姜 明

（山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山東 濰坊 261061）

引言

新形勢(shì)下，我國(guó)制造業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型階段，雖然已經(jīng)屬于制造大國(guó)，但在制造技術(shù)方面還需進(jìn)一步創(chuàng)新和提升。制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，具有一定的復(fù)雜性，涉及到多方面內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)從各方面來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)化管控，抓住技術(shù)核心，充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，加強(qiáng)信息基礎(chǔ)建設(shè)，明確制造行業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)內(nèi)容

1.1 工業(yè)機(jī)器人的概念

工業(yè)機(jī)器人是指在工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的多關(guān)節(jié)機(jī)械手、多自由度的機(jī)器裝置，因其具有一定的自動(dòng)性，具備實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)加工制造的功能，常被應(yīng)用于物流、電子、化工等領(lǐng)域。有關(guān)于機(jī)器人的定義，在很早之前就已經(jīng)有所定論，人們對(duì)機(jī)器人的了解也越來(lái)越多，隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，已經(jīng)有部分具有單一功能的機(jī)器人被投入應(yīng)用于人們的生活之中，給人們的生活帶來(lái)了一定的便捷。但工業(yè)機(jī)器人的概念還未有詳細(xì)的概念，定義上所堅(jiān)持的基礎(chǔ)準(zhǔn)則相似，但在細(xì)節(jié)上有一定的差異性。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)ISO 對(duì)工業(yè)機(jī)器人給出了簡(jiǎn)要概念，認(rèn)為其是能夠達(dá)成自動(dòng)操控目標(biāo)、可反復(fù)編程、有多個(gè)自由度的操控機(jī)器，并且還具備豐富的功能性，可運(yùn)輸原料、操控工具、實(shí)施一連串的操控工作[1]。這一定義被大部分國(guó)家所贊同，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展尚處于初步階段，工業(yè)機(jī)器人的概念會(huì)隨著發(fā)展而逐步完善。我國(guó)初步嘗試使用機(jī)器人來(lái)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，是在上個(gè)世紀(jì)中后期，發(fā)展至今我國(guó)已經(jīng)擁有了獨(dú)有的工業(yè)機(jī)器人科研機(jī)構(gòu)，而且大部分的工業(yè)機(jī)器人都擁有自動(dòng)操控系統(tǒng)，自由度在3～6 個(gè)以上，大多數(shù)機(jī)器人的腕部位置有1～3 個(gè)自由度。

1.2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的定位

為了提高我國(guó)制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)發(fā)展模式，推動(dòng)制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，以創(chuàng)造良好的智能制造環(huán)境。這并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，需要數(shù)字化技術(shù)、人工智能技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等核心技術(shù)的配合。其中，機(jī)器人技術(shù)是硬件系統(tǒng)的核心內(nèi)容，在智能制造領(lǐng)域中十分重要。尤其是一些高端裝置的制造，對(duì)智能化水平的要求越來(lái)越高，生產(chǎn)車(chē)間也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字車(chē)間。在數(shù)字車(chē)間中有效應(yīng)用機(jī)器人，有利于提高制造業(yè)的智能化水平，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升。

1.3 運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)

在我國(guó)制造行業(yè)中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：一是有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。通過(guò)工業(yè)機(jī)器人能夠自動(dòng)實(shí)施制造工作，代替人工完成生產(chǎn)制造中的部分環(huán)節(jié)，只需要設(shè)置好相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，發(fā)出生產(chǎn)指令，便能夠由工業(yè)機(jī)器人獨(dú)自完成。二是提高了加工制造生產(chǎn)的安全性。工業(yè)機(jī)器人在安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加精密，并設(shè)置了安全故障檢測(cè)預(yù)警處理機(jī)制，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，便能及時(shí)報(bào)警，有利于降低設(shè)備故障率，避免發(fā)生安全事故，做到“零傷亡”。三是提高了加工制造的生產(chǎn)效率[2]。

