基于機械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動化

摘 要：當下社會，工業(yè)機械臂的廣泛運用對我國工業(yè)生產(chǎn)能力的大幅提升發(fā)揮了重要作用。文章對機械臂的相關(guān)問題進行了簡要論述，結(jié)合實踐給出幾個機械臂的運用場景，為企業(yè)提高自動化水平與生產(chǎn)效率提供參考。

關(guān)鍵詞：機械臂;工業(yè)生產(chǎn);自動化

0 引言

機器人技術(shù)是20世紀興起的，并在21世紀迅速發(fā)展的一門技術(shù)，將機器人技術(shù)，尤其是自由度最豐富的機械臂，應用于工業(yè)生產(chǎn)是大勢所趨，它將使工廠富有時代感、科技感、無人化，更高效、更先進，機器人技術(shù)的應用是符合先進生產(chǎn)力要求的。本文將論述以多自由度機械臂作為終端，結(jié)合嵌入式技術(shù)、工控計算機技術(shù)以及網(wǎng)絡技術(shù)，系統(tǒng)集成為多功能的自動化生產(chǎn)線的體系結(jié)構(gòu)和方法。

1 概述

工業(yè)機械臂采用多自由度并聯(lián)平行四邊形機械臂的設計方案，具有強度大、負載能力強、無積累誤差的特點;而且舵機置于基座處，機械臂使用輕質(zhì)連桿，如此末端位置輸出機構(gòu)的加速度和準確度便可大幅提高，這種設計適用于輕質(zhì)物體的近距離的堆棧和提取。由底座回轉(zhuǎn)設計可實現(xiàn)雙平行自由度的平行四邊機構(gòu)組成高性能的平行四邊機械臂，被用于工業(yè)、微電子產(chǎn)業(yè)中對輕小物體的中、短距離高速精確搬運。在于串聯(lián)結(jié)構(gòu)設計的機械臂對比中，并聯(lián)機構(gòu)擁有結(jié)構(gòu)強度大、負載能力強、定位準確、無積累誤差、較簡單的實現(xiàn)快速移動等優(yōu)點。同時，驅(qū)動電機被安裝在機械臂基座上，機械臂又采用了輕質(zhì)高強度連接桿，這樣不但可以降低機構(gòu)的總體質(zhì)量，而且執(zhí)行機構(gòu)可達到快速反應和精確定位的要求。

2 機械臂機電系統(tǒng)

2.1 可編程邏輯控制器（PLC）

可編程邏輯控制器的作用是多方面的，主要有以下功能：

2.1.1 和各個舵機交換信息

控制機械臂各個舵機動作是電子控制單元（以下簡稱PLC）的主要功能，控制信號可通過CAN總線從PLC發(fā)往各個舵機控制器，如有必要，舵機控制器可向PLC反饋信息，如當前舵機狀態(tài)。PLC可帶有一定的自主決策、控制能力，一般來說，舵機中電機的功率是動態(tài)變化的，而電機功率，瞬間電壓、電流必須控制在限定范圍內(nèi)，不然可能導致部分功率器件損壞，如場效應管，從而導致系統(tǒng)實效。在電機超負荷時，或舵機燒毀，失效時PLC采取措施，將損失在第一時間控制住，并將其最小化。

2.1.2 和工控機交換信息

PLC可以通過以太網(wǎng)和工控機交換信息，如坐標數(shù)據(jù)，指令，機械臂當前狀態(tài)，瞬時功率數(shù)據(jù)，故障狀態(tài)等。工控機帶有HMI（人機界面），方便產(chǎn)線維護人員檢查、維護設備，也便于監(jiān)控。工控機擁有一定的生產(chǎn)線機器的決策、控制能力，如：協(xié)調(diào)，監(jiān)控機器內(nèi)各個機械臂的動作、狀態(tài)等。

2.2 舵機機械部分

舵機為機械臂各個活動關(guān)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)，機械臂的動作精度由舵機的精度決定，例如，第1、2、3自由度的機械臂平均長度為8cm，而這些自由度的舵機能夠分辨千分之一圓周率的角度，則該機械臂的定位精度在1mm左右，且機械臂展開越遠，精度越差。因此，選用精度高的舵機是必要的，一般來說可通過提高角度傳感器的精度或者通過齒輪放大角度傳感器的角度行程來實現(xiàn)。對于舵機的另外一個重要指標是力矩，這可以通過選用大功率電機或者通過齒輪將力放大來實現(xiàn)預期需求。最后，不能無條件的使用齒輪的力放大功能，舵機的角度編碼速率也是舵機的一項重要指標，這可以通過使用齒輪的行程放大縮小功能實現(xiàn)，通常情況下，直流電機的轉(zhuǎn)速可達到每分鐘5400轉(zhuǎn)，和齒輪的恰當配合既可以放大力，又符合編碼速率要求。

3 機械臂在工業(yè)生產(chǎn)自動化中的運用

3.1 在組合裝配環(huán)節(jié)中的應用

在工業(yè)生產(chǎn)中，組合裝配環(huán)節(jié)屬于簡單的、重復性高的工作環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)中需要大量使用人工進行重復性的操作，但是人工數(shù)量的增加會提高人工成本，進而增加管理費用。同時，簡單重復的工作容易使工人產(chