从机电一体化到超级机电一体化及全球合作

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从机电一体化到超级机电一体化及全球合作

摘要：日本安川电机公司总裁菊池功先生所作的演讲报告，回顾了安川公司的机电一体化发展过程，追溯了公司从1960年第一台简单的功能机械手创应用于半导体制造的最新超级机电一体化机器人的历史。详细介绍了两台新的被设计用于超净室（其洁净度低至1级）内的机器人。叙述了安川的英国公司的活动，该公司和安川公司的大多数海外运作一样，是以合资公司模式启动的。演讲的结论呼吁国际间的合作以解决现存的全球问题，特别是制造业对环境的影响。

图片1  安川电机公司的菊池功先生（中间）正在剑桥大学对听众讲话，以及剑桥大学制造工程小组的麦克·乔治先生，该小组得到安川公司企业开发部主任诚一先生（左）的帮助。

　

    日本安川电机公司（Yaskawa Electric Corporation）总裁菊池功（Koh Kikuchi）先生在题为“自动化及机电一体化的国际化”的介绍中回顾了安川电机公司在机器人发展及机电一体化工业成长中的作用，因这种作用安川公司被称为“机电一体化之母”。同时还是日本政府资助的制造科学与技术中心主席及1985～1996年安川公司总裁的菊池先生，曾在由JETRO（日本外贸机构）组织的和由新近在剑桥大学成立的国际制造中心承办的讲座上发言（图片1）。

1950年末安川公司开始首创电驱动装置的应用，在机械设备中取代液压驱动装置。它开发了伺服电机和电动执行器，后者的商品名称为“电动臂”“电动手”及“电动指”。这些是把回转运动转换成直线运动的机构。菊池先生强调在这个阶段它们不是机电一体化装置。直到1969年机电一体化（机械和电子的结合）的名称才变成商标，安川公司于1972年对它进行了注册。这时安川公司已开发了它的第一台机器人Motoman（图片2）。

       图片2  安川公司的一台Motoman机器人

               在装配另一台Motoman机器人

菊池先生把机电一体化描述为具有检测器（传感器）、执行器（手、臂及足）、大脑（控制装置）三个部件的自动化的“金三角”。所有的三个部件都被结合到安川公司早期的一台机器人“the Cyclops”之中，其结合方式如照相机或单只“眼”，因此其名称为“单脚”或“单座”及微处理器控制装置。

安川公司把电驱动装置应用于机械设备在刊物Survey中得到肯定，Survey最初以瑞典文于1972年1月出版。其中包含了由商业及研发机构提供的每张上有133个机器装置的数据表。上面列出了两种安川公司产品：Motohand——用于机床上料/下料的一系列直线执行器，以及用继电器控制的电驱动机器人。后者是检测中仅有的4台带电驱动装置的设备之一，以及在其产品被描述的公司中只有安川公司作为工业机器人的制造商继续存在到今天。

电驱动装置

菊池先生讲解了安川公司是怎样进行机器人研究的。在1950年末和1960年初，当安川公司在介绍它的简易单功能Motohand机器人之时，也正是乔·恩格尔伯格尔（Joe Engeberger）在开发Unimate型的工业机器人的时侯。但安川是一个电气技术公司，它决定走用电驱动装置的道路而不是Unimate的用液压驱动装置和其它早期机机器人的道路。安川公司想要的是全电动的机器人。

与此同时安川公司以技术熟练的工人支焊接它的电机的外壳。公司想要开发一种能被教会这种弧焊技能的机器人。因此，一种微处理器连续轨迹控制的机器人Motoman延生了，它符合真正的机电一落体化装置的定义。自那以后约有45,000台Motoman供应给全世界。

机器人是安川的机电一体化产品中的一种，在1997年其营业额为，1,432亿日元（6.7亿英镑），远远居于安川公司营业活动的最大领域，几乎相当于其业务的60%，其它的主要产品族是重型电机（占营业额的18%）和系统（18.3%）。其它的机电一体化产品包括逆变器、伺服电机及控制装置、运动控制装置、PLC及机床数控装置和电机。

