工業(yè)機(jī)器人在自動化領(lǐng)域的運(yùn)用路徑探討

柏紹剛

（四川省宜賓普拉斯包裝材料有限公司，四川宜賓 644000）

0.引言

目前，工業(yè)機(jī)器人雖在我國自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但因可供參考的應(yīng)用資料和案例較少、起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距。所以，在我國科技水平和經(jīng)濟(jì)水平高速發(fā)展的關(guān)鍵時期，工業(yè)企業(yè)必須牢牢抓住這一優(yōu)勢，積極探究強(qiáng)化工業(yè)機(jī)器人在自動化領(lǐng)域應(yīng)用質(zhì)量的有效對策，促使工業(yè)產(chǎn)業(yè)逐漸向自動化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級。由此，深入探討工業(yè)機(jī)器人在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用路徑，已成為新時期擺在工業(yè)行業(yè)面前一項亟待解決的重大難題。

1.自動化領(lǐng)域中工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)概述

1.1 工業(yè)機(jī)器人的概念

當(dāng)前，機(jī)器人作為社會各界熱議不斷的重要話題，其主要指工業(yè)自動化領(lǐng)域中可以重復(fù)編程、自動控制的多功能機(jī)械手。一般而言，機(jī)器人主要包含軍用機(jī)器人、空間機(jī)器人、水下機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人以及娛樂機(jī)器人，其中工業(yè)機(jī)器人具有較高的自由度，可以按照預(yù)先編程的設(shè)計程序完成相應(yīng)的執(zhí)行命令。通過將工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于自動化領(lǐng)域，既可以有效提升工業(yè)行業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，還對工業(yè)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展起到一定的推動作用。因此，在具體的實(shí)踐過程中，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)可以充分利用工業(yè)機(jī)器人本身的技術(shù)優(yōu)勢，降低一線工作人員的操作難度和任務(wù)量，不斷提升工業(yè)生產(chǎn)整體效率，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的最大化。

1.2 工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成

通常情況下，工業(yè)機(jī)器人基本由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分和驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成，其中控制部分是整個機(jī)器人的核心構(gòu)成要素。在我國，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)所運(yùn)用的工業(yè)機(jī)器人多為關(guān)節(jié)型機(jī)械結(jié)構(gòu)，簡言之，機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)都可以獨(dú)立完成基礎(chǔ)性操作，且受計算機(jī)辦公軟件的全面控制。并且，一個完善的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)大都由傳送帶、示教器和外圍系統(tǒng)控制柜組成，而控制系統(tǒng)主要包含操作系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)兩部分，在此前提下，驅(qū)動系統(tǒng)又可以劃分為傳輸裝置與動力機(jī)構(gòu)[1]。另外，在自動化領(lǐng)域中，機(jī)器人主要控制裝置包括計算機(jī)、示教盒、傳感器接口、軸控制器以及相關(guān)輔助裝置。因此，操作人員可以借助計算機(jī)設(shè)備發(fā)送指令或調(diào)度各項程序的方式，保證各項設(shè)備的獨(dú)立運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的良好交互。

1.3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)特征

（1）學(xué)科知識交叉性較強(qiáng)。在具體的操作過程中，機(jī)器人控制與動力學(xué)知識、機(jī)構(gòu)運(yùn)動等學(xué)科具有密切聯(lián)系，既可以描述不同坐標(biāo)系機(jī)器人的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，也可以結(jié)合實(shí)際情況，合理選擇具有參考價值的運(yùn)用坐標(biāo)，不斷提升整體運(yùn)動的順暢性。（2）操作程序自由度較高。不同于以往的生產(chǎn)模式，機(jī)器人操作程序比較簡單，靈活性和自由度較高，可以使用多變量控制系統(tǒng)，滿足后續(xù)的各項協(xié)調(diào)要求。（3）基于人的意識。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行方式是基于人的意識，利用計算機(jī)軟件或智能化辦公設(shè)備，對運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，在確保機(jī)器人具備智能化功能的同時，全面提升工業(yè)企業(yè)的自動化控制水準(zhǔn)。（4）機(jī)器人狀態(tài)與運(yùn)動描述屬于非線性數(shù)學(xué)模型。在機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)與外力發(fā)生變動后，不僅會發(fā)生參數(shù)變化，就連各變量之間也會存在一定的耦合性，這就要求相關(guān)人員在應(yīng)用位置閉環(huán)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)采用加速度閉環(huán)方式來提升機(jī)器人的運(yùn)行效果。（5）動作方式和路徑具有多樣性。在自動化領(lǐng)域中應(yīng)用級別較高的工業(yè)機(jī)器人，可以依托人工智能和計算機(jī)技術(shù)優(yōu)勢搭建信息數(shù)據(jù)庫，從而更好地實(shí)現(xiàn)對后續(xù)運(yùn)營、決策、管理的全過程控制。

