国内外数控机床用机器人研究状况浅析
国内外数控机床用机器人研究状况浅析
首先对数控机床、工业机器人等定义进行初步了解。机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为“工作母机”或“工具机”，习惯上简称机床。数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作。工业机器人（英语：industrial robot。简称IR）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。它们在必要情况下配备有传感器，其动作步骤包括灵活的，转动都是可编程控制的（即在工作过程中，无需任何外力的干预）。它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。数控机器人（numerical control robot）通过操作人员进行各种顺序或位置信息的示教，并根据示教完成作业的机器人。数控机器人属于最早的第一代机器人，世界上第一台数控工业机器人原型机是美国的Consolidated Control公司研制成功的。数控机器人的使用中，操作人员不是手动示教，而是通过编程来执行指定任务，主要以专用或通用计算机来控制机械设备，使之进行自动化操作，生产出合格的产品。数控机器人的使用可以降低机器人的成本，提高作业精度，省去人工示教的麻烦。中国在“七五”、“八五”期间也研制成功了数控机器人。
由此可见，数控机床用机器人属于工业机器人中的一类，随着工业流水线自动化，数控机床的全程操作均可由各类工业机器人来共同完成，所以数控机床用机器人以扩展得较为广泛，数控机床用机器人多指柔性加工单元中的机器人。数控机床用机器人的研究现状与工业机器人的研究现状具有极强的统一性，在网上多有针对“数控机床及工业机器人”讨论。因此详述机床、数控机床和工业机器人的研究现状足以极大程度上反应了数控机床用机器人的研究现状。
1、工厂自动化
数控机床用机器人是自动化工厂重要的一部分。工厂自动化的推广是必然，这里拥有先进的多类技术。工厂自动化（Factory Automation，缩写：FA） ，也称车间自动化。指自动完成产品制造的全部或部分加工过程的技术(见自动化、机械制造自动化)。 性质：指整个工厂实现综合自动化，它包括设计制造加工等过程的自动化，企业内部管理、市场信息处理以及企业间信息联系等信息流的全面自动化。它和信息与通信、办公自动化、新材料、生物工程、保健与医疗技术并列为当代六大主导新技术。它的常规组成方式是将各种加工自动化设备和柔性生产线(FML)连接起来，配合计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)系统，在中央计算机统一管理下协调工作，使整个工厂生产实现综合自动化。
2、中国的工业机器人的研究
中国的工业机器人的研究起步较晚。于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
3、微机器人技术在超精密加工中的应用研究
讨论数控机床用机器人的研究状况需要提到微机器人技术在超精密加工中的应用研究，其反应了相应研究状况的先进水平。随着产品质量要求的不断提高，以精密加工、超精密加工、微细加工和纳米加工等为代表的精密工程越来越引起人们的关注。通常我们把被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度低于百分之几微米的加工技术称为超精密加工技术。超精密加工技术在国防工业、信息产业和民用产品中都有着广泛的应用前景。在国防工业中，导弹陀螺仪的质量直接影响其命中率，1 kg的陀螺转子，其质心偏离对称轴0.0005μm ，就会引起100 m的射程误差和50 m的轨道误差。在宇航技术中，卫星的姿态轴承为真空无润滑轴承，其孔和外圆的圆度及圆柱度均为纳米级。卫星用的光学望远镜、电视摄像系统、红外传感器等，其光学系统中的高精度非球面透镜等都必须经过超精密车、磨、研、抛等超精密加工。此外，大型天体望远镜的透镜、红外线探测器反射镜，激光核聚变用的曲面镜等都是靠超精密加工才能制造。在信息产业中，计算机芯片、磁盘和磁头，复印机的感光鼓等都要经过超精密加工才能达到要求。民用产品中的许多产品，如隐形眼镜，就是用超精密数控车床加工而成的。
3.1、基于微机器人的超精密加工技术
目前，微机器人在超精密加工领域中的应用主要有以下几种方式：微加工机器人，宏微机器人双重驱动，机床与机器人结合，扫描隧道显微镜和原子力显微镜等。
对于微小零件的精密加工中存在的主要问题是：如何以微观精度和低成本实现微小零件的加工与装配。由于基于传统方法的加工产生驱动误差补偿和温度补偿控制需要消耗大量能量，近些年来，基于IC工艺和深层X射线技术也被成功用于复杂工艺的微机械零件的加工，但是，被加工材料局限性大，加工和维护的费用也很昂贵。而携带有各种微操作、加工、测量工具的微小机器人，不仅可以进行精密零件的加工、检验和装配，还可以合作完成一些大型机床难以完成的工序。因此，基于微机器人的超精密加工成为实现超精密加工的一种有效方式。
3.2、微加工机器人
日本静冈大学开发了一组微小机器人。每个机器人尺寸大约在1立方英寸，由压电晶体驱动，电磁铁实现在工件表面的定位，这种机器人不仅可以在水平的表面移动，还可以在立面和天棚上移动，而不需要导轨等辅助装置。它还提供了模块化设计，因而为完成不同的微观操作，可以选择不同的工具，如小锤、微检测工具和灰尘捕获探针等。在实验中，多个机器人中有一个带有减速齿轮驱动微钻，其它的由直流电机带动小齿轮驱动，可以合作进行工件表面的微孔加工，如图2。
