机器人手臂在汽车生产制造中的热门技术

造车网 http://www.zaoche168.com/ 2009年01月12日

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工业机器人是典型的机电一体化高科技产品，它对于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益、保证产品质量、改善劳动条件等方面的作用日益显著，工业机器人代替人力劳动是必然的发展。现在汽车工业仍然是工业机器人最主要的应用市场，没有其它哪一个工业领域像汽车行业一样与工业机器人在创新、设计和质量等相互激励达成共同进步。

纵观工业机器人在汽车制造领域的发展，技术的领先性是其它行业无法比拟的。在当今。具有视觉传感和柔软控制功能的现代化自动化技术成为目前研究的最新动向。

机器人的热门技术介绍：

机器视觉产品溶入汽车制造

随着汽车工业的不断发展，越来越多的汽车制造中已经开始采用机器视觉来提高制造的精度和自动化程度。视觉传感器是一种相当于人的视觉的传感器，有2维和3维两种形式。2维视觉传感器的原理是：当自然光或照明光照射在目标物体上时，用CCD照相机等摄取其反射光线，得到物体的2维图像，从而得到物体在平面上的位置和旋转角度。最近，由于处理算法的高级化和处理速度的提高，增强了传感器对照明变化和图像劣化等的适应性，使之能够在工厂严酷的条件下工作。3维视觉传感器采用结构化光投影法和立体法。结构化光投影法是将狭缝光或模式图板光等结构化光照射在物体上．用CCD照相机摄取从物体反射来的光线得到物体的图像。利用这种方法可以精确地计算出物体3维位置或姿势。

立体法是采用2台照相机照像，通过左右图像上对应点的映像，对物体进行3维位置和姿势的测量。虽然映像处理需要时间计算，但是，因为不需要结构化光投影法中的补助照射光，所以对移动机器人识别环境时是非常有用的。

最近，有的视觉传感器将控制部分安装在机器人的控制装置内，这大大提高了视觉传感器适应工厂现场严酷环境的可靠性。

机器视觉在车辆几何尺寸测量中的应用

利用机器视觉原理可以实现对汽车尺寸参数的快速、准确及自动化测量。其实现过程如下：首先将各测量仪器空间位置固定，主要是摄像机的位置和车辆停放位置的确定；接下来要进行空间三维坐标的标定，确定各摄像机及车辆在空间系统中的坐标。测量过程中，将试验车辆停放在指定区域，然后开启摄像机对车辆进行图像采集。一般系统中均采用多台CCD 摄像机从不同角度对车辆进行拍摄。图像采集完成之后，由计算机中的图像处理软件对图像进行处理，得到车辆的各“兴趣”点的坐标，对坐标进行简单的数学运算就能准确的得到车辆的相关尺寸参数。图像处理软件的核心及难点是三维图像的重构，一般采用双目立体视觉的原理对平面图像进行重构。双目立体视觉指的是采用2 个CCD 摄像机从不同角度对同一物体进行拍摄，得到2 幅图片，然后进行空间坐标变换。图1 是双目立体视觉的示意图。从被测量物的三维世界坐标( , ,) 到计算机图像坐标(，) 的变换过程如下：

图1

机器人臂的柔软控制功能

在给车床的夹头或加工夹具上安装铸件时，由于铸件尺寸大小不一引起位置或姿势的偏差，用原来的机器人准确地安装相当困难。同时．在压铸时从压模中取出工件，用原来的机器人可能要把工件和压模先撬开。机器人臂的柔软控制功能能够把机器人臂柔软地控制到指

定直角坐标系中指定的轴线方向，这样，就能像人一样正确地把工件安装上去，压铸时不需要把工件撬开就能从压模中取出工件。

柔性机械手具有质量轻、速度快、能耗低和操作空间大等优点，是机器人研究的一大热点，然而由于其结构上具有柔性，在运动过程中会产生形变和振动，给机械手末端位置控制带来了一系列的难题，如难于建立精确数学模型、存在非最小相位特性、存在强非线性耦合等．

现在对柔性连杆机械手末端位置控制问题进行上的深入研究，基于输入／输出线性化的控制方法存在两个主要问题，一是需要对象精确模型，二是输入，输出子系统控制含矩阵求逆，使控制解具有局部特性．为了解决这些问题，现行的常用方法引入了神经滑模控制算法，即利用神经网络的非线性逼近能力使控制器不需要精确模型和矩阵求逆运算。同时由于神经网络能够在线调整控制器参数，使控制算法具有自适应能力。