2.工業(yè)機(jī)器人在自動化領(lǐng)域的主要功能及控制方式

2.1 工業(yè)機(jī)器人的主要功能

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提升，工業(yè)機(jī)器人功能逐漸向多元化方向轉(zhuǎn)變，其中最為基礎(chǔ)的功能就是示教再現(xiàn)與運(yùn)動控制，其中示教再現(xiàn)功能主要指操作人員可以將工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行速度、位置以及其他相關(guān)信息數(shù)據(jù)上傳至控制系統(tǒng)之中，并利用該系統(tǒng)對各類參數(shù)、資料進(jìn)行存儲。在此基礎(chǔ)上，通過工作人員編輯機(jī)器人動作代碼的方式提前預(yù)設(shè)相應(yīng)的操作指令，然后通過指令進(jìn)行有序操作，以此來達(dá)到工業(yè)機(jī)器人示教再現(xiàn)功能的充分發(fā)揮。而運(yùn)動控制功能既可以保持工業(yè)機(jī)器人的不同形態(tài)與移動速度，也可以通過計算周邊信息的方式設(shè)定運(yùn)動路線，進(jìn)一步完善機(jī)器人整體控制模式。此外，工業(yè)機(jī)器人還具備自動反饋的功能。在機(jī)器人控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，其形態(tài)、姿勢、位置會隨著運(yùn)行路線進(jìn)行調(diào)整和變動，進(jìn)而對后期工作的有序開展造成影響[2]。對此，可以根據(jù)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時的實(shí)際狀態(tài)和具體位置，做好相應(yīng)的動態(tài)化信息反饋，并將其及時反饋到主系統(tǒng)之中，一來幫助管理層及時掌握整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，制定切實(shí)可行的管理策略；二來可以高效共享各類有價值的信息，達(dá)到不斷提升整體運(yùn)行效果的目的。

2.2 工業(yè)機(jī)器人的控制方式

（1）智能控制方式。當(dāng)前，智能控制方式作為應(yīng)用最為廣泛的一種形式，主要指在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中，利用傳感器全面接收周邊環(huán)境信息，并將其實(shí)時發(fā)送到控制系統(tǒng)之中，待經(jīng)過一系列分析、研究后傳送具體的操作指令及決策方案，這種控制方式不僅有利于體現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的自動化運(yùn)行與智能化控制優(yōu)勢，還可以有效提升工業(yè)機(jī)器人對周邊環(huán)境的適應(yīng)能力。（2）點(diǎn)位控制方式。點(diǎn)位控制是工業(yè)機(jī)器人在自動化控制中的另一種常見方式，主要指在應(yīng)用執(zhí)行器的過程中，對工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器或部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全面控制，同時采用優(yōu)化控制模式的方法，使工業(yè)機(jī)器人可以在特定位置上快速、精準(zhǔn)地完成各項操作，不斷提升機(jī)器人運(yùn)動的穩(wěn)定性和連續(xù)性，有效避免對后續(xù)控制的不良影響。（3）連續(xù)軌跡控制方式。相較于以上的2種控制方式而言，連續(xù)軌跡控制方式雖同樣是對工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行操作，但這種方式需要借助執(zhí)行器來判斷工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時運(yùn)動軌跡、速度和位置，確保工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)不同的任務(wù)類型，精準(zhǔn)、連續(xù)地完成相應(yīng)的操作步驟，從而更好地滿足多樣化的生產(chǎn)需求。（4）觸覺控制方式。工業(yè)機(jī)器人在自動化領(lǐng)域的運(yùn)用過程中，既要充分意識到提升機(jī)器人運(yùn)行效率的必要性，又要注意到機(jī)器人運(yùn)行的安全性和準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上，以觸覺方式接觸周邊環(huán)境，并完成相應(yīng)的操作步驟，盡可能達(dá)到自動化控制的理想目標(biāo)。

3.工業(yè)機(jī)器人在自動化領(lǐng)域的具體運(yùn)用路徑

3.1 汽車制造行業(yè)的運(yùn)用

（1）汽車噴涂方面。工業(yè)機(jī)器人在汽車制造噴涂方面的運(yùn)用基本以噴漆、涂膠為主，在實(shí)踐中，利用汽車車身材料本身的物理屬性和化學(xué)屬性，根據(jù)車體厚度與形狀，對汽車減震、密封位置以及外觀進(jìn)行涂膠和噴漆，以此來保證車身漆面的均勻及光滑。例如，在實(shí)踐中，汽車制造企業(yè)可以按照提前預(yù)設(shè)的控制指令，使用工業(yè)機(jī)器人對擋風(fēng)玻璃進(jìn)行涂膠處理，待涂膠工序完成后再安裝車窗玻璃，確保粘貼部位的牢固性和密封性。（2）零件搬運(yùn)方面。由于汽車制造行業(yè)所涉及的部件性能、形態(tài)、安裝方式存在較大的差異，而應(yīng)用不同型號的工業(yè)機(jī)器人，可以按照預(yù)先設(shè)定的指令，準(zhǔn)確、快速地定位不同零件的安裝位置，并依據(jù)規(guī)范的操作標(biāo)準(zhǔn)與施工流程，選擇恰當(dāng)位置抓取零件，最大限度地減少零件搬運(yùn)環(huán)節(jié)中的損傷程度。（3）點(diǎn)焊與弧焊方面。在汽車生產(chǎn)過程中，點(diǎn)焊技術(shù)是保證汽車制造質(zhì)量的核心構(gòu)成要素。所以，汽車制造產(chǎn)業(yè)必須靈活運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人，根據(jù)不同安裝要求和標(biāo)準(zhǔn)將焊接操作精準(zhǔn)度控制在0.25mm的區(qū)間范圍內(nèi)，有效防范因焊接不規(guī)范所引起的安全問題。同時，還可以利用工業(yè)機(jī)器人開展點(diǎn)位控制、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等操作，從而更好地滿足新時期的汽車制造需求[3]。此外，在對汽車部件進(jìn)行焊接的過程中，由于汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、空間比較狹小，若采用人工焊接的方式，不僅會使操作人員面臨著較大的危險隱患，還難以保障焊接的整體質(zhì)量，而運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人開展焊接工作，可以借助計算機(jī)軟件和智能化控制系統(tǒng)，達(dá)到全面提升焊接工作精準(zhǔn)性和安全性的目的。

3.2 橡膠塑料工業(yè)的運(yùn)用

在橡膠塑料工業(yè)生產(chǎn)的過程中，由于所涉及的專業(yè)化技能要求較高，想要高質(zhì)量地完成生產(chǎn)任務(wù)，必須明確橡膠與塑料在加工技術(shù)方面的關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合具體的考察結(jié)果，靈活選用最適合的工業(yè)機(jī)器人，通過制造耐用度較高、品質(zhì)精良的成品或半成品不斷提升橡膠塑料生產(chǎn)的整體工藝及效率，尤其是在市場環(huán)境愈演愈烈的新形勢下，橡膠塑料工業(yè)企業(yè)想要在市場環(huán)境中脫穎而出，還應(yīng)嚴(yán)格按照國家制定的工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)優(yōu)勢，彌補(bǔ)人工無法完成的高強(qiáng)度生產(chǎn)操作，進(jìn)而為企業(yè)創(chuàng)造更高的生產(chǎn)效益。同時，必須加強(qiáng)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新、優(yōu)化力度，及時更新工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)漏洞，最大限度地防范因系統(tǒng)漏洞、病毒入侵所造成的生產(chǎn)問題。另外，還應(yīng)借助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取精準(zhǔn)的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)，通過建立完善的運(yùn)動結(jié)構(gòu)體系，規(guī)范、整合各項運(yùn)算結(jié)果和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以便為后續(xù)管理工作提供準(zhǔn)確、可靠的參考依據(jù)?；蛘?，將CPU充分融入到控制系統(tǒng)之中，在滿足信息交換的基礎(chǔ)上，全方位滿足實(shí)際的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和要求，進(jìn)一步創(chuàng)造更高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 化工生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用

