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大赛智库专家带您了解工业机器人
2017-06-24 16:36   审核人:

 

李瑞峰

哈尔滨工业大学机器人研究所副所长,教授,博士生导师

机器人技术是涉及机械电子、驱动、感知测量、控制、通信和计算机等学科的综合性高新技术,是光机电软一体化研发制造的典型代表。随着科学技术的发展,机器人的智能水平越来越高,由此也推动了机器人产业的快速发展。目前,机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流和制造业等诸多领域,同时也越来越多地应用于航天、军事、公共服务、极端及特种环境下。机器人技术已成为衡量一个国家智能制造水平和科技水平的重要标志。

随着中国人口红利的消失,以及用工成本的提高,企业对自动化升级的需求越来越迫切,“机器换人”的计划正在大面积推广,2015年中国已经成为世界年采购机器人数量最多的国家,更是成为全球最大的机器人市场。随着工业机器人的大量应用,对机器人应用及维护操作的技术人员需求越来越大,如何促进高技能工业机器人人才的培养和选拔应该是此次工业机器人技能大赛的主要目的。机器人技能人才的培养一方面通过学生在各类专业技术学校进行相关机器人知识的学习,另一方面要通过生产实践的应用去掌握更多的机器人工程应用技术,如机器人工装夹具的安装,各类检测传感器的应用,机器人软件的编程,机器人应用的现场调试,机器人故障的检查及修复等。中国机器人产业的发展,需要高端研发型人才,也需要大批操作应用型人才,通过此次大赛我相信会促进中国对机器人应用型技能人才的培养,也会助力中国制造2025的规划的实现。

 

王亮亮

山东栋梁科技设备有限公司总工程师,制造中心总经理

工业机器人智能人才培养方案

自从 20 世纪 60 年代初发明第一台工业机器人到现在,短短 50 多年的发展时间,工 业机器人技术和周边配套应用得到了迅速的发展,工业机器人系统在高自动化、高智能 化、高定制化生产制造领域得到广泛应用。目前在汽车装配及零部件制造业、机械加工 业、电子电气行业、橡胶及塑料行业、食品工业、木材与家具制造业等行业中,工业机 器人已经大面积取代人工完成相关作业;随着工艺应用技术发展,工业机器人不再只局限于简单的搬运和码垛,弧焊、点焊、喷涂、自动装配、数控加工、去毛刺等复杂工艺 工业机器人正在被大量应用;同时工业机器人的应用领域也不断扩大,核能、航空、航 天、医药、生化等高科技领域都在尝试应用工业机器人。可以说,在不久的将来,工业 机器人将无处不在。

随着“工业 4.0”概念在德国的提出,以“智能工厂、智能制造”为主导的第四次工 业革命已经悄然来临。工业 4.0 是一个高科技战略计划,制造业将由集中式控制向分散 式增强型控制的基本模式转变,目标建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式,而工业机器人作为自动化技术的集大成者,是“工业 4.0”的重要基础设施。 同时,“中国制造 2025”提出了我国在制造强国建设的三个十年的“三步走”战略,应 对新一轮科技革命和产业变革,立足我国转变经济发展方式实际需要,围绕创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展、人才为本等关键环节,以及先进制造、高端装备等重点领域,提出了加快制造业转型升级、提升增效的重大战略任务和重大政策举措。工业机器人产业在其中发挥了不可替代的作用。

国际机器人联合会统计数据表明,2013 年,全球工业机器人销售量增长 12%,达到 178,132 台。中国市场共销售工业机器人近 3.7 万台,约占全球销量五分之一,总销量超 越日本,成为全球第一大机器人市场;2014 年,工信部统计的最新数据表明,中国市场 共销售工业机器人约 5 万台。行业专家一致认为,2014 年已成为中国工业机器人元年。

中国工业机器人需求概况

随着工业机器人技术以及智能水平的提高,工业机器人已在众多领域得到了广泛的应用。具体来看,中国则保持着 35%的高增长率,远高于德国的9%、韩国8%和日本 的 6%,相关数据如图 1 所示。其中,汽车、电子产品、冶金、化工塑料、橡胶等行业 是中国使用机器人最多的几个行业,未来几年,随着行业的需要和劳动力成本的不断提 高,中国机器人市场增长潜力会非常巨大,各行业工业机器人分布情况如图 2 所示。

 1 中国工业机器人需求数据

 2 中国工业机器人行业分布

中国工业机器人市场之所以能有如此迅速的增长,主要源于以下三点:

