機(jī)械設(shè)備制造中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用研究

瞿敏敏

江蘇省常州技師學(xué)院，江蘇 常州 213000

工業(yè)機(jī)器人是通過(guò)編程和自動(dòng)控制在機(jī)械設(shè)備制造中進(jìn)行自動(dòng)操作的多功能自動(dòng)化機(jī)械裝備，其綜合制造主機(jī)或者生產(chǎn)線，能夠構(gòu)成單機(jī)與多機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)，在沒(méi)有工作人員參與的情況下，進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)與焊接等各種生產(chǎn)作業(yè)?，F(xiàn)階段，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度加快，在生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用甚廣，已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備制造生產(chǎn)過(guò)程中的核心高度自動(dòng)化裝備。

1 工業(yè)機(jī)器人概述

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的一種擁有諸多關(guān)節(jié)的機(jī)械手或者擁有很多個(gè)自由度的機(jī)器人，其能夠根據(jù)提前設(shè)定的程序自動(dòng)工作。工業(yè)機(jī)器人由多個(gè)部分構(gòu)成，比如機(jī)座、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。其中，比較重要的一部分就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是以腕部和行走機(jī)構(gòu)、臂部和手部等組合而成的，大部分工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，腕部一般涵蓋1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)涵蓋了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與動(dòng)力裝置，是用來(lái)讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)作的，控制系統(tǒng)是嚴(yán)格根據(jù)提前設(shè)定的程序?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)布的命令或者信號(hào)加以控制[1]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

首先，開(kāi)放式硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是以開(kāi)放式CPU計(jì)算模塊為核心，由控制器和PLC控制單元、示教器等構(gòu)成。其中，控制器和示教器運(yùn)用串口總線開(kāi)展通信工作，而控制單元和PLC控制單元?jiǎng)t使用于規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的姿態(tài)等諸多環(huán)節(jié)[2]。其次，開(kāi)放式軟件系統(tǒng)。在判斷機(jī)器人系統(tǒng)能否順利工作的過(guò)程中，通常使用對(duì)有關(guān)軟件系統(tǒng)的判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。通用型軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)就是Linux，使用了開(kāi)放式與模塊式設(shè)計(jì)，根據(jù)功能需求的不同，將軟件系統(tǒng)整合為驅(qū)動(dòng)層、核心層與應(yīng)用層。再次，故障自我診斷系統(tǒng)。機(jī)器人通過(guò)代碼設(shè)置形式，以系統(tǒng)接受反饋信息，同時(shí)采用代碼來(lái)顯示，繼而為操作人員檢修和維護(hù)等工作的順利進(jìn)行給予相應(yīng)的提示。最后，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由機(jī)器人單獨(dú)操控向機(jī)器人流水線作業(yè)發(fā)展的形式，已然成為新的發(fā)展趨勢(shì)，與此同時(shí)網(wǎng)絡(luò)是必不可少的一部分，比如借助云端遠(yuǎn)程操作技術(shù)，讓遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

2 機(jī)械設(shè)備制造領(lǐng)域中科學(xué)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的探索

2.1 在汽車與電氣等機(jī)械設(shè)備制造中的應(yīng)用

運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人與沖壓設(shè)備一起建立沖壓自動(dòng)生產(chǎn)線，使用工業(yè)機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線做好機(jī)械設(shè)備零部件與設(shè)備制造和裝配，這一模塊功能十分強(qiáng)大且操作方便快捷，有著一定的實(shí)用性。同時(shí)，可以使用壓鑄型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械設(shè)備零部件生產(chǎn)，例如，組織一個(gè)專業(yè)技術(shù)工作對(duì)多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人展開(kāi)管理和操作。伴隨科技的持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步，鑄造機(jī)器人技術(shù)逐步與機(jī)床技術(shù)充分融合，同時(shí)衍生出了熱模鍛和輥鍛工業(yè)機(jī)器人，這些機(jī)械人能夠做好機(jī)械設(shè)備制造壓鑄的每一項(xiàng)操作任務(wù)，有效預(yù)防人工操作的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)用性和精度較高[3]。

