工业机器人在自动化生产中的应用

［摘 要］现代工业生产要求更高的产品质量、更低的劳动成本及更加精细和高效的操作。传统人工和半自动化生产无法满足这一要求，需要引入更先进的工业机器人，实现降本提质和增效。文章分析了工业机器人用于自动化生产的价值，研究了工业机器人在自动化生产中的应用场景，探讨了工业机器人应用于自动化生产中的挑战及应对策略。

［关键词］工业机器人；自动化生产；应用分析

［中图分类号］TP242.2 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0066–03

1 工业机器人概述

工业机器人是一种高度自动化的工业设备，是基于对人的劳动模拟而制成的一种智能化生产辅助工具，以执行各种复杂、具有危险性和精密性的生产操作任务。工业机器人通常包括1 个多关节的机械臂，以及与之相连的执行器、传感器、控制单元和软件系统等关键组件。其中，机械臂是工业机器人的主要运作部分，通常由多个可旋转和可伸缩的关节组成，这些关节的协同运动使得机械臂可以灵活到达工作空间中的任何位置。执行器则负责驱动这些关节的运动，其可以是电动马达、气压缸或液压缸等不同类型的动力装置。传感器能够感知和识别工作环境中的各种信息，如位置、速度、加速度、力矩、温度等，从而确保机器人可以精准、安全地执行生产任务。控制单元相当于工业机器人的大脑，依靠控制中枢来运行，主要负责接收和处理来自传感器的信息，以及根据预设的程序或实时指令来控制机器人的运动和执行器的工作。软件系统主要负责机器人的编程、路径规划、任务管理及与其他设备的协同工作等任务。

2 工业机器人在自动化生产中的价值

2.1 提高生产效率与产品质量

工业机器人能够执行精确、重复性高的任务，且不会像人类因疲劳而降低效率。例如，在汽车制造业中，焊接机器人可以连续工作，确保每个焊点的质量一致，大幅提高了车辆制造的效率与车身结构的安全性。在电子产品制造行业，工业机器人可以高速、精确地组装微小零件，保证了产品质量和效率。

2.2 降低生产成本与人力资源

工业机器人可以24 h 不间断工作，这样可以在不增加人力资源的情况下，实现生产线的全天候运行。长期来看，虽然初期投资较大，但机器人可以减少长期的人力成本，尤其是在劳动成本较高的地区。

2.3 增强生产柔性与应对能力

现代工业机器人通常具有较高的灵活性和可编程性，可以快速适应生产需求的变化。通过更换不同的工具和程序，一个机器人可以完成多种不同的任务，这在产品多样化、小批量生产的今天尤为重要。同时，在面对市场需求的波动时，企业可以通过增加或减少机器人数量来快速调整生产能力，提高了企业的市场应变能力。

2.4 提升工业企业核心竞争力

工业机器人的应用可以显著提升企业的生产技术水平和自动化程度，增强企业的核心竞争力。在制造业转型升级的大背景下，机器人的广泛应用使得企业能够更加专注于技术创新和产品升级，从而在激烈的市场竞争中脱颖而出。

3 工业机器人在自动化生产中的应用场景

3.1 用于自动化装配和搬运

工业机器人可以用于仓储和物流管理中的自动搬运、堆放。在仓储和物流管理中，机器人通过配备的传感器和导航系统，利用相关夹具和抓取器，根据物品的类型、重量及形状等特征，按照预设的路径和位置，将其准确地搬运到指定地点，实现货物的精确堆放。这在确保作业高效的同时，保证了仓库的整洁和有序。工业机器人还可以用于装配车间的自动化装配。在装配车间，工业机器人通过先进的视觉系统和精确的控制系统，通过预设的工作程序和算法，可有效识别和精确地找到每个零部件的正确装配位置，按照标准的装配顺序进行规范化组装。在这个过程中，机器人可以执行各种复杂的装配任务，包括拧紧螺栓、夹持固定、上胶密封、装配轴承等。

