基于工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制中的實踐分析

萬蕾，凌中水，姚兆鳳，夏燕玲

（安慶職業(yè)技術(shù)學院，安徽安慶，246000）

0 引言

工業(yè)發(fā)展作為我國經(jīng)濟建設中的關鍵一環(huán)，如何推動工業(yè)生產(chǎn)的智能化、自動化發(fā)展愈發(fā)受到人們的重視。而作為高新技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新下的融合產(chǎn)物，工業(yè)機器人在自動化控制領域中發(fā)揮著至關重要作用。并且隨著我國相關福利政策的陸續(xù)出臺，促使自動化控制領域開始廣泛應用工業(yè)機器人技術(shù)。正因此，探討自動化控制中工業(yè)機器人技術(shù)的實踐應用，對于助力我國自動化控制領域的創(chuàng)新發(fā)展有著重要影響。

1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)概述

1.1 特點分析

分析工業(yè)機器人控制系統(tǒng)特點，具體表現(xiàn)為：（1）高度自由化。機器人控制系統(tǒng)中伺服機構(gòu)的數(shù)量直接影響到系統(tǒng)控制能力，且以自由度的形式進行伺服機構(gòu)的體現(xiàn)[1]。所以通常情況下，會通過自由度形式的體現(xiàn)來表達機器人控制能力。不同結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人自由度存在一定差異，如簡單機器人自由度相對較低，而復雜機器人會在控制能力逐漸強化的過程中持續(xù)增加自由度。據(jù)相關資料表明，目前工業(yè)機器人自由度最高可近百。（2）計算機高度參與。工業(yè)機器人的運行控制主要以計算機為載體，以計算機操控的形式讓機器人遵循其指令進行規(guī)范化運作。（3）通過數(shù)據(jù)分析計算可以為機器人運行提供多種路徑，并通過對最佳路徑的選擇來達到高效運行的目的[2]。

1.2 功能分析

自動控制中工業(yè)機器人應用涉及到諸多功能體現(xiàn)，具體包括：（1）示教再現(xiàn)。即在運行期間以機器人為載體進行相關信息的輸入，且機器人會通過特定位置存儲來達到信息長效管理的目的。當相關人員需借助該信息開展講解、演示時，可通過相應操作提取信息實現(xiàn)示教再現(xiàn)[3]。（2）運動控制。即在運行期間通過不同指令輸入與操控，完成對工業(yè)機器人的移速、形態(tài)、動作調(diào)整等。（3）計算。即運行期間可自動對周圍信息采集，并通過對數(shù)據(jù)的分析計算來判斷運行實際情況，在此基礎上依據(jù)計算結(jié)果進行作業(yè)軌跡的合理規(guī)劃，最后借助伺服運動控制來達到機器人高效運作的目的。（4）反饋。機器人運作期間其位置、姿勢及其狀態(tài)等方面會隨著指令程序的變化而發(fā)生改變，而在機器人動態(tài)變化期間，能夠做到自主采集變化信息并實時傳遞至主控系統(tǒng)，以確保工作人員能夠全面掌握機器人實際運行狀態(tài)[4]。分析工業(yè)機器人的運行原理，具體如圖1所示。

圖1 機器人控制系統(tǒng)運行原理

2 工業(yè)機器人控制方式與結(jié)構(gòu)

2.1 控制方式

不同控制方式的應用對于工業(yè)機器人的運行控制效果不同，當前常用控制方式包括：（1）力控制。是指機器人在運作期間進行用力程度的合理控制，只有保證機器人用力程度的精準控制，才能保證在運作期間脆弱產(chǎn)品不受機器人的影響，避免因產(chǎn)品損壞而增大企業(yè)經(jīng)濟損失[5]。（2）點位控制。是指以末端執(zhí)行器為控制主體，依據(jù)其實際運行需求的分析進行機器人運行位置的精準控制，以確保機器人可以在特定位置順利完成作業(yè)任務。需注意，運動軌跡不受到機器人點位的控制。（3）智能控制。作為工業(yè)機器人運作中最為智能化、現(xiàn)代化的控制手段，主要是以相關信息的全面采集為前提，通過智能分析、計算，并結(jié)合相關知識實現(xiàn)對運行問題的智能化判斷，自主制定相關方案并對問題加以解決。（4）連續(xù)軌跡控制。該控制方式的應用同樣作用于機器人末端執(zhí)行器，在運行期實施連續(xù)軌跡控制來保證作業(yè)過程的順利進行。同時，機器人運行順序、速度等均受到連續(xù)軌跡控制的操控，以確保機器人各項操作精準性的提升。