毛利尚武等人利用“尺蠖驱动法”研制了超小型电火花加工机，可以实现直径为0.1mm的微孔的加工，如图3。青山尚之等人研制了一种微小机器人，并且利用该机器人实现了压印加工。
RalphHollis等提出适用于精密装配的微工厂的概念，包含了基于传感器的微操作和自动装配体系，可完成复杂MEMS系统的装配工作。Hitosh建了一个微工厂的模型。在一个工作台上，集中了微型车床、磨床、冲床、机械手、操作器等，可以实现微型零件的加工以及装配。它的特点是空间小、能耗低、重量轻，可以根据生产的需要重新构造，具有很高的柔性。
4、中国数控机床行业现状及前景
随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。
“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39％；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。
2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。
2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。
2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96％。
长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。
国外公司在中国数控系统销量中的80％以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。
“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床1996-2005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心1996-2005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。
5、世界机床强国之德国产业现状
在现今数控技术广泛应用下，机床的良好销售业绩将带来足够的资金去研究更先进机床和更先进的生产工厂，反应了数控机床及数控机床用机器人发展的资金支持是足够的，相应发展是迅速的。从世界机床强国之德国产业现状足以看出业绩的良好。
创历史新高的2006年，德国机床业界的生产与服务总值高达108亿欧元，增长4%。在出口方面，截至2006年，德国机床制造业已连续4年取得上好成绩，仅2006年前9月的出口增幅便高达13%。来自中国市场的需求超过了美国市场，再度成为德国机床出口的最大海外市场。 与此同时，德国对韩国与印度的机床出口也有出色表现。这标志着亚洲市场的繁荣及其各个行业工业标准的提高。日本用户也在增加对德国机床与技术的订购，2006年日本首次跃居德国15大出口市场之一。
进口方面，亚洲的机床生产企业正不断提升技术标准，着力强化其在德国市场中的地位。2006年前3个季度，德国的机床进口增长率高达15%，主要增量来自中国、韩国、中国台湾与日本。 2007年该国机床生产与服务总值还将继续攀升，达115亿欧元。如此一来，德国机床制造业将取得历史以来的最好成绩，并有望打破行业在2001年所创下的最高记录。
6、我国相应用书
例如其中之一的《数控机床—机器人》为高等院校机械制造及自动化类本科学生专业课程设计指导用书，也可作为其他各类学校的课程设计和毕业设计的参考书、学生课外科普类活动的设计参考书。全书的内容是根据机械制造类教学计划中的有关机械制造装备的设计内容，尽可能吸收相关的新科学技术知识，反映现代科技成果，并从实用角度出发，以机电一体化的典型产品“数控机床工业机器人”机械系统设计为重点, 结合作者的教学实际经验而编写。通过学习可使学生具备一定的机械制造装备总体设计和结构设计能力。培养学生在产品设计方面分析问题和解决问题的实际能力。
书中着重介绍了数控机床机器人的设计方法和步骤。以及设计和计算时必要的图表和数据，如传感器、同步带、谐波齿轮、变速电机和锥环等的外型安装尺寸和技术参数。为了便于读者参考，书中还穿插了很多简明的技术资料和例图。书中最后一章的设计实例，不仅对学生有参考的意义，而且也便于对实际应用课题设计部分有困难的学生在学习过程中加以摹仿。
7、国外工业机器人的前沿技术
从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。下将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线分述机器人的最新进展情况。
7.1、国外机器人的最新进展
7.1.1、工业机器人
（1）机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。
（2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。
（3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。
（4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。
（5）网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。
