工業機器人在自動化生產中的應用

［摘 要］現代工業生產要求更高的產品質量、更低的勞動成本及更加精細和高效的操作。傳統人工和半自動化生產無法滿足這一要求，需要引入更先進的工業機器人，實現降本提質和增效。文章分析了工業機器人用于自動化生產的價值，研究了工業機器人在自動化生產中的應用場景，探討了工業機器人應用于自動化生產中的挑戰及應對策略。

［關鍵詞］工業機器人；自動化生產；應用分析

［中圖分類號］TP242.2 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0066–03

1 工業機器人概述

工業機器人是一種高度自動化的工業設備，是基于對人的勞動模擬而制成的一種智能化生產輔助工具，以執行各種復雜、具有危險性和精密性的生產操作任務。工業機器人通常包括1 個多關節的機械臂，以及與之相連的執行器、傳感器、控制單元和軟件系統等關鍵組件。其中，機械臂是工業機器人的主要運作部分，通常由多個可旋轉和可伸縮的關節組成，這些關節的協同運動使得機械臂可以靈活到達工作空間中的任何位置。執行器則負責驅動這些關節的運動，其可以是電動馬達、氣壓缸或液壓缸等不同類型的動力裝置。傳感器能夠感知和識別工作環境中的各種信息，如位置、速度、加速度、力矩、溫度等，從而確保機器人可以精準、安全地執行生產任務。控制單元相當于工業機器人的大腦，依靠控制中樞來運行，主要負責接收和處理來自傳感器的信息，以及根據預設的程序或實時指令來控制機器人的運動和執行器的工作。軟件系統主要負責機器人的編程、路徑規劃、任務管理及與其他設備的協同工作等任務。

2 工業機器人在自動化生產中的價值

2.1 提高生產效率與產品質量

工業機器人能夠執行精確、重復性高的任務，且不會像人類因疲勞而降低效率。例如，在汽車制造業中，焊接機器人可以連續工作，確保每個焊點的質量一致，大幅提高了車輛制造的效率與車身結構的安全性。在電子產品制造行業，工業機器人可以高速、精確地組裝微小零件，保證了產品質量和效率。

2.2 降低生產成本與人力資源

工業機器人可以24 h 不間斷工作，這樣可以在不增加人力資源的情況下，實現生產線的全天候運行。長期來看，雖然初期投資較大，但機器人可以減少長期的人力成本，尤其是在勞動成本較高的地區。

2.3 增強生產柔性與應對能力

現代工業機器人通常具有較高的靈活性和可編程性，可以快速適應生產需求的變化。通過更換不同的工具和程序，一個機器人可以完成多種不同的任務，這在產品多樣化、小批量生產的今天尤為重要。同時，在面對市場需求的波動時，企業可以通過增加或減少機器人數量來快速調整生產能力，提高了企業的市場應變能力。

2.4 提升工業企業核心競爭力

工業機器人的應用可以顯著提升企業的生產技術水平和自動化程度，增強企業的核心競爭力。在制造業轉型升級的大背景下，機器人的廣泛應用使得企業能夠更加專注于技術創新和產品升級，從而在激烈的市場競爭中脫穎而出。

3 工業機器人在自動化生產中的應用場景

3.1 用于自動化裝配和搬運

工業機器人可以用于倉儲和物流管理中的自動搬運、堆放。在倉儲和物流管理中，機器人通過配備的傳感器和導航系統，利用相關夾具和抓取器，根據物品的類型、重量及形狀等特征，按照預設的路徑和位置，將其準確地搬運到指定地點，實現貨物的精確堆放。這在確保作業高效的同時，保證了倉庫的整潔和有序。工業機器人還可以用于裝配車間的自動化裝配。在裝配車間，工業機器人通過先進的視覺系統和精確的控制系統，通過預設的工作程序和算法，可有效識別和精確地找到每個零部件的正確裝配位置，按照標準的裝配順序進行規范化組裝。在這個過程中，機器人可以執行各種復雜的裝配任務，包括擰緊螺栓、夾持固定、上膠密封、裝配軸承等。

