工业机器人在自动化控制领域中的应用研究

2020-09-10柏慧王春梅

内燃机与配件 2020年23期

柏慧王春梅

摘要：工业机器人的发展提高了我国工业自动化控制水平，也给人们的生产生活带来了许多便利，它是21世纪一项非常重要的研究成果，随着科学技术的发展，为其注入更多的能量顯得尤为重要，本文对机器人进行相关介绍，结合了工业机器人控制系统的功能、特点、方式以及工业机器人的应用领域阐述了这一发明成果，相信通过对其研究，工业机器人技术会有更好地发展。

Abstract： Industrial robot to improve the development of the industrial automation control level in our country， also brought a lot of convenience to people's production and life， it is a very important research in the 21st century， with the development of science and technology， it is particularly important to inject more energy for its， in this paper， the robot related introduction， combined with the function and characteristics of industrial robot control system， methods and application fields of industrial robots are expounded the inventions， believe that through the research， industrial robot technology will have a better development.

关键词：工业机器人;自动化控制;实践应用

Key words： industrial robots;automatic control;practical application

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A   文章编号：1674-957X（2020）23-0207-03

1 概述

1.1 机器人简介 “机器人”的由来很早，最近几年逐渐渗入到我们的日常生活中，成为人们喜闻乐见的话题。国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）对工业机器人的定义是面向工业自动化领域的自动控制、可重复编程的多用途机械手[1]。机器人的分类方法有多种，按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人[2]。其中工业机器人的发展是工业发展领域中一项突出的成就，需要我们对其进一步研究和思考。

1.2 研究背景工业是一个国家发展的根本，机器人自动化是工业发展的命脉。我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家科技攻关项目的支持下，特别是在“863”计划的支持下，经过十几年的研制、生产和应用，使中国的机器人产业从无到有，跨出了一大步[3]。

在工业机器人自动化发展过程中，一方面加快我国工业机器人技术的发展，另一方面提高我国工业自动化生产。因此本文以工业机器人为例，从工业机器人的分类、控制系统、控制方式以及应用领域四个方面展开介绍，探讨工业机器人在自动化控制领城中的应用，推动工业机器人的进一步发展。

2 工业机器人的发展

随着科学技术的发展，我国工业机器人在技术上也有所突破，已经走上了自主研发阶段。按照工业机器人的关键技术发展过程其可分为三代：

第一代是示教再现机器人，主要包括机器人本体、运动控制器和示教盒，操作过程比较简单。将程序编写好存储到示教盒，当机器人开始运动时，运动控制器将解析好的程序传送给机器人本体指导其运动，完成操作。这类机器人通常采用点到点运动，连续轨迹再现的控制方法，可以完成直线和圆弧的连续轨迹运动，然而复杂曲线的运动则由多段圆弧和直线组合而成。由于操作的容易性、可视性强，所以在当前工业中应用最多[4]。

第二代是离线编程机器人，工业机器人中的离线编程，实际上就是基于计算机图形学构建机器人工作环境的几何模型，充分合理利用规划算法，有效操控图形，在处于离线状态时合理规划其运动轨迹。在完成离线编程之后，进行三维图形动画仿真，以此校验程序的精确度，通过检验，便可以将代码传输给机器人控制系统，从而实现对于工业机器人的科学合理控制[5]。

第三代是智能机器人，这一代机器人除了具有第一、二代机器人的特点，第三代机器人加入了各种传感器、可以熟悉的感知外部环境，并且可以将感知到的信息自行判断、处理分析、记忆，从而使机器人更好地适应外部环境，保证工作顺利的完成。机器人可以完成一些更加复杂的操作，机器人通过传感器的感知对环境信息进行反馈，灵活转换工作状态，使工作状态与外部环境相适应，在一定程度上增加了机器人的寿命。此机器人较多应用在弧焊和搬运工作中。

3 工业机器人控制部分的概括

工业机器人系统的组成包括：机械部分、传感部分以及控制部分。其中最为重要的核心部分是控制部分。我國工厂使用的工业机器人多半采用的是关节型机械结构，机器人的每一个关节都可以独立地操作电机，同时可以借助计算机实现对机器人的控制[6]。一个比较完整的工业机器人系统，包括传送带（在实际生产过程中附加的，不在机器人系统里）、外围系统控制柜（它是协调大量机器人进行工作，保证生产过程中协调有序）、示教器（一种输入和读取的设备）。控制部分包括两个系统：人-机交互系统和控制系统。

3.1 人-机交互系统人-机交互系统是指操作人员对机器人进行控制并与机器人之间取得联系的装置。该系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。类似于我们日常所使用电脑的键盘（指令给定装置）和屏幕（信息显示装置）。以一个简单机器人为例，机器人系统包含示教器和控制柜，机器人主要是通过示教器和控制柜与自身取得联系，既可以通过在示教器上进行编程，输入一些指令，即指令给定装置;也可以在示教器上显示相应的信息，即信息显示装置。这就是人-机交互系统。

3.2 控制系统

①工业机器人控制系统的结构。工业机器人的核心部件主要包括机器人本体、减速器、伺服电机、控制系统四个部分。其中主体分为手部、腕部、臂部、腰部、机座等;减速器的主要作用是精确控制机器人的动作，传输更大的力矩，减速器分为两种，分别是RV减速机和谐波减速机;伺服电机主要分为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机，是影响机器人工作性能的主要因素;工业机器人控制系统的结构包括五个部分：第一，机器人的控制与运动学、机构力学紧密相关，通过不同的坐标系中坐标的转换完成控制动作;第二，机器人在完成特定操作过程中，需要有多自度，各自由度有一个协调伺服机构，以形成多变量控制系统;第三，伺服系统通过计算机来控制、协调，保证机器人可依据人的意志行动进而完成相关操作;第四，随着外力与状态的不断变化机器人的参数也在随之改变，因此不仅选用位置闭环;还要考虑到加速度或速度闭环;第五，在机器人操作过程中，一般会有多种途径实现操作，因此可以通过计算机创建放大信息库，然后信息库实现控制决策操作，最终选择最佳的方式进行控制。

②工业机器人控制系统的功能。工业机器人自动化控制系统的功能有很多，但最突出的两个功能别为：示教再现功能和运动控制功能。运动控制功能是指机器人通过对其末端操作的位置姿势以及操作速度进行控制，从而实现机器人对其操作对象的控制。示教再现功能则是提前对机器人进行示范教学，这种教学方式可采取手把手教，也可以通过示教器进行操作，先将位置、速度、动作的代码输入到机器人控制系统，指令存储在存储器里，控制系统将代码通过指令的方式传输给机器人操作系统，从而实现示教的再现。

③工业机器人控制系统的特点。工业自动化机器人在一些人类难以完成的高危困难任务面前扮演着重要角色，一定程度上解放了人类的劳动力。机器人作为一项特殊的发明在工业领域有许多特别之处，其特点简单概括为四个方面;第一，工业机器人系统的机械部分包括手部、腕部、臂部、腰部、机座，这就要求其设计与机构运动学紧密相联，而工业机器人的运动是以坐标为准来实现的，因此在设计过程中应设置相应坐标;第二，通过工业机器人进行相关操作时，机器人通常具有多自由度，自由度就是指能够保证了业机器人通过不同的组合式完成多种操作，而不仅停留在完成某一种操作。在控制系统当中，控制能力越强，需要的伺服机构就会越多，而每一个伺服机构，都会以自由度的方式表现出来，因此，在机器人当中，为了控制能力更强，一般都会具有很高的自由度[7];第三，工业机器人之所以可以像人那样去进行操作甚至有时比人做得还好，不是它可以听懂人说话，而是人们将相关操作代码通过计算机传递给它，表达人类的需求;第四，工业机器人在完成相关操作时，会选择一种最佳的方式来达到最佳的效果。

④工业机器人控制系统的算法。采用物理建模的方法为机器人本体进行相应的设计，相应的控制系统为机器人实现高精度的操作进行控制，控制系统的引入主要是为了改善机器人系统的特性，比如让新的系统跟踪性能更好，抗干扰性能更强，鲁棒性能更高。而且在控制系统中有这么多算法，如模糊控制、专家控制、神经网络控制、PID控制、自适应控制等是工业机器人运动控制系统的主要方法，为了保证机器人的动态性能更好，满足一定的控制要求，除了以上的控制方法，目前又有一些新的控制方法出现来实现其更高的性能。在控制算法方面既要保证机器人系统具有一定的鲁棒性，又要满足参数实时变化的要求。目前，单一控制算法已经无法满足对复杂的工业机器人运动控制，往往采用模糊控制等算法与PID控制或自适应控制相结合方法，这样工业机器人运动控制的效果能实现多种控制方法融合的优点，具有很强的鲁棒性。因此，在工业机器人运动过程控制算法研究中，采用鲁棒控制方法保证机器人的抗干扰能力，结合自适应等算法对实时变化的参数进行识别与调整，在尽量降低控制算法复杂程度又保证控制算法有效性是目前主要的研究方向[8]。

4 工业机器人技术的控制方式

4.1 点位控制点位控制是指对工业机器人末端执行器进行操作，通过对其位姿进行控制，各以实现让机器人能更加精确、快速地在特定的位置完成操作。

4.2 连续轨迹控制连续轨迹控制也是对工业机器人未端执行器进行操作，不同之处是对其进行连续控制，在此过程中，可以保证机器人连续完成操作步骤，也可以有效调整操作的步骤和速度，以达到精确地完成人类需求的效果。

4.3 力控制所谓力控制，就是指工业机器人在完成操作时，所使用的用力程度。对于一些操作对象比较脆弱的情况为了避免在生产过程中受到破坏，就需要工业机器人对其进行控制力气，因此在实际操作过程中要求高精准的确定位置，必须使用适当的力矩执行操作[9-10]。

4.4 智能控制智能控制就是利用传感器来搜集周边的信息，通过计算机存储的内容对其信息进行识别来解决问题。当前，机器人控制式主要是智能控制，控制系统分析并传输相应的操作指令，使机器人能够智能自动化地学习和适应环境。

5 工业机器人在自动化控制领域中的应用

在汽车制造行业中，工业机器人首先得到了应用[11]。如今，随着科学技术的不断发展，工业机器人在自动化控制领域中的应用可谓如此广泛，工业机器人主要是在焊接、检测、搬运、喷漆、装配等环节应用[12]。

5.1 焊接领域一是焊接领域，其主要应用是汽车生产中，通过利用焊接机器人，焊接车身结构和承重大梁，省去了考虑物料重量的问题，这大大减轻了人工的操作，但是在此过程中工业机器人工作者也扮演了不可或缺的角色，在焊接之前，操作者应该准备好合适的焊接工具，规划好机器人运行过程中最合适的路程，有效地提高了焊接的的精度，也可针对点焊的结果，为下次点焊做进一步的完善。另外在进行汽车车身电弧焊接时，为了达到更好的焊接效果，电弧焊可以通过进线的方式。电弧焊和线性焊的有机结合更加提高了焊接的精度。因为机器人是通过提前设定好的程序来进行焊接的活动，可以为机器人安装智能传感器，避免焊接过程中出现较大的误差，提高焊接效果。

随着科技的不断发展，国家自动化水平的不断提高，汽车工业进入一个全新的发展阶段，国家和社会对汽车工业的發展提出了更高的要求，由此向机器人焊接的精度和效果提出了更高的要求，为汽车工业注入新的血液，提高汽车发展的技术水平成为汽车工业亟待解决的问题。

5.2 装配控制二是装配控制方面的应用，在此方面的应用通常要求机器人配备多个传感器，如视觉、触觉、听觉、接近传感器，机器人通过本身的各种传感器可以精确地感知操作对象，与此同时做出更精确地判断，避免了人工无数次尝试，节约了工作时间。

