文献综述

一、引言

　　工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国改革开放的逐渐深入,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人的相关技术与研究进展,显得十分重要。

二、工业机器人技术现状与发展

　2.1工业机器人技术概念

　　工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

　2.2工业机器人技术发展现状

　　在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）

（1）机械结构：1）已关节型为主流，80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料。2）应3K和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接树10米长、10吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构。3）CAD、CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。

（2）控制技术：1)大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。2)协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。3)采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。

（3）驱动技术：1)80年代发展起来的AC侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。DD驱动技术则广泛地用于装配机器人中。2)新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。

（4）应用智能化的传感器：装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。

（5）通用机器人编程语言：在ABB公司的20多个小型号产品中，采用了通用模化块语言RAPID。最近美国”机器人工作空间技术公司”开发了RobotScriptV.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器URC的WinNT/95环境。该语言易学医用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。

（6）网络通用方式：大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。

（7）高速、高精度、多功能化：目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s。位置重复精度为正负0.01mm。但有一种速度竞达到80m/s；而另一种并连机构的NC机器人，其位置重复精度大1微秒。

（8）集成化与系统化：当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的”虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。

　　2.3技术发展趋势

　　随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及在系统（FMS、CIMS）中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应”敏捷制造”（AgileManufacturing），满足多样化、个性化的需要，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。

（1）感觉功能：感觉功能方面将实现多传感器信息的融合，以检测多变的外部环境，做出判断和决策，其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能，包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、臭觉、温觉等。研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉功能继承模块等。

（2）控制智能化：由引导教向NC，离线编程发展，进而发展到进一步应用。随着系统化、集成化生产的发展，基于PC的开放式控制系统将机器人控制和车间一级控制的发展方向，国外专家预测，2007年它将占30％。

（3）移动功能的智能化：为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作业对象及极限作业等问题，需开发自主移动系统（包括滑动、滚动、行走、爬行、跳跃、飞行等）。 （4）系统应用与集成化：支持以人为核心的生产系统，实现生产系统中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议，开发能理解人的意志的”同事机器人”。国外专家预测，2000你后有可能IMS要走向MA(R)S（多智能体系统），而该系统中的”同事机器人”（Cobot）将成为操作人员不可或缺的伙伴。围绕着各种机器人与人共存的诸多课题，正在兴起一门新学科”软机器人学”。

（5）安全可靠性：由于大量不确定因素的存在，要实现智能化的安全可靠性，机器人必须具有对各种意外情况的应变能力，及时采取预防措施和安全对策，包括硬件级、软件级、应用级和人机系统级的自诊断和自修复故障。

（6）微型化：向微型化发展，开发毫米级机器人，用于微加工、医学、宇宙和海洋开发等领域。就使用性和成本来看，毫米级最可行。

（7）多传感器信息融合与配置技术：①机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。②机电一体化智能传感器：包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。

三、国内外研究现状和发展趋势与研究的方向

国内外对夹具的研究现状迄今为止，夹具仍是机电产品制造中必不可缺的四大工具(刀具、夹具、量具、 模具)之一。夹具在国内外也正在逐渐形成一个依附于机床业或独立的小行业。

3.1 国内夹具发展史 我国国内的夹具始于 20 世纪 60 年代， 当时建立了面向机械行业的天津组合夹 具厂，和面向航空工业的保定向阳机械厂，以后又建立了数个生产组合夹具元件 的工厂。[1]在当时曾达到全国年产组合夹具元件 800 万件的水平。20 世纪 80 年代 以后，两厂又各自独立开发了适合 NC 机床、加工中心的孔系组合夹具系统，不 仅满足了我国国内的需求，还出口到美国等国家。当前我国每年尚需进口不少 NC 机床、加工中心，而由国外配套孔系夹具，价格非常昂贵，现大都由国内配 套，节约了大量外汇。

3.2 国外夹具发展史 从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国。当前国际上的夹具企 业均为中小企业，专用夹具、可调整夹具主要接受本地区和国内订货，而通用性 强的组合夹具已逐步成熟为国际贸易中的一个品种。 有关夹具和组合夹具的产值 和贸易额尚缺乏统计资料，但欧美市场上一套用于加工中心的央具，而组合夹具 的大型基础件尤其昂贵。[2] 由于我国在组合夹具技术上有历史的积累和性能价格比 的优势，随着我国加入 WTO 和制造业全球一体化的趋势，特别是电子商务的日益发展，其中蕴藏着很大的商机，具有进一步扩大出口良好前景。

3.3发展趋势 近些年来，随着数控机床、加工中心、柔性制造单元、柔性制造系统等现代或 加工设备的广泛应用，使传统的机械加工的指导方法发生了重大变革，夹具的功 能已经从过去的装夹、定位、引导刀具，转变为装夹、定位。而数字化的设备加 工功能的广大化。给今后夹具的快速定位、快速装夹提出了更高的要求。 夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智 能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、 经济方向发展。 高 精 随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制 造精度要求更高。高精度夹具的定位孔距精度高达#177;5μm，夹具支承面的垂直 度达0.01mm/300mm，平行度高达 0.01mm/500mm。德国 demmeler(戴美乐)公司制造的 4m 长、2m 宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为#177;0.03mm； 精密平口钳的平行度和垂直度在 5μm 以内；夹具重复安装的定位精度高达#177;5 μm；瑞士 EROWA 柔性夹具的重复定位精度高达 2~5μm。机床夹具的精度已 提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。诚然，为了适 应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选 择。 高 效 为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。了 减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、 气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永磁夹具， 加紧和松开工件只用 1~2 秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加 工创造了条件。为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典 3R 夹具仅用 1 分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。采用美国 Jergens(杰金斯)公司的 球锁装夹系统，1 分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹系统 用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。 模块、组合 夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹 具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、 能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计 与组装打下基础，应用 CAD 技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使 用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削 过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验， 了解市场需求， 不断地改进和完善夹具系统。 组合夹具分会与华中科技大学合作， 正在着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开 发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。 通用、经济 夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投 资比较大， 只有夹具系统的可重组性、 可重构性及可扩展性功能强， 应用范围广， 通用性好， 夹具利用率高， 收回投资快， 才能体现出经济性好。 德国 demmeler(戴 美乐)公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装 成多种多样的焊接夹具。元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配 套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。 专家们建议组合夹具行业加强产、学、研协作的力度，加快用高新技术改造 和提升夹具技术水平的步伐，创建夹具专业技术网站，充分利用现代信息和网络 技术，与时俱进地创新和发展夹具技术。主动与国外夹具厂商联系，争取合资与 合作，引进技术，这是改造和发展我国组合夹具行业较为行之有效的途径。

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