机电一体化技术在工业机器人中的应用研究

温信子

（广东省机械技师学院，广东 广州 510450）

由工信部、国家发改委等部门联合印发的《“十四五”智能制造发展规划》，首次明确了工业机器人在现代机械制造业中的重要地位。同时，机电一体化技术是实现了电子技术、机械技术、信息技术和控制技术等多种高新技术的产物，是一门新兴的综合性技术学科，逐渐得到了社会各界关注并成为助推现代工业化生产与经济发展的高新技术。工业机器人属于机电设备一体化技术的典型装备，该装备能借助操作中各运动构件的运动来实现手部作业的动作功能，并逐渐融入到社会制造加工各行业中。基于此，本文研究了机电一体化技术在工业机器人领域的应用要点。

1 机电一体化技术概述

机电一体化技术是以大规模集成电路和微电子技术高度发展的综合性技术，其理论基础涵盖了系统论、信息论、控制论等。随着科学技术的不断发展，机电一体化的概念也随之拓展，涵盖了生产过程、机电产品两个维度的机电一体化。发展机电一体化必须明确其核心技术，如机械技术、传感与检测技术、伺服驱动技术、信息处理技术等[1]。机电一体化具备的主要特征有三点：第一，结构的最优化。机电一体化技术从宏观的角度出发，将机械技术和电子技术科学组合渗透，确保整个系统的结构最优化。第二，系统控制的智能化。在智能化控制下能及时处理故障问题，实现对系统的及时保护。第三，操作性能柔性化。随着计算机软件技术的导入，能将机电一体化系统各传动机构的动作通过预先程序由电子系统加以协调和控制。新时期，随着机械、电子、光学、计算机等多学科技术的发展，机电一体化技术也得到了明显的发展与进步，逐渐朝着数字化、网络化、集成化、绿色化的方向发展。

2 现代工业对工业机器人的应用要求

1）机械零部件的高精度。工业机器人的机械零部件主要包括了控制器、臂、传感器、末端执行器等，且大多数的工业机器人要满足“0.001 英寸或更高精度”的要求[2]。当前各机械制造行业所运用到的机器人有着小型、精密的特点，因而对零部件的精度也提出了更高的要求，确保工业机器人领域能朝着更为标准化、精细化的方向发展。只有确保零部件的精度达到标准，方能从根源上提升机器人运动时的精确度。例如机器人机械臂、电机等零部件的精度不够，那么必定会导致机器人运动时的末端位置和实际需求存在较大偏差，影响到机器人的使用效率和质量。

2）传动系统的高精度。传动系统是否稳定准确会直接影响到工业机器人的应用质量[3]。例如，若传动系统不稳定时，可能导致机器人末端运动的精确度下降，机器人无法更高效准确地传递相关物品。在未来工业机器人的研发和制造中，尤其要关注到传动系统的精准度问题，及时采取行之有效的措施来保障传动系统维持高精度，以确保机器人的运行。

3）制造装配科学合理。制造与装配是工业机器人研发后的关键性步骤，也与机器人后续是否能顺利完成作业有密切关联。若制造环节有漏洞或是装配时不注意细节问题（例如技术人员未能综合考虑到机器人各零部件的性能问题），都可能影响到机器人运动末端的准确性，甚至造成不良事故，影响企业的良好声誉。为此，现代工业时代下的工业机器人在制造、装配的过程要科学合理、严格控制各细节处理，并把握好对机器人末端负载能力的控制，从而确保机器人始终在稳定的状态下运动和作业。

4）精度高。从工业机器人的运用实践上看，通常大多数的工业机器人在最初使用时的精密度都较高，然而随着运用时间的推移，零部件开始遭受一定程度的磨损，会对其精度造成一定影响。导致精度问题的原因主要有两点：一是机器人使用过程中零部件出现磨损，长期重复的运作会干扰到机器人的定位精确度；二是随着传动链的增加，也会在一定程度上影响到机器人的精度。故现代工业对机器人的精度保持性能提出了相应的要求，以免工业机器人的使用效果大打折扣。

