基于工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線研究

田增愿

摘? 要：近年來，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，利用工業(yè)機(jī)器人組建自動化生產(chǎn)線，能夠有效提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，從而大大提高企業(yè)的綜合效益。基于此，文章在分析了工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及特點的基礎(chǔ)上，提出了基于工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線構(gòu)建策略，最后就工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)前沿與倫理問題作進(jìn)一步探討，以期為一線工作提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;自動化;生產(chǎn)線

中圖分類號：TP242? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）27-0066-02

Abstract： In recent years， industrial robots have been widely used in industrial production. The use of industrial robots to set up automatic production lines can effectively improve production efficiency and reduce production costs， thus greatly improving the comprehensive benefits of enterprises. Based on this， based on the analysis of the structure and characteristics of industrial robot， this paper puts forward the construction strategy of automatic production line based on industrial robot. Finally， the technical frontier and ethical problems of industrial robot are further discussed. In order to provide reference and reference for the front-line work.

Keywords： industrial robot; automation; production line

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造業(yè)的主角，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用水平在很大程度上反映了一個國家的制造業(yè)水平，積極應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人組建自動化生產(chǎn)線，是今后制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢。在中國制造2025戰(zhàn)略背景下，積極研究基于工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)技術(shù)，具有重要現(xiàn)實意義。

1 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

1.1 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人主要由主體、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)組成，其中，主體部分具有強(qiáng)大的動作功能，可模擬人體完成抓取、搬運、分揀、放置等操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)器人主體中最為關(guān)鍵的部分，主要由手、腕、臂三部分組成，通常有3個以上的自由度，復(fù)雜一些的工業(yè)機(jī)器人能夠達(dá)到7個甚至更高的自由度，顯然，自由度越高的工業(yè)機(jī)器人能夠執(zhí)行越復(fù)雜的操作，其功能也更加強(qiáng)大?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，其通過預(yù)先編好的程序?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，控制機(jī)器人完成各種操作。驅(qū)動系統(tǒng)相當(dāng)于人的肌肉和筋絡(luò)，通過接收控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，驅(qū)動動力元件產(chǎn)生相應(yīng)的動作，配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種操作任務(wù)。

1.2 工業(yè)機(jī)器人的特點

工業(yè)機(jī)器人具有較高的自動化程度，能夠依靠自身動力做出各種復(fù)雜動作，替代人類完成各種復(fù)雜環(huán)境下的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人既可以按照事先編寫的程序運行，也可由技術(shù)人員手動操作，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人還有向人工智能發(fā)展的趨勢。與傳統(tǒng)的人工作業(yè)相比，工業(yè)機(jī)器人的工作效率更高，動作更為精準(zhǔn)，且具有持久工作的能力，可以24小時不間斷運作，因此在工業(yè)生產(chǎn)中備受青睞。目前，工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用在焊接、拋光、噴涂、裝配、沖壓、包裝、檢測等領(lǐng)域。

2 基于工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線構(gòu)建

工業(yè)生產(chǎn)往往具有較高的危險性，且勞動強(qiáng)度普遍較高，在一些不適合人工現(xiàn)場操作的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，可用工業(yè)機(jī)器人組建自動化生產(chǎn)線，代替人來完成各種復(fù)雜的生產(chǎn)活動。對于不同的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，在自動化生產(chǎn)線的構(gòu)建上也存在很大區(qū)別，本文以沖壓自動化生產(chǎn)線為例進(jìn)行說明。

2.1 運行方式

在沖壓自動化生產(chǎn)中，為保證機(jī)器人正?？煽窟\轉(zhuǎn)，首先要為工業(yè)機(jī)器人設(shè)定規(guī)范、合理的工作流程，精準(zhǔn)的動作路徑，使之能夠安全、有效地執(zhí)行各種操控指令。不同類型的工業(yè)自動化生產(chǎn)線在系統(tǒng)運行方式上各不相同，對于沖壓自動化生產(chǎn)線來說，首先要進(jìn)行垛料拆垛，然后是板料對中，主要有重力對中、機(jī)械對中、光學(xué)對中三種方式，目前使用最為廣泛的是光學(xué)對中。對中后，通過上料機(jī)器人放料，然后進(jìn)行沖壓操作。每次沖壓結(jié)束過，通過下料機(jī)器人取料放料，根據(jù)具體的生產(chǎn)工序要求，沖壓工序可循環(huán)數(shù)次，待完成末端沖壓后，由尾線機(jī)器人負(fù)責(zé)取料放料，最后的碼垛任務(wù)可交給現(xiàn)場操作人員完成。

2.2 系統(tǒng)組成

工業(yè)沖壓生產(chǎn)主要包括拆垛、上下料、輸送、對中、沖壓幾大工序，相應(yīng)的，沖壓自動化生產(chǎn)線應(yīng)包括拆垛系統(tǒng)、上下料系統(tǒng)、線尾輸送系統(tǒng)、對中系統(tǒng)、壓力機(jī)幾大部分。將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于拆垛工序，組建自動拆垛系統(tǒng)，能夠大大提高拆垛效率及安全性。拆垛系統(tǒng)通常由走帶電機(jī)、拆垛小車、自動涂油裝置組成，采用可循環(huán)式雙垛料臺，可以保證24小時不間斷生產(chǎn)，分張器負(fù)責(zé)進(jìn)行分料操作，可以保證每次單張進(jìn)料。板料經(jīng)導(dǎo)出式傳送帶輸送至中臺，通過導(dǎo)入式傳送帶取料并送入涂油機(jī)。拆垛小車一般停放在上料區(qū)，主要是為機(jī)器人取料放料提供方便。料板的涂油在拉延環(huán)節(jié)進(jìn)行，因此時的料板存在較大的拉延率，涂油可有效地消除冷軋料板上的滑移線，不但使加工面滿足要求，還可提高沖壓料板的防銹性能。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、物理層、人機(jī)交互平臺三大部分：

