工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括臂部、腕部和手部,有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3~6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,其中腕部通常有1~3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作;控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號,并進(jìn)行控制。
如果說幾年前許多人對工業(yè)機(jī)器人還稍感陌生的話,那么現(xiàn)在“機(jī)器人時(shí)代”已悄然降臨身邊。今年上半年我國共銷售工業(yè)機(jī)器人6400臺,是去年全年銷售量的66.8%;預(yù)計(jì)全年國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人銷售總量將超過1.2萬臺,同比增長25%左右……2014年的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人市場“火得發(fā)燙”。
在產(chǎn)業(yè)政策的激勵(lì)和市場需求的帶動(dòng)下,機(jī)器人領(lǐng)軍企業(yè)產(chǎn)業(yè)化能力不斷提升,越來越多的新企業(yè)也積極投身于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)當(dāng)中,一個(gè)個(gè)與機(jī)器人有關(guān)的故事就這樣發(fā)生了……
第16屆中國國際工業(yè)博覽會(huì)上,一組工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行操作演示。
2014年,工業(yè)機(jī)器人被來自全世界的喧囂議論包圍著。無論誰談到第三次工業(yè)革命和工業(yè)4.0,就不得不說機(jī)器人;無論誰提及先進(jìn)制造和新科技革命,也都會(huì)說到機(jī)器人。其中,中國機(jī)器人的話題又成了最大的焦點(diǎn)。這是因?yàn)?,工業(yè)機(jī)器人在中國市場總銷量已經(jīng)占到全球銷量的五分之一,超過日本,成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場。
當(dāng)機(jī)器人在中國各家企業(yè)生產(chǎn)一線忙得熱火朝天時(shí),中國敏銳的“創(chuàng)新”神經(jīng)再次被觸動(dòng)。在政府部門,在科研院所,在企業(yè)一線,正發(fā)生著很多振奮的故事。所有故事中,有一個(gè)共同的聲音,這就是——奔跑吧,機(jī)器人!
圖 北京科博會(huì)上展示的智能機(jī)器人
從機(jī)器蛇到大飛機(jī)
一條機(jī)器蛇與邢登鵬“對視”著。
這一幕發(fā)生在5年前卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人所組織的一次展覽上。與其說展覽,不如說是一場高級機(jī)器人的“聚會(huì)”,各種想得到和想不到的機(jī)器人在快門聲中出盡了風(fēng)頭。
“你能叫它爬到我的腿上嗎?”邢登鵬說?!爱?dāng)然!”這條“蛇”順著他的褲腿向上爬。邢登鵬用所有“專業(yè)”神經(jīng)去感受它:對褲子沒有很大抓力,“蛇”身上的各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)流暢。這讓當(dāng)時(shí)在這所全美第一的機(jī)器人所訪問學(xué)習(xí)的邢登鵬大開眼界,再想想國內(nèi)技術(shù)與之相比的差距,心里萬分著急。
5年過去了。如今,邢登鵬已經(jīng)是中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所副研究員。他和同事吳保林、李海鵬等手上最新的任務(wù),就是攻關(guān)一種高級工業(yè)機(jī)器人:復(fù)合材料鋪絲機(jī)。
飛機(jī)機(jī)翼多是特殊材料制成且形狀不規(guī)則,需要有特殊的裝備將材料一層層鋪上才能成型。這個(gè)裝備就是鋪絲機(jī),法國、西班牙做得最好,但技術(shù)長期被國外封鎖,我國企業(yè)要用,至少得掏上千萬元,當(dāng)然,還得在別人愿意賣的前提下。為此,中科院自動(dòng)化所研究團(tuán)隊(duì)去年開始就瞄準(zhǔn)了這塊硬骨頭,立項(xiàng)攻關(guān)。
這個(gè)鋪絲機(jī)難就難在,它要在機(jī)械臂的前端安裝附加設(shè)備,讓機(jī)器人能在運(yùn)動(dòng)中完成鋪料、加熱、塑狀成型,比一般的搬運(yùn)、焊接復(fù)雜得多。前端設(shè)備怎么做、運(yùn)動(dòng)控制怎么弄,都是大難題。所以,目前國外都沒有幾家能做出來。但是,這個(gè)高級機(jī)器人一旦誕生,不僅能推動(dòng)國產(chǎn)大飛機(jī)制造,還能被應(yīng)用于很多跟復(fù)合材料相關(guān)的制造業(yè),勢必讓我國工業(yè)機(jī)器人的水平再進(jìn)一步。
同時(shí),這個(gè)鋪絲機(jī)項(xiàng)目還很接地氣,已經(jīng)跟天津市東麗區(qū)聯(lián)合成立了研究院,一旦研制成功,將成立公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作。5年前被國外機(jī)器人觸動(dòng)的邢登鵬,如今正和同事們憋著勁要做出觸動(dòng)國外的成果。
機(jī)器人,大概由本體、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。如果非要跟人對應(yīng),本體相當(dāng)于軀干,傳感系統(tǒng)如同眼睛、皮膚,執(zhí)行系統(tǒng)則是關(guān)節(jié)、肌肉,控制系統(tǒng)是大腦。在邢登鵬看來,我國機(jī)器人正努力從“軀干”走向“大腦”?!霸谶@個(gè)過程中,我們關(guān)鍵部件要跟上、要向智能化發(fā)展、要瞄準(zhǔn)高端前沿裝備,整個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境和研究氛圍也必須把軟件提高到跟硬件一樣的重視程度?!毙系蛆i說。
重拾8年遺珠
與科研院所一樣,企業(yè)也邁開大步“走向”機(jī)器人。
2014年的高潤林變得更加繁忙,在陜西寶雞總部廠區(qū),這位在秦川機(jī)床干了28年的“老技術(shù)”要和同事們扛起一個(gè)大任務(wù):工業(yè)機(jī)器人減速器研發(fā)。
