2.1 工业机器人
随着一只金黄色机械手臂的翻转、回旋,高达 600 摄氏度的银白色金属卷板在青烟中被干脆利落地抓起来并摆放到下一个工位。经过一道道工序后,成型的壳体被整齐地码放在流水线末端。这是某公司钣金工厂壳体车间的场景,它只是现代工业机器人应用的一个缩影。如今,成千上万的工业机器人被用在了世界各地的工厂里,完成着焊接、塑形、组装、搬运、喷涂等工作。工业机器人正在逐渐取代人类完成各种复杂精细的生产加工过程,其应用前景十分广阔(见图 2-1)。
1.火花中的生产者
焊接也许是工业生产中最有观赏性的一道工序。随着焊枪的起起落落,一束束火花喷射而出,像烟花一样耀眼夺目,给单调的工厂增添了许多生趣。但同时,焊接工序会对工人的健康构成一定的威胁。即便是穿上厚重的防护服、戴上保护面罩,长期接触飞溅的火花和燃烧产生的气体也会对人的视力和呼吸系统产生不小的影响,引发一系列疾病。
焊接机器人的出现彻底改变了这种局面。相对于人工焊接,机器人焊接具有焊接质量好、工作效率高、焊接过程稳定性强等优势,而且还可以把工人从充满隐患的工作环境中解放出来。焊接机器人分为点焊、弧焊和切割机器人,不同种类机器人的基本结构类似,都是由本体、计算机控制系统、示教盒和相应的焊接切割系统组成的。点焊机器人对灵活性的要求比较高,通常要能实现腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆、腕捻六个自由度,驱动方式有液压驱动和电气驱动两种,其中电气驱动因具有保养维修简便、能耗低、速度快、精度高、安全性好等优点而被广泛采用。图 2-2 左侧图展现的就是一台点焊机器人。
弧焊机器人能够在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制,完成焊接任务。
弧焊机器人具有焊接效率高、质量好、稳定性强等优势,可长期进行焊接作业。弧焊机器人主要分为熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两类,图 2-2 右侧图是我国于 20 世纪80 年代中期研制出的第一台弧焊机器人。
切割机器人可在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制,完成复杂的产品切割和坡口加工,具有可持续作业、切割精度高、切割过程稳定等优点。常见的切割机器人有激光切割作业、等离子切割作业和火焰切割作业等。图 2-3 展示的是一台激光切割机器人。
目前,焊接机器人占工业机器人装机总量的 45% 以上,主要应用在汽车制造和机械装备加工领域,市场潜力巨大。就像裁缝为我们缝制衣物一样,这些火花中的生产者通过灵活的手臂,也在帮助人类“编织”着一件件精美的工业产品。
2.工厂里的整容高手
现在很流行整容,皆因爱美之心人皆有之。同样,制造业中也需要对原材料和零部件进行整形加工,不只是要它们整齐好看,更是为了满足各种使用需求。塑形机器人主要用于零部件外形塑造和加工,能在航空航天、消费电子、机械加工、陶瓷加工等领域大显身手。常见的塑形机器人主要有打磨机器人和锻造机器人两类。
在实际的生产过程中,打磨可不只是拿砂纸摩擦一下那么简单。打磨机器人可对各种零件进行表面加工和抛光,如图 2-4 左图所示。用户可根据被加工零件的光洁度配置不同的机体和磨头。现有机器人打磨方式主要有两种:一种是工具主动型打磨,即待打磨工件固定不动,机器人带着打磨工具围着工件转;另一种是工件主动型打磨,即打磨工具不动,机器人带着待打磨的工件围着工具转。无论是哪种打磨方式,精确地控制和传动都是打磨机器人必须具备的本领,减速器、伺服电机和精密丝杠等部件同样发挥着重要的作用。
锻造机器人用来替代工人完成上料、翻转、下料等高危险、高强度、简单重复的锻造工序,如图 2-4 右图所示。当前,我国许多锻造企业主要靠人力完成生产任务,生产效率较低,产品质量也不稳定。锻造机器人的应用能有效降低工人的劳动强度,改善工作环境,提高生产自动化程度和生产效率。
3.可怜的巴克特先生
《查理和巧克力工厂》是一部充满了奇幻色彩的电影。善良的小男孩查理·巴克特通过自己的实际行动告诉人们应该如何去善待自己和这个世界。电影中,查理的父亲巴克特先生在一家牙膏厂工作,负责给生产线上的半成品牙膏套上旋盖。巴克特先生就靠着这点微薄的收入养活一家老小,然而他还是失业了。让他失业的不是更优秀的工人,也不是粗暴的老板,而是现代化工厂里的装配生产线。机器人能在很短时间内完成巴克特先生一天的工作量,所以工厂就不再需要巴克特们了。
现实中,还有许许多多的“巴克特先生”,在机器人的“逼迫”下离开了熟悉的工作岗位。在装配这个劳动力密集型的生产工序中,机器人对传统生产模式带来了颠覆式的变革。大量工人坐在一起完成简单重复工作的情形已经不复存在,取而代之的是一只只繁忙的机械手臂。在汽车制造、机电加工、电子产品制造等领域,装配机器人正在热火朝天地发挥着它们的才能。
从用途角度来说,装配机器人可以分为组装机器人和包装机器人,如图 2-5 所示。
组装机器人是自动化生产线上的关键设备,目的是对零部件进行装配和组合,具有精度高、柔顺性好、工作范围小等优点,能与其他系统配套使用。组装机器人可分为两类,即可编程通用装配操作手机器人和平面双关节型机器人。
实际生产过程中的打包、封口、装箱等工序,都可以由包装机器人完成。例如饮料的灌装和旋盖,都可以由同一台机器人完成。相比于传统的人工操作,包装机器人既能提高包装的效率和质量,又能完成一些手工包装无法实现的任务,如真空包装、充气包装、等压灌装,等等。那些在超市中售卖、外包装上写着“无菌灌装”的牛奶,就是由多功能包装机器人在灭菌环境下完成充装封口的。
可怜的巴克特先生们无须难过。与其唉声叹气地抱怨,不如抓紧时间去学习如何操作这些机器人,让机器来给我们创造更多的价值。
4.勤勤恳恳的装卸工
东西搬不动,机器人来帮你。在工厂中,需要不断地把沉重的物料、零部件和产品运输到不同的地点,而搬运机器人正是完成这些工作的一把好手。它可以灵活地装卸货物、自由移动,轻松解决了工厂车间内部的物流难题。
在自动化生产车间中,经常可以看到地面上有和城市道路上类似的人行横道,这是怎么回事呢?原来,工人们在车间内行走的时候,都要避让运输物料的自动牵引车(AGV)(见图 2-6),它们可是有优先通行权的。自动牵引车是一种能够按照设定好的导引路径,自动完成工业应用中各种搬运任务的运输车。AGV 具有行动快捷、工作高效、结构简单、安全可控、占地面积小等优点,已广泛应用于仓储、邮局、机场、制造业、图书馆、港口码头等行业。按照导航方式的不同,AGV 可分为电磁感应引导式、激光引导式和视觉引导式三大类。其中视觉引导式最为先进,涉及图像处理技术等前沿课题,是目前研究的热点。
厂房中摆放整齐的一箱箱成品通常是由码垛机器人完成的,如图 2-7 左图所示。它们的作用是把包装好的产品从生产线上面搬运下来,堆码在推盘上,等待运输设备取走。
码垛机器人结构简单、占地面积少、适用性强、能耗低,已经在现代生产和物流行业中被广泛使用。按照结构坐标系分类,码垛机器人可以分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节坐标型四类。
每年的“双 11”都成了商家和消费者的盛宴,同时也累坏了物流公司。海量的快递要送往全国各地,物流公司不仅需要准备更大的仓库防止爆仓,也需要迅速准确地对物品进行分拣发送。如果是以前,这项工作必须经过人的检视才能完成。不过现在,分拣机器人可以通过扫描包装上的条形码,对物品的属性和运输目的地进行迅速识别与分类,大大提高了物流效率。分拣机器人具有持续高负荷工作、分拣误差率低、工作人员少等优势,可广泛应用于物流、农产品分拣等领域。如英国发明的光学法土豆分拣机器人,可以通过红外线反射区分土豆的良好部分和腐烂部分,从而对土豆的品质进行甄别。该机器人 1 小时内可以分拣 3 吨土豆,相当于原来 6 名操作工人的工作量,同时工作质量大大提高。图 2-7 右图展示了一款分拣机器人。
5.工业产品的喷涂师
如今,马路上川流的汽车越来越漂亮,除了时尚的造型设计外,靓丽的车漆也功不可没。大家知道车漆通常是由四个漆层组成的吗?即在车身钢板之上,分别涂有电泳层、中涂层、色漆层和清漆层四个漆层,这四个漆层共同构成了我们目视所见的车漆。以前,汽车生产车间的喷漆工艺是由人工完成的。由于油漆中含苯,所以长期在苯浓度相当高的喷漆车间里工作的工人,特别容易罹患骨髓造血功能障碍,严重影响身体健康。现在,多亏有了“工业产品的喷涂师”—— 喷涂机器人,才把人从喷漆这种高危作业环境中解救出来。
