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机器人控制解决方案技术现状

引 言 90年代的十年已被看作是基于PC的技术迅速发展的年代。这种基于PC的硬件和软件的迅猛增长，对制造业（从定单输入和系统分析到生产线过程控制）有十分重要的意义。随着Intel奔腾处理器和微软Windows NT的出现,现在，制造商已有了一种真正的开放式体系结构，非专有的控制环境可以利用。这种环境支持（事实是促进）不同制造设备的广泛的系统集成。它也使制造商能容易地开发用户应用程序，以支持其过程并获得第三方在现成的软件包中得到的经验。更为重要的是，PC硬件和软件平台是在工业界可接受的油缸及活塞：他们的接触外表经过精细加工硬件部件和软件常规标准下建立的。采用标准的好处已被计算行业所证实。这些好处可以容易地转移到工厂车间和控制工业。 这种开放式体系结构环境为系统控制、过程监视和数据采集、质量管理、以及以前不能做到的与其它系统的通信、典型的闭环结构、专用性、用于制造业的计算平台提供了一系列制造业专用的功能。基于开放式体系结构的PC制造的主要好处是在： h通信 h荣威配件连通性 h部件标准化和可用性 h节省成本。 开放式PC控制正在为现有的机械系统（如机器人、机床和自动化系统）提供“即插即用”自适应开创新的机遇，为改型和升级资本设备提供大市场。真正的开放式部件和通信协议的最早的例子之一是出现在机器人领域。 今日生产中的PC控制 “财富500家”中的一些公司已积极采取一种基于PC的制造业进取精神来实现生产领域内的PC技术的各种优点。现在，Saturn公司处于将PC技术应用于制造业的领先者行列[1]。 在Saturn公司，生产停顿1分钟要损失4400美元。Saturn确定，它需要最近的100，000个不同类型制造信息存取，以开发更佳的生产过程，使其制造系统不停顿地运行。只是采用工业标准的硬件和软件，Saturn在车辆系统、车体系统和动力传动中实现了一种基于PC的策略和与财务和行政管理真正集成的生产系统。该公司选择微软Windows NT用于其安全措施、图形用户接口和开放式体系结构。 在Saturn公司，基于PC的开放式体系结构，微软Windows制造环境，已证明其对诸如动态喷漆作业调度、生产跟踪和质量监控等关键性任务处理的能力。该系统也自动地搜集90%所需要的制造数据，以便评估各种生产过程，并作出不断的改进。用微软可视图象Basica或可视C++杀毒软件语言，已开发公司的目标是生产出世界上首辆采取碳纤维连接器的轿车出用户应用程序，以捕获生产和停机时间数据，并用于维护报告，检修和试验系统。该公司甚至已开发出用于远距性能监视的各种机内工具。 “自动化孤岛” 过去20年内，一直由基于计算机的专有技术的实施而引起的车间“自动化孤岛”，由于原始设备制造商（OEM）同意采用硬件、软件、控制、通信和操作用的工业标准协议而正在消失。 机器人自动化的情况除外。专有的控制结构将机器人的应用程序开发局限于简单的、可独立应用的任务。业已表明，从柔性自动化机器人技术中可获得很大好处的肮脏、黑暗和危险的任务，简直不可能以成本有效的方式开发和集成。诸如用穿弧和视觉传感器的自适应多次焊接，或在贴合性材料上散布粘结剂等复杂的应用程序正在‘财富500家’公司内开发。这些大公司在专用机器人控制器的研究和开发预算，工作人员经验和较长的研究开发时间等方面都是能够承受的。但是，这种“先进的”系统并不应用于生产。集成、安装和维护这种试验性的机器人工作单元的成本太高，工厂无法承受。 即使在简单、明确的任务场合，专用机器人控制体系结构也会单独地增加系统实施成本。在大多数场合会妨碍最新开发利益的实现。这对我们北美市场已拥有的115,000台机器人和每年新安装15,000多台机器人来说，简直是难以接受的。 据‘财富500家’有关生产线上装有50台（或更多）机器人的制造商报告，平均来说，一台机器人工作单元的最终实施成本是单独的机器人和控制器报价的3～5倍。附加的成本不仅来自购置外围设备和工具，而且也来自安装高压泵和硬接线的集成。 这意味着，一台价值5万美元的机器人和控制系统外卖在工作单元建立和运行时，预期要额外支出15万到25万美元（或更多）。这些费用还只是在“资本拨款”项目下作为一种详细开列的项目出现的。此外还有不可避免的其它支出。这类支出隐藏在工程、维护、备件和培训等其它预算内（或者有时全然不包括在内）。 例如，一台工作单元的程序编制（或重新编制）时间可以是几星期到几个月。操作人员培训时间也许需要长达8个月。备件库存可能要占20%工作单元成本。从而影响到生产停顿时间。实际的价格单据可能是惊人的，而用一个新装置替换生产中的一个现有的机器人臂的费用甚至要更多。基本的机器人轨迹、工具架，I/O及机械接口一般都不相同，需要有新的研究和新的工程。 用基于PC的控制来扩展机器人设备的寿命 自从机器在那时人技术出现以来，仅在北美地区的制造设施上就已安装了11.5万台以上的机器人。最初安装的机器人大多还在工作。与机床的情况相类似（机床的使用寿命可长达几十年），在长寿命基础上，