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 集中控制結(jié)構(gòu)

在以往機器人自動控制中集中控制結(jié)構(gòu)的應用較為常見，主要是以單臺計算機完成對機器人系統(tǒng)的整體控制[6]。相較于雙計算機控制而言，集中控制應用盡管在成本控制等方面存在一定優(yōu)勢，但是因系統(tǒng)整體控制完全依賴于一臺計算機，所以對計算機的性能、功能要求較為嚴格。所以集中控制結(jié)構(gòu)在以往機器人控制中的應用較為常見，能夠在一定程度滿足工業(yè)制造生產(chǎn)需求。但是隨著科學技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，促使集中控制結(jié)構(gòu)應用逐漸與工業(yè)生產(chǎn)需求相脫節(jié)，再加上以往計算機技術(shù)的限制性，使得此結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人呈現(xiàn)出功能單一、運行速率慢等問題。所以，在現(xiàn)階段我國工業(yè)生產(chǎn)領域中，集中控制結(jié)構(gòu)機器人逐步被淘汰。

2.2.2 主從式控制結(jié)合

隨著傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人無法滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需求，更為先進且科學的機器人控制結(jié)構(gòu)逐漸走進人們的視野[7]。其中主從式控制結(jié)構(gòu)的應用不僅有助于提升工業(yè)機器人運行效率，亦可以借助更為科學的結(jié)構(gòu)控制方式來促進工業(yè)機器人功能豐富。以MOTORMAN弧焊機器人為例，主要以兩臺獨立運行計算機構(gòu)成控制系統(tǒng)（如圖2）。其中一臺設定為一級計算機，主要作用體現(xiàn)為對機器人控制系統(tǒng)的整體性控制，基于人機交互功能實現(xiàn)的前提下，能夠依托于語言編輯來促進機器人控制優(yōu)化。另外，該控制結(jié)構(gòu)機器人具備數(shù)據(jù)計算能力，在軌跡控制過程中借助計算功能進行設定坐標的數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)。另一臺被設定為二級計算機，其作用體現(xiàn)為對關鍵位置數(shù)據(jù)的獲取與控制，機器人運行期間依托于二級計算機進行機器人運算結(jié)構(gòu)獲取，在接收上級下達控制指令后為各內(nèi)存系統(tǒng)、執(zhí)行器下達指令，進而實現(xiàn)對機器人的高效、精準控制。該控制結(jié)構(gòu)機器人的應用，各CPU之間的連接可利用內(nèi)存來實現(xiàn)，做到在運行期間對信息交換、傳輸?shù)囊淮涡酝瓿伞Ｐ枳⒁猓斍爸鲝目刂平Y(jié)構(gòu)的應用以兩臺計算機的應用最佳，若涉及到多臺計算機的共同設置，極易因耦合松散問題的存在影響到機器人運行穩(wěn)定性。

圖2 主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 分布式控制

現(xiàn)階段分布式結(jié)構(gòu)在工業(yè)機器人控制中的應用較為普及，不同于其它控制形式而言，分布式控制強調(diào)以主控計算機完成對機器人系統(tǒng)的整體性管理，并依托于自身強化的運算、分析能力進行坐標指令的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，并在此基礎上完成對機器人軌跡自動控制。同時將多個CPU設置于機器人下級控制模塊中，其中機器人不同關鍵控制環(huán)節(jié)分別對應一個CPU[8]。此種控制結(jié)構(gòu)應用不僅在控制效率方面存在優(yōu)勢，同時還存在處理速度快、控制精準等方面的優(yōu)化。針對上級計算機與CPU的連接，主要依托于對總線的應用，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3 工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制中的實踐應用

3.1 鑄造行業(yè)應用

受限于環(huán)境、技術(shù)等方面的影響，使得我國工業(yè)鑄造領域發(fā)展中噪音、粉塵等問題長期存在，再加上傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)對于人工操作過于依賴，使得產(chǎn)品鑄造質(zhì)量始終無法得到顯著提升。而借助工業(yè)機器人應用，通過對人工操作模式的全面取代，能夠在促進產(chǎn)品鑄造效率顯著提升的同時，避免過于惡劣的環(huán)境對人員身體健康造成影響。

