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機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立及發(fā)展,是二十世紀(jì)自動(dòng)控制領(lǐng)域最具說(shuō)服力的成就,是二十世紀(jì)人類(lèi)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重大成果。1959年,世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生,1969年通用汽車(chē)安裝了全球首臺(tái)機(jī)器人點(diǎn)焊加工系統(tǒng),緊接著意大利的菲亞特汽車(chē)和日本日產(chǎn)汽車(chē)陸續(xù)安裝了機(jī)器人點(diǎn)焊生產(chǎn)線,工業(yè)機(jī)器人正式進(jìn)入了規(guī)模化替代人工制造的時(shí)代。
現(xiàn)在全世界已有近200萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人,銷(xiāo)售額每年與20%的速度增長(zhǎng),機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)得到了前所未有發(fā)展。隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,機(jī)器人已從傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)入人類(lèi)的工作和生活領(lǐng)域。另處,隨著需求范圍的不斷擴(kuò)大,機(jī)器人結(jié)構(gòu)和形態(tài)的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化。高端制造系統(tǒng)具有明顯的仿生和高智能特證。其性能不斷提高,功能不斷擴(kuò)展和完善,各種機(jī)器人系統(tǒng)便逐步向具有更高智能和更密切與人類(lèi)社會(huì)融洽的發(fā)展方向!
目前生產(chǎn)與裝配機(jī)器人較多的主要是在歐美日韓幾個(gè)國(guó)家,他們?cè)?0-80年代已完成了首輪工業(yè)機(jī)器人的規(guī)模應(yīng)用,推動(dòng)工業(yè)制造轉(zhuǎn)向自動(dòng)化。而我國(guó)在2008年金融危機(jī)前,工業(yè)制造主要還是依靠人工的勞動(dòng)密集型加工產(chǎn)業(yè),2008年國(guó)內(nèi)人力成本逐年提高,自動(dòng)化機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人大規(guī)模進(jìn)入生產(chǎn)線替代人工。以前在珠三角,一個(gè)玩具廠、電子廠、制鞋廠擁有過(guò)萬(wàn)員工,是很平常的事,而現(xiàn)在已經(jīng)非常罕見(jiàn)。與此同時(shí),歐美日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家在工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展步伐并沒(méi)有停下來(lái),而是開(kāi)啟了第二輪工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用,這次是結(jié)合大數(shù)據(jù)、機(jī)器視覺(jué)、互聯(lián)網(wǎng)等的智能化機(jī)器人技術(shù),而我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展沒(méi)有經(jīng)歷第一輪,直接進(jìn)入到第二輪的智能化機(jī)器人應(yīng)用。
2.機(jī)器人激光加工已成為各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的獨(dú)特的工藝
機(jī)器人在工業(yè)制造上的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)是非常明顯的,除了能夠替代人工24小時(shí)連續(xù)工作,還可以減少錯(cuò)誤,特別是在一些高溫、高危、粉塵、污染氣體嚴(yán)重的環(huán)境下,替代人工為工人身體健康提供極大的保障。激光加工作為一種非接觸式的機(jī)械加工過(guò)去十年逐漸得到認(rèn)可,由于具有良好的加工質(zhì)量和產(chǎn)出率,它已經(jīng)成為各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的獨(dú)特的工藝。過(guò)去幾年,機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)略顯疲軟,而激光加工設(shè)備已成為沖壓、折彎、切削機(jī)床等機(jī)械設(shè)備市場(chǎng)中的黑馬,每年平均增長(zhǎng)20%以上。激光從毫瓦級(jí)到數(shù)十瓦的小功率可用于打標(biāo)、雕刻、鉆孔和微切割等精密加工,而數(shù)百瓦至萬(wàn)瓦級(jí)的大功率激光,適用于大型金屬材料切割、焊接和修復(fù),其用途十分廣泛。
