機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用研究

溫信子

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣東 廣州 510450）

由工信部、國家發(fā)改委等部門聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，首次明確了工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的重要地位。同時，機(jī)電一體化技術(shù)是實現(xiàn)了電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)等多種高新技術(shù)的產(chǎn)物，是一門新興的綜合性技術(shù)學(xué)科，逐漸得到了社會各界關(guān)注并成為助推現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高新技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人屬于機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)的典型裝備，該裝備能借助操作中各運動構(gòu)件的運動來實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能，并逐漸融入到社會制造加工各行業(yè)中。基于此，本文研究了機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用要點。

1 機(jī)電一體化技術(shù)概述

機(jī)電一體化技術(shù)是以大規(guī)模集成電路和微電子技術(shù)高度發(fā)展的綜合性技術(shù)，其理論基礎(chǔ)涵蓋了系統(tǒng)論、信息論、控制論等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電一體化的概念也隨之拓展，涵蓋了生產(chǎn)過程、機(jī)電產(chǎn)品兩個維度的機(jī)電一體化。發(fā)展機(jī)電一體化必須明確其核心技術(shù)，如機(jī)械技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、信息處理技術(shù)等[1]。機(jī)電一體化具備的主要特征有三點：第一，結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。機(jī)電一體化技術(shù)從宏觀的角度出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)科學(xué)組合滲透，確保整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。第二，系統(tǒng)控制的智能化。在智能化控制下能及時處理故障問題，實現(xiàn)對系統(tǒng)的及時保護(hù)。第三，操作性能柔性化。隨著計算機(jī)軟件技術(shù)的導(dǎo)入，能將機(jī)電一體化系統(tǒng)各傳動機(jī)構(gòu)的動作通過預(yù)先程序由電子系統(tǒng)加以協(xié)調(diào)和控制。新時期，隨著機(jī)械、電子、光學(xué)、計算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)也得到了明顯的發(fā)展與進(jìn)步，逐漸朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、綠色化的方向發(fā)展。

2 現(xiàn)代工業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用要求

1）機(jī)械零部件的高精度。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械零部件主要包括了控制器、臂、傳感器、末端執(zhí)行器等，且大多數(shù)的工業(yè)機(jī)器人要滿足“0.001 英寸或更高精度”的要求[2]。當(dāng)前各機(jī)械制造行業(yè)所運用到的機(jī)器人有著小型、精密的特點，因而對零部件的精度也提出了更高的要求，確保工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域能朝著更為標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的方向發(fā)展。只有確保零部件的精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，方能從根源上提升機(jī)器人運動時的精確度。例如機(jī)器人機(jī)械臂、電機(jī)等零部件的精度不夠，那么必定會導(dǎo)致機(jī)器人運動時的末端位置和實際需求存在較大偏差，影響到機(jī)器人的使用效率和質(zhì)量。

2）傳動系統(tǒng)的高精度。傳動系統(tǒng)是否穩(wěn)定準(zhǔn)確會直接影響到工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用質(zhì)量[3]。例如，若傳動系統(tǒng)不穩(wěn)定時，可能導(dǎo)致機(jī)器人末端運動的精確度下降，機(jī)器人無法更高效準(zhǔn)確地傳遞相關(guān)物品。在未來工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和制造中，尤其要關(guān)注到傳動系統(tǒng)的精準(zhǔn)度問題，及時采取行之有效的措施來保障傳動系統(tǒng)維持高精度，以確保機(jī)器人的運行。

