電氣工程自動化視角下的產業機器人設計

王雅

摘 ?要：在各個產業不斷升級發展的背景下，自動化以及智能化的工業生產模式受到社會各界的廣泛關注，且在電氣自動化技術的支持下，行業的生產設備不斷更新，生產效率不斷提升，并逐漸投入了大量的產業機器人。我國當前整體的機器人產業發展水平相對較好，但是與發達國家相比，在機器人自動化以及智能化水平方面還有待提高。而對于產業機器人的功能完善度以及應用質量而言，電氣自動化技術是重要依托。文章在分析產業機器人的設計活動時，從電氣工程自動化視角出發，分析了電氣工程自動化技術在產業機器人運行過程中的應用，并深入分析了電氣工程自動化視角下產業機器人的設計要點。

關鍵詞：電氣工程自動化;產業機器人;設計要點

中圖分類號：TP242.2 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0082-02

Abstract： In the context of continuous upgrading and development of various industries， the automation and intelligent industrial production mode has attracted wide attention from all walks of life， and with the support of electrical automation technology， the production equipment of the industry has been constantly updated and the production efficiency has been continuously improved and gradually involved a large number of industrial robots. At present， the overall development level of robot industry in China is relatively good， but compared with developed countries， the level of robot automation and intelligence still needs to be improved. As for the functional perfection and application quality of industrial robots， electrical automation technology is an important support. When analyzing the design activities of industrial robots， this paper analyzes the application of electrical engineering automation technology in the operation of industrial robots and the design essentials of industrial robots from the perspective of electrical engineering automation.

Keywords： electrical engineering automation; industrial robot; design essentials

國家近些年推出智能戰略計劃，產業機器人由此應運而生。我國部分地區積極出臺相應文件以支持機器人產業發展。上海曾出臺《上海市高端裝備制造業“十二五”發展規劃》，指出要重點發展產業機器人，將其投用到包裝、焊接、裝配、噴涂、搬運等生產環節中，同時關注研發機器人的核心部件，包括電機、驅動器、控制器、傳感器、網絡控制系統等。此外，包括廣東、杭州、北京等地都陸續出臺相關政策，明確了產業機器人的發展方向。電氣工程自動化與產業機器人的結合已經成為必然趨勢，而如何將電氣工程自動化技術與產業機器人的設計活動以及應用環節有機融合在一起，則成為當前發展產業機器人需研究的關鍵課題。

1 產業機器人中的電氣工程自動化技術

1.1 新生代電氣自動化技術

電氣自動化技術是近些年興起且發展迅速的新型技術之一，且在電氣自動化技術不斷升級應用的過程中，信息技術也在不斷發展，由此不斷催生出各種新型的電氣自動化技術，包括高精度運動控制、模塊化與嵌入式控制系統設計、高可靠性實時通信網絡、復雜設施設備系統仿真技術等。將其應用到產業機器人領域，則能夠滿足不同產業的實際需求。面對更高的控制精度要求以及更加簡化與智能化的控制流程要求，在應用電氣自動化技術時，要注重對產業機器人的核心部件與電氣自動化技術連接在一起，包括伺服電機、控制器等，同時要注重對服務型機器人的研發，確保產業機器人整體發展水平較高。

1.2 PLC控制系統

在電氣自動化控制技術中，PLC控制系統是標志性的自動化控制技術的集合控制形式，PLC又稱為可編程邏輯控制器，與工業生產環境有較高的適應性，在數字運算操作電子系統的支持下，能夠更加可靠與高效的開展工作，且能夠更加快速的進行編程。和計算機類似，PLC控制系統中主要包括中央處理器、存儲器、外部設備接口等組件，工作流程則為采樣、用戶程序執行和輸出刷新。在PLC系統的支持下，可以幫助產業機器人在實際的運作過程中實現對機器人的點位控制、智能控制、力矩控制和軌跡連續控制。PLC控制系統要加強與產業機器人控制器之間的連接，要形成智能化的控制路徑，以提高機器人的環境適應能力和學習能力，并確保產業機器人能夠穩定、高效的完成工作。

1.3 機械零件拼接、驅動與程序編排技術

在對產業機器人進行設計時，電氣工程自動化技術的一個主要功能在于對機器人的零部件進行組裝設計。設計人員要借助電氣自動化技術對組裝的零件設備進行質量檢測，并對相應的信息數據進行處理，并實時反饋零部件信息，確保不出現偏差。在完成初步的拼接工作后，設計人員要借助電氣自動化技術對零部件進行驅動檢測，要依托于計算機系統中的驅動裝置設定運行信號，判斷機器人根據信號工作的能力。最后則要進行機器人操作程序的編排，要搭建中心監控與操控系統，實時調整機器人的運行狀態。此外，還要注重加強機器人和云服務器之間的連接，提高產業機器人處理多種環境的能力，確保產業機器人的自動化以及智能化操作水平高。

2 提高電氣工程自動化背景下產業機器人設計水平的具體措施

2.1 搭建行業開放式資源平臺

機器人行業的發展規模在不斷擴大，針對產業機器人的發展，設計人員要關注搭建行業開放式資源共享平臺，要以行業協會、學會以及產業聯盟為基石，對上述第三方機構加強協調，搭建交流平臺，拓寬產業機器人的開發渠道和技術研究渠道，真正的推動機器人行業在產品、人才、資源、技術等方面的流動。各個省市可以舉辦機器人競賽和挑戰賽等，激發愛好者的興趣，并提供可交流經驗的競技平臺，以儲備產業發展人才，形成科學的產業發展格局。

2.2 科學進行硬件和軟件系統設計

2.2.1 硬件系統設計

對產業機器人進行設計，設計人員基于生產要求應對伺服電機進行科學選擇，考慮到便于維護和易于實現智能化這兩個要求，應選用直流伺服電機。直流伺服電機的精度由電機后端編碼器控制，能夠更加低速和平穩的運行，具有較強的過載能力。DSP傳輸控制信號，電機執行，并由閉環控制進行精準定位，在電機編碼器反饋信號采樣的基礎上，驅動器可以快速響應。其次，要合理的選用和設計控制器，控制器中應包括單片微控制器、DSP數字信號處理器、PLC可編程邏輯控制器、工業控制計算機等，同時要在電氣自動化技術的支持下使用控制算法，形成控制信號后可對控制對象進行精準控制。設計人員要根據產業機器人的自身特點以及產業生產的實際要求，科學的選擇DSP控制器。對繼電器進行設計，要從操作安全性以及抗干擾性、靈敏度等方面進行把控，可選擇固態繼電器，其組成部分包括分離電子器和微電子電路等。可以將控制信號輸送到輸入端，從而有效控制大電流負載驅動。

2.2.2 軟件系統設計

在設計產業機器人的過程中，要將產業機器人的軟件設計作為要點之一。設計人員要從上層開發環節、驅動程序以及底層控制程序三個方面進行科學設計。上層開發設計的目的在于提供測試控制器，基于此，用戶可以在滿足控制要求的軟件平臺上進行操作。在開發驅動時，則要考慮到控制器的抗干擾性，要從提高在不同網絡下的適應性角度出發進行設計。在進行底層設計時，設計人員則要以伺服驅動的運動功能為基礎，并借助C語言進行編程開發，為整個控制系統提供可靠支撐。設計人員要依托于傳感器的狀態值自動切換無刷電機和電路電壓，并且可以借助相關算法提高對電機位置以及電機速度的控制精度。在電氣自動化技術和PLC控制系統的幫助下，可以實現對產業機器人運行過程中可能出現的軟件故障的監測和診斷，主要包括CAN 的通信故障和功率器件的過載故障等。設計人員應選用更加高效的C 編譯器，提高兼容性，同時要借助CCS 推出的軟件集成開發技術，更加科學的開展設計工作。

2.3 精準執行焊接機器人功能調試操作

在完成產業機器人的基礎設計工作之后，設計人員要對設計完成的產業機器人進行功能調試。首先要檢查伺服電機的運動極性，要依次施加小電流和大電流。在完成極性檢查之后，設計人員要對機器人的關節活動情況進行檢查，要確保產業機器人的各個關節能夠根據預定的程序靈活的進行運動。在調試產業機器人的關節時，要對基本軸進行預先調試，接著要對機器人的腕部軸進行調試，確保機器人能夠正常的完成上臂帶手腕回轉、機器人手腕上下運動以及機器人手臂回轉操作。

2.4 全面優化設計細節

從提高產業機器人工作效率和工作質量的角度出發，設計人員要結合設計要求對設計細節進行優化。要借助電氣自動化技術和操作平臺對已經完成設計的產業機器人進行試運行，并找出基礎結構中可優化設計的細節。以采茶機器人的優化設計為例，設計人員可以將機械結構改為懸臂梁式，即對傳統的Z軸改為與Y軸平行的結構改變成左Y軸與右Y軸相互獨立的結構，并將左Z軸與右Z軸設置在兩Y軸上。在進行滑臺設計時，則要從有效控制三軸運行的角度出發進行設計，實現對有效運行行程、長度、最大速度以及重復定位精度等參數的控制。設計采摘爪手時，設計人員要提高其自動化和智能化程度，要使用推拉式電磁鐵，電磁吸力可以幫助制動，同時彈簧彈力可以幫助歸位，此外，在微型軸承的作用下，固定銷、轉動鉸鏈間可以實現高效配合，從而提高作業效率。基于此，設計人員在進行產業機器人設計時，必須依托于產業生產的實踐要求，對產業機器人的結構細節進行優化，確保結構簡單、穩定且易于操作。

3 結束語

產業機器人的應用已經成為一種必然發展趨勢，對于提高產業生產以及經營水平有重要的推動作用，而提高產業機器人的自動化以及智能化水平，成為決定機器人產業助推功能能夠發揮的關鍵。基于此，產業機器人的設計和運用人員要依托于電氣工程自動化技術的發展背景，了解產業機器人的發展要求，并有機的將電氣工程自動化技術融入其中。具體應關注搭建產業發展資源共享平臺，科學設計系統，做好功能調試，同時要關注對設計細節的全面優化，以真正發揮出電氣自動化技術的應用價值，促進產業機器人功能的完善， 并最終提高產業機器人的現代優化運作水平。

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