3.2 用于自動化檢測和分類

工業機器人可以利用視覺系統、傳感器等設備，實現對生產過程中的產品質量、生產動態、性能特點等方面的準確檢測。借助視覺系統，工業機器人可以識別產品的外觀缺陷、尺寸偏差、顏色差異等。例如，在汽車制造過程中，機器人可以通過視覺系統檢測、判定車身的噴漆質量，確保沒有瑕疵或色差。借助各種傳感器則可以檢測產品的重量、硬度、溫度等物理特性。例如，在食品加工業中，工業機器人可以準確檢測出食品的重量和成分，確保產品符合生產質量標準。工業機器人可通過智能算法、機器學習等技術，實現對生產過程中的物料、產品等進行識別和分類。工業機器人可以學習不同產品的特征，并逐漸形成對產品質量與形態的判斷能力。這種自我學習的能力使得工業機器人能夠適應不同的服務需求。其可以通過學習新物料的特征，實現對自動化生產過程中的新產品或新物料的自動分類，從而提高物品分類的準確性和效率。

3.3 用于自動化焊接和切割

自動化焊接和切割是工業自動化生產中的重要環節，工業機器人在這個生產制造領域中發揮著重要作用。通過使用工業機器人，生產企業可以顯著提高作業效率、降低成本，并改善工人工作條件。在自動化焊接生產開始之前，使用工業機器人對焊接區域進行清潔、除銹等預處理，以確保焊接質量。然后基于計算機輔助設計（CAD）模型，預先規劃機器人的焊接路徑，包括確定起始點、結束點，以及焊接過程中的速度和加速度等參數。焊接執行過程中，機器人借助視覺系統對焊接點進行精確定位，并根據預先規劃的路徑進行焊接操作，焊接完成后進行質量檢查，如焊縫的外觀、連續性是否存在缺陷等。通過使用焊接機器人，不僅能夠顯著提高焊接生產效率，還能夠降低工人因長時間暴露在焊接煙霧中而可能面臨的健康風險，同時保證焊接質量可靠、可控。自動化切割機器人多用于機械制造和金屬加工行業。根據預設的操作程序，自動化切割機器人將待切割的材料放置在切割臺上，并通過夾具固定。然后，使用激光、等離子或水刀等切割工具，按照規劃的切割路徑進行切割。切割完成后，機器人會將廢料自動移走，以便后續處理，同時對切割后的產品尺寸精度、表面粗糙度等進行質量檢查。

3.4 用于自動化噴涂和包裝

在汽車機械裝備制造、電子產品和食品等行業生產中，噴涂和包裝是必不可少的工序，也是工業機器人的主要應用場景。一般噴涂之前，可以使用工業機器人對目標對象進行清潔、除油及除銹等操作，以確保涂層能夠均勻附著。然后，根據所需涂層的類型、顏色及厚度，自動選擇并調配涂料。在確定噴涂的起始點、結束點、噴涂速度、噴槍與工件之間的距離等參數設計合理情況下，噴涂機器人根據預先規劃的路徑進行噴涂。在噴涂過程中，機器人實時調整噴槍的角度、位置及速度，以確保涂層均勻且無遺漏。最后對涂層進行烘干和固化等后續處理，以確保噴涂的質量和耐久性。

包裝作業過程中，工業機器人將生產線上完成的產品自動加載到包裝臺上，根據產品的尺寸和形狀，自動選擇合適的包裝材料，如紙箱、塑料袋、泡沫板等。然后按照預設的包裝程序對產品進行封裝、封口、貼標等操作，并檢測包裝的質量和完整性，以確保產品的安全運輸。包裝完成后，使用搬運工業機器人將產品碼垛到指定的貨架上或進行自動倉儲。

4 工業機器人應用于自動化生產中挑戰

4.1 技術復雜且精度要求高

工業機器人系統需要精確協同多個運動軸的動作，尤其是在精密加工、裝配等高精度應用場景中，對位置、速度及力的控制要求極高。由于機器人可能涉及六軸或更多自由度的同步運動控制，如何確保其在高速運行下的動態性能及軌跡精度是一個持續的技術挑戰。

4.2 柔性和適應性需求嚴峻

自動化生產線的靈活性和定制化需求日益增長，這意味著工業機器人需要具備更高的柔性化和可重構能力。快速更換產品類型和調整生產流程時，機器人需要能快速重新編程并適應新的任務，同時還需要智能識別和處理不同形態、材質的產品，這對機器人軟件和硬件的設計提出了更高要求。

