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自动化智能制造的要角-工业机器人

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机器人正迅速成为智能制造领域的要角。DIGITIMES摄
机器人正迅速成为智能制造领域的要角。DIGITIMES摄

在工业4.0时代,机器人也将会扮演相当重要的角色。英国经济学家Paul Markillie指出,以网际网络、新材料和新能源为基础的「智能制造」将是下一波工业革命的核心,而主体就是工业机器人。

根据IFR(International Federation of Robotics)的定义,工业机器人依据作业性质,可区分为搬运(Handling Operations?Machine Tending)、加工(Processing)、焊接(Welding?Soldering)、叠栈(Dispensing)、组装(Assembly?Disassembly)、无尘室(Cleanroom)与其他应用等7大类。若以机械结构或动作方式,则可区分为线性机器人(含直角坐标型与门型)、SCARA机器人、关节型机器人及连杆机器人等。

机器人的核心技术包括智能传感及运动控制技术。目前的工业机器人主要是朝两种路径发展,第一种是模仿人的手臂,实现多维运动,在应用上比较典型的是焊接机器人;第二种是模仿人的下肢运动,实现物料输送、传递等搬运功能,如搬运作业机器人。

智能传感器则让机器人能够和人类一样,选择不同的路径,知道环境变化,即使在复杂的情况下,也能作出正确的判断。随着微电子、新材料、控制、传感交互等新技术的发展,通过软件优化,机器人的功能将更加强大。

日本及德国为制造及应用领先者

由于金融危机的影响,许多投资者延期或取消了市场投资计划,西欧、北美和日本等对汽车的需求缩减,至于国内、泰国、马来西亚和印度却反而有所增长,也影响工业机器人在不同地区的发展。

根据电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers;IEEE)统计,日本的工业机器人密度最高,每万名工人拥有295台工业机器人,是全球平均水准的10倍,其他工业机器人密度最高的国家,依序为新加坡169台,韩国164台。

虽然前三位的国家都在亚洲,但欧洲却是工业器人密度最大的地区,密度为每万名工人50台,美洲为平均31台,亚洲平均27台,德国更以163台的密度领先全欧,并为全球第四。值得注意的是,德国工业机器人的生产数量也高居世界第三,仅次于日本和美国,让德国在工业机器人的研究和应用方面,都能处于领先地位。

日本不但是使用工业机器人密度最高的国家,更是工业机器人产业的主要制造商,代表业者有FANUC、安川、川崎、OTC、松下、不二越等。FANUC是世界上最大的机器人制造商之一,主要业务分为两部分:工业机器人和工厂自动化。

安川电机的代表性产品是创造高附加值机械及支持其信息化的机械控制器、实现节能和机械自动化的变频器及工业机器人等系列产品。川崎生产的喷涂机器人、焊接和组装机器人、半导体工业用机器人,也很受市场欢迎。

欧洲工业机器人的主要代表业者有瑞典的ABB、德国的KUKA、意大利的COMAU公司等。瑞典的ABB是世界上最大机器人制造公司之一。德国KUKA Roboter Gmbh的工业机器人年产量已接近10000台,广泛应用于仪器、汽车、航太、食品、制药、医学、铸造以及塑胶等领域。意大利COMAU公司的机器人产品,包括Smart系列多功能机器人和MASK系列龙门焊接机器人。

美国政府也正全力发展智能生产技术,包括在2012年3月布投资10亿美元,建立由15家制造业创新研究所组成的全美制造业创新网络,主攻3D打印技术、机器人技术及人工智能等尖端制造产业。

传感技术驱动工业机器人应用

工业机器人能够迅速崛起,与传感技术大幅跃进,不无关系。如力矩传感器可以精确识别过程参数,并将它们输送到控制单元。如果能按照这些数据对机器人路径实时调整,就有可能实现连续不中断的生产结果。

目前的力矩传感器,已经能透过网络实现线上控制及设定,可应用到产品测试、机器人组装、加工任务如打磨和抛光、机器人手术,以及康复和神经学等其它领域。该传感器也支持高度动态控制观念,因此可以用于自动化复杂装配、加工和完成过去人工或利用复杂的特殊机器才能完成的任务。

触觉传感器则可用于现场解决对夹持力和表面的监控。因此,它能够在识别物体的同时,以高灵敏度夹持物体,协助可靠安全地处理不同几何形状的易碎元件,还可以放置和连接变化的物件。

机器人在纯粹的锁定和解锁操作,表现相当惊人,一个训练有素的操作人员改装气动效应器需要10到30分钟,而一个快速改装系统却可以在10到30秒内完成相同操作。高速改装系统可周期性地应用到新产品和产品变型,尤其是需要大量效应器的处理和加工或需要缩减由元件或工具维修引起的停工时间。

高成长性产业应用成长最快

全球范围来看,除了汽车工业,其他的制造行业在2005-2008年都出现了机器人投资热潮,2009年突如其来的金融危机,打断了各行业的工业自动化进程,但随着经济的复苏持续深化,工业自动化投资的高增长趋势,应能够持续下去。

虽然汽车工业的工业机器人密集度已经达到较高水准,但金属制品和太阳能行业的机器人应用水准还明显偏低;而在高成长性的行业,如医药、化妆品、医疗器械、食品饮料等领域,工业机器人的发展潜力巨大。