在汽车的生产过程中，机器人的装备控制主要是依靠其自身的传感器以及末端执行器完成操作。传感器可以精确地感知操作对象，将感知到的信息传递给末端执行器，完成相应的装备控制工作。在汽车生产制造中，机器人装配有对安装车的装配、安装轮胎的装配、挡风玻璃的装配等，很好地提高了汽车生产的质量和效率[13]。

装备机器人比其他工业机器人的精确度更高，更具有较高的装备水平，它面向工作的目标是广泛的，并且可以适应不同的环境。在近些年汽车制造业发展过程中，不难发现，自动化水平发展迅速，汽车具备许多个零件，并且好多零件体积很小，因此对汽车制造业提出了更高的要求，单纯的人工装备已无法满足当今汽车制造业的发展，需要更多与此相匹配的机器人配合人工完成一些高难度及高强度工作，使装备工作高效有序的进行，进而提高汽车制造业水平。

5.3 材料搬运三是材料搬运，最常见的则是码垛、上下垛、抓取零件，这样的方式有效替代了人工，避免人工消耗大量力气。

在汽车生产过程中，搬运机器人主要负责对汽车零件的搬运和组装，机器人接收到相应的搬运和组装指令，去相应的位置进行相关的操作，不仅为工人减轻了繁琐的工作，还大大提高了搬运和组装效率，机器人在对零件进行搬运的过程中，尤其是一些大型零件，可以依据不同零件的形态、需求设置不同的执行器，操作者只要设置好相应的指令，工业机器人在抓取零件的时候是非常精准的，不会对零件造成任何损害。

5.4 检测四是用于检测，在自动化控制领域检测机器人主要负责对零件的尺寸、质量进行检测，检测产品生产出来是否合格，是否符合标准，以及承担对零部件的分类工作，机器人的检测程度远高于人类，因此获得广泛地应用。

在汽车生产过程中，除了完成汽车零件的搬运和组装工作，还应在汽车生产完成后，对汽车进行质量检测，保证在之后的实际使用过程中安全的运行。机器人检测主要是通过检测系统对汽车的质量进行检测，检测系统主要包括视觉传感器、测量控制模板两个板块。检测系统通过视觉激光测头采集到一定的图像信息，在计算机上生成相应的模型，将理想尺寸和实际尺寸进行对比，分析产生的误差。这样的检测机器人不仅可以提高生产汽车的质量，也为之后汽车生产过程中产生的误差问题给出了借鉴。

5.5 喷涂喷漆五是喷涂喷漆方面，机器人具有多个自由度，可以很轻松的改变自己操作的位置和方向，因此在选取多自由度的机器人进行喷涂喷漆工作后，减少了人工的工作量，提高了工作效率，工业机器人的优势也愈发明显。在三维的工业生产中，喷涂机器人比较常见，尤其在汽车生产过程中，对于车身的喷涂是一项既繁重又危险的工作任务，喷涂主要分为两种类型，一种是涂胶，一种是喷漆，涂胶是为了保证车身的密封性，主要在一些密封焊接部位和减震部位做一下密封处理，具体的涂胶厚度及大小根据部位的需要做不同的调整;汽车车身的颜色、光泽度则是通过均匀、快速地对车身进行喷涂而成。用机器人代替人工可以实现对加工零件进行全方位的喷涂，工作过程比人工更加省力，时间具有灵活性，不仅提高了工作效率，也大大提高了工作的精准度。

6 结束语

本篇文章通过对机器人的概念以及工业机器人在我国的发展状况进行介绍，清楚地呈现了工业机器人在自动化生产中所扮演的重要角色，机器人的应用是评判一个国家工业化水平的标志之一。不仅如此，人们已经意识到机器人发展已经渗透到我们日常生活中，机器人除了在工业自动化领域中应用的范围较广之外，也已经在医疗、服务行业有所进展。任何一项技术都需要我们不断地对其进行应用研究，在工业自动化不断发展的背景下，技术工作人员也应跟随科学技术的发展，为工业机器人的发展注入新的内涵。

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