机器人柔性系统在汽车涂胶系统中的应用

机器人涂胶系统属于复杂的多智能体系统，它在构建时是建立多个智能体，在多个智能体资源共享和各个智能体自主性的基础上，找到并协调各个智能体的关系，共同完成整个系统的作业任务川。工业机器人必须联络其他各种设备、装置的有关信息，通过程序的处理与协调，才能实现自动运转。因此，工业机器人除具有基本的示教再现的功能之外，与各智能体的联系就成为应用中的关键问题。

系统控制流程：

图2

系统有2种工作状态:自动、手动。手动用于系统调试，在手动状态下，操作人员可针对不同玻璃进行示教编程，同时可进行工件原位复归、工件选择，真空吸紧、涂胶/测试、故障复位等动作;在自动状态下检测各个Agent的状态无异常后，系统开始自动运行，首先完成对工件的装夹(玻璃对中、吸紧、转台转动等)，然后系统根据线性编码器状态自动识别工件类型，选择机器人程序并执行(同时机器人工作区外转台上玻璃完成装夹)，涂胶完成后，转台转动180°以使已涂敷玻璃处于机器人工作区外并且未涂敷玻璃进入机器人工作区，翻转架将玻璃翻起，人工将其卸下。

系统如遇故障停止，人工清除故障后再恢复运行。系统故障主要有:系统控制报警、机械夹具故障、机器人报警和安全系统报警。

该机器人工作站在设计过程中采用了模块化设计方法，节省了大量设计时间，同时也使系统更可靠。在设计过程中充分考虑到系统的柔性化，使工件类型改变时，只要修改相应的系统控制程序与机器人程序就可适应产品变化。

加工机器人生产单元即智能机器人和机床的融合

一般情况下，机械加工系统长时问连续运行可以降低加工成本。这里先简单地回顾一下机械加工发展过程

(1)上世纪80年代，由于采用了装备有随行工件料斗的CNC机床系统，实现了24小时连续运行。

(2)L世纪90年代．采用了装备有大规模立体随行工件料斗的机械加工系统，实现了包括星期六星期日在内的72小时连续运行。

(3)进入2000年以来，开发了能够用机器人直接将加工坯料送给自动换刀机床的工件夹具上、并能长时间连续运行的机械加工系统——机器人生产单元，实现了每个月720小时，即每天24小时，30日连续不停顿运行。

在机器人生产单元中，智能机器人通过3维视觉传感器修正每一个铸件因为尺寸不一而引起的细微偏差同时在往加工夹具上装坯料时，通过机器人臂的柔性控制系统自动寻找加工面．坯料可以正确地装在加工夹具上。由于减少了人工费用、加工费用和前期设各费用机器人生产单元大幅度地降低了加工成本。

例如：一个小型机器人生产单元．在两台CVC钻床中，智能机器人完成坯料安装、加工成品收取、去b边作业。工作人员只需将数个装有工件的塑料盒子撂起来用台车运到工作机床前面放好即可。智能机器人通过视觉传感器和夹县发现并取出散装在塑料盒于里的工件，供给工作机床。这样就不再需要专门的工件供给装置．而且．也不需要用人将工件整齐排列起来的工作。塑料盒子里的工件拿空了，智能机器人就会把空盒子移到其他地方去，从下一个盒子里取出工件，

在小型机器人生产单元中．其配置可以由一台机床和一台智能机器人构成，由智能机器人完成工件的装卸等作业，或由多台己怍机床和多台料能机器人构成，按照用户的需要可以组成多种多样的构成方式。也有由数台工作机床对一个工件进行不同加工工艺．具有线性导轨的智能机器人行走在各个工作机床之间，来回传递工件的机器人生产单元系统。

今后技术展望

由于传感器技术和控制技术的发展，智能机器人的作业能力不断提高，其适应范围也在不断地扩人。今后随着智能机器人功能的提高，有待改进的技术主要将会是简化程序设计的难度和提高茹操作性能。

相信通过对工业机器人的技术改进，更多的新的，前沿的技术将会应用到机器人中，包括机器人的人体化，光栅技术的应用，使机器人更加灵活、精确地完成各种复杂的工作，为企业带来更大的效益。