(1)劳动力的供需矛盾。劳动力成本上升和劳动力供给的下降,在很多产业,尤其在中低端工业产业,劳动力的供需矛盾非常突出,这对实施“机器换人”计划提出了迫切需求。

(2)企业转型升级的迫切需求。随着全球制造业转移的持续深入,先进制造业回流,中国的低端制造业面临产业转移和空心化的风险。因此,中国的制造业企业迫 切需要转变传统的制造模式,降低企业运行成本,提升企业发展效率,提升工厂的自动化、智能化程度。而工业机器人的大量应用,是提升企业产能和产品质量的重要手段。

(3)国家战略需求。工业机器人作为高端制造装备的重要组成部分技术附加值高应用范围广是我国先进制造业的重要支撑技术和信息化社会的重要生产装备将对未来生产、社会发展以及增强军事国防实力都具有十分重要的意义。习近平主席2014年两院院士大会上强调:“机器人革命”有望成为“第四次工业革命”的一个切入点和重要增长点,将影响全球制造业格局,而且我国将成为全球最大的机器人市场。

然而,尽管中国是当今世界上最大的机器人市场,但中国每万名制造业工人拥有的机器人数量却远低于发达国家水平和国际平均水平,如图 3 所示。预计到 2020年,工业机器人密度将达到每万名员工使用 100 台以上。可以看出,中国工业机器人市场至少存在 7 倍以上的增长,未来十年,中国工业机器人是看不到天花板的行业。

3世界每万名制造工人拥有机器人数量数据

中国工业机器人专业人才需求

虽然多种因素推动着我国工业机器人的发展,但一个越来越大的问题清晰的摆在我们面前,在中国推行工业机器人技术,遇到的最大瓶颈不是技术短缺,而是应用人才严重缺失。中德栋梁教育集团总顾问、机器人领域著名专家蒋作栋教授指出:“当前限制工业机器人技术应用和发展的关键除了设备和技术,专业研发和应用人才的紧缺更是重中之重,长此以往,工业机器人行业将会畸形发展甚至未发展便萎缩。”

工业机器人作为一种高科技集成装备,对专业人才有着多层次的需求,主要分为研 发工程师、方案设计与应用工程师、调试工程师和操作及维护人员四个层次,如图 4 所示。

 

 4 工业机器人专业人才层次分布

对应于专业人才层次分布,工业机器人专业人才就业方向主要分为工业机器人研发 和生产企业、工业机器人系统集成商和工业机器人应用企业,其就业人才构成如图 5 所 示:掌握技术核心知识的研发工程师主要分布在工业机器人研发企业和生产企业的研发 部门,推动工业机器人技术发展;而工业机器人应用企业和工业机器人系统集成商则需 求大量调试工程师和操作及维护人员,工作在生产一线,保障设备的正常运行和简单细 微的调整,同时工业机器人研发与生产企业也需要大量的培训专业技术人员及懂一定专业知识的销售人员。

 5 工业机器人专业人才就业方向

在工业机器人专业人才需求中,需求量最大的是基础的操作及维护人员以及掌握基 本工业机器人应用技术的调试工程师和更高层次的应用工程师,中国机械工业联合会的 统计数据表明,中国当前机器人应用人才缺口 20 万,并且以每年 20%~30%的速度持续 递增。因此,工业机器人专业人才的培养,要更加着力于应用型人才的培养。

目前,专业人才缺口已经是阻碍工业机器人产业发展的最主要原因。对于已经完成自动化生产线改造的企业,机器人后期维护运行成本及技术已经成为迫在眉睫需要解决的问题。同时,各大汽车制造企业,也面临着没有充足的工业机器人技术人才的后勤服务保障,使得不得已在车型更新换代时,不是对原有生产线进行升级改造,而是重新投资建设新线,造成资金浪费,严重影响了企业对市场的快速响应。再看富士康,“百万机器人换人”计划已经开始,大量一线操作工将被工业机器人代替,但工业机器人的专业 人才却无处寻找,这也是富士康一再推迟机器换人计划的原因之一。

