機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中的運(yùn)用分析

李忠民 荀海明

山東省棗莊經(jīng)濟(jì)學(xué)校 山東 棗莊 277000

前言:機(jī)電一體化又被稱為機(jī)械電子學(xué),是電子電路系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)合。機(jī)電一體化的原理,即通過(guò)電子電路控制機(jī)械設(shè)備。在工業(yè)領(lǐng)域,機(jī)電一體化技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值,尤其是在智能制造戰(zhàn)略實(shí)施以后,工業(yè)機(jī)器人逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的代表性工具,更是成為一個(gè)國(guó)家科技水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。但是,由于機(jī)電一體化技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展時(shí)間較短,相比于西方發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)的機(jī)電一體化技術(shù)還存在較大進(jìn)步空間,在工業(yè)機(jī)器人的精度與感知能力上,也尚未達(dá)到盡善盡美。鑒于此,本文對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中的運(yùn)用展開(kāi)分析,具有重要現(xiàn)實(shí)意義,旨在促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人研發(fā)水平的提升。

一、機(jī)電一體化技術(shù)概述

顧名思義,機(jī)電一體化技術(shù)即多種高新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,涵蓋了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)等[1]。作為一門新興的綜合性學(xué)科,機(jī)電一體化技術(shù)起源于微電子技術(shù)在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用[2]。時(shí)至今日,機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)與發(fā)展必不可少的一項(xiàng)高新技術(shù),機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用也在很大程度上促進(jìn)了工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。機(jī)電一體化系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)要素、運(yùn)動(dòng)要素、智能要素、動(dòng)力要素及感知要素組成。近年來(lái),我國(guó)智能化技術(shù)不斷發(fā)展,促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)發(fā)展。不可否認(rèn)的是,我國(guó)機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展,使得機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值愈發(fā)凸顯,工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展最為典型。機(jī)電一體化技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用,極大的促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展,目前工業(yè)機(jī)器人也成為了機(jī)電一體化技術(shù)的典型裝備。

二、基于機(jī)電一體化技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀

客觀而言,我國(guó)目前的科技水平尚未達(dá)到發(fā)達(dá)水平,機(jī)電一體化是我國(guó)科技發(fā)展的基礎(chǔ),該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,促進(jìn)了工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,也使得我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平有了極大進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人便是以機(jī)電一體化技術(shù)為基礎(chǔ)而研發(fā)的,然而由于我國(guó)科技發(fā)展基礎(chǔ)較為薄弱,致使工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)存在一定問(wèn)題,無(wú)法及時(shí)更正[3]。例如,在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人時(shí)期,我國(guó)的科技水平達(dá)不到需要的精度,使得工業(yè)機(jī)器人的精度較差;再如,我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的感知能力尚不健全,還需要進(jìn)一步提升、完善?？傮w來(lái)說(shuō),我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展已經(jīng)取得了不菲的成績(jī),但相較于西方發(fā)達(dá)國(guó)家而言,還存在很大進(jìn)步空間?，F(xiàn)階段,我國(guó)應(yīng)重視專業(yè)技術(shù)性人才的培養(yǎng),不斷研發(fā)新型機(jī)器人,增加投入資金等,而且國(guó)家還要對(duì)致力于科研創(chuàng)作的人才一定幫助與鼓勵(lì),使其更有動(dòng)力,更加積極的投入到新型機(jī)器人的創(chuàng)作之中,以提升我國(guó)科技經(jīng)濟(jì)實(shí)力。

三、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用要求

首先,工業(yè)機(jī)器人對(duì)機(jī)械零部件的制造精度具有較高要求,這主要是因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),所有機(jī)械構(gòu)件都必須嚴(yán)格根據(jù)既定軌跡運(yùn)轉(zhuǎn),一旦出現(xiàn)偏差,就可能導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法運(yùn)行到目標(biāo)位置,影響作業(yè)。所有,工業(yè)機(jī)器人對(duì)零部件的制造精度具有較高要求[4]。其次,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度具有較高要求,這一點(diǎn)與零部件的制造精度要求類似,都是為了確保機(jī)器人運(yùn)行軌跡的精準(zhǔn)性。但是,傳統(tǒng)系統(tǒng)的精度控制,相較于零部件制造精度控制,要更有難度,受限于我國(guó)科技發(fā)展水平,目前工業(yè)機(jī)器人的減速器等設(shè)備還依賴進(jìn)口。再次,對(duì)裝配精度具有較高要求。工業(yè)機(jī)器人由各種機(jī)械零部件與傳動(dòng)系統(tǒng)裝配而成,裝配精度主要受到兩方面因素影響,一是設(shè)計(jì)是否合理,在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到微小誤差的累積,做到精益求精,避免因微小誤差累積,而導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行軌跡出現(xiàn)變形。二是裝配的操作工藝水平,在裝配時(shí)必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作,避免誤差累積。最后,精度保持能力[5]。從某種角度上看,工業(yè)機(jī)器人是一種精密設(shè)備,設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)磨損,這些磨損也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行誤差。所以,工業(yè)機(jī)器人必須具有一定精度保持能力。在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)過(guò)程中,增加誤差的原因主要是機(jī)械零部件的老化與磨損,誤差增大導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)誤差變大,即便運(yùn)動(dòng)軌跡依然保持精準(zhǔn),也難以保障目標(biāo)位置的精準(zhǔn)性[6]。所以,工業(yè)機(jī)器人要具有一定精度保持能力,可以通過(guò)提高機(jī)械零部件材料性能與制造精度,提高裝配精度,以及定期檢測(cè)、維護(hù)等方法,提高工業(yè)機(jī)器人的使用壽命。

