自动化关键设备之工业机器人

沈爱华

(安徽佳通乘用子午线轮胎有限公司，安徽 合肥 230601)

工业机器人作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。我国正处于加快转型升级的重要时期，以工业机器人为主体的机器人产业，正是破解我国产业成本上升、环境制约问题的重要路径选择。

1 机器人简介及分类

1.1 定义

机器人（Robot）是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。

任务:协助或取代人类工作的工作，例如工业生产、建筑业或是危险的工作。

1.2 机器人三定律

因为机器人代替人类工作的特性，为了确保人类对机器人的控制，所以产生了著名的机器人三定律：

（1）机器人不可以伤害人类，人类受伤时，必须拯救人类。

（2）机器人要听从人类的命令，除非违反第一定律。

（3）机器人应能保护自己的生命，与第一、二定律相违背除外。

1.3 机器人分类

机器人按应用类型可分为工业机器人、极限作业机器人和服务机器人。

1.3.1 工业机器人

工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统（见图 1和图 2）。

1.3.2 极限作业机器人

极限作业机器人主要是指在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，也包括建筑、农业机器人等（见图3和图4）。

1.3.3 服务机器人

服务机器人包括家庭、医疗、娱乐、玩具机器人等（见图5和图6）。

2 工业机器人关键技术

2.1 工业机器人构成

（1）驱动系统：机器人运动起来各个关节的传动系统。

（2）机械结构系统：机器人的机械结构，工业机器人一般包括：基础、手臂、末端操作器。

（3）感受系统：内置或外接的各种传感器，测量外部信息

（4）机器人-环境交互系统：与环境中其他设备配合操作，形成系统。执行复杂任务人机交互系统工业机器人的总体成本中，减速机占比36%，伺服系统占比24%，机械本体占比22%，控制器占比12%，其他占比6%，减速机、伺服电机、控制器三大核心零部件占比成本达72%。

（5）控制系统：将相应的指令转化成驱动系统可执行的动作。控制系统原理图见图7。

2.2 主流的工业机器人

目前市面上主流的工业机器人的主要配置见图8所示。

工业机器人的总体成本中，减速机占比36%，伺服系统占比24%，机械本体占比22%，控制器占比12%，其他占比6%，减速机、伺服电机、控制器三大核心零部件占比成本达72%（见图9）。

2.3 主流的六自由度机器人

以市面上主流的六自由度机器人本体举例主要部件见图10。

2.4 减速机

机器人减速机主要有RV减速机和谐波减速机两种（见图11）。

相比于谐波减速机，RV减速机具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中，一般将RV减速机放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置，而将谐波减速机放置在小臂、腕部和手部。

RV减速机的原理很早就已经公开，而且没有专利保护，但是整个行业RV减速机80%市场仍由日本占据，主要品牌是纳博特斯克和住友

1970年10月，长谷川齿车株式会社与美国USM公司达成协议双方各出资50%，成立哈默纳科公司，基本垄断了全球谐波减速机市场。

RV减速机：电机旋转是从输入齿轮向直齿轮传动，输入齿轮和直齿轮的齿数比为一级减速比。曲柄轴和直齿轮直连，旋转数一致（见图12和图13）。

2.4.1 RV减速机

RV减速机：曲柄轴的偏心轴中，通过滚针轴承安装了2个RV齿轮，随着曲柄轴的旋转，偏心轴中安装的2个RV齿轮也跟着做偏心运动（见图14）。

一方面，在壳体内侧的针齿槽里，比RV齿轮的齿数多一个的针齿槽等距排列。曲柄轴旋转一次，RV齿轮与针齿槽接触的同时作一次偏心运动。

曲柄轴转一圈，RV齿轮旋转一个齿轮距离，二级减速比为RV齿轮数（见图15）。

总减速比为：一级减速比×二级减速比

2.4.2 谐波减速机

谐波减速机主要由波发生器、柔轮、柔性轴承、钢轮四个基本构件组成（见图16）。

谐波减速机是一种靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动 ，简而言之，就是把齿轮内嵌进去（见图17）。