3.2 用于自动化检测和分类

工业机器人可以利用视觉系统、传感器等设备，实现对生产过程中的产品质量、生产动态、性能特点等方面的准确检测。借助视觉系统，工业机器人可以识别产品的外观缺陷、尺寸偏差、颜色差异等。例如，在汽车制造过程中，机器人可以通过视觉系统检测、判定车身的喷漆质量，确保没有瑕疵或色差。借助各种传感器则可以检测产品的重量、硬度、温度等物理特性。例如，在食品加工业中，工业机器人可以准确检测出食品的重量和成分，确保产品符合生产质量标准。工业机器人可通过智能算法、机器学习等技术，实现对生产过程中的物料、产品等进行识别和分类。工业机器人可以学习不同产品的特征，并逐渐形成对产品质量与形态的判断能力。这种自我学习的能力使得工业机器人能够适应不同的服务需求。其可以通过学习新物料的特征，实现对自动化生产过程中的新产品或新物料的自动分类，从而提高物品分类的准确性和效率。

3.3 用于自动化焊接和切割

自动化焊接和切割是工业自动化生产中的重要环节，工业机器人在这个生产制造领域中发挥着重要作用。通过使用工业机器人，生产企业可以显著提高作业效率、降低成本，并改善工人工作条件。在自动化焊接生产开始之前，使用工业机器人对焊接区域进行清洁、除锈等预处理，以确保焊接质量。然后基于计算机辅助设计（CAD）模型，预先规划机器人的焊接路径，包括确定起始点、结束点，以及焊接过程中的速度和加速度等参数。焊接执行过程中，机器人借助视觉系统对焊接点进行精确定位，并根据预先规划的路径进行焊接操作，焊接完成后进行质量检查，如焊缝的外观、连续性是否存在缺陷等。通过使用焊接机器人，不仅能够显著提高焊接生产效率，还能够降低工人因长时间暴露在焊接烟雾中而可能面临的健康风险，同时保证焊接质量可靠、可控。自动化切割机器人多用于机械制造和金属加工行业。根据预设的操作程序，自动化切割机器人将待切割的材料放置在切割台上，并通过夹具固定。然后，使用激光、等离子或水刀等切割工具，按照规划的切割路径进行切割。切割完成后，机器人会将废料自动移走，以便后续处理，同时对切割后的产品尺寸精度、表面粗糙度等进行质量检查。

3.4 用于自动化喷涂和包装

在汽车机械装备制造、电子产品和食品等行业生产中，喷涂和包装是必不可少的工序，也是工业机器人的主要应用场景。一般喷涂之前，可以使用工业机器人对目标对象进行清洁、除油及除锈等操作，以确保涂层能够均匀附着。然后，根据所需涂层的类型、颜色及厚度，自动选择并调配涂料。在确定喷涂的起始点、结束点、喷涂速度、喷枪与工件之间的距离等参数设计合理情况下，喷涂机器人根据预先规划的路径进行喷涂。在喷涂过程中，机器人实时调整喷枪的角度、位置及速度，以确保涂层均匀且无遗漏。最后对涂层进行烘干和固化等后续处理，以确保喷涂的质量和耐久性。

包装作业过程中，工业机器人将生产线上完成的产品自动加载到包装台上，根据产品的尺寸和形状，自动选择合适的包装材料，如纸箱、塑料袋、泡沫板等。然后按照预设的包装程序对产品进行封装、封口、贴标等操作，并检测包装的质量和完整性，以确保产品的安全运输。包装完成后，使用搬运工业机器人将产品码垛到指定的货架上或进行自动仓储。

4 工业机器人应用于自动化生产中挑战

4.1 技术复杂且精度要求高

工业机器人系统需要精确协同多个运动轴的动作，尤其是在精密加工、装配等高精度应用场景中，对位置、速度及力的控制要求极高。由于机器人可能涉及六轴或更多自由度的同步运动控制，如何确保其在高速运行下的动态性能及轨迹精度是一个持续的技术挑战。

4.2 柔性和适应性需求严峻

自动化生产线的灵活性和定制化需求日益增长，这意味着工业机器人需要具备更高的柔性化和可重构能力。快速更换产品类型和调整生产流程时，机器人需要能快速重新编程并适应新的任务，同时还需要智能识别和处理不同形态、材质的产品，这对机器人软件和硬件的设计提出了更高要求。