圖3 分布式控制結(jié)構(gòu)圖

在實際鑄造生產(chǎn)期間，依托于軟硬件應用構(gòu)成機器人系統(tǒng)，以Windows CE作為工業(yè)機器人的控制平臺，依據(jù)對機器人運行要求、鑄造工藝的分析，在此基礎上合理設置機器人運行參數(shù)，并保證將機器人的定位精度控制在±0.5mm范圍內(nèi)，避免因定位偏差過大而影響到鑄造質(zhì)量。對于硬件系統(tǒng)而言，主要是借助人機交互、伺服機構(gòu)、運動控制等模塊構(gòu)建機器人控制系統(tǒng)，其中運動控制模塊作為機器人的中樞核心，主要負責在運行期間進行相關信息的采集與分析，依托于控制算法應用進行運動軌跡的合理設計，以確保通過機器人控制來促進鑄造作業(yè)過程的順利進行 。伺服機構(gòu)主要作用是為機器人進行動力提供，為保證機器人作業(yè)的穩(wěn)定性，需做到依據(jù)電機性能、參數(shù)的分析來合理選擇驅(qū)動器。人機交互模塊的設置主要作用體現(xiàn)為機器人控制的強化，并以可視化的方式為工作人員提供操作選項，實現(xiàn)通過人機交互來提升機器人控制效果。

3.2 汽車制造領域應用

汽車制造領域中工業(yè)機器人的應用較為廣泛，合理地將機器人應用于各汽車制造環(huán)節(jié)，可以在顯著促進汽車制造效率提升的同時，保證其制造品質(zhì)符合預期要求。針對不同制造環(huán)節(jié)機器人的應用，具體包括：（1）裝配機器人。機器人應用主要是以汽車裝配要求的分析為前提，在合理配置智能化工業(yè)機器人的基礎上，通過對多套操作模式的合理設置，能夠?qū)崿F(xiàn)借助機器人進行不同配置汽車的高效率裝配。同時，得益于裝配機器人的有效應用，能夠在保證汽車裝配質(zhì)量符合標準的前提下，進一步促進汽車裝配效率的提升。另外，為確保機器人的工作強度能夠滿足實際裝配工作開展需求，需依據(jù)實際需求進行機器人運動控制、執(zhí)行程序等方面的合理設計。（2）檢測機器人。該類型機器人主要作用在于對相關構(gòu)件尺寸信息的檢測，依托于對測量控制、視覺傳感等技術(shù)的應用，促使機器人在運行階段能夠做到對汽車構(gòu)配件圖像信息的全面獲取，并結(jié)合相關公式進行尺寸的精準計算。以構(gòu)配件標準尺寸為基準，進行構(gòu)配件成品尺寸的對照、比對，判斷汽車各構(gòu)配件的生產(chǎn)是否符合標準尺寸要求。（3）搬運機器人。相較于人力運輸而言，機器人搬運在效率方面存在顯著優(yōu)勢。尤其是對于部分大型構(gòu)件而言，可借助搬運機器人完成對構(gòu)配件的高效率搬運，并為汽車制造的高品質(zhì)開展打下良好基礎。（4）噴涂機器人。汽車噴涂作業(yè)開展一方面有助于提升汽車整體外觀的美觀性，另一方面則可加強對汽車構(gòu)配件的防護。借助對噴涂機器人的合理應用，以運動軌跡控制為前提，通過結(jié)合實際生產(chǎn)要去進行噴涂參數(shù)的科學設定，能夠讓機器人依據(jù)指令開展更為規(guī)范、專業(yè)的噴涂工作，通過取代人工噴涂來有效規(guī)避噴涂不合理、不到位等問題的出現(xiàn)。

4 結(jié)束語

工業(yè)機器人技術(shù)的廣泛普及與持續(xù)發(fā)展不僅有助于推動我國工業(yè)生產(chǎn)的智能化、自動化發(fā)展，亦可以借助工業(yè)機器人自動化控制的形式來促進工業(yè)企業(yè)增大經(jīng)濟效益創(chuàng)造。鑒于此，需繼續(xù)加大對工業(yè)機器人在自動化控制領域中應用的研究，通過持續(xù)創(chuàng)新、完善工業(yè)機器人技術(shù)來助力我國“智能制造2025”目標的實現(xiàn)。