日本机器人产品的主要数量集中应用于汽车工业，但是现在安川公司已为先进的机器人找到了新的应用领域。菊池先生说：“这些机器人走入3D领域，即危险（dangerous）领域，脏活（dirty）领域及正有需求（demanding）的领域，这些是工业机器人的主要应用领域。他引证以常规的控制方式帮助病人锻炼受伤肢体的康复机器人作为“3D领域”应用的例子（图片3）。另一个是输电线机器人，它在CRT遥控下完成架空的输电线上的工作，菊池先生透露，一些英国电力公司对这方面的应用感兴趣。第三个是真空环境中硅片的搬运。

         

        图片3   安川公司开发的用于帮助手指关节康复的机器人

先进的机器人

菊池先生相信在未来机器人新的应用上的增长将会是在人们体力不能完成的任务方面，而不是像今天这样在人们由于环境条件或工作有危险而不愿做的工作上。在真空中工作就是人们不能做到的任务的一个例子。机器人不像人，它不需要呼吸因而在真空中工作没有任何问题。另一个例子是在洁净的环境中工作，这是由于机器人能无污染地在这种领域中工作。达到非常高的精度对人们来说是另一项困难的工作。现在需要做这种工作的一个行业是半导体，而菊池先生相信这是先进机器人应用的一个潜在的主要增长领域。

通过最近引入两台新的超净室（内用的）6轴机器人，安川公司已经向这个方向发展。Motoman-CR3（机器人）的负载量为3kg，已获准用于具有最高清洁环境条件的1级超净室。它被设计用来从事各种各样的搬运工作。工具作业用的9条电缆和3根气管（2根供气，一根排气）从内部通入腕部以消除灰尘。第二台是大得多的机器人，负载量为45kg。该Motoman—CR45（机器人）获准用于100级超净室，还可选用于100级超净室。这是市场上能买到的最大的超净室机器人。仍是使工具作业电缆（CR45是23条）和2根气管从内部通入来消除灰尘污染。

在现时这些机器人非常胜任半导体制造方面的工作。菊池先生说：“实际上，机器人不得不等待相对较慢的半导体处理工序的完成。我们需要做的是在生产中把机器人集成在半导体工序中并使它们同步”。

超级机电一体化

超净机器人是菊池先生所说的新的超级机电一体化产品的一种。其它的是真空传输系统及能在极端超净生产环境中工作的直线电机。这些都是开发大容量的下一代半导体器件的基础。1997年安川公司创造了这些超级机电一体化产品的销售增长45%的记录，并计划在今年进一步扩大使订单增加一倍。

安川公司在机电一体化另一个领域的发展目标是网络连接。由于运动控制装置与伺服机构、逆变器及其它使用场网络的运动装置的联接问题，使机床、机器人及工业机器的开放式控制信息网络已变得落后，安川公司应用机械电子耦合装置（Mechatrolink）解决了这个问题，该机械电子耦合装置形成了开放的易于使用的高速网络。机械电子耦合装置把现场设备和控制器联接起来，控制器依次通过以太网（Ethernet）和最高一级计算机相联。这是走向实现先进的控制信息传输和生成开放及清晰（透明）的控制系统的“完全机电一体化”的第一步（图1）。

下一步菊池先生转向了国际合营及全球合作的主题。安川公司不是一个大公司，因而通常是依靠地区联盟来开展其海外业务活动。他说：“我们有非常好的伙伴，另一方面我们有非常好的产品供应给市场”。特别是对Motoman机器人，它在许多国家开展业务时，与当地的公司（诸如瑞典及英国的Torsteknik公司，和德国的Robotec公司）结成合伙关系。

Yaskawa Electric UK公司（安川电机英国公司）是创办成合资企业的另一个例子。它在1990年9月创建于苏格兰的坎布尔瑙特（Cumbernauld），以YE-Data UK有限公司的名义向IBM公司供应软盘驱动器。于1991年6月开始出产品，25个雇员中只有3人是日本人。

