淺談工業(yè)機(jī)器人在工廠生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用

摘要：從工業(yè)機(jī)器人的定義、功能與技術(shù)內(nèi)容入手，分析了焊接自動(dòng)化的應(yīng)用現(xiàn)狀。介紹了自動(dòng)焊接單元的工藝流程、結(jié)構(gòu)、功能、要求、效果以及改造前后的對比，顯示了自動(dòng)化焊接單元的巨大優(yōu)勢。對自動(dòng)化焊接單元的應(yīng)用工作提出了建議。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 焊接單元 自動(dòng)化焊接

工業(yè)機(jī)器人起源于20世紀(jì)60年代，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織關(guān)于機(jī)器人的定義是：“一種可編程和多功能的操作機(jī);或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)”。1959年，德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)Unimate（意為“萬能自動(dòng)”）; 1962年，美國通用汽車（GM）公司安裝了第一臺Unimate工業(yè)機(jī)器人，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)、電子、航天、汽車等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。按照現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)，電子行業(yè)使用機(jī)器人的比例占到了20%，而汽車制造業(yè)的比例則達(dá)到了40%。【1】特別是危險(xiǎn)程度較高、環(huán)境污染嚴(yán)重、體力勞動(dòng)強(qiáng)度大、精細(xì)程度高的領(lǐng)域，機(jī)器人在降低人力成本、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面優(yōu)勢明顯。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人模仿人進(jìn)行邏輯推理的第三代智能機(jī)器人的研究也如火如荼的開展起來。它應(yīng)用人工智能、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)控制方法，在智能計(jì)算機(jī)控制下，通過多傳感器感知機(jī)器人本體狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境狀態(tài)，在知識庫支持下進(jìn)行推理作出決斷，并對機(jī)器人作多變量實(shí)時(shí)智能控制。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光機(jī)電一體化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制理論及人工智能等的迅猛發(fā)展，機(jī)器人從傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域迅速向醫(yī)療服務(wù)（以鈦米為代表）、家庭服務(wù)（以科大訊飛為代表）、教育娛樂（以優(yōu)必選、大疆等為代表）、勘探勘測（以新松為代表）、生物工程（以Eppendorf、PerkinElmer為代表）、救災(zāi)救援（以Satoshi Tadokoro、Vecna Robotics為代表）、深空深海探測（以蛟龍、Cyro為代表）、智能交通（以新松為代表）、智能工廠（以玖越為代表）等領(lǐng)域擴(kuò)展。傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人作業(yè)性能提升的需求，以及其他領(lǐng)域推廣應(yīng)用機(jī)器人的需求，引領(lǐng)著機(jī)器人在新時(shí)代里發(fā)展的新方向、新趨勢。

今年暑假期間，筆者有幸參與了某企業(yè)關(guān)于標(biāo)牌焊接工序的機(jī)器人自動(dòng)化改造項(xiàng)目，親眼目睹了工業(yè)機(jī)器人在工廠生產(chǎn)中的實(shí)際運(yùn)用以及對于人工而言的優(yōu)勢。本文對于該項(xiàng)目焊接單元的結(jié)構(gòu)及其在生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探討。

一、焊接單元的工藝過程及要求

1、工藝流程

獲取待焊接標(biāo)牌的材料信息—將材料信息打印在標(biāo)牌上—獲取材料端面數(shù)據(jù)信息——產(chǎn)生續(xù)釘指令和續(xù)牌指令—根據(jù)端面數(shù)據(jù)信息確定焊接位置——控制器產(chǎn)生控制信號—標(biāo)牌按順序輸出到出口—振動(dòng)盤將焊釘輸出到出口—焊接機(jī)器人獲取標(biāo)牌和焊釘并按照焊接位置進(jìn)行焊接。

2、需要解決的問題及要求

a現(xiàn)狀

由于工作環(huán)境屬于高溫作業(yè)，工人作業(yè)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)環(huán)境差，容易出錯(cuò)且容易脫落，極易發(fā)生燙傷等安全事故。

b通過自動(dòng)化改造實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

通過振動(dòng)盤自動(dòng)續(xù)釘和打印機(jī)自動(dòng)續(xù)牌，減少人工投入，消除安全隱患。

二、焊接單元的結(jié)構(gòu)

在機(jī)器人使用中，我們可以將若干外部設(shè)備和機(jī)器人組成一個(gè)功能單元，以完成定位、焊接等專門任務(wù)，或多臺機(jī)器人組成具有特定功能的復(fù)雜單元，來完成特定的工作。本焊接單元的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備和機(jī)器人之間的聯(lián)系，將機(jī)器人與外部設(shè)備組成實(shí)現(xiàn)特定功能的單元【2】。

本焊接單元系統(tǒng)包含工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、焊釘分揀及移載裝置、標(biāo)牌打印及檢測裝置、視覺定位系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、操作箱、輥道定位互鎖裝置、安全防護(hù)裝置、電氣控制系統(tǒng)和工控機(jī);設(shè)計(jì)方案見圖1所示。

1、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包含機(jī)器人本體、機(jī)器人控制系統(tǒng)。

機(jī)器人本體（圖2）即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部。控制系統(tǒng)由機(jī)器人控制柜（圖3）和顯示器組成。

功能：機(jī)器人負(fù)責(zé)焊釘分揀、標(biāo)牌分揀、標(biāo)牌焊接的執(zhí)行系統(tǒng)。

2、焊釘分揀及移載裝置（圖4）

焊釘分揀及移載系統(tǒng)包含焊釘振動(dòng)盤，直線導(dǎo)軌和移載臺裝置。其中提供兩套焊釘分揀及移栽裝置，當(dāng)其中一臺出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到另外一臺，以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