數(shù)據(jù)層在整個系統(tǒng)的運行過程中發(fā)揮著十分重要的作用，數(shù)據(jù)傳輸與分析的效率直接影響著系統(tǒng)運行的可靠性。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送和分析，在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，各物理層或設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換主要依靠現(xiàn)場總線來實現(xiàn)，目前常用的總線技術(shù)包括Profibus技術(shù)、EPA實時以太網(wǎng)技術(shù)等，其中，EPA具有布置簡單方便、用線量少等優(yōu)點，非常適合在沖壓自動化生產(chǎn)中使用。使用EPA技術(shù)時，可利用EtherCAT相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的對接，利用DCS系統(tǒng)進(jìn)行集中或分散控制，通過這種方式能夠在一定程度上避免因機(jī)器人循環(huán)動作而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)層損壞，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

物理層由控制站、操作站、現(xiàn)場控制層、感知設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和感知。物理層設(shè)備大多為開放性設(shè)備，通過EPA技術(shù)與數(shù)據(jù)層的PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，便于系統(tǒng)實時掌握各物理層設(shè)備的運行狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)對設(shè)備動作路徑的精準(zhǔn)控制，提升動作執(zhí)行的準(zhǔn)確性。

人機(jī)交互平臺是系統(tǒng)的重要組成部分，是用來顯示操作流程、系統(tǒng)參數(shù)、故障報警等信息的可視化平臺，通過人機(jī)交互平臺，技術(shù)人員可直觀查看或操控系統(tǒng)，及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的故障及問題，并予以及時解決，從而保障系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。目前，浙大中控的Configuratiom及AdvanTrolPro等都是比較優(yōu)秀的中控操作軟件，在觸摸屏選擇上，國內(nèi)企業(yè)使用比較多的是siemens觸摸屏。

2.4 安全系統(tǒng)

為了能夠加強(qiáng)沖壓生產(chǎn)線的運行效果，必須要針對沖壓生產(chǎn)線制定一系列的安全防護(hù)措施，避免工業(yè)機(jī)器人發(fā)生故障。盡管沖壓生產(chǎn)線被分為不同的區(qū)域，而且各自設(shè)備的運行也都在一定的區(qū)域內(nèi)，但是很多的設(shè)備會出現(xiàn)有部分重疊的情況，如果沒有針對重疊區(qū)域進(jìn)行合理的控制和調(diào)配則很容易導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人在運行過程中發(fā)生碰撞，造成安全隱患。由于控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，所以必須要加強(qiáng)對于控制系統(tǒng)的日常調(diào)配，通過各種參數(shù)以及設(shè)計及時調(diào)整工業(yè)機(jī)器人的工作方法。對于沖壓生產(chǎn)線的保護(hù)可以通過硬件保護(hù)與軟件保護(hù)兩種策略共同運行，全面提高沖壓生產(chǎn)線的保護(hù)效果，例如通過硬件監(jiān)控能夠針對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸為此必須要加強(qiáng)總線的抗干擾能力，另外監(jiān)控系統(tǒng)也應(yīng)該保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中附帶屏蔽層，提高安全防護(hù)的系數(shù)。此外，為保障沖壓線的安全運行，需配備完善的安全裝置，上位機(jī)PLC通過總線技術(shù)實時監(jiān)控安全區(qū)域狀況，出現(xiàn)故障時將發(fā)出聲光警報或緊急停車，并且實現(xiàn)了故障點位置的可視化。

2.5 模擬仿真系統(tǒng)

為合理布置生產(chǎn)線、縮短現(xiàn)場調(diào)試安裝周期，利用工業(yè)機(jī)器人的離線編程功能，對工業(yè)機(jī)器人的工作速度、運動軌跡和有效負(fù)載等進(jìn)行仿真，仿真可避免現(xiàn)場的系統(tǒng)干涉及節(jié)拍不合理，能夠提高生產(chǎn)線的可靠性和安全性。

3 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)前沿與倫理

隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用價值日益凸顯，未來工業(yè)器人的研究主要集中在柔性機(jī)器人技術(shù)、生肌電控制技術(shù)、情感識別技術(shù)、敏感觸覺技術(shù)、會話式智能交互技術(shù)、腦機(jī)接口技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域。這些技術(shù)的實現(xiàn)，將極大地改變當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，促進(jìn)真正的智能制造時代的到來。

值得一提的是，工業(yè)機(jī)器人的廣泛使用，也在社會上引發(fā)了強(qiáng)烈的失業(yè)憂患，特別是對人口眾多的發(fā)展中國家來說，工業(yè)機(jī)器人在減輕勞動者工作壓力的同時，也擠占了有限的就業(yè)崗位，帶來了一系列的社會問題。因此，如何在發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人巨大應(yīng)用價值的同時，妥善解決好機(jī)器人的倫理問題，使工業(yè)機(jī)器人在與人類保持和平共處的情況下更好地服務(wù)于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是當(dāng)前社會亟需思考的問題。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文以工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)為切入點，從運行方式、系統(tǒng)組成、控制系統(tǒng)幾個方面詳細(xì)論述了基于工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線構(gòu)建策略，多角度入手，旨在促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用，提高我國工業(yè)自動化生產(chǎn)水平。

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