嚴培培

（江西科技學院人工智能學院，江西 南昌 330098）

1 智能機器人數(shù)控技術概述

發(fā)展智能機器人數(shù)控技術的主要目標，是改善人類生活質(zhì)量、促進國民經(jīng)濟快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，該技術已經(jīng)廣泛應用到各行各業(yè)，并獲得了顯著的應用成就。尤其在智能機械制造領域，不僅提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還實現(xiàn)了個性化定制目標，為豐富產(chǎn)品種類奠定了良好基礎。

智能機器人數(shù)控技術具有綜合性特點，整合了計算機、機械電子、控制論等學科知識。當前，國內(nèi)外越來越多學者投入到智能機器人數(shù)控技術研究討論中，對技術概念的界定基本趨于一致，即依靠智能化機器人本身具備的控制功能和動力進行機械制造。有學者對該技術的要素做出以下總結(jié)：第一，智能機器人是一個具備手、腳、大腦等與人體結(jié)構相類似的個體；第二，具有接觸及非接觸傳感器；第三，具備擬人功能，能夠像真人一樣使用工具。

2 智能機器人數(shù)控技術的特點及優(yōu)勢

2.1 智能機器人數(shù)控技術的主要特點

2.1.1 自動化特點

所謂自動化特點，就是無需人工操作。具體來說，在機械制造過程中引入智能機器人，可以有效提高數(shù)控技術自動化水平，加快了行業(yè)自動化發(fā)展速度。當然，現(xiàn)如今機械制造領域在產(chǎn)品制造過程中逐漸向多樣化、個性化趨勢發(fā)展，雖然有效提高了自動化水平，但并未完全實現(xiàn)全自動化目標，很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)依然需要依靠人力勞動。而與傳統(tǒng)村人工勞動方式相比，應用智能機器人數(shù)控技術，可以有效提高機械產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率，同時降低生產(chǎn)成本和人工勞動強度，可以為機械制造企業(yè)創(chuàng)造更高經(jīng)濟效益，有利于強化企業(yè)核心競爭力，使企業(yè)更好地適應日新月異的市場環(huán)境，為機械制造領域改革創(chuàng)新提供了技術保障。

2.1.2 集成化特點

智能機器人數(shù)控技術應用到機械制造過程中，主要由智能化系統(tǒng)完成各生產(chǎn)環(huán)節(jié)。而系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，離不開信息集成技術的支撐。尤其近年來，科學技術迅速發(fā)展，為智能機器人數(shù)控技術優(yōu)化、完善奠定了良好基礎，使得機械制造自動化、集成化特點日益突出。

2.1.3 精細化特點

隨著機械制造生產(chǎn)標準和品質(zhì)需求的不斷提高，機械制造行業(yè)也迎來了機遇與挑戰(zhàn)并存的發(fā)展局面，想要充分滿足機械產(chǎn)品生產(chǎn)精度需求，就要積極引入智能機器人數(shù)控技術，充分發(fā)揮技術自動化、精準化生產(chǎn)優(yōu)勢，促進機械制造領域由傳統(tǒng)粗糙化生產(chǎn)不斷向精細化生產(chǎn)模式進步。

2.2 智能機器人數(shù)控技術應用優(yōu)勢

現(xiàn)階段，機械生產(chǎn)質(zhì)量標準不斷提高，產(chǎn)品類型不斷豐富，使得傳統(tǒng)人工生產(chǎn)模式存在的弊端日益突出，已經(jīng)無法充分滿足新時期發(fā)展需求。而應用智能機器人數(shù)控技術，能夠有效彌補傳統(tǒng)人工生產(chǎn)模式存在的不足。以上提到，智能機器人數(shù)控技術具有集成化、自動化和精細化特點，這些特點均是傳統(tǒng)人工生產(chǎn)所不具備的。其優(yōu)勢可以從以下幾點分析：第一，加快了機械制造行業(yè)改革創(chuàng)新進程，在實際應用中能夠基于模塊化生產(chǎn)標準，提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，為行業(yè)發(fā)展提供技術支撐；第二，智能機器人的集成化、自動化系統(tǒng)在運行過程中，實現(xiàn)了機械制造全過程監(jiān)督管理目標，可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程存在的問題，便于及時防范。同時可以一次性同時完成多到工序，在提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮積極作用；第三，滿足機械生產(chǎn)一體化目標，保證生產(chǎn)出的機械產(chǎn)品與現(xiàn)代化技術標準一致，為機械制造行業(yè)健康發(fā)展奠定了良好基礎，全面提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3 智能機器人數(shù)控技術在機械制造領域的應用現(xiàn)狀及創(chuàng)新思路