3 机电一体化技术在工业机器人领域的具体应用

3.1 应用于工业机器人轴电机位置检测

工业机器人的制造阶段就要严格控制好其运动精度，从根源上保障机器人转动轴精度。在工业机器人设计安装时，就要严格按照所设定的相关参数和要求，及时校对参数指标，确保安装后各轴能符合工业机器人运用的要求。工业机器人工作时的主要动力是电机，为了确保能发挥出机器人的最大性能，就需要检测该电机的性能是否达标。伺服电机是工业机器人中最基础的电机类型，常被称作是工业机器人的“心脏”。伺服电机在自动装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转变为转轴的角位移或角速度。机电一体化技术可用于对机器人轴电机位置的检测，且该技术具备检测准确性较高的特征。例如对某工业机器人的伺服电机反馈位置进行检测时，就可发挥出机电一体化技术的作用。具体检测中要分析同心安装编码器，若编码器属于1024 或2500 线的增量型编码器，那么该伺服电机一圈是4 096 或10 000 个脉冲[4]。技术人员可通过直接观察驱动器的编码器外置反馈参数来对机器人轴电机位置进行检测，需要注意，运用该技术方法时要提前清零机器人起始位置的脉冲计数。通过运用机电一体化技术来检测工业机器人的轴电机位置，不仅能实现对机器人生产活动的实时观察，还能对机器人运动轨迹进行更新与矫正，从而及时发现错误，规避故障风险，保障工业机器人的正常运行。

3.2 应用于工业机器人核心部位测量

工业机器人本就属于精密装备，被誉为是“制造业皇冠顶端的明珠”。工业机器人作为集智能化、自动化等先进技术为一体的工业自动化设备，在现代工业生产体系中占据愈发重要的地位。工业机器人三大核心零部件包括控制器、RV 减速器和伺服系统，占机器人生产成本的70%及以上[5]。此外，还包括诸如传感器、末端执行器等零部件。RV 减速器属于精密的动力传达结构，它能有效降低转速，传递更大扭矩，为工业机器人的稳定精确运用创造了有利条件，但当前国内生产的减速器存在着寿命短、发热量大等不足，还需予以重视。工业机器人中涵盖了有多个轴关节的减速器，为了确保机器人能平稳运行，就需要利用机电一体化技术加以测量来了解减速器的使用状态。机电一体化技术还能实现在线监测，能根据轴关节的振动频率、幅度等来窥见机器人当前的运动状态。若轴关节运动频率和设计不符时，系统会发出警告，要求工业技术人员处理问题，方可确保机器人运动的稳定性。又如可将机电一体化技术应用于控制器这一核心部位的测量中。控制器被形象地称作是工业机器人的“大脑”，它包括了控制柜等硬件和编程程序等软件，能接收与处理工业机器人工作运行的全部信息，随后根据得到的信息来驱动各个伺服电机。工业机器人具备系统化的特征，其各核心部位间相互联系，利用机电一体化技术加以测量，是维护工业机器人运行平稳和安全的重要法门。

3.3 应用于工业机器人运动轨迹规划

工业机器人的运动轨迹可以理解为其末端执行器的运动轨迹，涵盖了机器人运动点位置、运动姿态、机器人运动速度以及加速度信息等。现代工业中，机器人的运动轨迹是其顺利完成各项任务的基础条件，受限于当前的工作环境，工业机器人的运动轨迹往往会比较固定，只需按照系统提前设置的程序要求来运行即可。需明确的是，此过程中，机器人运动轨迹的规划离不开机电一体化技术的应用。技术人员先结合机器人当前的运动工况特点和企业生产的实际需求来确定运动的目标位置，结合运动学公式和机械运动学模型来算出机器人轴运动的量，并用工控机的驱动器将所算出的数据下发到各个驱动电机中。在此基础上，再在电子计算机上输入特定的运动轨迹指令程序。在机器人运动时，注意观察是否符合轨迹规划的要求且各轴的运动状态是否正常，统计分析出机器人的运动量。通过机电一体化技术的应用，能有效保障机器人运动中各轴的同步和协调，机器人整体的运动行为和轨迹都和预期的标准相符，整个运动状态良好。总之，依托于机电一体化技术来维持机器人正常的运动轨迹与状态，能有效提升机器人的运动精确度和可靠性，为现代工业生产与发展奠定坚实基础。

3.4 应用于工业机器人工作环境管理

随着“工业4.0”和“中国制造2025”的相继提出和深化，工业机器人运用更为广泛。工业机器人的出现能替代部分制造业的流水线人员，在提升生产效率的同时也降低了安全隐患，这意味着我国工业制造迎来了崭新格局。工业机器人的工作环境，即应用场景不断增多，应用类型也丰富多样，如磨抛加工机器人、焊接机器人、激光加工机器人（如图1 所示）、真空处理机器人、喷涂机器人等[6]。工业机器人在作业过程中，对于周围环境都存在着较高的要求，不仅温湿度要适当，还要避免受到周围的电磁信号干扰，以免在电磁信号影响下导致机器人的运动轨迹改变。机电一体化技术是实现对工业机器人工作环境管理的有效技术手段，具体可通过PLC（可编程逻辑控制器）来操作[7]。例如，PLC 能实现对工业机器人工作环境温湿度的自动化调节，为机器人的运用创造出更为稳定和谐的环境，以免因外界环境温度过低等问题导致机器人启动慢而效率低下，抑或是环境温度过高而影响到机器人的智能操作，能够将各种影响因素扼杀在摇篮中。

图1 激光加工机器人

3.5 应用于工业机器人智能研发制造

2022年，《华尔街日报》称全世界的工业机器人数量已经达到了350万台[8]。《2022 年全球机器人报告》提出中国制造业的机器人密度升至为322 台/万人，且《“十四五”机器人产业发展规划》中提出预估到2025年，我国将会成为全球范围内工业机器人技术的创新策源地和应用新高地。在工业机器人的研发和制造中，机电一体化技术均发挥出了其重要价值。一方面，工业机器人的研发包括六大步骤，分别是对需求的分析和机器人产品的定义、前期研究和可行性分析、计算与仿真机器人、开发驱动系统、机械设计、控制柜设计。完成上述研发流程后，由技术人员来找出问题并改进，确认无误后再由生产部门生产出工业机器人的成品[9]。在机器人的智能研发过程中，可融入机电一体化技术，以计算与仿真环节为例，联合仿真技术属于机电一体化技术发展的产物，它能减少所研发出的工业机器人的故障问题[10]，突破设计环节的瓶颈。另一方面，机器人的制造包括了设计、制造、装配、环、手臂（机械臂）、手腕、控制器连线、装置、质量管理等不同环节。以机械臂的制造为例，为了确保机器人运用效率和质量的提升，可利用机电一体化技术来增设自动导航功能，并结合电子信息技术、传感技术等提升机器人操作效率，强化分类性能，从而让机器人的运用能达到甚至超出预期效果。

4 小结

综上所述，立足于现代工业视域分析，需要确保工业机器人机械零部件和传动系统有较高的精度，且机器人制造装配过程科学合理，精度保持的性能较为优越。将机电一体化技术应用于工业机器人中，主要可围绕机器人轴电机位置检测、机器人核心部位测量、机器人运动轨迹规划、机器人工作环境管理、机器人智能研发制造等方面。强化机电一体化技术的应用能有效提升工业机器人的精度和可靠性，最大程度地发挥出机器人的使用价值，创新工业生产模式，其有较为广阔的应用前景。