4.3 集成化与兼容性挑战大

在复杂的自动化环境中，工业机器人需要与其他生产设备、传感器、控制系统及企业信息系统无缝集成。不同的设备与系统的接口标准不一，数据通信协议多样，使得集成过程复杂且耗时。解决这些兼容性问题，实现整体优化的自动化生产流程是一项重大挑战。

4.4 人机协作中的安全问题

随着工业机器人向更高级别的自主性和智能化发展，工作场所的安全问题凸显。如何在人机协作环境下确保工人的安全，避免因机器人误动作导致的伤害事故，需要在设计阶段就充分考虑并采取相应的安全防护措施和技术手段。

4.5 成本效益与投资回报率

尽管工业机器人长期来看可以降低成本和提高效率，但初始投资大，包括购买机器人、安装调试、员工培训及可能出现的维护费用等。企业需准确评估机器人技术的投资回报周期，并在不断变化的市场需求下保持技术更新，以确保持续的竞争力。

5 应对自动化生产中工业机器人应用挑战的策略

5.1 不断更新算法和工业机器人

采用先进的运动控制算法与高精度传感器（如PID 控制器、伺服电机及激光跟踪系统等）提升工业机器人的定位精度和动态响应性能。通过深度学习和人工智能技术，让机器人自我学习和优化操作路径，进一步提高其在复杂环境下的动作精度。对于特定领域的高精度作业，应加快研发具有专业功能的特种机器人，如带有力觉感知和视觉引导的精密装配机器人，结合力控技术和视觉检测，使机器人能够实时反馈并调整自身动作，满足高精度工艺需求。

5.2 深化机器人结构与系统研发

开发模块化、可重构的工业机器人结构，允许根据生产需求快速更换末端执行器或扩展机械臂长度，从而适应不同工序的需要。同时，引入基于模型的编程和仿真技术，使非技术人员也能快速便捷地进行机器人程序编写与验证，降低编程门槛，增强系统应变能力。利用人工智能和机器学习技术开发自适应机器人系统，使其具备一定的自主学习和决策能力，以便快速适应新任务和环境变化。

5.3 构建工业机器人统一使用体系

推广并采用开放标准和统一的通信协议，如OPC UA、Modbus TCP/IP 等，促进各设备间的互联互通，简化集成难度。同时建立工业互联网平台，实现工厂内各类设备的数据共享与交互，借助边缘计算和云计算技术进行高效的数据处理和分析，优化生产调度。设计和实施智能制造系统集成解决方案，将机器人作为整个生产网络中的一个节点，从顶层规划到底层实施，全方位保证机器人与其他设备的协同运作。

5.4 严守安全法规提升生产安全

首先，要严格遵守国际和国内相关安全标准，如ISO 10218《工业机器人安全要求标准》、IEC 61508《电气/ 电子/ 可编程电子安全相关系统的功能安全标准》，在设计阶段引入安全功能，如配备安全围栏、光栅保护装置，使用符合SIL（安全完整性等级）的安全控制器等，确保人机协作的安全性。同时，必须进一步发展新一代协作机器人，通过内置的多种传感器和避障机制，来实现在无物理隔离的情况下与人类近距离互动，提供与人的工作协同，大幅降低自动化生产过程中的意外风险。

5.5 坚持立足实际合理配置使用

工业企业应对自身的生产、发展实际需求及工业机器人的投入使用能力等有清晰认识，在保证不影响正常生产和运营基础上，选择具有良好性价比的工业机器人产品，根据自身当前的生产量和经济负担能力，合理配置机器人类型和数量，逐步更新生产线，提升生产能力，要避免盲目跟风，片面追求高端设备而忽视投资回报率。企业要进行详尽的项目可行性分析和投资回报率（ROI）计算，通过精益生产、减少浪费、提高良品率等方式量化机器人应用带来的经济效益，为企业的长期发展规划提供科学依据。供应链方面应提供全面的机器人生命周期服务，包括租赁、二手市场、升级维护等方案，帮助各类工业企业灵活应对市场变化，减轻一次性投资压力。

6 结束语

智能制造时代，生产效率和质量是工业企业得以持续发展的重要依托。工业机器人的大量应用，为实现这一目的创造了有利条件，让自动化、智能化的高质量生产制造成为可能。各类工业企业应当结合自身与行业实际情况，合理引入工业机器人，更新生产线，增强生产能力和综合竞争力。

参考文献

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