2.2 在機(jī)械設(shè)備制造噴涂工作中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械設(shè)備制造噴涂中的運(yùn)用，通常是指涂裝與噴漆等工作，噴涂工作中的一大問(wèn)題就是漆霧和揮發(fā)的溶劑，這些物質(zhì)對(duì)生態(tài)環(huán)境是有害的，還會(huì)威脅到人類的身體健康，不僅浪費(fèi)材料，還會(huì)致使經(jīng)濟(jì)受損。因此，噴涂工業(yè)機(jī)器人誕生了，該類型的工業(yè)機(jī)器人能夠自動(dòng)噴涂涂料。噴涂機(jī)器人有很多優(yōu)點(diǎn)，比如有著很強(qiáng)的柔性，工作范圍廣、噴涂質(zhì)量與材料使用效率高、操作便捷且容易維護(hù)，可以進(jìn)行離線編程，有效減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，設(shè)備利用率高，能夠達(dá)到90%以上。機(jī)械設(shè)備制造中合理借助工業(yè)機(jī)器人在噴涂工作中的運(yùn)用，可以解放勞動(dòng)力，提高機(jī)械設(shè)備制造生產(chǎn)水平，提升噴涂工作效果，避免廢棄油漆、溶劑隨意排放出去，從而起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用[4]。

2.3 在機(jī)械設(shè)備焊接中的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)備焊接過(guò)程中，對(duì)于焊接精度有著很高的要求，同時(shí)對(duì)于人工技能水平也提出了嚴(yán)格的要求。此外，由于焊接工作環(huán)境十分惡劣，強(qiáng)度高的焊接工作對(duì)工作人員眼睛與皮膚均會(huì)造成損害，而工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用，能夠有效解決該問(wèn)題。現(xiàn)階段，工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械設(shè)備焊接中運(yùn)用甚廣，而焊接機(jī)器人類型多樣，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合中，選擇的工業(yè)焊接機(jī)器人也是有差別的。其中，多關(guān)節(jié)機(jī)器人由于可以調(diào)節(jié)姿態(tài)，同時(shí)可以隨意調(diào)整焊槍位置，運(yùn)用范圍較廣。經(jīng)過(guò)相關(guān)調(diào)查研究可以了解到，焊接機(jī)器人使用頻率較高，一般用于點(diǎn)焊、弧焊。將該類型的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用于機(jī)械設(shè)備制造中，可推動(dòng)機(jī)械設(shè)備的高效率制造，且該種機(jī)器人技術(shù)在機(jī)械設(shè)備底盤(pán)等的制造中，運(yùn)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，比如，在機(jī)械設(shè)備焊接生產(chǎn)線中，使用自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)展焊接的環(huán)節(jié)達(dá)到80%，同時(shí)在安全部件的焊接中，也采用了機(jī)器人來(lái)進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接工作，有效預(yù)防了人工操作造成的失誤，提升了機(jī)械設(shè)備總體的安全性能。伴隨機(jī)械設(shè)備焊接作業(yè)愈發(fā)復(fù)雜，焊接中，對(duì)焊縫精度要求更高，經(jīng)過(guò)在焊接機(jī)器人上設(shè)置速度傳感器，并且在系統(tǒng)設(shè)置綜合電弧傳感器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤效果，該技術(shù)在國(guó)外機(jī)械設(shè)備制造業(yè)中運(yùn)用尤為普遍，比如奧迪、奔馳等車身生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，均使用了機(jī)器人激光焊接工藝。另外，一些企業(yè)在所有點(diǎn)焊機(jī)器人中安裝了點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)，該種技術(shù)可以確保焊接質(zhì)量和精度，在機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)中，經(jīng)過(guò)綜合弧焊與點(diǎn)焊機(jī)器人的操作，可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間中對(duì)機(jī)械設(shè)備部件展開(kāi)同時(shí)加工，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備焊接生產(chǎn)線精簡(jiǎn)化的目標(biāo)。