3.1 應用現(xiàn)狀

當前，為了加快社會經(jīng)濟建設步伐，各級政府進一步提高了機械制造行業(yè)創(chuàng)新改革重視程度，并強調(diào)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)機構。在這一背景下，智能化機械制造深入滲透到各行各業(yè)。智能化機器人數(shù)控技術作為智能化機械制造的典型代表，在新時期背景下應用范圍也逐漸拓寬，其發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段，第一階段為“七五”攻關計劃階段，即初級階段；第二階段為“九五”攻關計劃階段，為中級階段；第三階段為863 計劃階段，即現(xiàn)代化發(fā)展階段。在此過程中，智能機器人數(shù)控技術也不斷升級，并逐漸向成熟化趨勢發(fā)展，呈現(xiàn)出了廣闊發(fā)展前景。但由于我國機械制造行業(yè)在智能機器人數(shù)控技術應用方面起步較晚，所以與發(fā)達國家相比依然存在一定差距，主要體現(xiàn)在自主研發(fā)能力較差方面，需要相關專家和學者加大研發(fā)力度，研發(fā)出具備自己知識產(chǎn)權的智能機器人，使其更好地為機械制造行業(yè)提供服務。

3.2 創(chuàng)新思路

智能機器人數(shù)控技術應用到機械制造領域，主要目標是解放勞動力，提高產(chǎn)品質(zhì)量和精度。具體來說，就是通過計算機編程，將人工操作轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊僮鞣绞?，以此來提高機械制造綜合水平。數(shù)控技術本身具有綜合性特點，其集合了計算機、光機、傳統(tǒng)機械等技術優(yōu)勢，實現(xiàn)了數(shù)控技術自動化、精確化、高效化目標。其設計思路如下：機械制造人員對已經(jīng)完成的機械產(chǎn)品進行檢測，并記錄產(chǎn)品相關數(shù)據(jù)信息，在此基礎上，利用計算機編程軟件將數(shù)據(jù)信息進行編輯，使其形成系統(tǒng)化程序，而后復制到數(shù)控設備中。技術人員對程序進行合理設置并調(diào)控后，由數(shù)控設備按照程序加工生產(chǎn)。在編程過程中，為了避免人為失誤，可以直接將圖紙與程序快速轉(zhuǎn)換。在智能機器人數(shù)控技術實際應用中，需要充分利用編碼器、傳感器等裝置，有效提高機械生產(chǎn)過程的自動化控制水平。例如：在作業(yè)單檢測過程中，機械制造一體化作業(yè)單元的數(shù)控車床，通常為45°斜床身。在使用智能機器人數(shù)控技術對作業(yè)點檢測時，如圖1 所示。第一，智能機器人末端位于Q3 位置，在大臂、小臂或者刀架之間。如圖2 所示，智能機器人位于Q2 或Q4 位置，在大臂、小臂或前外殼之間。在坐標系轉(zhuǎn)換過程中，需要按照以下公式計算：

圖1 末端位于Q3 干涉

圖2 末端位于Q2、Q4 的干涉檢測

其中Z 代表智能機器人位于Q2 的位置，Zc代表智能機器人位于Q4 的位置，x 代表坐標橫軸，r 代表末端干涉檢測結(jié)果。y 代表坐標縱軸。當智能機器人位于Q2 和Q4 位置，結(jié)果如公式所示。

4 智能機器人數(shù)控技術在機械制造領域的具體應用

4.1 在零件加工中的應用

將智能機器人數(shù)控技術引入零件加工中，能夠有效提高零件精度，同時加快生產(chǎn)速度。具體來說，智能機器人數(shù)控技術的應用促進機械制造領域逐漸向自動化趨勢發(fā)展，在實際生產(chǎn)中機械設備發(fā)揮重要作用。應用機械設備可以克服惡劣環(huán)境帶來的壓力，同時能夠快速完成人工操作難度大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，保證生產(chǎn)工序有序進行。由此可見，智能機器人數(shù)控技術充分滿足了行業(yè)智能化生產(chǎn)需求。當前，很多機械制造企業(yè)采用傳感型智能機器人對零件進行生產(chǎn)加工，即利用計算機對生產(chǎn)過程的傳感信息進行控制和處理。例如：某機械制造企業(yè)需要加工一款形狀均勻的圓柱體金屬圓盤零件，該零件的直徑為200 mm，圓盤四周分布四個半圓凹槽，將（100，50）作為圓盤坐標中心點，利用智能機器人數(shù)控技術對該零件進行加工，可以將程序編號設置為xxxx，使智能機器人嚴格按照指令完成加工工作，以此來提高零件精確度。如圖3，為智能機器人數(shù)控技術實際應用。

