工业机器人技术在智能制造领域中的应用研究_谭春林.pdf

装备及自动化 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料56工业机器人技术在智能制造领域中的应用研究谭春林新疆昌吉职业技术学院，新疆 昌吉 831100摘要：国家整体科技水平的提升，推动了人工智能技术的发展，而工业机器人技术的应用，为工业生产生活提供了极大的便利，具有重要的引导作用与技术价值。为切实提升工业生产管理的效率，并增强工业产品的安全性，高效完成对传统生产线的维护管理工作，必须充分利用工业机器人。文章简单介绍了工业机器人及其在智能制造领域的应用优势，分析了工业机器人的结构和操作，最后详细阐述了工业机器人在智能制造领域的实际应用。关键词：智能制造领域；工业机器人；焊接机器人；搬运机器人分类号：TH16；TP242.2近年来，我国汽车制造行业发展规模持续扩张，产业转型过程中产生了明显的问题，有关人员必须深入研究如何提升我国制造技术水平，促使我国成为制造技术强国。工业制造现代化转型必定包含信息技术，智能制造领域中最为关键的一项技术就是工业机器人技术。我国制造行业转型期间，工业机器人技术也在持续不断地创新，确保工业机器人技术水平能够满足当前工业制造领域生产需求。未来，我国制造行业必然会向着生产制造智能化的方向发展，工业机器人技术在智能制造领域的地位越发重要。1 工业机器人概述1.1 工业机器人技术概念工业机器人主要指在工业生产制造等领域中被广泛应用的多关节机械手或自由度较高的机械设备1。充分发挥这类设备搭载的自动化功能，可以辅助完成各类工业生产制造目标。如今，工业机器人在我国制造领域的应用主要集中在物流、电子、化工等行业。国际 ISO 组织将工业机器人定义为“能自动操作目标、可反复编程、自由度较多的操控机器”，多数国家都认同了这一定义2。工业机器人本身的功能性相对丰富，能够实施原料的运输、工具的操控以及其他操作工作。我国对于工业机器人的研究时间尚短，基本处于初期阶段，但工业机器人的概念必然会随着相关研究的深入而不断完善。在工业生产制造领域中应用工业机器人，始于 20 世纪中后期，发展至今已经建成了多个专门研究工业机器人发展的科研机构，且大多数工业机器人安装了独立的自动操控系统，自由度一般为 3 6，而机器人的腕部关节自由度一般为1 33。1.2 工业机器人技术在智能制造领域中的定位为增强我国制造行业的实力，推动制造行业的可持续发展，必须对其进行智能化转型，促进智能制造领域的发展，创造更好的智能制造环境。为达到这一目的，需要结合数字化、人工智能、机器人等技术，尤其是作为核心的机器人技术，对推动智能制造领域的发展有着重要作用。高端装置的制造对机器人智能化水平要求较高，各行业生产车间开始向着数字车间转变，这种工况下应用工业机器人，可切实提升制造行业的智能化水平，提高工业生产效率。1.3 智能制造领域应用工业机器人技术的优势（1）自动化。工业机器人可自动开展制造工作，代替部分需要人工完成的生产环节，生产人员提前在硬件系统设置指令，工业机器人即可独自完成生产任务。（2）安全性。现代化工业机器人的结构相对精密，且都会搭载安全故障检测预警处理机制，发生安全问题时能够及时发出警报，可显著降低设备故障的概率，并防止人工操作产生安全事故。（3）高效性。工业机器人能够提高智能制造领域的生产效率。2 工业机器人的结构和操作工业机器人一般包括机械、传感、控制三大部分作者简介：谭春林，男，硕士，讲师，研究方向为机电一体化技术、智能控制技术。文章编号：2096-3092（2023）01-0056-03造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 装备及自动化57以及机械结构、驱动、感知、环境交互、人机交互、控制等六个子系统4。