4.3 集成化與兼容性挑戰大

在復雜的自動化環境中，工業機器人需要與其他生產設備、傳感器、控制系統及企業信息系統無縫集成。不同的設備與系統的接口標準不一，數據通信協議多樣，使得集成過程復雜且耗時。解決這些兼容性問題，實現整體優化的自動化生產流程是一項重大挑戰。

4.4 人機協作中的安全問題

隨著工業機器人向更高級別的自主性和智能化發展，工作場所的安全問題凸顯。如何在人機協作環境下確保工人的安全，避免因機器人誤動作導致的傷害事故，需要在設計階段就充分考慮并采取相應的安全防護措施和技術手段。

4.5 成本效益與投資回報率

盡管工業機器人長期來看可以降低成本和提高效率，但初始投資大，包括購買機器人、安裝調試、員工培訓及可能出現的維護費用等。企業需準確評估機器人技術的投資回報周期，并在不斷變化的市場需求下保持技術更新，以確保持續的競爭力。

5 應對自動化生產中工業機器人應用挑戰的策略

5.1 不斷更新算法和工業機器人

采用先進的運動控制算法與高精度傳感器（如PID 控制器、伺服電機及激光跟蹤系統等）提升工業機器人的定位精度和動態響應性能。通過深度學習和人工智能技術，讓機器人自我學習和優化操作路徑，進一步提高其在復雜環境下的動作精度。對于特定領域的高精度作業，應加快研發具有專業功能的特種機器人，如帶有力覺感知和視覺引導的精密裝配機器人，結合力控技術和視覺檢測，使機器人能夠實時反饋并調整自身動作，滿足高精度工藝需求。

5.2 深化機器人結構與系統研發

開發模塊化、可重構的工業機器人結構，允許根據生產需求快速更換末端執行器或擴展機械臂長度，從而適應不同工序的需要。同時，引入基于模型的編程和仿真技術，使非技術人員也能快速便捷地進行機器人程序編寫與驗證，降低編程門檻，增強系統應變能力。利用人工智能和機器學習技術開發自適應機器人系統，使其具備一定的自主學習和決策能力，以便快速適應新任務和環境變化。

5.3 構建工業機器人統一使用體系

推廣并采用開放標準和統一的通信協議，如OPC UA、Modbus TCP/IP 等，促進各設備間的互聯互通，簡化集成難度。同時建立工業互聯網平臺，實現工廠內各類設備的數據共享與交互，借助邊緣計算和云計算技術進行高效的數據處理和分析，優化生產調度。設計和實施智能制造系統集成解決方案，將機器人作為整個生產網絡中的一個節點，從頂層規劃到底層實施，全方位保證機器人與其他設備的協同運作。

5.4 嚴守安全法規提升生產安全

首先，要嚴格遵守國際和國內相關安全標準，如ISO 10218《工業機器人安全要求標準》、IEC 61508《電氣/ 電子/ 可編程電子安全相關系統的功能安全標準》，在設計階段引入安全功能，如配備安全圍欄、光柵保護裝置，使用符合SIL（安全完整性等級）的安全控制器等，確保人機協作的安全性。同時，必須進一步發展新一代協作機器人，通過內置的多種傳感器和避障機制，來實現在無物理隔離的情況下與人類近距離互動，提供與人的工作協同，大幅降低自動化生產過程中的意外風險。

5.5 堅持立足實際合理配置使用

工業企業應對自身的生產、發展實際需求及工業機器人的投入使用能力等有清晰認識，在保證不影響正常生產和運營基礎上，選擇具有良好性價比的工業機器人產品，根據自身當前的生產量和經濟負擔能力，合理配置機器人類型和數量，逐步更新生產線，提升生產能力，要避免盲目跟風，片面追求高端設備而忽視投資回報率。企業要進行詳盡的項目可行性分析和投資回報率（ROI）計算，通過精益生產、減少浪費、提高良品率等方式量化機器人應用帶來的經濟效益，為企業的長期發展規劃提供科學依據。供應鏈方面應提供全面的機器人生命周期服務，包括租賃、二手市場、升級維護等方案，幫助各類工業企業靈活應對市場變化，減輕一次性投資壓力。

6 結束語

智能制造時代，生產效率和質量是工業企業得以持續發展的重要依托。工業機器人的大量應用，為實現這一目的創造了有利條件，讓自動化、智能化的高質量生產制造成為可能。各類工業企業應當結合自身與行業實際情況，合理引入工業機器人，更新生產線，增強生產能力和綜合競爭力。

參考文獻

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