圖3 智能機器人數(shù)控技術的現(xiàn)場應用圖

4.2 在軌跡規(guī)劃中的應用

零件拋光是機械制造中的關鍵環(huán)節(jié)，其操作水平能夠直接影響零件尺寸的精準度。在傳統(tǒng)機械制造中，主要采用人工方式進行拋光，容易受人員素質(zhì)和操作能力影響產(chǎn)生質(zhì)量問題，導致生產(chǎn)出的零件不達標，不僅浪費人力、物力和財力，還會增加生產(chǎn)成本。而引入智能機器人數(shù)控技術，可以在合理設定程序基礎上自動完成拋光工作，有利于提高拋光效率，同時保證零件精準度，從根源上減少了零件損壞率。在實際應用過程中，可以采用交互型智能機器人，完成軌跡規(guī)劃工作。具體來說，就是通過計算機系統(tǒng)實現(xiàn)人機對話目標，并快速完成相關動作。同時，智能機器人還能夠?qū)巧M行處理，從而對軌跡進行合理規(guī)劃。智能機器人運行狀況與機械另加技工情況息息相關，這也在一定程度上突出了軌跡規(guī)劃的重要性。例如：將智能機器人數(shù)控技術應用到機械制造中，工作人員可以將CAM 軟件作為零件拋光的主要載體，完成自動化拋光工作，在操作過程中，采用UG CAM 軟件，對型腔進行掃描，可以準確得到零件表層數(shù)據(jù)。在此基礎上，利用映射功能，可以快速恢復復雜腔表層數(shù)控加工的正常軌跡。技術人員只需合理設置參數(shù)，就能夠完成零件拋光工作，從而提高拋光準確度。

4.3 在激光測量中的應用

隨著科學技術不斷進步，各行各業(yè)對機械產(chǎn)品的精準度提出更高要求，促進機械制造行業(yè)在提高生產(chǎn)效率的同時，也逐漸向產(chǎn)品精準化方向發(fā)展。而應用智能機器人數(shù)控技術，能夠為機械制造行業(yè)更好地適應社會環(huán)境奠定基礎。具體來說，在機械產(chǎn)品制造中引入自主型機器人激光測量技術，可以在無需人為干預的情況下，模擬人工操作完成測量工作。另外，自主型機器人激光測量技術具備較強的適應性和交互性，尤其在精準識別圖像、對驅(qū)動器進行控制等方面效果更加顯著，有利于提高機械制造的綜合水平。

4.4 在離線編程中的應用

自主型智能機器人具備適應能力較強的特點，能夠在沒有任何外部控制的條件下，自主完成機械加工控制工作。同時可以對附近環(huán)境狀態(tài)進行準確識別，并結(jié)合環(huán)境要素自動調(diào)整自身參數(shù)，使智能化生產(chǎn)活動有序進行，從根源上降低突發(fā)事件發(fā)生率。在機械產(chǎn)品實際加工中，自主型智能機器人應用范圍逐漸拓寬，不僅能夠切實解決復雜問題，還彌補了傳統(tǒng)數(shù)控機床存在的不足之處。例如：智能機器人能夠?qū)崿F(xiàn)離線編程目標。在彎曲金屬板加工過程中，可以將CAD 圖形仿真法與離線編程的CAD 信息輔助性相結(jié)合，以此來完成單元設計工作。同時，將智能機器人作為機械產(chǎn)品加工載體，投建自動化處理系統(tǒng)，可以對2D 零件、3D 零件進行精準加工。在此過程中，智能機器人充分體現(xiàn)了自身自主性優(yōu)勢，有利于提高加工方案的精準性。

4.5 在剛度優(yōu)化中的應用

現(xiàn)如今，機械產(chǎn)品逐漸向多樣化趨勢發(fā)展，并且對精度質(zhì)量提出更高要求。眾所周知，機械產(chǎn)品的剛度與精度有密切聯(lián)系，引入智能機器人數(shù)控技術，能夠?qū)Ξa(chǎn)品剛度進行優(yōu)化。簡單來說，就是在傳統(tǒng)剛度映射模型基礎上，通過辨別實驗方法，得出準確的機器人的關節(jié)剛度。與此同時，還能夠?qū)C器人關節(jié)的加工位置、加工角度進行適當調(diào)整。處于智能機器人尾端的球體，會沿著機械產(chǎn)品加工曲面進行眼神，采用遺產(chǎn)算法，即可對機器人狀態(tài)進行優(yōu)化。另外，機械加工企業(yè)構建剛度數(shù)學模型，同時確定剛度參數(shù)，在此基礎上明確執(zhí)行器力以及矩與力。同時監(jiān)測數(shù)據(jù)信息準確性，判斷切削力的最佳值，以此來得出智能機器人加工制造的最佳位置。

5 結(jié)束語

綜上所述，機械制造在帶動國民經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮重要作用，新時期背景下逐漸向智能化趨勢發(fā)展。并廣泛應用智能機器人數(shù)控技術，在一定程度上提高了機械產(chǎn)品制造效率和質(zhì)量，充分滿足了產(chǎn)品高精度加工需求。當前，隨著科技不斷進步，越來越多的智能機器人數(shù)控技術應運而生，并且應用范圍越來越廣泛，已經(jīng)基本取代了傳統(tǒng)人工生產(chǎn)和半自動生產(chǎn)模式，為促進機械制造行業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎。