工业机器人技术在机械制造中的应用研究

张 传

（抚顺矿业集团技师学院，辽宁 抚顺 113008）

工业革命的兴起，使得比较单一的人类劳动逐渐被各种各样的机械设备代替，进而推动了人类社会向前发展，同时也为人类社会创造出巨大的经济利益。随着工业4.0的到来，机械加工技术、工业机器人技术、机电一体化技术交叉结合，进一步提高了生产效率和机械利用率，为各行各业的发展起到了极大的推动作用。工业机器人可以代替人类进行一些繁重、劳动强度较大的工作，还可以在工作环境比较恶劣、比较危险的地方。如焊接、码垛、CNC上下料、喷涂和大型铸造等方面有较为广泛的应用。

随着工业机器人制造技术的进步，我国由汽车大国向强国迈进。接下来还需要不断提升加工手段，提高产品质量，增加企业竞争力，工业机器人前景巨大。工业机器人的使用数量作为衡量一个企业生产力水平和制造水平的标志，也逐渐成为不可或缺的加工工具。目前，绝大数企业面临着人工成本较高、环境污染等问题的困扰，而工业机器人能很好的解决上述问题，并呈扩大态势。我国加工制造业的飞速发展，对工业机器人的需求也急剧增加，对于机器人的操作者的数量也是呈扩大趋势。

工业机器人作为一种集多先进技术于一体的自动化装备，体现了现代工业技术的高效益、软硬件结合等特点，成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统等现代化制造系统的重要组成部分。目前，工业机器人具有柔性好、自动化程度高、可编程性、通用性等特点，已经广泛运用到工业加工制造的各个方面[1-4]。

1 工业机器人

20世纪40年代，美国戴沃尔最初提出了工业机器人的概念并申请了专利，这是工业机器人的雏形，为近代工业机器人的发明和设计提供了宝贵的数据和经验。我国工业机器人从70年代初期开始起步，

伴随着工业革命的兴起，国家对工业机器人的投资逐步加大，开始对机器人的主要环节和部件进行攻关，推出了焊接和喷涂机器人系列。

1.1 概念

工业机器人是面向工业领域的多自由度的机器人，是综合了计算机技术、最优化控制技术、自动检测识别技术的高科技的产物。

1.2 关键技术

控制系统是机器人的重要组成部分，那么其关键技术决定了机器人在工作中相关指标的精度。

1.2.1 开放式硬件系统

采用开放式CPU计算模块，分为示教器、控制器、光电耦合单元、PLC控制单元等。示教器和控制器通过串口总线进行通讯，控制单元和PLC控制单元用来规划机器人运动路径、姿态、补偿等环节。

1.2.2 开放式软件系统

完善的软件系统是衡量一套机器人系统能够工作的前提。通用的软件系统都是基于Linux，采用开放式和模块式设计，根据不同的功能要求，将软件系统分为驱动层、核心层和应用层。

1.2.3 机器人故障自诊断系统

通过设定代码的方式，机器人系统根据反馈回来的信息以代码的形式显示出来，提示操作者进行相关的维护。

1.2.4 网络系统

由机器人单一控制向机器人流水线发展已经成为趋势，而网络是必不可少的环节，通过云终端等联网功能，实现机器人的远程监控[5-7]。

2 机械制造中的应用

工业机器人与数控技术的结合是现在比较流行的控制方案，如CNC上、下料，这是一种减材加工制造技术。

2.1 CNC上下料

主要实现机床制造过程的完全自动化，工件上料、下料、工件翻转、顺序改变等。传统的加工是由操作者人工上下料，使人工强度增加，容易产生工伤事故，如果设计到产品结构的调整，人工上下料效率低下，产品的质量得不到保证，图1所示。

图1 机械制造流程

2.2 工业机器人与数控系统结合的优点

2.2.1 提高生产效率

机械加工中，生产效率的提高取决于有效、合适的生产步骤。机械加工的步骤是固定的，机器人代替人工上下料，步骤是可以调节的，通过设定程序能有效的控制步骤，避免因人为而导致的影响。

2.2.2 生产工艺和产品结构的修改节约时间

传统加工工艺的修改，通常经过反复加工试验、操作者的培训等环节，浪费不少时间。使用工业机器人上下料，只需要修改机器人运动轨迹的程序，迅速的改变了生产工艺，节约了时间。控制程序的修改，通常有两种方法，编程输入型和示教输入型，编程输入型就是根据工件加工的工艺编写好程序，通过接口或网络系统将程序下载到控制器中，机器人按照编制的程序运行。示教输入型有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接操作执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。

2.2.3 提高工件的质量和合格品率

在整个加工过程中，操作者把机器人和数控系统的程序编制完成后，机器人独立完成上下料，需提前设定好放料的位置坐标，并保存在机器人控制器中，这样机器人每次动作的速度、轨迹都是相同的，这样保证了产品加工的精度和质量，只需要开始试验一批产品，如果生产出的试验产品达标，那么就可以批量生产，从而保证合格率。

3 结束语

随着机器人技术的快速发展，国内工业机器人安装数量急剧增长，其在机械加工领域也得到了广泛的应用。工业机器人具有成本低、自动化程度高、柔性好、安装空间小等优点，可加工机械零部件、大型型材、复杂模型以及雕刻加工等等，同时利用数控领域的相对较成熟的CNC技术，机器人机械加工将成为工业机器人加工的一个简便和必然选择，在软件编程、加工应用等方面亦得到了一定的发展。工业机器人与机械制造技术相结合改变了机械加工的格局，尤其是CNC上下料几乎可以应用到各行各业的加工制造中。在不断试验中发现，工业机器人的使用具有操作简单、生产步骤可以优化、加工工件的质量高等优点，同时减少了人工成本，降低了操作者的劳动强度，将操作者从单一、繁琐的工作环境中解救出来。作为制造企业，拥有工业机器人生产线不仅提升加工手段，提高产品质量，增加企业竞争力，而且能创造巨大的经济效益。