2 工業(yè)機(jī)器人智能制造單元的硬件結(jié)構(gòu)

為了充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的作用，應(yīng)重視工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和設(shè)計(jì)工作，尤其是智能制造單元的設(shè)計(jì)。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是智能制造單元的核心內(nèi)容，直接影響著工業(yè)機(jī)器人的智能化水平，必須予以高度重視，不容忽視。在工業(yè)機(jī)器人智能制造單元設(shè)計(jì)過(guò)程中，要明確實(shí)際情況，創(chuàng)建相應(yīng)的硬件系統(tǒng)。一般情況下，工業(yè)制造行業(yè)所涉及的單元基本程序涵蓋了多方面的內(nèi)容，如：原料、制作、檢測(cè)和分揀等，所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備上述功能，并將這些工作程序充分體現(xiàn)在機(jī)器人的智能制造單元設(shè)計(jì)中。其工作流程如下：?jiǎn)?dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人就位，通過(guò)運(yùn)動(dòng)來(lái)拾取工業(yè)制造夾具、制造毛胚，在加工單元放置零件，自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)CNC 進(jìn)行零件加工，之后將零件取出，并對(duì)其進(jìn)行打磨處理，然后把零件輸送到檢測(cè)單元進(jìn)行全面檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果直接反饋給工業(yè)機(jī)器人。通過(guò)檢測(cè)后的零件，要進(jìn)行分揀，然后輸送至傳統(tǒng)系統(tǒng)中，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果將零件輸送到不同的通道中[3]。

工業(yè)機(jī)器人智能制造單元的硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)包含以下內(nèi)容：一是總控系統(tǒng)，用于把控整個(gè)工作程序，使之順利開(kāi)展，實(shí)際生產(chǎn)中是利用PLC 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體管控。二是儲(chǔ)存單元，實(shí)際指的是制造系統(tǒng)的自動(dòng)料倉(cāng)。三是執(zhí)行系統(tǒng)，這部分主要由工業(yè)機(jī)器人來(lái)完成。四是加工系統(tǒng)，主要指的是工業(yè)生產(chǎn)線數(shù)控機(jī)床。五是檢測(cè)系統(tǒng)，CCD 屬于檢測(cè)單元。六是分揀單元及其他輔助設(shè)備。在硬件系統(tǒng)的創(chuàng)建過(guò)程中，核心是總控體系，需充分利用PLC 控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人加工制作的自動(dòng)化，要利用遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)、自動(dòng)化操控系統(tǒng)，來(lái)完成硬件系統(tǒng)架構(gòu)中的各項(xiàng)工序，把控好每一個(gè)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中的通信，實(shí)施相應(yīng)的操作和控制。例如，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可裝設(shè)西門(mén)子PLC控制裝置。料倉(cāng)架構(gòu)作為工業(yè)機(jī)器人智能制造的儲(chǔ)存單元，用于儲(chǔ)存原料、料坯。在接收到總控體系指令時(shí)，儲(chǔ)存單元便會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作，推出原料，完成原料索取工作。工業(yè)機(jī)器人是指令的執(zhí)行單元，需要根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃來(lái)進(jìn)行運(yùn)作。工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床則可作為制作單元，依據(jù)制造計(jì)劃來(lái)進(jìn)行加工[4]。在設(shè)計(jì)打磨單元時(shí)，可以利用氣缸進(jìn)行操作，創(chuàng)新加工制造打磨系統(tǒng)，充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的作用。利用工業(yè)機(jī)器人末端工具來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打磨系統(tǒng)，通過(guò)編程引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行零件打磨。

3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在鋼鐵行業(yè)智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

在鋼鐵行業(yè)智能制造領(lǐng)域中，所應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)主要有以下幾種：