不同于汽車制造行業(yè)與橡膠塑料產(chǎn)業(yè)，化工生產(chǎn)過程中難免會因劇烈化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生易燃、易爆且具有高黏性的危廢物品，使整個生產(chǎn)工作具有較強(qiáng)的高危風(fēng)險和高毒性風(fēng)險隱患，而將工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用到實(shí)際工作中，不僅可以代替人力勞動承擔(dān)起高強(qiáng)度的工作壓力和高危工作環(huán)境，降低安全事故的發(fā)生概率，還可以充分利用工業(yè)機(jī)器人本身的技術(shù)優(yōu)勢，采用自動化控制手段靈活應(yīng)對復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境與生產(chǎn)挑戰(zhàn)，全面提升化工生產(chǎn)行業(yè)的整體效率，在合理控制各項資源的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。例如，針對部分揮發(fā)性較強(qiáng)、容易溢出的有毒氣體，很可能會對操作人員的身體健康造成不可挽回的負(fù)面影響，而通過使用防霧化原料機(jī)器人，借助保溫桶底部的除霧箱和水平負(fù)壓管既可以將堿性溶液儲存于除霧箱之中，又能夠利用機(jī)器人本身的操作慣性把酸霧收集到除霧箱中，減少化學(xué)氣體對操作人員人身安全的損害。與此同時，由于化工生產(chǎn)園區(qū)的區(qū)域范圍較大、環(huán)境較為復(fù)雜，僅靠人工很難實(shí)現(xiàn)對園區(qū)安全的全面覆蓋，而通過使用化工安檢機(jī)器人或巡檢機(jī)器人可以依據(jù)預(yù)先設(shè)置的監(jiān)控范圍和程序，利用機(jī)器人本身所具備的夜間紅外探測、人臉識別、易爆顆粒檢測、自動化掃描、發(fā)電等功能實(shí)現(xiàn)對化工生產(chǎn)園區(qū)全方位、動態(tài)化、智能化的監(jiān)督與管理[4]。此外，在化工安全事故發(fā)生時，也可以利用救援機(jī)器人對危險化工事故進(jìn)行定位與監(jiān)督，在此基礎(chǔ)上，有效識別溫度異常和危險氣體泄露現(xiàn)象，及時判斷事故的破壞程度與發(fā)展動態(tài)，最大限度地避免危險化工產(chǎn)品對操作人員的二次傷害。

3.4 鑄造行業(yè)的應(yīng)用

現(xiàn)如今，我國鑄造行業(yè)已經(jīng)逐漸步入到高速發(fā)展的關(guān)鍵時期，通過對工業(yè)機(jī)器人的廣泛運(yùn)用可以在現(xiàn)有生產(chǎn)運(yùn)營的基礎(chǔ)上，為鑄造行業(yè)提供先進(jìn)的技術(shù)支持，進(jìn)一步加快鑄造行業(yè)的創(chuàng)新轉(zhuǎn)型。并且，根據(jù)我國鑄造行業(yè)的整體發(fā)展現(xiàn)狀來看，鑄造行業(yè)在技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)效率方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)。相較于汽車制造行業(yè)、橡膠塑料生產(chǎn)行業(yè)以及化工生產(chǎn)行業(yè)而言，鑄造行業(yè)所涉及的部門更加廣泛、工作內(nèi)容更加繁瑣，對環(huán)境、溫度等方面的要求比較苛刻，且需要進(jìn)行持續(xù)性、不間斷工作，這就使得很多一線工作人員長期處于工作難度與工作強(qiáng)度較大的環(huán)境之中，不利于保障一線工作人員的人身健康安全，而工業(yè)機(jī)器人在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用，可以充分利用智能化設(shè)備和先進(jìn)技術(shù)，將工作人員從粉塵含量較多、噪音較大的生產(chǎn)車間脫離出來，在保證一線基層員工人身健康安全的同時，不斷提升整體工作效率與工作質(zhì)量，進(jìn)而推動鑄造行業(yè)的高效化、智能化發(fā)展。

4.結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用具有不可忽視的現(xiàn)實(shí)意義，是新時期推動工業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。因此，在未來的發(fā)展過程中，相關(guān)企業(yè)必須緊跟時代發(fā)展潮流，全面分析工業(yè)機(jī)器人在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用原理和需求，并結(jié)合自身的實(shí)際情況和發(fā)展需要，加強(qiáng)對工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用力度，在減輕操作人員工作壓力和工作量的同時，有效提升工業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，促使企業(yè)逐漸實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、自動化、智能化建設(shè)。