董吉顺

沈阳新松机器人自动化股份有限公司工业机器人事业部副总经理,高级工程师

从改革开放到今天,经过三十多年的发展,中国的工业制造模式已不再是最初的靠人力的模式,机器人改变传统制造模式的时代已经到来。随着视觉、力控等传感技术、通讯技术、计算机技术、大数据等技术的迅速发展以及设备成本的不断降低,机器人的使用已从最初的汽车行业扩展到化工、能源、交通、五金、建材、电子、消费品等行业。替代人类完成上下料、搬运、打磨、喷涂、铸锻焊、机加、检测、装配等工艺过程。将人类从恶劣、枯燥、危险的劳动环境中解放出来。

但是,随着机器人应用在各行业的迅速扩大,带来的问题是能够使用机器人、用好机器人的人才短缺。另外,仍有很多企业对机器人不了解,对现在的机器人能够代替人完成什么工作不清楚。希望通过工信部此次或多次举办的机器人大赛,能够使更多人关注机器人,学习和研究机器人的应用技术,培育出一大批具有“工匠精神”的机器人方面的高端产业人才。对推动我国产业升级和技术进步必将起到积极作用。

汤晓华

天津中德职业技术学院电气能源学院院长,教授

工业机器人与职业教育

工业机器人是自动化生产过程的关键设备,可用于制造、安装、检测、物流等生产环节,并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、电子装备、军工、医药、食品等众多行业,也是”中国制造2025”的重点发展领域之一。

中国目前已经成为全球工业机器人重要市场。2015年中国购买了68459台工业机器人,较2014年增加了近20%,中国已成为增长最快的机器人市场。国际机器人联合会数据显示,2008年至2015年,中国每年机器人进口量平均增幅达31%。政府相关部门越来越重视机器人产业的发展,工业机器人设备的安装、调试、日常维护、保养等方面都需要相关的专业人才来进行处理,这就无形中带动了一大批与机器人相关的就业岗位,产生的新岗位也是非常之多的。现在的状况是,机器人市场在以每年20%-30%的速度递增,而相应的人才储备数量和质量却捉襟见肘。

大规模工业机器人设备的出现必将催生新的人力需求岗位,包括工业机器人项目的实施、维保、操控、维修和研发等。机器人始终需要人来操作、维护、保养,人不可能完全被机器人代替,眼下很多企业最大的问题就是技术工人的招募和管理问题,目前普通企业中最缺的就是具备先进机器操作、维修的技术工人。这已经引起企业界和很多职业院校的高度关注,与工业机器人相关的专业比较多,2016年开设“工业机器人应用技术”专业的高职院校达到100个,今后越来越多的职业学校将开设了工业机器人应用技术这个专业。

工业机器人技术竞赛内容设计工业机器人装备的安装、调试控制、系统运行、程序编写、使用维护、故障维修等职业技术技能,包含工业机器人安装、示教、工业机器人控制程序编写、工业机器人与PLC的通信、人机交互、可编程控制、伺服变位机、气动液压夹具等专业核心能力和核心知识。与国家经济发展战略同步,与科技发展同步,选择与中国制造2025相适应的典型工业机器人工作站安装与调试赛项,有利于引导一线技术人员在机器人技术应用上能力的提升,有利于职业院校教学装备与当前企业技术应用水平对接;竞赛采用国产品牌工业机器人和控制器,助推民族工控品牌发展,支撑中国制造2025国家战略。

李关华

上海信息技术学校机电系工业机器人专业学科带头人“双高双师”型教师

工业机器人作为《中国制造2025》规划提出重点发展的智能制造装备之一,正悄然改变着传统制造业的用工模式,随着人口红利的消退、以人为主的生产模式正逐渐向以机器人为主的模式转变,并对人才培养提出了新要求,一是需要对大批原有从业人员的专业知识和专业技能进行再培训、再提升;二是需要培养大批既有较强的专业理念知识,又有熟练的工业机器人安装、调试、运行与维护技能,且熟悉工业机器人的结构原理的技能型人才。

通过赛项的组织实施,以工业作业型机器人为载体瞄准制造业前沿技术,可以促进相关专业服务产业发展能力的提升,促进机器人领域发展所需的技能应用型人才培养,提高我国工业机器人应用技术的推广与应用技术水平。

冯海生

埃夫特智能装备股份有限公司基础研发部部长

工业机器人的传动技术发展现状

目前,机器人动力和运动的常用传递方式主要有:齿轮传动、蜗杆传动、带传动、线索传动、谐波减速传动、摆线针轮(RV)减速传动等,其中谐波传动、RV传动、锥蜗杆传动得到了广泛应用。谐波减速器、RV减速器和锥蜗杆的作用是将机器人电动机的高速低扭矩动力传递到机器人末端执行器所需的低速高扭矩动力。日本、德国、美国、斯洛伐克等国在机器人精密传动所涉及的材料、制造加工、设计等方面处于国际领先地位。