喷涂机器人又叫喷漆机器人,如图 2-8 所示,对灵活性的要求很高,所以机器人本体多采用 5 或 6 自由度关节式结构,腕部一般也采用 2 或 3 自由度结构。喷涂机器人工作范围大、喷涂质量稳定、材料利用率高、易于操作和维护,已广泛应用于汽车、仪表、电器、搪瓷等制造行业。由于涂料是易燃易爆品,所以喷涂机器人一般采用液压驱动,而非电气驱动。
6.人与机器协作生产
一提到大名鼎鼎的工业机器人企业发那科,人们首先想到的是标志性的黄色。然而,发那科却研制出了一台如图 2-9 中所展示的绿色机器人,这到底是怎么回事呢?这款机器人便是发那科研发的“协作机器人”CR-35iA,其最大特点是无须在周围加装护栏,就可与人一起协同工作。与之形成鲜明对比的是,传统的工业机器人只能在围栏里工作,以避免碰伤周围的人员。协作机器人的奥妙在于,它在力学传感器的帮助下,可以感应任何触碰并停止可能带来伤害的移动。加之其外敷材料采用了柔软的橡胶而非坚硬的金属铸件,这就使得工作人员并不会因为碰到它而受伤。
协作机器人的出现改变了人们长期以来对工业机器人形成的固有观念。具备轻便灵活、编程方便等特点的协作机器人,可以填补全手动装配生产线与全自动生产线之间的间隙。同时,较低的成本和较强的通用性将使协作机器人成为中小企业的福音。
不仅是发那科,如今世界各大机器人厂商都在加快协作机器人的研发步伐。那智不二越的概念型协作机器人,如图 2-10 左图所示,配备了一套视觉图像采集系统,同时拥有两条 6 轴的机械手臂,可以灵活地抓取物件。该机器人腰部安装的旋转轴可以保证它随时转动,以便观察周围环境,主要应用于高灵敏度组装生产线上。另一家机器人巨头 ABB 也推出了新型双臂协作机器人 YuMi,如图 2-10 右图所示。该款机器人双臂宽度不足一米,全身以软性材料包裹,配备全新的力学传感技术,以保障操作人员的安全。YuMi 机器人具有工作范围大、操作灵活敏捷、操控精度高等特点,能够轻松应对各种小件的组装任务,如机械手表的精密部件,手机、平板电脑和台式电脑零件的处理,等等。
库卡公司发布的一款 7 轴轻型灵敏机器人 LBR iiwa,如图 2-11 左图所示,重量不超过 30 千克,负载却可以达到自身重量的一半。LBR iiwa 所有的轴都具有高性能碰撞检测功能,同时集成了关节力矩传感器,大大加强了自身的灵敏度、灵活度、精确度和安全性。Rethink Robotics 公司也推出了智能协作机器人 Sawyer,如图 2-11 右图所示。该机器人身高约 1 米,自重 19 千克,具备 7 个自由度,能够进入非常狭窄和拥挤的空间。友好的人机交互风格、独特的柔顺控制技术能保证 Sawyer 和人类并肩进行安全高效的工作。此外 Sawyer 机器人还能独立完成许多工作,如机器操控、电路板测试,等等。
不久的将来,协作机器人将会越来越多地进入智能化生产车间,与人类同事一起完成工作。机器人将成为人类劳动能力的延伸,与人的融合将更加紧密。协作机器人的大量使用会衍生出全新的生产方式和管理模式,极大地提高生产力水平。
7.微型制造的能手
微型制造技术有着较为广阔的市场前景,近年来发展势头迅猛。最近,一种新型抗磁性微操作技术(DM3)的问世,或将为微型制造领域带来深刻的影响和变革。
DM3 是由斯坦福国际研究所(SRI International)开发的。提到这家研究所,可能很少有人听说过它的名字,但是只要提到在这里诞生的产品——鼠标、Siri 和外科手术机器人等,恐怕无人不知、无人不晓。通过 DM3,人们利用印刷电路板就可以驱动和控制数以千计的微型机器人。这取代了传统的机械控制,灵活性更强,也不再受空间与疲劳力学的限制。实际上,SRI Bots 微型机器人,如图 2-12 所示,是一个个的小磁体,其主体部分是相同的,只是末端执行器按需求匹配,以实现精准操控。更厉害的是,这些微型机器人还能够制造工具为己所用。未来,这些微型机器人能在快速成型、光电混合电路制造以及生物组织制造等微型制造中发挥重要作用,甚至有望运行一个微型工厂。在这个工厂里,数以千计的微型机器人进行通用集成,实现毫米级的精确控制,以制作品质优良的工业产品。
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