減速器,其實(shí)離百姓生活并不遠(yuǎn)。高檔酒店的自動(dòng)門、高鐵車廂里的自動(dòng)門等都在用減速器這個(gè)增力設(shè)備。只是用到機(jī)器人身上的減速器對傳動(dòng)精度要求更高,誤差要控制在六十分之一度之內(nèi)。只有這樣,才能保證機(jī)器人重復(fù)勞動(dòng)時(shí)的精度。這個(gè)“精致”部件長期依賴進(jìn)口,不僅讓我國機(jī)器人企業(yè)成本增加,交貨期也不能保證,無法穩(wěn)定生產(chǎn)。要解決這個(gè)問題,只能靠自主創(chuàng)新。
其實(shí),秦川機(jī)床做減速器并不是心血來潮。高潤林回憶說,早在上世紀(jì)90年代,大連交通大學(xué)就聯(lián)合秦川承擔(dān)了國家863項(xiàng)目“機(jī)器人用RV減速器”。之所以選擇秦川,是因?yàn)樯a(chǎn)這種減速器必須依靠精密齒輪制造技術(shù),而這一技術(shù)正是磨齒機(jī)生產(chǎn)定點(diǎn)單位秦川機(jī)床的特長。
4年攻關(guān),圖紙終于變成了實(shí)物。可這個(gè)高投入、低產(chǎn)出的東西能賣給誰呢?市場在哪里?在當(dāng)時(shí)的環(huán)境下,誰也看不清,秦川只能把精力先投在主營業(yè)務(wù)上。漸漸地,這個(gè)創(chuàng)新成果被束之高閣,而且一放就是8年。
這之后,中國工業(yè)機(jī)器人的裝機(jī)量每年以超過20%的速度增長。市場的曙光掃除了遲疑。2009年,秦川決定重拾減速器研發(fā),但是,早年先進(jìn)的成果已被實(shí)現(xiàn)甚至超越,要達(dá)到領(lǐng)先水平,難度不亞于最初的攻關(guān)。
“減速器的關(guān)鍵零件包括偏心軸、針齒殼、擺線輪、行星齒輪等,每一個(gè)部件都有很大的加工難度?!备邼櫫终f,倘若是一般部件,照著清單采購零件,用現(xiàn)成的設(shè)備就能做??蛇@個(gè)新玩意,不僅要做出“蛋”——減速器產(chǎn)品,還要有“雞”——能夠批量穩(wěn)定生產(chǎn)減速器的專用設(shè)備。好在秦川已有減速器研發(fā)基礎(chǔ)以及在機(jī)床加工設(shè)備上的優(yōu)勢,再加上市場發(fā)展的強(qiáng)烈緊迫感,讓這第二次攻關(guān)能夠大跨步推進(jìn)。
提前謀劃和付諸行動(dòng),讓秦川的減速器項(xiàng)目在今年正式得到了國家科技重大專項(xiàng)支持。
目前,秦川機(jī)床生產(chǎn)的BX減速器在主要技術(shù)指標(biāo)上已能媲美國際同類產(chǎn)品,明年將具備6萬套至9萬套的生產(chǎn)能力。“產(chǎn)品一旦批量入市,對國內(nèi)機(jī)器人減速器市場,包括產(chǎn)品的價(jià)格走向,都將產(chǎn)生重要影響。”高潤林說。
系列化、高精度、低成本,這是秦川機(jī)床董事長龍興元對減速器研發(fā)的要求?!拔沂菍W(xué)機(jī)械工程出身,許多事都習(xí)慣做好了再說?!饼埮d元習(xí)慣了低調(diào),但也堅(jiān)信,秦川的關(guān)鍵元件將助推中國機(jī)器人迅速產(chǎn)業(yè)化。
擴(kuò)展閱讀:工業(yè)機(jī)器人種類
工業(yè)機(jī)器人按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分為四種。直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng);圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作;球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮;關(guān)節(jié)型的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。
工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能,又可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型只控制執(zhí)行工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位,適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等作業(yè);連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng),適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。
工業(yè)機(jī)器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計(jì)算機(jī)上已編好的作業(yè)程序文件,通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機(jī)器人控制柜。
示教輸入型的示教方法有兩種:一種是由操作者用手動(dòng)控制器(示教操縱盒),將指令信號傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍;另一種是由操作者直接領(lǐng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍。在示教過程的同時(shí),工作程序的信息即自動(dòng)存入程序存儲(chǔ)器中在機(jī)器人自動(dòng)工作時(shí),控制系統(tǒng)從程序存儲(chǔ)器中檢出相應(yīng)信息,將指令信號傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動(dòng)作。示教輸入程序的工業(yè)機(jī)器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人。
具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機(jī)器人,能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作;如具有識別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能,即成為智能型工業(yè)機(jī)器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境,并自動(dòng)完成更為復(fù)雜的工作。