随着机器人朝着高刚度、高精度、高效、轻量化、高可靠性、超长无故障运行时间和易维护的方向发展,不可避免的导致其核心部件之一减速器等传动机构也朝着高精度、高效率、轻量化、易维护的技术方向发展。为明晰机器人传动技术的发展现状而以RV、谐波、锥蜗杆传动技术发展为例进行简要介绍:

(1)RV传动

RV减速器是在摆线针轮行星传动的基础上发展起来的一种新型精密传动,具有二级减速和中心圆盘支承结构属于2K-V行星齿轮传动。因其刚性大、转动惯量小、低振动、运动精度高和高可靠性等优点被广范围应用于大负载工业机器人的各关节传动、小负载工业机器人的第一、二、三、四关节。

当前日本Nabtesc的RV减速器占据了全球70%的市场,由此可见日本在RV减速器的研发、制造方面处于垄断地位。同时,我国近几年也涌现了一大批企业和学者开始研制RV减速器,其中南通振康、陕西秦川、大连交通大学何卫东团队、重庆大学王家序团队等产学研单位在RV批量化生产、新型结构开发、高效润滑密封技术等方面进行了卓有成效的研究工作。国产RV减速器可以应用在某些性能要求不高的工业机器人上,但鲜有在高精度大负载工业机器人得以应用。面对国际竞争对手的价格打压和技术封锁,国内RV减速器也面临着同机器人行业相同的成本高、可靠性差、缺乏应用等行业瓶颈。

2)谐波传动

谐波齿轮传动是通过柔轮的弹性变形实现传递运动合动力的一种的新型传动,其主要由波发生器、柔轮、刚轮组成。谐波减速器因具有传动比大(50-4000)、外形轮廓小、零件数目少、传动效率高(92%-96%)和重量轻而被广泛适用于质量和尺寸受限、位置精度要求高的场合如工业机器人的第五、六轴上。日本Harmonica Drive公司的谐波减速器占据机器人大部分市场,国内的苏州绿的、北京中技克美等公司谐波减速器也已经在工业机器人、航天精密传动中得以应用。

3)蜗杆传动

当前在机器人比较常用的蜗杆传动是锥蜗杆传动。锥蜗杆传动是一种空间交错轴之间的传动,两轴交错角多为90°如图1所示。蜗杆是由在节锥上分布的等导程的螺旋所形成的。涡轮在外观上就像一个双曲线锥齿轮。锥蜗杆传动具有刚性高、抗冲击性强、低噪声、高功率密度、传动比大(单级10-4000)等特点而被应用于大负载工业机器人传动中。

1 锥蜗杆传动

4)机器人主要的传动机构性能对比

考虑到工业机器人性能、应用等要求对RV传动、谐波传动、锥蜗杆传动的性能指标、产业应用等方面进行对比如表1所示。由表1可知,谐波传动因其为柔性传动而相对RV、锥蜗杆的抗冲击能力、刚性较差。而RV则具有更好的综合性能而在工业机器人行业得到最为广泛的应用。但以锥蜗杆为代表新型传动机构则会随着材料、加工、装配等技术的发展而拥有广阔的应用前景。

1 机器人精密传动结构性能参数对比

5)精密轴承、润滑、密封技术

高效、高精密的机器人传动机构除在具体传动结构的创新外,还要涉及到精密轴承、润滑管理、密封等技术的高匹配发展。良好的轴承选配、润滑管理都将大幅提高机器人传动机构的精度、寿命、传动效率、可靠性和降低噪声。为此有必要开展机器人传动机构专用轴承研制和润滑管理等技术。

综上所述,虽然RV传动、谐波传动在工业机器人行业得到了最为广泛的应用,但是以日本产品占据垄断地位,国内的RV传动、谐波传动相对国外产品仍然存在较大差距。为突破RV传动、谐波传动、锥蜗杆传动等机器人核心零部件国产化技术瓶颈,支撑国产机器人的研发、制造、应用,打破机器人产业空心化的局面,而有必要开展新型传动结构研发、高精度装配、齿轮高精度加工、润滑精细化管理、精密轴承和密封等技术研发,从而研制适合机器人应用的高刚度、高精度、高效、轻量化、高可靠性、超长无故障运行时间和易维护的传动机构。

 

 

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