其中，机器人的驱动系统可根据动力源的区别，划分为液压驱动、气动以及电动三种类型；在实际应用过程中，可能需要组合两种或三种驱动方式，形成复合型的驱动系统。液压驱动的特点在于技术成熟，可直接驱动且动力相对较大，响应速度与系统速度都相对较快，内部结构非常简单，生产的成本较低，后期应用期间维修保养工作的开展也比较便捷；气动驱动的优势在于重量较小，一般常被应用于布局相对紧凑的设备中，运行期间基本不会产生电火花，可用于易燃易爆的环境；电动驱动的优势则是在于成本低，运行期间产生的噪声也相对较低，具有更高的环保性。根据调查发现，当前工业机器人中的驱动系统以气动吸盘和手爪电机为主，如图 1 所示。图 1 手爪式工业机器人工业机器人能够在感知系统的辅助下，在机器人内部进行消息与环境的转换，并在机器人内部软件的作用下转化为被机器人接收的信息。通常而言，位置移动、加速度等都是工业机器人感知系统的重要因素，而现代技术持续发展视觉感知技术后，能够进一步提升其感知能力5。机器人的关键基础部件由本体、伺服系统、减速器以及控制器四大部分构成，这都是直接影响机器人生产性能的关键基础构件，有着非常重要的作用，同时，这部件单元还有一定的通用性与模块化特征。现如今，工业机器人常用的操作系统主要是 ROS系统，是一个标准化构造平台，应用对象以机器人为主，通过应用这套操作系统，可为机器人研究人员提供更加便捷的软件开发环境，促使机器人行业软件与硬件的独立发展。机器人运动规划方面主要有路径与轨迹两种规划方式，前者指的是机器人为快速到达目的地而设计的最优化路径，后者则是指机器人在关节空间内的移动情况，目的在于缩短运行时间6。3 智能制造领域对工业机器人技术的应用3.1 焊接机器人现代化制造领域中，多数行业都包含焊接方面的内容，而焊接操作工作强度较大，对焊接人员的操作技术要求也相对较高。通过应用焊接机器人可显著降低人工成本，并推动焊接技术的智能化发展，如今市场上已经产生了多种不同类型的焊接机器人，其中以多关节机器人的应用范围最广，这种机器人能够在固定空间内完成多项操作，还能结合实际条件调整自身焊接姿态。如今，焊接机器人领域发展前景最大的有点焊机器人和弧焊机器人两种，主要应用在汽车生产制造领域，尤其是在焊接消声器、底盘以及座椅骨架等环节，运用焊接机器人完成汽车零部件的搭接或角接处理，能够显著提升汽车构件连接的可靠性7。例如，日本丰田汽车生产期间就应用了电焊机器人，显著提升了焊接操作的质量，还有助于优化汽车生产线，缩短整体生产线长度，如图 2 所示。图 2 焊接机器人在汽车制造领域中的应用如今，智能制造领域对于焊接缝位置的要求越发严格，还有部分工业机器人为达到智能制造精度要求，专门配置了电弧焊传感器或激光传感器等设备，以期通过传感设备自动追踪机器人焊接效果，使机器人自主完成焊接操作时，自动改变焊接轨迹和顺序。除此之外，焊接机器人还被应用在铁路机械制造与船舶制造行业中，可见制造行业的智能化发展趋势越发明显，工业机器人也将逐渐成为智能制造领域的核心技术，由焊接机器人完成更多精细化的焊接任务8。3.2 搬运机器人实际应用时，工业机器人可按照提前设置的程序执行相应的流程，也可以按照人工指挥完成指令任务，基于这一特点，工业机器人在物流运输领域中得到广 装备及自动化 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料58泛应用。20 世纪 60 年代起，物流运输行业已经开始应用结构简单的工业机器人，尤其是需要搬运大型物体时，应用机器人可有效降低工作压力。在工业机器人技术持续发展的过程中，搬运机器人技术水平也得到了显著提升。随着智能制造时代的来临，传统的搬运机器人不能满足现代化物流运输行业的搬运需求，因此研发出了越来越多的新型搬运机器人。新型机器人一般都会搭载最新的技术，实际应用过程中以六轴搬运机器人的应用范围最广。科技水平的提升使搬运机器人的工作能力大幅提升，能够搬运重量为 500 kg 的物品，且移动非常灵活。近年来，国内物流运输行业主要应用并联机器人实现搬运，并联机器人能够实现 6 个自由度。例如 Delta 机械手，这种搬运机器人的精准度更高，可将偏差控制在 0.1 mm 以下9。3.3 钢铁领域智能机器人3.3.1 自动拆捆机器人钢铁生产过程中，通常需要用钢卷生产冷轧带钢，而钢卷到达生产线之前需要进行拆捆、开卷与穿带操作，整个生产过程相对较长。应用拆捆机器人能够在钢卷达到生产设备之前完成拆捆；拆捆机器人能够旋转或横向移动机头，并自动测定卷边与捆带的实际位置；完成所有捆带的剪断操作后，拆捆机器人还能自动压实已经剪断的捆带，将所有捆带尺寸控制在合理范围内，然后将其卸到废料斗进行回收处理。在钢铁生产过程中应用拆捆机器人，可有效减少生产工序，加快钢铁生产效率，还能保障整个生产过程的安全性。3.3.2 自动取样机器人钢铁生产过程中，应用自动取样机器人能够自动拾取钢板并对其进行标记。自动取样装置一般包括立放样板斗、机器人、平放样板斗、取样贴标夹具以及平斗推出机构。一般而言，自动取样装置会在机组取样后，标记取样小车内包含的所有钢板，然后再将其运输至相应的料斗中。应用自动取样机器人可大幅降低劳动力需求，并增强生产过程的稳定性，提升钢铁生产质量。3.3.3 自动贴标签机器人冷轧生产过程中，完成钢卷打捆操作后，钢卷将会随着小车运行至贴标工位上。期间，自动贴标签机器人即可在指令下开始打印、拾取并粘贴标签。自动粘贴标签机器人的原理在于真空吸附标签，并实时计算钢卷宽度与直径大小，然后将贴标头机械臂移动至需要贴标签的位置，将贴标头按压在具体位置后，在辊轮的作用下，保障标签表面的光滑平整，同时确保标签贴在指定位置；机器人完成贴标签任务后，就会及时回到初始位置，真正实现了贴标工序的智能化操作10。3.4 医疗行业智能机器人医疗行业发展过程中，应用工业机器人能够显著提升医疗水平。工业机器人处理技术能够满足精度需求，可自动完成外科手术，但是当前其实际应用还存在一定的不足，因此主要用于治疗过程中的辅助工作。例如，医疗过程中采用一定程度的工业机器人自动操作，将病人运输至指定位置，或辅助病人的术后恢复等。如今，医疗行业的工业机器人主要是智能机器人治疗床，利用机器人对手术床进行适当的调整，有效提升了医疗行业生产制造水平。4 结束语智能制造趋势的发展，促进了工业机器人技术的进步，工业机器人技术将会逐渐普及在智能制造领域中，而在工业机器人中应用分子仿生学知识，进一步提升了工业机器人的智能化水平。总之，未来几年，工业智能机器人必将成为国内生产制造领域的发展主流，并发挥出越发重要的作用。参考文献1 吴斌.基于工业机器人的智能制造生产线设计J.机床与液压,2020,48(23):55-59.2 付保英.基于工业机器人的智能制造生产线设计方法J.电子技术与软件工程,2021(14):217-218.3 孟韬,赵非非,关钰桥,等.“智能+”时代智能制造后发企业从追赶到超越的演化与机理研究:以新松机器人公司为例J.管理学刊,2021,34(1):111-125.4 秦小珍,潘沐哲,郑莎莉,等.内生演化与外部联系：演化视角下珠江三角洲工业机器人产业的兴起J.经济地理,2021,41(10):214-223.5 韩青江.工业机器人应用与就业结构变迁:效应与机制J.工业技术经济,2022,41(7):50-58.6 陈淑婷.中国工业机器人产业创新网络演化研究D.广州:广州大学,2022.7 李坤,伍星亮.基于协同作业的智能制造生产线设计J.机床与液压,2022,50(23):128-133.8 林芸.基于网络远程控制和仿真的智能制造机器人的路径自动规划J.科技通报,2022,38(6):30-34.9 袁亚辉.工业机器人在智能制造中的应用J.造纸装备及材料,2022,51(7):11-13.10 黄海松,张松松.机器人协同装配的发展与应用研究综述J.贵州大学学报(自然科学版),2022,39(6):17-24.