工業機器人技術在機械制造中的應用研究

張 傳

（撫順礦業集團技師學院，遼寧 撫順 113008）

工業革命的興起，使得比較單一的人類勞動逐漸被各種各樣的機械設備代替，進而推動了人類社會向前發展，同時也為人類社會創造出巨大的經濟利益。隨著工業4.0的到來，機械加工技術、工業機器人技術、機電一體化技術交叉結合，進一步提高了生產效率和機械利用率，為各行各業的發展起到了極大的推動作用。工業機器人可以代替人類進行一些繁重、勞動強度較大的工作，還可以在工作環境比較惡劣、比較危險的地方。如焊接、碼垛、CNC上下料、噴涂和大型鑄造等方面有較為廣泛的應用。

隨著工業機器人制造技術的進步，我國由汽車大國向強國邁進。接下來還需要不斷提升加工手段，提高產品質量，增加企業競爭力，工業機器人前景巨大。工業機器人的使用數量作為衡量一個企業生產力水平和制造水平的標志，也逐漸成為不可或缺的加工工具。目前，絕大數企業面臨著人工成本較高、環境污染等問題的困擾，而工業機器人能很好的解決上述問題，并呈擴大態勢。我國加工制造業的飛速發展，對工業機器人的需求也急劇增加，對于機器人的操作者的數量也是呈擴大趨勢。

工業機器人作為一種集多先進技術于一體的自動化裝備，體現了現代工業技術的高效益、軟硬件結合等特點，成為柔性制造系統、自動化工廠、計算機集成制造系統等現代化制造系統的重要組成部分。目前，工業機器人具有柔性好、自動化程度高、可編程性、通用性等特點，已經廣泛運用到工業加工制造的各個方面[1-4]。

1 工業機器人

20世紀40年代，美國戴沃爾最初提出了工業機器人的概念并申請了專利，這是工業機器人的雛形，為近代工業機器人的發明和設計提供了寶貴的數據和經驗。我國工業機器人從70年代初期開始起步，

伴隨著工業革命的興起，國家對工業機器人的投資逐步加大，開始對機器人的主要環節和部件進行攻關，推出了焊接和噴涂機器人系列。

1.1 概念

工業機器人是面向工業領域的多自由度的機器人，是綜合了計算機技術、最優化控制技術、自動檢測識別技術的高科技的產物。

1.2 關鍵技術

控制系統是機器人的重要組成部分，那么其關鍵技術決定了機器人在工作中相關指標的精度。

1.2.1 開放式硬件系統

采用開放式CPU計算模塊，分為示教器、控制器、光電耦合單元、PLC控制單元等。示教器和控制器通過串口總線進行通訊，控制單元和PLC控制單元用來規劃機器人運動路徑、姿態、補償等環節。

1.2.2 開放式軟件系統

完善的軟件系統是衡量一套機器人系統能夠工作的前提。通用的軟件系統都是基于Linux，采用開放式和模塊式設計，根據不同的功能要求，將軟件系統分為驅動層、核心層和應用層。

1.2.3 機器人故障自診斷系統

通過設定代碼的方式，機器人系統根據反饋回來的信息以代碼的形式顯示出來，提示操作者進行相關的維護。

1.2.4 網絡系統

由機器人單一控制向機器人流水線發展已經成為趨勢，而網絡是必不可少的環節，通過云終端等聯網功能，實現機器人的遠程監控[5-7]。

2 機械制造中的應用

工業機器人與數控技術的結合是現在比較流行的控制方案，如CNC上、下料，這是一種減材加工制造技術。

2.1 CNC上下料

主要實現機床制造過程的完全自動化，工件上料、下料、工件翻轉、順序改變等。傳統的加工是由操作者人工上下料，使人工強度增加，容易產生工傷事故，如果設計到產品結構的調整，人工上下料效率低下，產品的質量得不到保證，圖1所示。

圖1 機械制造流程

2.2 工業機器人與數控系統結合的優點

2.2.1 提高生產效率

機械加工中，生產效率的提高取決于有效、合適的生產步驟。機械加工的步驟是固定的，機器人代替人工上下料，步驟是可以調節的，通過設定程序能有效的控制步驟，避免因人為而導致的影響。

2.2.2 生產工藝和產品結構的修改節約時間

傳統加工工藝的修改，通常經過反復加工試驗、操作者的培訓等環節，浪費不少時間。使用工業機器人上下料，只需要修改機器人運動軌跡的程序，迅速的改變了生產工藝，節約了時間。控制程序的修改，通常有兩種方法，編程輸入型和示教輸入型，編程輸入型就是根據工件加工的工藝編寫好程序，通過接口或網絡系統將程序下載到控制器中，機器人按照編制的程序運行。示教輸入型有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅動系統，使執行機構按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接操作執行機構，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。

2.2.3 提高工件的質量和合格品率

在整個加工過程中，操作者把機器人和數控系統的程序編制完成后，機器人獨立完成上下料，需提前設定好放料的位置坐標，并保存在機器人控制器中，這樣機器人每次動作的速度、軌跡都是相同的，這樣保證了產品加工的精度和質量，只需要開始試驗一批產品，如果生產出的試驗產品達標，那么就可以批量生產，從而保證合格率。

3 結束語

隨著機器人技術的快速發展，國內工業機器人安裝數量急劇增長，其在機械加工領域也得到了廣泛的應用。工業機器人具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優點，可加工機械零部件、大型型材、復雜模型以及雕刻加工等等，同時利用數控領域的相對較成熟的CNC技術，機器人機械加工將成為工業機器人加工的一個簡便和必然選擇，在軟件編程、加工應用等方面亦得到了一定的發展。工業機器人與機械制造技術相結合改變了機械加工的格局，尤其是CNC上下料幾乎可以應用到各行各業的加工制造中。在不斷試驗中發現，工業機器人的使用具有操作簡單、生產步驟可以優化、加工工件的質量高等優點，同時減少了人工成本，降低了操作者的勞動強度，將操作者從單一、繁瑣的工作環境中解救出來。作為制造企業，擁有工業機器人生產線不僅提升加工手段，提高產品質量，增加企業競爭力，而且能創造巨大的經濟效益。