3）制造裝配科學(xué)合理。制造與裝配是工業(yè)機(jī)器人研發(fā)后的關(guān)鍵性步驟，也與機(jī)器人后續(xù)是否能順利完成作業(yè)有密切關(guān)聯(lián)。若制造環(huán)節(jié)有漏洞或是裝配時不注意細(xì)節(jié)問題（例如技術(shù)人員未能綜合考慮到機(jī)器人各零部件的性能問題），都可能影響到機(jī)器人運動末端的準(zhǔn)確性，甚至造成不良事故，影響企業(yè)的良好聲譽(yù)。為此，現(xiàn)代工業(yè)時代下的工業(yè)機(jī)器人在制造、裝配的過程要科學(xué)合理、嚴(yán)格控制各細(xì)節(jié)處理，并把握好對機(jī)器人末端負(fù)載能力的控制，從而確保機(jī)器人始終在穩(wěn)定的狀態(tài)下運動和作業(yè)。

4）精度高。從工業(yè)機(jī)器人的運用實踐上看，通常大多數(shù)的工業(yè)機(jī)器人在最初使用時的精密度都較高，然而隨著運用時間的推移，零部件開始遭受一定程度的磨損，會對其精度造成一定影響。導(dǎo)致精度問題的原因主要有兩點：一是機(jī)器人使用過程中零部件出現(xiàn)磨損，長期重復(fù)的運作會干擾到機(jī)器人的定位精確度；二是隨著傳動鏈的增加，也會在一定程度上影響到機(jī)器人的精度。故現(xiàn)代工業(yè)對機(jī)器人的精度保持性能提出了相應(yīng)的要求，以免工業(yè)機(jī)器人的使用效果大打折扣。

3 機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的具體應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人軸電機(jī)位置檢測

工業(yè)機(jī)器人的制造階段就要嚴(yán)格控制好其運動精度，從根源上保障機(jī)器人轉(zhuǎn)動軸精度。在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計安裝時，就要嚴(yán)格按照所設(shè)定的相關(guān)參數(shù)和要求，及時校對參數(shù)指標(biāo)，確保安裝后各軸能符合工業(yè)機(jī)器人運用的要求。工業(yè)機(jī)器人工作時的主要動力是電機(jī)，為了確保能發(fā)揮出機(jī)器人的最大性能，就需要檢測該電機(jī)的性能是否達(dá)標(biāo)。伺服電機(jī)是工業(yè)機(jī)器人中最基礎(chǔ)的電機(jī)類型，常被稱作是工業(yè)機(jī)器人的“心臟”。伺服電機(jī)在自動裝置中被用作執(zhí)行元件的微特電機(jī)，其功能是將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度。機(jī)電一體化技術(shù)可用于對機(jī)器人軸電機(jī)位置的檢測，且該技術(shù)具備檢測準(zhǔn)確性較高的特征。例如對某工業(yè)機(jī)器人的伺服電機(jī)反饋位置進(jìn)行檢測時，就可發(fā)揮出機(jī)電一體化技術(shù)的作用。具體檢測中要分析同心安裝編碼器，若編碼器屬于1024 或2500 線的增量型編碼器，那么該伺服電機(jī)一圈是4 096 或10 000 個脈沖[4]。技術(shù)人員可通過直接觀察驅(qū)動器的編碼器外置反饋參數(shù)來對機(jī)器人軸電機(jī)位置進(jìn)行檢測，需要注意，運用該技術(shù)方法時要提前清零機(jī)器人起始位置的脈沖計數(shù)。通過運用機(jī)電一體化技術(shù)來檢測工業(yè)機(jī)器人的軸電機(jī)位置，不僅能實現(xiàn)對機(jī)器人生產(chǎn)活動的實時觀察，還能對機(jī)器人運動軌跡進(jìn)行更新與矯正，從而及時發(fā)現(xiàn)錯誤，規(guī)避故障風(fēng)險，保障工業(yè)機(jī)器人的正常運行。

