工业机器人在自动化控制领域的应用

2017-02-01孟英楠

设备管理与维修 2017年8期

孟英楠

（沈阳电站泵有限公司，辽宁沈阳 110141）

0 引言

在科技与经济飞速发展的今天，单纯的经济实力已经不足以衡量一个国家的现代化水平，工业机器人的应用情况已经成为衡量一个国家自动化水平高低的重要标志之一。为促进工业机器人的推广使用，国家工信部发布了系统详细的工业机器人行业规范，在国家各种政策和高科技技术手段的支持下，工业机器人的时代已经到来，工业智能化时代已经临近。在制造业发展遇到瓶颈，产业结构亟需转型的形势下，工业机器人的出现将成为促进我国产业转型的关键一环，将在产业转型与升级中发挥重要作用。工业机器人的应用，不但可以提高企业的生产效率和生产质量，还能降低人力资源成本和生产成本，提高企业的综合效益。

1 工业机器人概述

机器人是一种可以自动执行工作的机器，工业机器人主要面向工业领域，是通过控制能力和自身的动力完成各种操作的、具有多关节机械手和多自由度的装置。工业机器人不但可以通过人工指挥进行现场作业，还可以事先编程让其依据编好的程序进行自行作业操作，此外，人工智能技术在工业机器人上的应用也比较多。

工业机器人的发展经历了很多阶段，从最初的“可编程”、“示教再现”机器人发展到数控机器人，又发展到具有传感功能的、能识别与定位的工业机器人，如今的工业机器人正朝着具有行走能力、具有对外界环境的高适应能力和多种感知能力的方向发展。

工业机器人主要由3部分构成，分别为主体、控制系统和驱动系统。主体包括机器人的手部、腕部和臂部，主要指装置的机座、行走机构和执行机构。控制系统依据事先设置好的程序对执行机构和驱动机构进行控制。驱动系统让执行机构产生动作，一般包括传动机构的动力装置。

工业机器人因具有生产效率高，生产质量高，生产自动化程度高且能完成人工不便完成的高危险、恶劣环境下的作业等多项优点，被广泛应用到多个领域。

2 工业机器人控制系统的特点与功能

2.1 控制系统的特点

工业机器人是一种具有多自由度的机器装置，一般的工业机器人需要3～5个自由度，设计比较复杂的机器人则需要几十个自由度。每个自由度都可以组成一个多变量控制系统，工业机器人在各种坐标下都可以对其手足状态进行描述，且可以对坐标进行有针对性的变换和选择，控制系统离不开动力学和机构运动学的相关知识。为使工业机器人能够更好地按照人的意志工作，通过计算机对工业机器人进行控制并给机器人一定的智能操作空间，一般用非线性数学模型来对工业机器人的运动和状态进行描述，模型参数随工业机器人运动状态的改变而改变，各变量之间存在耦合作用，一般情况下，工业机器人可以通过多种路径或者多种方法来执行动作，但最优路径或方式只有一种。高级工业机器人可以通过计算机建立信息库，通过人工智能的方法利用信息库进行控制和操作。

2.2 工业机器人的主要功能

工业机器人具有很多功能，其中以运动控制功能和示教再现功能最为显著。运动控制功能可以控制工业机器人操作器的速度和位姿；示教再现功能是指控制系统可以通过多种方式把操作位置、动作速度、动作顺序等信息教给机器人，示教后，工业机器人记忆系统将自动记录储存示教过程，当需要执行示教操作过程时，工业机器人可以根据记忆存储的内容自动执行。

3 工业机器人控制系统的组成和控制方式

3.1 控制系统组成

工业机器人控制系统主要由控制计算机、示教盒、传感器接口、轴控制器和辅助设备控制等部分组成，控制系统结构如图1所示。

图1 机器人控制系统组成

通常使用微处理器或微型计算机作为工业机器人控制系统的控制计算机，控制计算机是控制系统的综合指挥调度机构。示教盒通过串行通信的方式与主计算机进行信息交互，具有独立的储存单元和CPU，主要作用是设定参数、工作轨迹以及对所有的人机交互进行示教。传感器包括视觉、力觉和触觉传感器，主要的作用是检测信息，实现工业机器人柔顺控制。轴控制器主要起对工业机器人的速度、加速度以及工业机器人各操作关节的位置进行控制的作用。辅助设备控制主要调节控制与工业机器人相互配合的辅助设备。

3.2 控制方式

（1）点位控制。只对工业机器人执行器作业中的某些点进行位姿控制的控制方式。在这种控制方式下，不会规定工业机器人到达目标位置的工作轨迹，而只对工业机器人在相邻各点之间运动的速度和位置精度进行规定，规定要求工业机器人尽可能快速、准确地在相邻各点之间运动。

（2）连续轨迹控制。对工业机器人执行器作业中的位姿进行连续控制，不但对工业机器人运动的轨迹进行规定，而且对运动的速度和位置精度也提出要求，要求工业机器人能按照事先规定好的运动轨迹和速度进行运动，需要达到一定的运动精度，并且要求在完成工作的过程中速度可控、运动平稳、轨迹光滑。

（3）力矩控制。主要应用于抓放物体或是装配物体作业，要求高精准的确定位置，必须使用适当的力矩执行操作。

（4）智能控制。利用自身的传感设备对周围环境进行了解，然后根据内部知识储存做出具体的执行决策，这种工业机器人控制方式就是智能控制方式，在智能控制方式下，工业机器人不但具有很好的自学能力，而且对周围环境的适应能力也比较强。

4 工业机器人的应用领域

工业机器人最初应用于汽车制造行业，随着科技的进步、经济的发展，工业机器人的功能越来越强大，应用领域不断的拓展和延伸。它不但可以在常规环境下代替工人进行作业，在一些高危、高温、高热、有毒有害环境下，工业机器人的作用更为显著。在一些恶劣的工作环境中，工业机器人可以代替工人进行重复性高、繁重的作业，保证工人的人身安全，提高企业的生产效率。由于工业机器人自身的诸多优点而被广泛应用于自动化生产领域，恶劣的工作环境，特殊的工作场合以及高危工作等方面。

自动化生产中常用的工业机器人主要有焊接机器人、检测机器人、搬运机器人、喷漆和喷涂机器人和装配机器人。焊接机器人主要是在汽车制造厂中应用于焊接车身结构和承重大梁；检测机器人在自动化生产中主要是承担确定零部件尺寸，控制零部件质量以及对零部件进行分类的任务；材料搬运机器人主要是用于卸货、上下料、定向抓取零件，码垛等工作；喷漆和喷涂机器人主要是用于喷漆和喷涂作业，这项作业要求机器人的自由度不能少于5个，为了便于机器人行走，也可以将工业机器人放到导轨上进行作业；在所有的生产环节中，装配工作相对复杂，应用于装配工作的装配机器人，必须配备听觉传感器、视觉传感器、触觉传感器、接近传感器等多种传感器才能保证装配工作的顺利进行。