2.4 在機(jī)械設(shè)備制造搬運(yùn)工作中的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)備制造在組織設(shè)備制造和加工、裝配等過(guò)程中，必須在工廠內(nèi)部搬運(yùn)和擺放很多原材料與工件等，假設(shè)采用人工操作，需要花費(fèi)很多的時(shí)間與精力，同時(shí)在特殊物件搬運(yùn)過(guò)程中易于發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人承擔(dān)搬運(yùn)工作，可以組織工業(yè)機(jī)器人做好上下料作業(yè)與高溫鍛造裝卸作業(yè)等。經(jīng)過(guò)合理運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人取代人工搬運(yùn)，可以有效減小人工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低管理成本，提升機(jī)械設(shè)備制造生產(chǎn)的安全性。工業(yè)機(jī)器人有諸多種類，其中一種可以搬運(yùn)的機(jī)器人被稱之為搬運(yùn)機(jī)器人，該種機(jī)器人不僅可以在第一時(shí)間接收發(fā)布的指令，還可以自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)工作人員提前設(shè)定的程序和AI技術(shù)指定動(dòng)作，故而在各行業(yè)中應(yīng)用甚廣。伴隨搬運(yùn)機(jī)器人的使用，至今為止已經(jīng)有幾十萬(wàn)臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人被投入使用，比較常見(jiàn)的是用來(lái)搬運(yùn)大型重物，如今，搬運(yùn)機(jī)器人在機(jī)械設(shè)備制造領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)成熟。四軸與六軸搬運(yùn)機(jī)器人是交叉學(xué)科中研究比較多的技術(shù)。前者的特征是搬運(yùn)速度，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似直線，可快速搬運(yùn)，一般在高速碼垛、包裝等工作中采用；后者比較擅長(zhǎng)的是重大貨物的搬運(yùn)，通常在機(jī)械設(shè)備制造中應(yīng)用較多[5]。

3 機(jī)械設(shè)備制造中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析

工業(yè)機(jī)器人發(fā)展整體而言體現(xiàn)在如下方面：第一，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用領(lǐng)域拓展與類型增加；第二，工業(yè)機(jī)器人性能提升，朝著智能化發(fā)展。前者為運(yùn)用領(lǐng)域的拓展，后者為性能與水平的提升。機(jī)器人運(yùn)用領(lǐng)域拓展與性能提升是彼此促進(jìn)的。運(yùn)用領(lǐng)域拓展對(duì)機(jī)器人提出了全新的要求，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)水平提升。反之，機(jī)器人性能和智能化水平提升，讓機(jī)器人持續(xù)增大運(yùn)用領(lǐng)域。示教再現(xiàn)機(jī)器人是首代工業(yè)機(jī)器人，在機(jī)械設(shè)備制造中運(yùn)用甚廣。示教再現(xiàn)機(jī)器人能夠依據(jù)示教程序重復(fù)作業(yè)，但是因?yàn)槠鋵?duì)外部環(huán)境變化不具備感知功能，無(wú)法按照外部環(huán)境變化轉(zhuǎn)變運(yùn)動(dòng)功能與工作能力，因此，在復(fù)雜環(huán)境下，該種機(jī)器人部分工作無(wú)法適用。

二代感知功能機(jī)器人，經(jīng)過(guò)傳感器系統(tǒng)能夠第一時(shí)間掌握外部環(huán)境變化，同時(shí)按照變化，及時(shí)修正機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。該種感知功能不但可以從環(huán)境中采集與處理各種信息，也可以經(jīng)過(guò)這部分信息，識(shí)別與理解環(huán)境變化，因此二代機(jī)器人可以做好視覺(jué)引導(dǎo)與零件裝配等復(fù)雜工作。

三代智能機(jī)器人不單單擁有感知功能，還擁有決策方面與規(guī)劃方面的能力。通常來(lái)說(shuō)在十分復(fù)雜的環(huán)境中，開(kāi)展無(wú)法預(yù)估的工作時(shí)，對(duì)機(jī)器人要求比較高，譬如應(yīng)當(dāng)有觸覺(jué)功能、可以自行決策和行動(dòng)。智能機(jī)器人是經(jīng)過(guò)任務(wù)理解功能得到相關(guān)任務(wù)，且嚴(yán)格按照環(huán)境理解功能采集環(huán)境周邊變化信息，通過(guò)行動(dòng)功能決策目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方案?？墒牵?dāng)今機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)完全自主仍然較難，因此很多技術(shù)無(wú)法完全滿足自主智能機(jī)器人的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，機(jī)械設(shè)備制造中運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人，不但可以推動(dòng)工業(yè)企業(yè)的快速發(fā)展，確保機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)效率與質(zhì)量，而且可以給企業(yè)帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備制造領(lǐng)域中科學(xué)運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人的探索，創(chuàng)造更加良好的發(fā)展前景。