1）自動(dòng)拆捆機(jī)器人。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，使用鋼卷法來(lái)制造完成冷軋帶鋼。鋼卷制造之前，應(yīng)當(dāng)先將鋼卷拆捆，然后再進(jìn)行加工。這種生產(chǎn)方式在一定程度上延長(zhǎng)了鋼鐵生產(chǎn)的時(shí)間，若是引入工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，應(yīng)用自動(dòng)拆捆機(jī)器人，則能夠利用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操控，剪斷鋼卷的捆帶，提高拆捆鋼卷這一環(huán)節(jié)的工作效率。自動(dòng)拆捆機(jī)器人的機(jī)頭，可使旋轉(zhuǎn)操作機(jī)器橫向位移，并具有自動(dòng)測(cè)定功能，可確定卷邊機(jī)器的捆帶方位。在剪斷捆帶之后，自動(dòng)拆捆機(jī)器人還可自動(dòng)壓實(shí)已經(jīng)剪好的捆帶，使之尺寸、體積達(dá)到最小化，并隨即處置，自動(dòng)卸掉廢棄材料。自動(dòng)拆捆機(jī)器人的應(yīng)用，不僅縮短了鋼鐵生產(chǎn)周期，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，還有利于提高鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的安全性，在操作上也更加智能化、自動(dòng)化[5]。

2）自動(dòng)取樣機(jī)器人。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，可利用自動(dòng)取樣機(jī)器人，進(jìn)行自動(dòng)取樣操控，并做好相關(guān)的標(biāo)記。自動(dòng)取樣裝置結(jié)構(gòu)包含了以下部分：一是1 個(gè)平房樣板斗。二是1 套取樣貼標(biāo)夾具。三是4 個(gè)立放樣板斗。四是平頭推出機(jī)構(gòu)。五是1 臺(tái)機(jī)器人。通常，在完成機(jī)組取樣后，可使用自動(dòng)取樣機(jī)器人來(lái)操控取樣小車(chē)內(nèi)的試樣板，并對(duì)其粘貼標(biāo)簽，運(yùn)輸至料斗中。自動(dòng)取樣機(jī)器人的有效應(yīng)用，可保證鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量，整個(gè)生產(chǎn)操控流程更加穩(wěn)定。

3）自動(dòng)貼標(biāo)簽機(jī)器人。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)重視冷軋制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在打捆操作鋼卷后，可利用鋼卷小車(chē)將其送到工臺(tái)上，每一個(gè)工臺(tái)對(duì)應(yīng)著鋼卷上的貼標(biāo)印記，由自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)器人來(lái)完成，通過(guò)打印標(biāo)簽、拾取標(biāo)簽、粘貼操控等方式，高效完成貼標(biāo)工作。利用自動(dòng)貼標(biāo)簽機(jī)器人，可以充分發(fā)揮真空原理，吸附標(biāo)簽，計(jì)算出鋼卷的寬度、直徑，將貼標(biāo)頭機(jī)械臂移動(dòng)至相應(yīng)的貼標(biāo)工臺(tái)上，開(kāi)始實(shí)施貼標(biāo)作業(yè)。要注意的是，在這個(gè)該過(guò)程中，自動(dòng)貼標(biāo)簽機(jī)器人能夠先處理急需貼標(biāo)的鋼卷。在貼標(biāo)簽的過(guò)程中，機(jī)器人能夠使用輥輪來(lái)壓實(shí)標(biāo)簽，使之更加平整，并確保標(biāo)簽處于規(guī)定的粘貼位置上。全部工序完成之后，自動(dòng)貼標(biāo)簽機(jī)器人恢復(fù)到最初狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了貼標(biāo)簽環(huán)節(jié)的智能化，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