傳統(tǒng)的激光加工僅限于平面的二維加工,直到1980年代末人們開(kāi)始把激光整合到工業(yè)機(jī)器人的一起應(yīng)用,通用、沃爾沃等汽車(chē)公司是較早使用者。1999年,德國(guó)徠斯機(jī)器人公司首先在機(jī)器人臂內(nèi)導(dǎo)入激光束傳輸系統(tǒng),整合出第一臺(tái)臂內(nèi)機(jī)器人CO2激光加工系統(tǒng)。機(jī)器人的應(yīng)用,使得這把光刀實(shí)現(xiàn)了多維度、靈活加工,極大突破了原來(lái)二維加工的局限和應(yīng)用空間。
3.機(jī)器人激光汽車(chē)加工已大勢(shì)所趨
當(dāng)今汽車(chē)制造業(yè),競(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)愈激烈,不斷推出新品,才能滿足高檔次的追求和迎合大眾化的需求。因此,其各個(gè)品種的量化越來(lái)越小,每個(gè)品種的商品壽命越來(lái)越短,這就要求汽車(chē)制造商不斷挖潛,提高制造技術(shù),努力降低生產(chǎn)成本,包括新品的試制成本。歐美公司早在10多年前,已逐漸推廣使用機(jī)器人激光切割機(jī),應(yīng)用于汽車(chē)鈑金的制作。
多年來(lái),我國(guó)的機(jī)器人激光加工技術(shù)及裝備經(jīng)歷了從無(wú)到有,從小到大的發(fā)展過(guò)程,現(xiàn)已形成了相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)規(guī)模。機(jī)器人激光切割已被廣泛應(yīng)用在鈑金加工、汽車(chē)制造、機(jī)箱電柜生產(chǎn)、電梯制造、農(nóng)用機(jī)械、造船廠等工業(yè)領(lǐng)域。汽車(chē)制造行業(yè)是高新技術(shù)高度集中的行業(yè),激光作為一種先進(jìn)的制造手段,在歐美等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家,有50%~70%的汽車(chē)零部件是用激光加工來(lái)完成的,汽車(chē)行業(yè)的激光應(yīng)用以激光焊接和激光切割為主,激光切割包括平面切割、三維切割等。一個(gè)應(yīng)用機(jī)器人激光切割在汽車(chē)制造中的應(yīng)用,大規(guī)模激光加工時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。
5.機(jī)器人3D激光切割成新時(shí)尚
3D激光切割我們也稱(chēng)為三維激光切割。三維激光切割機(jī)也叫機(jī)器人激光切割機(jī),它是一種不受切割方向控制的,能夠自由切割的激光加工系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō),三維激光切割機(jī)主要由切割頭、跟蹤系統(tǒng)、激光器、光束傳輸和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)等幾部分組成。能夠?qū)Σ煌穸鹊慕饘俨牧线M(jìn)行多角度、全方位的柔性切割加工。
三維激光切割柔性化程度高,在正常情況下一套模具只能針對(duì)一種工件一道工序,而三維激光切割能針對(duì)任意工件的任意工序。在工件產(chǎn)品發(fā)生變動(dòng)時(shí),例如曲面,修邊和孔等的變化更改,只需對(duì)激光切割的脫機(jī)程序進(jìn)行更改,因其使用的工裝夾具相對(duì)簡(jiǎn)單一些,所以工裝夾具改動(dòng)也方便。
三維激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也逐漸被人們發(fā)現(xiàn)。相對(duì)于工序簡(jiǎn)單的激光切割,激光焊接需要考慮工件定位、適用能量、適用材料、焊接環(huán)境、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、夾具、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等因素,因此激光焊接的規(guī)模應(yīng)用開(kāi)發(fā)會(huì)比純粹切割大一些。如上所述,二維激光焊接局限性明顯,而機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)出來(lái)后,更加復(fù)雜的激光焊接就應(yīng)用上了,最明顯的是汽車(chē)白車(chē)身、車(chē)頂與后蓋的激光焊接,是最為人們熟知,而飛機(jī)制造上的機(jī)倉(cāng)底部不銹鋼板拼合,也使用到激光焊接。早些年,一些生活、電子用品的小型電池已經(jīng)用上激光焊接封口,近三年新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池焊接應(yīng)用更是給激光行業(yè)帶來(lái)了數(shù)十億的設(shè)備需求。
6.機(jī)器人激光三維加工發(fā)展現(xiàn)狀
在激光二維加工市場(chǎng)充分開(kāi)發(fā)的情況下,很多人把三維加工看作激光制造的下一個(gè)市場(chǎng)熱點(diǎn)。目前的三維激光加工應(yīng)用已經(jīng)包括激光切割、激光焊接、激光鉆孔等的系統(tǒng),對(duì)于大型、立體和不規(guī)則幾何形狀的工件,均有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。由于機(jī)器人激光加工系統(tǒng)涉及到機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化控制和激光多方面的專(zhuān)業(yè),目前市場(chǎng)上從事這種系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的,也主要是有這三個(gè)領(lǐng)域的企業(yè)。在激光領(lǐng)域,包括大族、華工、泰德、聯(lián)贏、天弘、楚天、亞威創(chuàng)科源等規(guī)模較大的企業(yè),基本上都開(kāi)發(fā)了機(jī)器人激光加工系統(tǒng),粗略估計(jì)國(guó)內(nèi)有超過(guò)70家激光企業(yè)有開(kāi)發(fā)集成機(jī)械臂的激光加工系統(tǒng)。另一類(lèi)就是從事工業(yè)機(jī)器人的企業(yè),包括ABB(中國(guó))、庫(kù)卡、史陶比爾、新松機(jī)器人等公司早就嘗試開(kāi)發(fā)了機(jī)器人激光加工系統(tǒng),均擁有激光技術(shù)部門(mén)或者激光工藝研發(fā)中心。還有一類(lèi)就是從事自動(dòng)化控制與裝備的企業(yè),如東莞力生自動(dòng)化、江蘇維力安科技、西安萊曼機(jī)器人、佛山霍貝爾機(jī)器人、杭州凱爾達(dá)機(jī)器人等,這些企業(yè)大都從事自動(dòng)化控制與裝備開(kāi)發(fā)集成,繼而開(kāi)發(fā)了激光三維加工的設(shè)備。
在歐美國(guó)家,這三類(lèi)企業(yè)是魚(yú)與水的關(guān)系,技術(shù)開(kāi)發(fā)與生意合作非常緊密,而令筆者疑惑的是,這三類(lèi)企業(yè)在我國(guó)相互之間交流合作似乎并不頻繁,也很少見(jiàn)到有跨界共同開(kāi)發(fā)的。結(jié)果就是,要做三維激光加工系統(tǒng),激光企業(yè)采購(gòu)機(jī)械臂,機(jī)器人企業(yè)采購(gòu)激光器、光學(xué)元件與冷卻配套,自動(dòng)化裝備集成企業(yè)既要采購(gòu)機(jī)械臂,又要采購(gòu)激光器與光學(xué)元件,然后都是各人自己開(kāi)發(fā)。這樣的格局,其實(shí)并不利于三維激光加工的推廣。
雖然目前很多激光企業(yè)可以提供機(jī)器人激光加工設(shè)備,但是其訂單數(shù)量并未出現(xiàn)明顯的批量,一個(gè)原因是機(jī)器人激光加工設(shè)備一般是定制化設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品,一套往往就是一個(gè)工作站,加工效率也比較高,可以滿足一般量的生產(chǎn)要求。另外,一套機(jī)器人激光加工系統(tǒng)采購(gòu)成本也高,在加工產(chǎn)能能夠滿足的條件下,用戶(hù)不會(huì)進(jìn)一步批量采購(gòu),據(jù)了解,目前國(guó)內(nèi)一些采用了激光加工的大型汽車(chē)制造商,也就擁有不到十臺(tái)激光機(jī)器人加工系統(tǒng)。
7.2020年機(jī)器人市場(chǎng)將達(dá)到400億美元
中國(guó)與全球主要發(fā)達(dá)國(guó)家正在經(jīng)歷一個(gè)機(jī)器人更新?lián)Q代的自動(dòng)化升級(jí)階段,國(guó)外一分析機(jī)構(gòu)對(duì)工業(yè)制造機(jī)器人市場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研分析,其中也包括被用于激光切割和激光焊接領(lǐng)域,其預(yù)測(cè),到2020年,該市場(chǎng)將擴(kuò)張到400億美元。
