机电一体化技术在工业机器人领域中的运用分析

李忠民 荀海明

山东省枣庄经济学校 山东 枣庄 277000

前言:机电一体化又被称为机械电子学,是电子电路系统与机械系统的结合。机电一体化的原理,即通过电子电路控制机械设备。在工业领域,机电一体化技术具有重要的应用价值,尤其是在智能制造战略实施以后,工业机器人逐渐成为现代工业生产领域的代表性工具,更是成为一个国家科技水平的重要标准。但是,由于机电一体化技术在国内发展时间较短,相比于西方发达国家,我国的机电一体化技术还存在较大进步空间,在工业机器人的精度与感知能力上,也尚未达到尽善尽美。鉴于此,本文对机电一体化技术在工业机器人领域中的运用展开分析,具有重要现实意义,旨在促进工业机器人研发水平的提升。

一、机电一体化技术概述

顾名思义,机电一体化技术即多种高新技术的有机结合,涵盖了机械技术、电子技术、控制技术、信息技术等[1]。作为一门新兴的综合性学科,机电一体化技术起源于微电子技术在机械工业领域中应用[2]。时至今日,机电一体化技术已经成为工业领域生产与发展必不可少的一项高新技术,机电一体化技术的应用也在很大程度上促进了工业经济的发展。机电一体化系统由结构要素、运动要素、智能要素、动力要素及感知要素组成。近年来,我国智能化技术不断发展,促进了机电一体化技术向智能化、网络化的趋势发展。不可否认的是,我国机械制造技术的不断发展,使得机电一体化技术在工业领域中的应用价值愈发凸显,工业机器人的发展最为典型。机电一体化技术的出现及应用,极大的促进了我国工业机器人的发展,目前工业机器人也成为了机电一体化技术的典型装备。

二、基于机电一体化技术的工业机器人现状

客观而言,我国目前的科技水平尚未达到发达水平,机电一体化是我国科技发展的基础,该技术在工业领域的应用,促进了工业经济的发展,也使得我国经济水平有了极大进步。工业机器人便是以机电一体化技术为基础而研发的,然而由于我国科技发展基础较为薄弱,致使工业机器人的研发存在一定问题,无法及时更正[3]。例如,在设计工业机器人时期,我国的科技水平达不到需要的精度,使得工业机器人的精度较差;再如,我国工业机器人的感知能力尚不健全,还需要进一步提升、完善。总体来说,我国工业机器人发展已经取得了不菲的成绩,但相较于西方发达国家而言,还存在很大进步空间。现阶段,我国应重视专业技术性人才的培养,不断研发新型机器人,增加投入资金等,而且国家还要对致力于科研创作的人才一定帮助与鼓励,使其更有动力,更加积极的投入到新型机器人的创作之中,以提升我国科技经济实力。

三、工业机器人的运用要求

首先,工业机器人对机械零部件的制造精度具有较高要求,这主要是因为工业机器人在运转时,所有机械构件都必须严格根据既定轨迹运转,一旦出现偏差,就可能导致机器人无法运行到目标位置,影响作业。所有,工业机器人对零部件的制造精度具有较高要求[4]。其次,对传动系统的精准度具有较高要求,这一点与零部件的制造精度要求类似,都是为了确保机器人运行轨迹的精准性。但是,传统系统的精度控制,相较于零部件制造精度控制,要更有难度,受限于我国科技发展水平,目前工业机器人的减速器等设备还依赖进口。再次,对装配精度具有较高要求。工业机器人由各种机械零部件与传动系统装配而成,装配精度主要受到两方面因素影响,一是设计是否合理,在设计时要考虑到微小误差的累积,做到精益求精,避免因微小误差累积,而导致机器人运行轨迹出现变形。二是装配的操作工艺水平,在装配时必须严格按照标准进行操作,避免误差累积。最后,精度保持能力[5]。从某种角度上看,工业机器人是一种精密设备,设备在运行过程中不可避免的会出现磨损,这些磨损也会导致运行误差。所以,工业机器人必须具有一定精度保持能力。在长时间作业过程中,增加误差的原因主要是机械零部件的老化与磨损,误差增大导致传动系统误差变大,即便运动轨迹依然保持精准,也难以保障目标位置的精准性[6]。所以,工业机器人要具有一定精度保持能力,可以通过提高机械零部件材料性能与制造精度,提高装配精度,以及定期检测、维护等方法,提高工业机器人的使用寿命。

四、机电一体化技术在工业机器人领域中的具体运用

（一）应用于各轴电机运动位置检测中

众所周知,工业机器人对安装精度具有较高要求,所以在安装工业机器人的过程中,不仅要严格根据要求实现精细化安装,而且在安装完成之后,还要进行校准工作,确保工业机器人安装没有丝毫偏差。一般情况下,在工业机器人安装之前,会设计详细的参数,那么在安装完成之后,需要根据这些参数进行校准,以保证各轴安装完全满足工业机器人设计要求,进而为工业机器人的正常运行提供保障。电机是为工业机器人提供动力的设备,为了尽可能将工业机器人的性能利用起来,还需要在安装完成后,检测电机性能情况,而机电一体化技术就是检测电机安装位置的主要技术,利用该技术能够对各轴电机运动位置展开准确、高效的检测。例如,伺服电机反馈轴的安装位置检测,便是利用同心安装的编码器进行检测的。若编码器是1024线的增量型编码器,则电机一圈就是4096个脉,可以直接通过查看驱动器编码器外置反馈参数的方式进行检测。

（二）应用于机器人运动轨迹规划中

运动轨迹的规划,是工业机器人顺利完成作业的前提基础,一般情况下,机器人的运动轨迹都是固定的,只需要设定好程序,机器人就会按照既定程序进行运动,而在机器人运动轨迹规划中,机电一体化技术是核心所在。首先,机电一体化技术,根据工作情况,结合机器人运动特点,精准定位机器人运行轨迹的最终位置,之后根据目标位置输入相应的指令,同时观察各轴运动情况,分析运动量。工业机器人运动轨迹的规划,要以驱动器为支撑,根据机器人的运动原理,指挥驱动电机,确保机器人各轴同步,保证机器人行为轨迹在预先设定的范围内,且能够保持良好的运动状态。总之,机电一体化技术在机器人运动轨迹规划中起到了非常重要的作用。需要注意的是,在设定机器人运动目标时,要确保机器人运动状态能够满足这一目标,以此来为机器人运动精度控制提供保障。

（三）应用于机器人运行状态的监测

作为一种对精密性要求极高的设备,工业机器人核心部件的精密程度影响着其运动稳定性,而工业机器人是由各种轴关节的减速器组成,为了确保机器人能够安全、稳定运动,要对机器人各轴关节减速器的运行状态进行监测,机电一体化技术在监测中起到至关重要的作用。机电一体化技术可以监测机器人各轴关节减速器运行状态,再结合在线检测技术,以轴关节的振动频率为依据,对机器人的运行状态进行判断。例如,当机器人轴关节振动频率,相比于设计参数有差异时,系统便会发出警告,便于相关人员及时发现问题、处理问题,为工业机器人运行稳定性提供保障。

（四）在机器人工作周围环境控制中的应用

由于工业机器人属于精密装备,所以其在作业过程中,对周围环境具有较高要求,除了要确保周围环境保持适中温度与湿度之外,还要求周围环境中不能存在强烈的电磁信号,以免因信号干扰,影响机器人正常作业,出现偏离既定轨迹等问题。机电一体化技术的应用,便可以实现利用PLC等对机器人工作周围环境进行控制。例如,工作温度的控制,机电一体化技术应用后,可以利用PLC技术实现对工作环境温度的自动化控制,进而有效避免因温度过高,影响机器人的正常作业,出现操作失误等问题。

结论

综上所述,机电一体化技术在工业机器人领域的应用,不仅极大的提高了工业机器人的精度及运动可靠性,而且实现了对工业机器人控制系统的优化,增强了对工业机器人控制的精准性,尤其是对末端位置控制的精准性,充分发挥出了工业机器人的使用功能,在推动工业生产发展的,提高工业生产效率的同时,也为机器人领域的发展,提供了重要动力。但是,我国工业机器人的发展尚不完美,在控制精度与感知能力上,还存在较大进步空间,未来应致力于通过机电一体化技术,不断增强工业机器人的感知能力,提高机器人的智能化水平,更新、完善机器人的功能,为我国工业领域的发展做铺垫,为我国科技水平的提升做贡献。