在醫(yī)療保健行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，可充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的作用促進(jìn)醫(yī)療行業(yè)水平的提升。若工業(yè)機(jī)器人的處理技術(shù)能夠達(dá)到醫(yī)療行業(yè)所需要的水平，那么便能夠完成各類(lèi)外科手術(shù)，但目前這部分還有一定的不足。工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于一些材料處理等工業(yè)項(xiàng)目中?？衫霉I(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，來(lái)自動(dòng)化處理手術(shù)病人，不僅可以在手術(shù)實(shí)施過(guò)程中，進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)械操作，還可以將手術(shù)病人運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的位置，并幫助其進(jìn)行術(shù)后恢復(fù)。目前，在醫(yī)療保健領(lǐng)域使用最多的工業(yè)機(jī)器人是智能自動(dòng)機(jī)器人車(chē)床，可利用自動(dòng)機(jī)器人來(lái)操作手術(shù)車(chē)床，提高了醫(yī)療制造生產(chǎn)水平，也在一定程度上改變了人們的生活態(tài)度[6]。

3.3 焊接機(jī)器人技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

在智能制造領(lǐng)域中，大部分生產(chǎn)制造工作都涉及到焊接環(huán)節(jié)，而且焊接工作量比較大，對(duì)焊接人員有著極大的勞動(dòng)強(qiáng)度挑戰(zhàn)，要求其具備較好的焊接技術(shù)，以保障焊接施工質(zhì)量。在利用焊接機(jī)器人技術(shù)之后，不僅大大降低了人員的工作量，在一定程度上降低了制造成本，還有利于提高焊接工序的智能化水平。當(dāng)前，焊接機(jī)器人的類(lèi)型多種多樣，常見(jiàn)的有兩種，一種是點(diǎn)焊機(jī)器人，另一種是弧焊機(jī)器人，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行選擇和應(yīng)用。例如，在汽車(chē)制造行業(yè)，可以利用焊接機(jī)器人來(lái)實(shí)施消聲器、座椅骨架和底盤(pán)等部分的焊接工作，處理好零部件的搭接問(wèn)題，做好角接處理，以提高汽車(chē)的制造質(zhì)量，使之安全系數(shù)得以提升。在豐田企業(yè)中便有效應(yīng)用了點(diǎn)焊機(jī)器人，創(chuàng)新了傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)線，應(yīng)用了先進(jìn)的焊接工藝。除此之外，由于大部分制造行業(yè)中對(duì)焊縫位置提出了更為精確的要求。因此，為了使焊接機(jī)器人能夠滿足這一要求，配備了先進(jìn)的電弧、激光傳感器設(shè)備，以便于實(shí)現(xiàn)焊接效果的自動(dòng)跟蹤，能夠根據(jù)實(shí)際情況來(lái)優(yōu)化焊接軌跡，改變焊接順序，常被用于船舶制造業(yè)中。

3.4 搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

在智能制造領(lǐng)域中，應(yīng)充分利用搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)，根據(jù)事前設(shè)定好的程序執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)輸任務(wù)，而且可遵循指揮任務(wù)對(duì)象、運(yùn)輸程序要求來(lái)進(jìn)行作業(yè)。在物流交通運(yùn)輸行業(yè)中，搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，目前投入使用的高速搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量越來(lái)越多，常被用用于一些大型物體搬運(yùn)工作中。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，制造業(yè)的大力發(fā)展，傳統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)器人已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)需求，需要對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，以豐富搬運(yùn)機(jī)器人的功能。例如，當(dāng)前使用最多、功能性最強(qiáng)的是6 軸搬運(yùn)機(jī)器人，能夠達(dá)到1 300 kg 的最大負(fù)荷能力，在縱向5 m 以?xún)?nèi)的搬運(yùn)工作都能夠順利完成。另外，當(dāng)前所使用的搬運(yùn)機(jī)器人，均屬于并聯(lián)機(jī)器人，可達(dá)到6 個(gè)自由度，如：Delta 機(jī)械手，有著極高的精確度，能夠?qū)⒄`差控制在±0.1 mm之間，但我國(guó)在這方面的研發(fā)仍落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。

4 結(jié)語(yǔ)

在智能制造領(lǐng)域加強(qiáng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究，優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，可有效提高制造行業(yè)的生產(chǎn)效率及安全性，促進(jìn)制造業(yè)向智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。