具體來(lái)說(shuō),工業(yè)制造機(jī)器人可以分為電子元器件、電器部件、機(jī)械零件,機(jī)器人的主要應(yīng)用方向可以分為焊接機(jī)器人(包括,電弧焊、氣焊、激光焊接、電焊),物流運(yùn)輸機(jī)器人(包括機(jī)床操作、打包、倉(cāng)儲(chǔ)),包裝封裝機(jī)器人,切割、打磨機(jī)器人,車(chē)間視察機(jī)器人和測(cè)試機(jī)器人等等。
目前,全球范圍內(nèi),機(jī)器人行業(yè)的第一梯隊(duì)分別是日本的發(fā)那科(FANUC)、安川電機(jī)(Yaskawa)、瑞士的ABB和德國(guó)的庫(kù)卡(KUKA)。四大家族在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)各有所長(zhǎng),ABB 的核心領(lǐng)域在控制系統(tǒng),KUKA 在于系統(tǒng)集成應(yīng)用與本體制造,發(fā)那科在于數(shù)控系統(tǒng),安川在于伺服電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器領(lǐng)域。世界“四大家族”已是行業(yè)公認(rèn)的領(lǐng)頭羊。但我國(guó)機(jī)器人消費(fèi)市場(chǎng)巨大,到去年底,我國(guó)多功能工業(yè)機(jī)器人進(jìn)口量已達(dá)8.13萬(wàn)臺(tái),對(duì)于傳統(tǒng)龍頭的產(chǎn)能形成較大的挑戰(zhàn),導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人旺盛的需求向國(guó)產(chǎn)廠商溢出,與巨大的市場(chǎng)的刺激下,國(guó)產(chǎn)廠商技術(shù)不斷突破、市場(chǎng)口碑有效積累,并有不斷擴(kuò)張的趨勢(shì)。2017年占比全球市場(chǎng)份額的45.4%。新松機(jī)器人、拓斯達(dá)(300607)、埃斯頓(002747)等產(chǎn)能擴(kuò)建項(xiàng)目在2018和2019年密集投產(chǎn),有望高效搶占正在爆發(fā)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。在核心技術(shù)方面正在追趕四大家族。
結(jié)語(yǔ):
工業(yè)機(jī)器人是引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先進(jìn)行業(yè),產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛,規(guī)模也在不斷擴(kuò)大,現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的機(jī)器人不僅是工業(yè)機(jī)器人,還包括服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人,我們要進(jìn)一步推動(dòng)整合行業(yè)資源,通過(guò)各種社會(huì)資源的力量,共同推動(dòng)行業(yè)不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。
把激光器與光學(xué)系統(tǒng)集成到工業(yè)機(jī)器人上,賦予了激光加工新的模式與應(yīng)用空間,機(jī)器人的多維度特性與激光加工的優(yōu)點(diǎn)是互相促進(jìn)的,每增添一臺(tái)機(jī)器人激光加工系統(tǒng),都需要至少一臺(tái)激光器、一套完整的激光光學(xué)配套,這都會(huì)給激光產(chǎn)品帶來(lái)新的需求。據(jù)國(guó)家規(guī)劃顯示,未來(lái)十年,我國(guó)將著重啟動(dòng)軌道交通、節(jié)能裝置、新能源汽車(chē)、海工裝備、機(jī)械制造、航空航天等等重點(diǎn)領(lǐng)域的穩(wěn)定發(fā)展。這些行業(yè)的產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中,大都需要三維、柔性、高效、自動(dòng)化程度高的加工工藝,機(jī)器人激光加工恰好符合其要求。
相信隨著各種零件加工要求的不斷提高,隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展,各激光企業(yè)、機(jī)器人企業(yè)與自動(dòng)化裝備企業(yè)一定會(huì)銳意創(chuàng)新,在國(guó)內(nèi)推出更優(yōu)秀更先進(jìn)的機(jī)器人激光加工系統(tǒng),來(lái)滿足制造業(yè)日益增長(zhǎng)的需求,可以說(shuō),一個(gè)大規(guī)模采用機(jī)器人激光加工技術(shù)的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。
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