3.2 應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人核心部位測量

工業(yè)機(jī)器人本就屬于精密裝備，被譽(yù)為是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。工業(yè)機(jī)器人作為集智能化、自動化等先進(jìn)技術(shù)為一體的工業(yè)自動化設(shè)備，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)體系中占據(jù)愈發(fā)重要的地位。工業(yè)機(jī)器人三大核心零部件包括控制器、RV 減速器和伺服系統(tǒng)，占機(jī)器人生產(chǎn)成本的70%及以上[5]。此外，還包括諸如傳感器、末端執(zhí)行器等零部件。RV 減速器屬于精密的動力傳達(dá)結(jié)構(gòu)，它能有效降低轉(zhuǎn)速，傳遞更大扭矩，為工業(yè)機(jī)器人的穩(wěn)定精確運用創(chuàng)造了有利條件，但當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的減速器存在著壽命短、發(fā)熱量大等不足，還需予以重視。工業(yè)機(jī)器人中涵蓋了有多個軸關(guān)節(jié)的減速器，為了確保機(jī)器人能平穩(wěn)運行，就需要利用機(jī)電一體化技術(shù)加以測量來了解減速器的使用狀態(tài)。機(jī)電一體化技術(shù)還能實現(xiàn)在線監(jiān)測，能根據(jù)軸關(guān)節(jié)的振動頻率、幅度等來窺見機(jī)器人當(dāng)前的運動狀態(tài)。若軸關(guān)節(jié)運動頻率和設(shè)計不符時，系統(tǒng)會發(fā)出警告，要求工業(yè)技術(shù)人員處理問題，方可確保機(jī)器人運動的穩(wěn)定性。又如可將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于控制器這一核心部位的測量中。控制器被形象地稱作是工業(yè)機(jī)器人的“大腦”，它包括了控制柜等硬件和編程程序等軟件，能接收與處理工業(yè)機(jī)器人工作運行的全部信息，隨后根據(jù)得到的信息來驅(qū)動各個伺服電機(jī)。工業(yè)機(jī)器人具備系統(tǒng)化的特征，其各核心部位間相互聯(lián)系，利用機(jī)電一體化技術(shù)加以測量，是維護(hù)工業(yè)機(jī)器人運行平穩(wěn)和安全的重要法門。

3.3 應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人運動軌跡規(guī)劃

工業(yè)機(jī)器人的運動軌跡可以理解為其末端執(zhí)行器的運動軌跡，涵蓋了機(jī)器人運動點位置、運動姿態(tài)、機(jī)器人運動速度以及加速度信息等。現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)器人的運動軌跡是其順利完成各項任務(wù)的基礎(chǔ)條件，受限于當(dāng)前的工作環(huán)境，工業(yè)機(jī)器人的運動軌跡往往會比較固定，只需按照系統(tǒng)提前設(shè)置的程序要求來運行即可。需明確的是，此過程中，機(jī)器人運動軌跡的規(guī)劃離不開機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用。技術(shù)人員先結(jié)合機(jī)器人當(dāng)前的運動工況特點和企業(yè)生產(chǎn)的實際需求來確定運動的目標(biāo)位置，結(jié)合運動學(xué)公式和機(jī)械運動學(xué)模型來算出機(jī)器人軸運動的量，并用工控機(jī)的驅(qū)動器將所算出的數(shù)據(jù)下發(fā)到各個驅(qū)動電機(jī)中。在此基礎(chǔ)上，再在電子計算機(jī)上輸入特定的運動軌跡指令程序。在機(jī)器人運動時，注意觀察是否符合軌跡規(guī)劃的要求且各軸的運動狀態(tài)是否正常，統(tǒng)計分析出機(jī)器人的運動量。通過機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，能有效保障機(jī)器人運動中各軸的同步和協(xié)調(diào)，機(jī)器人整體的運動行為和軌跡都和預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)相符，整個運動狀態(tài)良好。總之，依托于機(jī)電一體化技術(shù)來維持機(jī)器人正常的運動軌跡與狀態(tài)，能有效提升機(jī)器人的運動精確度和可靠性，為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

