自主机器人研究报告
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自主机器人研究总结报告
一、课题研究背景和意义
工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。在国际上,工业机器人技术日趋成熟,已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用,从而也形成了一批在国际上较有影响力的、著名的工业机器人公司,这些公司已经成为其所在地区的支柱性企业。在众多制造业领域中,应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中,机器人都已逐步取代了人工作业。
工业机器人在制造业的应用范围越来越广阔,其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高,功能越来越强,并向着成套技术和装备的方向发展。工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展,其发展趋势主要为:结构的模块化和可重构化;控制技术的开放化、PC化和网络化;伺服驱动技术的数字化和分散化;多传感器融合技术的实用化;工作环境设计的优化。在汽车领域,应用最广泛的是中载和重载机器人,因此开发具有较高负载能力的机器人意义更大。
二、课题研究的总体目标及完成情况
2.1 课题研究的总体目标、考核指标
2.1.1总体目标
开发出具有自主创新的点焊机器人及周边应用成套设备样机,解决机器人产业化过程中的机器人本体优化设计、基于网络的新型控制器技术、系统集成技术等关键技术问题,进行小批量生产,解决机器人产业制造中的加工工艺问题、制造精度问题和机器人整体制造成本降低问题,在此基础上进行产业化,并首先在奇瑞汽车生产线上进行示范应用,逐步形成中国的工业机器人品牌,促进我国新型工业机器人技术的应用和产业发展。同时制订和完善适合我国国情的安全规范和技术规范,在技术上创新,争取获得多项专利。
2.1.2 主要技术指标
其技术指标如下:
(1)本体参数要求
在满足机械本体刚度、强度、转动惯量及一些其它技术参数的基础上选择结构简单、机身紧凑的机身设计,以满足轻量化、低成本及可维护性要求。具体参数范围要求如下:
由第三方检测机构出具检测报告。
(2)主控柜技术要求
➢编程单元:便携式示教盒;
➢具备常用功能的操作单元;
➢具备紧急停止单元;
➢具备编程接口,方便传输程序;
➢控制柜应具有良好的防滴漏、防灰尘及散热装置;➢外观美观。
(3)系统功能指标:
➢控制系统可同时控制六轴或六轴以上运动;
➢具有负载调整功能;
➢具有零点复位功能;
➢具有系统启动自检功能;
➢工作时具有故障判断及提示功能;
➢具有自动/示教模式切换功能,便于机器人在各种工作模式下的工作;
➢具有不同的操作权限(工程师、维修工、操作工)。(4)系统安全性指标:
➢具备限位保护:保护机器人因运动范围超限引起碰撞和干涉;
➢具备防过载检测:防止因速度过快引起的超转矩而导致电机烧毁或轴断;
➢具备紧急停止功能,有效的保护人生及设备的安全。(5)软件应用指标:
➢定义多种坐标,方便使用与操作;
➢系统适用于点焊,且在相关软件包修改后,机器人主体可用于搬运、装配等工作环境;
➢系统在虚拟环境下可进行仿真操作,程序检测,组线设计等。
(6)机器人适用的工作环境
➢厂房温度:(屋架下弦处)-5℃---45℃
➢环境湿度:普通:75RH;短时间:95%(一个月之内)
➢振动:<0.5G(4.9M/S2);
➢厂房结构:轻钢结构,屋架为非承载型式;
➢公用动力要求:380V(+15%,-15%),50Hz;
➢压缩空气:0.4~0.6MPA;
➢循环水:温度≤32℃;进口压力<0.4Mpa,工艺设备承压不
低于0.6Mpa;
➢地面载荷:地面最大承载能力为5000kg/m2。
2.1.3 知识产权
➢申报国家发明专利2~3项;
➢在核心刊物上发表文章5~8篇。
➢机器人应用说明书1套。
2.1.4 人才培养
➢培养博士生1~2名,硕士3~5名;
➢培养一支15~20人的机器人骨干技术开发队伍。
2.2 完成情况
在机器人核心技术研发方面,本课题主要围绕机器人本体设计和制造,控制器开发和焊接机器人应用技术三方面展开。
(1)在机器人本体设计和制造方面,目标是要设计出高精度,高刚度,高可靠性,低负载自重比,且造价低的机械本体结构,力争达到国际先进同类机器人的技术水平。为此,在165kg和200kg机器人的分析及优化设计中,综合采用了基于虚功原理的机器人静力平衡分析,关键部件的有限元分析,基于运动学指标和整体模态特性的结构和尺寸优化分析的方法。通过对以上方法的理论研究、仿真计算分析以及试验等阶段的实施,摸索了一套具体的实现方法。该方法已经在165kg和200kg机器人的分析及优化设计中得到了应用,取得了比较理想的效果,例如:
通过采用优化设计方法和几年多现场应用,改进设计和再制造,
大部分性能指标已达到国际同类产品的水平,例如:
◆机器人的重复定位精度(小于±0.15mm,合同指标为±0.25mm);
◆机器人本体的最小固有震动频率为5Hz,与意大利Comau机器人
相当;
◆系统的稳定和可靠性:故障率统计显示与意大利Comau机器人相
当;
◆机械噪音小于80dB。
(2) 在机器人控制器开发方面,目标是要研发出能控制机器人实现高速平稳运动,稳定性和可靠性与国外先进机器人控制器相当,且成相对较低的机器人控制器。为此,在控制器软件设计中,通过理论建模,搭建了包含摩擦、间隙和非线性刚度的动态关节模型。然后引入机械臂模型和电机模型,组成整个机器人模型。在理论建模的基础上,搭建了整个机器人的动态matlab仿真模型。在硬件选型和控制方法的设计方面,充分考虑可靠性和先进性,采用嵌入式总线类型的控制模式,确保设计出的控制器不仅性能高,低成本而且稳定可靠。
从应用结果可以看出,新研发出的控制器在抑制高速运动的振动,稳定性和可靠性方面与意大利Comau机器人及日本的Funac机器人相当。
(3)在焊接机器人应用技术方面,已经开发出机器人运动仿真软件。机器人虚拟仿真技术应用于机器人设计,应用规划,离线编程和操作培训,是机器人关键技术之一。进口的一套仿真软件价格高达一两百万元人民币。目前,在自主开发机器人仿真软件方面已经取得了