（6）可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几冬天可以满足任何场合的需求。
7.1.2、先进机器人
近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。
（1）水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无缆水下机器人（autonomous under water vehicle）两大类。
（2）空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸630~48mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。
（3）核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等
（4）地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。
（5）医用机器人：医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。
（6）建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。
（7）军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和角摸能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。
可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。
7.2、目前研究热点及发展趋势
目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：
1．工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。
2．机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。
3．多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。
4．机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。
5．机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。
6．虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。
7．多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
8．微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
9．软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。
10．仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。
8、国内外数控机床用机器人的部分研究现状
机床和智能机器人的融合（Integration of intelligent robot and CNC machine）的摘要：FANUC株式会社代表取缔役社长工学博士稻叶善治开发了使用智能机器人能长时间无人操作的机械加工系统（机器人单元），机器人单元可配用搬运重量从4kg－1200kg的各种类型的发那科机器人，用智能机器人代替人来完成工件的上下料作业。并且，所开发的智能控制装置既具有控制机床的功能，也具有控制机器人的功能，以促进机床和机器人的融合。
机器人化加工平台的研制的摘要：功能的复合化、加工的自动化是数控机床的发展趋势之一。文章在分析工业机器人、复合化机床等现状的基础上。提出了研究复合加工用的机器人化加工平台的必要性。并对其进行了原理性的设计，分析了其适用的典型加工零件及其经济性。
基于工业机器人的柔性制造单元的实现的摘要：柔性制造系统主要由一台机器人、一台数控车床及一台加工中心组成。该系统的主要功能是自动装卸工件，并使需要车与铣两种加工工艺的工件在加工循环中，两台机床的待机时间最短；或在独立使用两台机床时，使得两台机床的待机时间最短。GUI风格的编程软件SCORBASE可管理和协调柔性制造单元的所有资源，并提供了丰富的指令。另外，文章还提出了一种新的机器人加工单元工作时间循环分析符号法，并给出了软件设计方案及主要界面。该方法消除了自然语言描述工艺的歧义性，提高了工艺设计的效率，也为工艺的计算机的表达创造了条件。通过所提出的时间循环分析法进行合理的时间规划，以及机器人系统的有关参数设置， 可使整个系统的资源在一定的约束条件下达到最为有效的利用。
9、总结
综上所述，工业加工生产的各个方面都反应国内外数控机床用机器人研究状况，数控机床用机器人不只限于自带机械臂等，甚至装夹操作、运料等均有机器人参与，在工厂自动化不断完善的今天，各技术学科的交叉使得相应技术极为广泛，数控机床用机器人研究水平由各技术水平综合体现，在系统科学发展的今天，新一批的研究人员会在广阔的天地大有作为。
参考资料：
[1] https://www.baidu.com
[2] 微机器人技术在超精密加工中的应用研究[J].
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