯性质量小、安装方便等优点。   智能数控系统   智能数控系统是新一代的机床“大脑”,具有以下4方面功能:①自主选择加工参数+优化刀具路径=智能编程,进一步从三维CAD模型提取特征语义,直接生成无G指令的数控程序;②数控系统从运动控制器进化为车间管理系统的终端,成为工厂网络的基层节点,并可接入云平台;③数控系统嵌入MTConnect适配器和代理应用程序,能够实现机床之间的通信,进行信息交互;④数控系统连接到数字镜像服务器,与虚拟机床构成数字双胞胎,使产品设计、加工制造和测量检验连接成数字主线,实时看到如何相互影响,以便做出更好的决策,更高效、高质量地运行。   德国SolidCam公司的iMachining是智能编程的例子,它的“工艺向导”汇集了数百位经验丰富的CAM和CNC工程师所掌握的知识和经验,根据机床、材料和刀具优化进给、主轴转速、切削深度和宽度。从第一刀切削开始到加工完毕,iMachining都对毛坯、刀具材料和机床规格进行计算自动生成最佳的切削条件,借助“控制步距”技术,iMachining刀具路径保证切削条件严格遵循工艺向导,而且iMachining可根据主轴的刚性、夹具的刚性和刀具的伸出长度来设置相关的参数。   iMachining能够进行刀具路径优化,采用变体螺旋(Morphing)刀路而不是传统的次摆线(Trochoidal)刀路,减少退刀次数,尽量保证“刀具在切削中”;为了保证材料的最大去除率,iMachining会把刀路自动分成几个小的部分,以保证变体螺旋切削的最大效能;iMachining从最初进刀和最后退刀,动态的毛坯更新及追踪,确保刀路始终在切削材料,消除无用时间和运动;iMachining移动刀具从一个位置运动到下一个切深,仅在绝对需要抬刀的时候才退刀。   日本OKUMA的OSP Suite是智能数控系统的范例,该系统不仅能够实现热亲和、防碰撞、加工导航、伺服导航、5轴机床误差校正这5项智能化技术,同时让生产指示、作业指示,以及机床状态数据的管理可视化,从而缩短加工时间、提高运转率、缩短准备时间。   此外,无G指令的STEP-NC编程能够根据髙层产品数据对加工过程进行优化,提高生产效率与产品质量;可明确地描述需要加工的特征、工艺和允差;面向对象结构化的产品几何与制造信息模型,避免各环节间的数据格式转换;具有通用性和可重用性,STEP-NC文件能不经修改地用于不同的数控机床;实现信息双向传输,下游环节对产品数据的修改可直接保存,并反馈给上游环节。   终端-网络-云平台   在互联网条件下,数控系统不仅能够实现机床与机床的互联,还是一个能够生成车间管理数据、并与有关部门进行数据交换的网络终端。通过制造过程的“数据透明”,实现制造过程和生产管理的无缝连接。这不仅为了方便加工零件,同时产生服务于管理、财务、生产、销售的实时数据。实现了设备、生产计划、设计、制造、供应链、人力、财务、销售、库存等一系列生产和管理环节的资源整合与信息互联,减少浪费,提高效率。   图2 沈阳机床i5智能机床和云协同制造平台   在数控系统提供“透明”数据的前提下,需要与商业模式相配合的云端平台和云端应用。沈阳机床集团旗下智能云科公司研发的云协同制造平台(i-Smart Engineering&Services Online,iSESOL)平台,通过i5智能机床的在线信息,打造了一套云端产能分享平台,用户可以将闲置产能公示于iSESOL产能平台,有产能需求的用户无需购买设备即可快速获得制造能力,通过这种方式产能提供方可以利用闲置产能获得收益,产能需求方可以以较低的成本获得制造能力,双方通过分享获得利益最大化。这种制造能力的分享模式将会改变制造业的组织形式,并且充分挖掘社会闲置制造资源,进行产能切换,从闲置资源中获得利益最大化。基于iSESOL平台的智能机床互联网应用框架如图2所示。   结束语   机床智能化的第一个方面聚焦于机床部件本身,包括主轴单元、进给驱动、结构件的智能化,用以抑制振动和热变形补偿等。第二个方面是从加工设备进化到工厂网络的终端,生产数据能够自动采集,实现机床与机床、机床与各级管理系统的实时通信,使生产透明化,机床融入企业的组织和管理,缔造智能化工厂。机床智能化和网络化为制造资源社会共享、构建异地的、虚拟的云工厂创造了条件,从而迈向共享经济新时代,创造更多的价值。
  • 《2020年工业机器人发展机遇及趋势分析》