四、機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中的具體運(yùn)用

（一）應(yīng)用于各軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)中

眾所周知,工業(yè)機(jī)器人對(duì)安裝精度具有較高要求,所以在安裝工業(yè)機(jī)器人的過(guò)程中,不僅要嚴(yán)格根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)精細(xì)化安裝,而且在安裝完成之后,還要進(jìn)行校準(zhǔn)工作,確保工業(yè)機(jī)器人安裝沒(méi)有絲毫偏差。一般情況下,在工業(yè)機(jī)器人安裝之前,會(huì)設(shè)計(jì)詳細(xì)的參數(shù),那么在安裝完成之后,需要根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),以保證各軸安裝完全滿足工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求,進(jìn)而為工業(yè)機(jī)器人的正常運(yùn)行提供保障。電機(jī)是為工業(yè)機(jī)器人提供動(dòng)力的設(shè)備,為了盡可能將工業(yè)機(jī)器人的性能利用起來(lái),還需要在安裝完成后,檢測(cè)電機(jī)性能情況,而機(jī)電一體化技術(shù)就是檢測(cè)電機(jī)安裝位置的主要技術(shù),利用該技術(shù)能夠?qū)Ω鬏S電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置展開(kāi)準(zhǔn)確、高效的檢測(cè)。例如,伺服電機(jī)反饋軸的安裝位置檢測(cè),便是利用同心安裝的編碼器進(jìn)行檢測(cè)的。若編碼器是1024線的增量型編碼器,則電機(jī)一圈就是4096個(gè)脈,可以直接通過(guò)查看驅(qū)動(dòng)器編碼器外置反饋參數(shù)的方式進(jìn)行檢測(cè)。

（二）應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃中

運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃,是工業(yè)機(jī)器人順利完成作業(yè)的前提基礎(chǔ),一般情況下,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡都是固定的,只需要設(shè)定好程序,機(jī)器人就會(huì)按照既定程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng),而在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃中,機(jī)電一體化技術(shù)是核心所在。首先,機(jī)電一體化技術(shù),根據(jù)工作情況,結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),精準(zhǔn)定位機(jī)器人運(yùn)行軌跡的最終位置,之后根據(jù)目標(biāo)位置輸入相應(yīng)的指令,同時(shí)觀察各軸運(yùn)動(dòng)情況,分析運(yùn)動(dòng)量。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃,要以驅(qū)動(dòng)器為支撐,根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理,指揮驅(qū)動(dòng)電機(jī),確保機(jī)器人各軸同步,保證機(jī)器人行為軌跡在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi),且能夠保持良好的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？傊?機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃中起到了非常重要的作用。需要注意的是,在設(shè)定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí),要確保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠滿足這一目標(biāo),以此來(lái)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度控制提供保障。

（三）應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

作為一種對(duì)精密性要求極高的設(shè)備,工業(yè)機(jī)器人核心部件的精密程度影響著其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,而工業(yè)機(jī)器人是由各種軸關(guān)節(jié)的減速器組成,為了確保機(jī)器人能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),要對(duì)機(jī)器人各軸關(guān)節(jié)減速器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),機(jī)電一體化技術(shù)在監(jiān)測(cè)中起到至關(guān)重要的作用。機(jī)電一體化技術(shù)可以監(jiān)測(cè)機(jī)器人各軸關(guān)節(jié)減速器運(yùn)行狀態(tài),再結(jié)合在線檢測(cè)技術(shù),以軸關(guān)節(jié)的振動(dòng)頻率為依據(jù),對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。例如,當(dāng)機(jī)器人軸關(guān)節(jié)振動(dòng)頻率,相比于設(shè)計(jì)參數(shù)有差異時(shí),系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出警告,便于相關(guān)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、處理問(wèn)題,為工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性提供保障。

（四）在機(jī)器人工作周圍環(huán)境控制中的應(yīng)用

由于工業(yè)機(jī)器人屬于精密裝備,所以其在作業(yè)過(guò)程中,對(duì)周圍環(huán)境具有較高要求,除了要確保周圍環(huán)境保持適中溫度與濕度之外,還要求周圍環(huán)境中不能存在強(qiáng)烈的電磁信號(hào),以免因信號(hào)干擾,影響機(jī)器人正常作業(yè),出現(xiàn)偏離既定軌跡等問(wèn)題。機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用,便可以實(shí)現(xiàn)利用PLC等對(duì)機(jī)器人工作周圍環(huán)境進(jìn)行控制。例如,工作溫度的控制,機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用后,可以利用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作環(huán)境溫度的自動(dòng)化控制,進(jìn)而有效避免因溫度過(guò)高,影響機(jī)器人的正常作業(yè),出現(xiàn)操作失誤等問(wèn)題。

結(jié)論

綜上所述,機(jī)電一體化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用,不僅極大的提高了工業(yè)機(jī)器人的精度及運(yùn)動(dòng)可靠性,而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的優(yōu)化,增強(qiáng)了對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制的精準(zhǔn)性,尤其是對(duì)末端位置控制的精準(zhǔn)性,充分發(fā)揮出了工業(yè)機(jī)器人的使用功能,在推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的,提高工業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí),也為機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展,提供了重要?jiǎng)恿?。但?我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展尚不完美,在控制精度與感知能力上,還存在較大進(jìn)步空間,未來(lái)應(yīng)致力于通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù),不斷增強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人的感知能力,提高機(jī)器人的智能化水平,更新、完善機(jī)器人的功能,為我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展做鋪墊,為我國(guó)科技水平的提升做貢獻(xiàn)。