3.4 應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境管理

隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的相繼提出和深化，工業(yè)機(jī)器人運用更為廣泛。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)能替代部分制造業(yè)的流水線人員，在提升生產(chǎn)效率的同時也降低了安全隱患，這意味著我國工業(yè)制造迎來了嶄新格局。工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境，即應(yīng)用場景不斷增多，應(yīng)用類型也豐富多樣，如磨拋加工機(jī)器人、焊接機(jī)器人、激光加工機(jī)器人（如圖1 所示）、真空處理機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等[6]。工業(yè)機(jī)器人在作業(yè)過程中，對于周圍環(huán)境都存在著較高的要求，不僅溫濕度要適當(dāng)，還要避免受到周圍的電磁信號干擾，以免在電磁信號影響下導(dǎo)致機(jī)器人的運動軌跡改變。機(jī)電一體化技術(shù)是實現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境管理的有效技術(shù)手段，具體可通過PLC（可編程邏輯控制器）來操作[7]。例如，PLC 能實現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境溫濕度的自動化調(diào)節(jié)，為機(jī)器人的運用創(chuàng)造出更為穩(wěn)定和諧的環(huán)境，以免因外界環(huán)境溫度過低等問題導(dǎo)致機(jī)器人啟動慢而效率低下，抑或是環(huán)境溫度過高而影響到機(jī)器人的智能操作，能夠?qū)⒏鞣N影響因素扼殺在搖籃中。

圖1 激光加工機(jī)器人

3.5 應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人智能研發(fā)制造

2022年，《華爾街日報》稱全世界的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了350萬臺[8]。《2022 年全球機(jī)器人報告》提出中國制造業(yè)的機(jī)器人密度升至為322 臺/萬人，且《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出預(yù)估到2025年，我國將會成為全球范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新策源地和應(yīng)用新高地。在工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和制造中，機(jī)電一體化技術(shù)均發(fā)揮出了其重要價值。一方面，工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)包括六大步驟，分別是對需求的分析和機(jī)器人產(chǎn)品的定義、前期研究和可行性分析、計算與仿真機(jī)器人、開發(fā)驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)計、控制柜設(shè)計。完成上述研發(fā)流程后，由技術(shù)人員來找出問題并改進(jìn)，確認(rèn)無誤后再由生產(chǎn)部門生產(chǎn)出工業(yè)機(jī)器人的成品[9]。在機(jī)器人的智能研發(fā)過程中，可融入機(jī)電一體化技術(shù)，以計算與仿真環(huán)節(jié)為例，聯(lián)合仿真技術(shù)屬于機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它能減少所研發(fā)出的工業(yè)機(jī)器人的故障問題[10]，突破設(shè)計環(huán)節(jié)的瓶頸。另一方面，機(jī)器人的制造包括了設(shè)計、制造、裝配、環(huán)、手臂（機(jī)械臂）、手腕、控制器連線、裝置、質(zhì)量管理等不同環(huán)節(jié)。以機(jī)械臂的制造為例，為了確保機(jī)器人運用效率和質(zhì)量的提升，可利用機(jī)電一體化技術(shù)來增設(shè)自動導(dǎo)航功能，并結(jié)合電子信息技術(shù)、傳感技術(shù)等提升機(jī)器人操作效率，強(qiáng)化分類性能，從而讓機(jī)器人的運用能達(dá)到甚至超出預(yù)期效果。

4 小結(jié)

綜上所述，立足于現(xiàn)代工業(yè)視域分析，需要確保工業(yè)機(jī)器人機(jī)械零部件和傳動系統(tǒng)有較高的精度，且機(jī)器人制造裝配過程科學(xué)合理，精度保持的性能較為優(yōu)越。將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人中，主要可圍繞機(jī)器人軸電機(jī)位置檢測、機(jī)器人核心部位測量、機(jī)器人運動軌跡規(guī)劃、機(jī)器人工作環(huán)境管理、機(jī)器人智能研發(fā)制造等方面。強(qiáng)化機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用能有效提升工業(yè)機(jī)器人的精度和可靠性，最大程度地發(fā)揮出機(jī)器人的使用價值，創(chuàng)新工業(yè)生產(chǎn)模式，其有較為廣闊的應(yīng)用前景。