    • 来源专题:数控机床——前沿技术
    • 编译者:杨芳
    • 发布时间:2017-11-21
    • 随着机器人技术的不断成熟,机器人的精度越来越高,加上物联网连接功能的提升,使得机器人成为工业数字化转型中的关键角色。据IFR预测,到2020年世界工业机器人存量将达到30万台,2016年世界机器人库存为18.28万台,这意味着未来几年机器人市场保持14%的增长速度。 近年来,受到人力成本和人口结构的影响,亚洲地区机器人产业快速增长,中国成为了世界最大的机器人市场。据国际机器人联合会(IFR)预测,到2020年,将有170万个新工业机器人应用到世界各地的工厂中。 工业机器人是实现柔性自动化的基础设施,越来越灵活的机器人产品满足工厂的需求,有利于加快企业对市场的响应速度。2017年全球机器人市场保持着强劲的增长趋势,报告显示,亚洲澳大利亚地区的机器人安装量增加了21%,美洲机器人供应增长16%,欧洲增长8%。 随着机器人技术的不断成熟,机器人的精度越来越高,加上物联网连接功能的提升,使得机器人成为工业数字化转型中的关键角色。据IFR预测,到2020年世界工业机器人存量将达到30万台,2016年世界机器人库存为18.28万台,这意味着未来几年机器人市场保持14%的增长速度。 全球工业机器人五大市场 去年,全球机器人市场主要分布在中国、韩国、日本、美国和德国这五个国家,这五个国家占据了全球机器人的四分之三市场。 中国--全球最大的机器人市场,2016年销量达到87000台,接近欧洲和美洲加起来的销售97300台。此外。中国本土机器人供应商地位不断提升,市场占有率已经达到31%。 韩国--世界第二大工业机器人市场,2016年售出41400台机器人,比2015年增长8%。韩国是液晶显示器和内存芯片制造市场的领导者,韩国加大了电气和电子工业方面机器人的投资。在韩国制造业中,每10000名员工中就有大约630个机器人安装,是世界机器人密度最高的国家。 日本--2016年工业机器人销售38600台,增长了10%,这是日本十年以来的最高水平。日本是主要的机器人生产国,为满足工业机器人日益增长的需求,日本机器人厂高不断增长生产能力。2016年产量达到152600台(2010年产量为73900台),这个数字是全球机器人总供应数量的一半。 美国--2016年工业机器人销售量达到了31400台,比2015年增加了14%。美国为了提升工业竞争力,不断发展自动化生产,通过优惠政策把国外制造业引回本土,增加同内生产投资,为机器人创造了良好的市场环境。美国机器人密度为每10000名员工中1261台安装量,仅次于韩国之后,美国大多数的机器人都是从日本、韩国和欧洲进口。 德国--世界第五大机器人市场,也是欧洲市场中最大的一个。2016的工业机器人年供应量和存量分别占欧洲机器人销售总额的36%和41%。2016年售出的机器人20039台,相比2015的19945台略有增加。 工业机器人行业机遇和趋势 工业4.0是把现实工厂与虚拟世界连接起来,通过数字化技术把生产变得更透明化,提升生产效率和降低生成成本,达到满足小批量定制化的市场需求,这种趋势在全球制造业显得越来越重要。工业4.0涉及多项技术,除了机器人,还有人工智能、3D打印、物联网、云计算、大数据、虚拟现实等等。 随着这些前沿技术的突破,系统复杂性和数据不兼容等问题也将被克服,机器人将能更好的集成到工厂自动化的系统网络中。云机器人将是未来的一种新趋势,机器人连接网络后,通过传感器采集各种数据,如速度、加速度、角度等,通过不同位置机器人的数据进行比较分析以预测机器人状况。 这种预测分析可以用于改善生产和进行机器维护,通过数据分析机生产线的不足,进一步改进优化生产流程;同时可以预测机器故障点,提前做好设备保养,从而降低停机风险,企业可以把这种服务作为一项专门的业务来运营。 对于很多中小型企业来说,采购机器人成为一种负担,加上订单不稳定,无法形成做长远的规划。因此,一些机器人厂商考虑租赁模式,为工厂提供机器人以及维护服务。 还有,机器人正在变得越来越简单化,对于缺乏技术工程师的企业来说,易于编程程的机器人才是他们所需要的,简化后的机器人更容易开发出智能制造解决方案。易于使用的机器人可以很容易地集成到生产过程中,使工业机器人在许多行业中得以部署,以维持高效和灵活的生产。