工业机器人入门
工业机器人是什么？
工业机器人是指在工厂等生产现场为实现作业自动化而设计的机械系统。它们能重复、精确地完成特定任务，旨在替代人类承担重体力劳动或危险作业。与家用或服务机器人不同，工业机器人主要用于制造过程，其结构和控制方式更复杂，特点是强调动作的精确性、速度和耐久性。日本制造业高度发展，工业机器人的应用已成为不可或缺的部分，作为应对劳动力短缺、统一质量、降低成本等多种挑战的手段而备受关注。
工业机器人的主要类型
多关节机器人 (机器人手臂)： 最常见的类型，结构接近人臂，自由度（轴数）高，适用于焊接、组装、喷涂等多种作业。
SCARA 机器人： 专精于水平方向动作，在分拣、组装作业方面有优势，速度和精度平衡性好，也适用于狭窄空间作业。
并联机器人 (Delta 机器人)： 三角结构，可实现高速运动。适用于食品包装、电子元件分拣、医疗用品分类等需要高速高精度处理轻量物体的作业。
直角坐标机器人 (龙门机器人)： 沿 XYZ 轴直线运动，结构简单，维护性好，用于大型工件的搬运或加工。
移动机器人 (AGV / AMR)：
AGV： 沿地面铺设的导引轨道运行的无人搬运车。
AMR： 利用传感器和摄像头，灵活判断路径并实现自主行走。在物流和仓库管理中的应用日益普及。
协作机器人 (Cobot)： 设计用于在与人相同的空间安全作业，通过传感器和力控制避免碰撞。部署灵活，在中小企业中的普及度也在提高。
基本构成与辅助系统
工业机器人由多个功能模块构成，密切协作完成任务。
控制器与 PLC： 机器人的“大脑”，控制动作顺序、速度、坐标。通过与 PLC 联动，可控制整条生产线。
末端执行器： 抓取工件的夹爪，或焊接、吸附等工具的总称。可根据用途更换，灵活应对。
传感器与反馈机构： 使用位置传感器、扭矩传感器、接近传感器等，提高安全性和精度。人机协作时必不可少。
机器视觉与摄像系统： 通过图像识别，可应对工件位置偏移和外观检测。结合 AI 提高了识别精度。
与输送带及自动搬运设备的集成： 在要求整线自动化的背景下，与输送设备的协同非常重要。
用途与机器人类型匹配矩阵
| 用途 / 机器人类型 | 多关节 | SCARA | Delta | 直角坐标 | AMR | 协作 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 搬运/包装 | ◎ | ○ | ○ | ◎ | ◎ | ○ |
| 组装/取放 | ◎ | ◎ | ○ | ○ | △ | ◎ |
| 焊接/钎焊 | ◎ | △ | × | ○ | × | △ |
| 喷涂/表面处理 | ◎ | △ | × | ○ | × | △ |
| 外观检查/尺寸测量 | ○ | ○ | ◎ | ○ | △ | ◎ |
说明： ◎ = 非常适合， ○ = 适合， △ = 有条件可行， × = 不适合
常见应用领域
搬运/包装作业： 从重物搬运到精密包装均可应对，助力省人化和作业时间缩短。AMR 实现的柔性物流系统尤为瞩目。
组装/取放： 实现零件的精确定位和高速供料，适用于从电子元件到机械零件的多种产品。多关节和 SCARA 型常用。
焊接/钎焊： 再现性高地自动化金属件接合或电路板焊接等需要熟练技能的作业。要求热源距离管理和稳定动作，控制精度是关键。
喷涂/表面处理： 在要求均匀性的喷涂工序中，结合优化喷嘴动作轨迹的编程语言和视觉系统。
外观检查/尺寸测量： 结合高速摄像头和 AI 图像分析，检测产品划痕、异物混入，还可用于微米级尺寸测量。结合协作机器人可实现人机协同作业。
主要应用行业
汽车/运输设备制造：在焊接、涂装、零件组装等大规模生产中发挥重要作用，实现质量均一化和效率提升。
电子设备/半导体制造：用于需要高精度位置控制和精细操作的工序，如精密电子元件的放置和检测。
食品/饮料加工：使用可应对卫生要求的锈钢制机器人，包装和填充作业的自动化不断推进。
医疗设备/制药制造：贡献于无菌环境下的精确计量和注入作业，在品质管理严格的行业应用也在增加。
中小企业/精密零件制造商：支持在有限空间和人手条件下稳定供应高质量产品，紧凑型、多用途机器人受青睐。
可再生能源/电池制造：作为新兴领域，机器人正被引入太阳能电池板和锂离子电池的生产线，支撑可持续社会。
工业机器人的优势
实现高精度、可重复性作业： 即使在要求微米级精度的制造工序中，也能在数千次重复动作后保持品质。
提升产量和稼动时间： 可实现 24/365 运行，无需轮班制，夜间和节假日也能自动运行。
长期成本效益： 虽然初始投入高，但考虑运营成本和人件费，通常几年即可收回成本，从生命周期整体看成本效益优异。
应对日本制造业人手短缺： 在老龄化加剧、年轻劳动力难确保的背景下，机器人替代日益重要。
提升危险或单调作业的安全性： 替代涉及高温、化学品、高空作业等危险工序或导致精神疲劳的简单作业，降低工伤风险。
质量均一化： 抑制质量波动，有助于提高良品率。结合传感器和视觉系统，可实现实时调整和自我诊断。
选择合适的机器人
需考虑以下几点：
作业内容与负载匹配类型： 例如，高精度焊接选多关节机器人手臂，单纯搬运则直角坐标或 AMR 更高效。
安装空间与可搬运重量： 需考虑本体尺寸、动作范围、工件尺寸重量、与周边干涉。日本工厂常有空间限制，紧凑轻量设计也是关键。
与现有设备集成的便利性： 需确保能顺畅与现有 PLC 和传感器通信控制，控制系统编程语言兼容。
制造商技术支持和本地维护网络： 故障时的快速响应、更新维护支持对长期稳定运行至关重要，尤其对技术资源有限的中小企业。
操作性与培训支持： 采用平板 GUI 操作盘、支持无代码编程的系统可降低现场操作员学习负担。
最新技术与趋势
AI与机器学习优化运动： 积累作业历史和环境数据，学习更新最优动作路径，缩短作业时间，提高精度。
云端监控与预测性维护： 将运行状态和振动数据等上传云端，AI 检测异常征兆，优化维护计划，减少停机。
边缘计算实现实时控制： 在现场设备端处理数据，抑制延迟，实现瞬时响应和高速高精度动作控制。
与5G/IoT环境集成： 利用5G超低延迟和广连接特性，实现机器人与其他设备无缝协同及远程控制监控。
轻量化/模块化设计进展： 采用碳纤维和树脂复合材料减轻重量，提高搬运机器人和协作机器人的易用性。模块化设计提高了扩展性。
虚拟孪生与仿真应用： 在虚拟空间再现真实系统，实现导入前的动作确认和故障预测。