  

图1  安川机械电子耦合高速现场网络原理图

1993年之前该公司增至80名雇员，但对软盘驱动器的需求极大地下降，因而公司经营活动有不得不结束的危险。但是，安川公司不想这样做并找到了使坎布尔瑙特工厂转产加工逆变器来解决问题的办法，并把它重新注册为Yaskawa Electric Limited（安川电机有限公司）。这个措施获得了成功，使安川公司在1997年于坎布尔瑙特又建了一个新厂，而且今天在这一运营活动中雇有105人，其中4人是日本人。菊池先生评论说：“我们的苏格兰经验是一个成功的故事，并显示了我们在人员、地域及环境方面的信心”。

二十世纪的梦

菊池先生相信在20世纪末前我们的大多数梦将得以实现。他引用1901年日本Houni报纸上的预言：覆盖世界的无线电话；用电作能源；用2.5小时从东京到达神户（子弹头列车）；以及动物语言识别。后者是与动物沟通这种人类不可思议的能力的参考标准，今天它已由机器人来实现。

    当这些预言的大多数已变成现实时，在实现的过程中产生了其他多种问题，它们中的大多数都严重地影响环境。菊池先生断言这些问题只有通过全球合作才能解决，而通讯和IT系统的发展，使这种多国合资企业具有明显的可行性。这就是制造科学与技术中的作用，智能制造系统（IMS）项目是它的一部分。后者是下一代新的制造样式研究和开发的一种国际合作项目。

菊池先生在结论中说：“千年岁末像其它任何期限一样，它是发疯似地努力完成工作的最后夜晚”。

承办者

国际制造中心于1997年由剑桥大学创建。它是工业界经理们和与国际制造事宜和问题相关联的较广泛团体的关注焦点。该中心是剑桥大学制造工程小组在先前研究工作基础上建成的穿越国界的制造（学研究）活动的传播者。除了在国际领域中它的大范围研究活动之外，它还提供一定范围的工业一学术研究会议及有关工业和专业咨询方面的服务。该中心的目标是跟踪国际上出现的趋势及在与中心成员研讨中产生的新项目。更进一步详情可从国际制造中心的特里·汉伯（Terry Hanby）处获得，地址：英国剑桥CB2 IRX，磨坊走廊，剑桥大学工程系，制造与管理部（Center for International Manufacturing, Manufacturing and Management Diuision, University of Cambridge Department of Engineering, Mill Lane, Cambridge CB2 IRX, UK）.电话：+44（0）1223 338191； 传真：+44（0）1223 338076； 电子信箱：HYPERLINK mailto：tch20@eng.cam.ac.uk;网址：http://www-mmd.eng.cam.ac.uk.

JETRO：日本贸易振兴会，是非盈利性的半官方机构。它通过促进进口、工业合作及国际交流来支持日本与其它国家间的贸易，并对发展中国家进行贸易及工业援助。其伦敦办事处是JETRO全球网络的80个办事处中的一个，是欧洲最大的办事处，它反映了日本政府持续把英国贸易关系放在重要地位。它与英国贸易工业部（DTI）及英国贸易促进机构紧密协作，以鼓励和支持英国在日本市场的业务，并在英国贸易工部发起的“日本战役”活动中特别活跃。在这一活动中，它在英国建立了约100家日本业务管理部门的特别工作组，能为想在日本经商的英国公司提供咨询和帮助。更进一步的详情可从JETRO伦敦办事处机器与总务部的英利萨·凯伯（Melissa Gamble）,地址是：Machinery and General Affairs Division, JETRO London, Leconsfield House, Curzon St, London W1Y8LQ.电话：+44（0）1714704700，传真：+44（0）1714917570； 电子邮件：gamblem @ jetro.co.uk ; 网址：http: //www. Jetro.co.uk.

                      赖维德  译自《 Industrial Robot 》25卷，