谐波减速机的技术难点主要体现在柔轮寿命和加工精度上。

2.4.3 伺服电机

伺服电机以电流环、速度环、位置环控制电机的输出，以达到闭环控制部件运动的目的（见图18）。

2.4.4 控制器

控制器是机器人的大脑，发布和传递动作指令，包括软件和硬件两部分：硬件就是工业控制板卡，包括主控单元和信号处理单元等；软件部分主要是控制算法和人机交互程序（见图19、20）。

2.4.5 手爪-吸盘式

吸盘与真空发生器相连，吸取工件时，真空发生器在吸盘内形成负压，在大气压的作用下，工件被吸盘紧紧吸住。

当需要释放工件时，吸盘内吹入空气，负压消失，工件在重力作用下自由落体。

单个吸盘吸力有限，一般用多个吸盘组成吸盘组，以保证吸取的稳定性。吸盘及吸盘控制原理（见图21，22）。

2.4.6 手爪-抱夹式

抱夹式用于较重物体的搬运。

手爪设计成夹子的形状，一般采用气缸或电机作为驱动方式。抓取时，夹子夹紧搬运的物体，到达指定位置时，手爪松开，放下搬运物。

一般抓手上还会有传感器检测是否准确抓取到物体（见图23，24）。

2.4.7 手爪-内撑式

一般用于抓取较轻重量的环形物体，抓手伸入环形内再向多个方向撑开，待卡住物体稳定后，机器人进行搬运（见图25、26）。

3 工业机器人在轮胎工厂应用

工业机器人在轮胎工厂的应用（见图27～30）。

4 主要工业机器人厂家

4.1 中国工业机器人密度

以每万名工人所拥有的机器人数量来衡量工业机器人的使用覆盖率。

2015年，中国机器人密度仅49，全球平均69。2011～2018年，中国机器人密度逐年增长，2018年已达140，全球平均99。

中国工业机器人市场，见图32。

2015～2019年，中国工业机器人市场销售总额保持稳定增长，但2017年后增长率下降明显，见图33。

4.2 工业机器人四大家族

（1）日本的安川电机（YASKAWA）

日本首家生产伺服电机的公司，除去减速器外购，其他诸如控制器、伺服系统和机械设计都是自己完成。

（2）日本的发那科（fanuc）

发那科的多年专注以及上下游产业链整合。三大业务板块分别是数控系统、机器人和机床，三者采用统一平台。网络公开资料较少，利润率相对其他机器人厂家高。

（3）德国的库卡（kuka）

机器人本体和系统集成，广泛应用于汽车领域，拥有奔驰、宝马等核心客户。2017年，美的集团投资37亿欧元（约294亿元人民币），获得库卡集团94.55%的股份。

（4）瑞士的ABB

专注于电力电机与运动控制，应用于电子电气与物流搬运业，也广泛应用在高度成熟的汽车生产线中。

工业机器人界的四大家族：ABB、库卡、发那科、安川都有其独特的色系涂装（见图34）。

2012～2017年，工业机器人四大家族在中国的合计占有率一直在50%以上，随着近年国产机器人公司的崛起，机器人四大家族的市场占有率逐年下降（见图 35）。

4.3 中国工业机器人知名品牌

近两年来，我国机器人企业发展迅速，特别是骨干企业的研发生产能力不断提高（见表1）。

表1 中国工业机器人知名品牌

5 结论

工业机器人是智能制造业最具代表性的装备。工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染的目的，是工业自动化水平的最高体现。

随着经济的持续快速发展，我国正从劳动密集型向现代化制造业方向转型，振兴制造业、实现工业化是我国经济发展的重要任务。作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人的应用和普及自然成为企业较理想的选择。