功能：負(fù)責(zé)位機(jī)器人系統(tǒng)提供按序分揀焊釘，并將焊釘移栽到指定機(jī)器人獲取位。

3、標(biāo)牌打印系統(tǒng)（圖5）及檢測定位裝置（圖6）

標(biāo)牌打印系統(tǒng)包含標(biāo)牌打印機(jī)、標(biāo)牌接收服務(wù)器、及標(biāo)牌檢測定位裝置。其中提供兩套標(biāo)牌打印及檢測裝置，當(dāng)其中一臺出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到另外一臺，以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

功能：負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場生產(chǎn)采集到實(shí)時(shí)標(biāo)牌信息，打印到指定的標(biāo)牌上，標(biāo)牌自動(dòng)滑落到標(biāo)牌固定位，以備機(jī)器人獲取進(jìn)行焊接。

4、視覺定位系統(tǒng)（圖7）、光源（圖8）及視覺軟件系統(tǒng)

視覺定位系統(tǒng)包含視覺相機(jī)、服務(wù)器、光源及視覺軟件系統(tǒng)。依靠視覺定位系統(tǒng)，借助該系統(tǒng)的反饋，能為機(jī)器人位置狀態(tài)的調(diào)整提供前提條件，提高機(jī)器人的智能化程度以及行動(dòng)能力。

功能：負(fù)責(zé)拍攝端面影像，經(jīng)過處理將最佳的焊接坐標(biāo)提供機(jī)器人焊接， 焊接完成后并判定焊接質(zhì)量。

5、焊接系統(tǒng)（圖9）及操作箱（圖10）

焊接系統(tǒng)主要由測距傳感器、推排機(jī)構(gòu)、吸盤機(jī)構(gòu)、焊槍及焊機(jī)組成。

功能：機(jī)器人前端手臂夾取焊釘，吸取指定標(biāo)牌，然后移動(dòng)到指定焊接位，通過控制系統(tǒng)觸發(fā)焊機(jī)放電完成標(biāo)牌焊接的任務(wù)。

6、其他系統(tǒng)

系統(tǒng)還包括輥道定位互鎖裝置、安全防護(hù)裝置、電氣控制系統(tǒng)、操作箱和工控機(jī)等其他設(shè)備

三、焊接機(jī)器人的優(yōu)勢及應(yīng)用對比

完成后的自動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)（圖11）不僅讓工人盡量遠(yuǎn)離了環(huán)境惡劣、操作危險(xiǎn)的工作區(qū)域，自身也具有較好的自我保護(hù)功能，提高了人員和設(shè)備的安全性;降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少了人工操作的不穩(wěn)定性;合理有效的將工人從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來;實(shí)現(xiàn)了標(biāo)牌的精準(zhǔn)定位，焊接強(qiáng)度高且一致性好，外觀美觀整齊且不易脫落，提高了生產(chǎn)效率;防止貼錯(cuò)標(biāo)牌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1、其具備如下優(yōu)勢：

（1）、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，因工件溫度較高400-500°C，工作環(huán)境惡劣。

（2）、提升了焊接強(qiáng)度及工藝性，外觀一致性好，美觀且不易脫落。

（3）、自動(dòng)續(xù)牌及機(jī)器人自動(dòng)取件，出錯(cuò)率低。

（4）、減員增效，通過機(jī)器人代替人工進(jìn)行自動(dòng)焊接，降低了生產(chǎn)中人員給企業(yè)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2、應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對比

（1）、應(yīng)用前

a通過人工焊接記錄信息，人均每小時(shí)只能焊60件，平均時(shí)間1件/60秒。

b不同的操作人員焊接質(zhì)量差別大，焊接工作無法實(shí)現(xiàn)規(guī)范化，容易造成掉落，給產(chǎn)品形象及計(jì)量結(jié)果確認(rèn)帶來不利影響。

c人工轉(zhuǎn)錄信息還容易造成焊接順序發(fā)生錯(cuò)誤，使產(chǎn)品在外銷時(shí)出現(xiàn)計(jì)量異議。

d手工進(jìn)行焊接作業(yè)存在燙傷及撞傷的安全風(fēng)險(xiǎn)，環(huán)境溫度高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，不能有效滿足快節(jié)奏的生產(chǎn)需要。

（2）、應(yīng)用后

a工作時(shí)間1件/35秒，工作效率提升2倍。

b平均每小時(shí)自動(dòng)焊接90件，自動(dòng)焊接合格率在99.5%以上。

c錯(cuò)誤率0， 解決了人工焊牌帶來的不規(guī)范、成本高、效率低、高風(fēng)險(xiǎn)的問題，讓職工從高強(qiáng)度的工作中解脫出來，實(shí)現(xiàn)了智能生產(chǎn)、安全生產(chǎn)。

d實(shí)現(xiàn)了稱重、點(diǎn)支、傳送、焊牌，全流程自動(dòng)控制。

四、結(jié)語

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對人而言其優(yōu)勢會(huì)越來越大，應(yīng)用必將會(huì)越來越廣泛，同時(shí)要求也會(huì)越來越高。工業(yè)機(jī)器人必將成為“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”的關(guān)鍵技術(shù)和重要產(chǎn)品，不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域，在社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

【1】范楊.工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與設(shè)備.2017（3）：42-43

【2】汪永超，唐浩.工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng).2016（7）：69-70

作者簡介：王睿（2001年2月28日—），女，漢族，山東省泰安市人，中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2019級本科在讀，研究方向：自動(dòng)化。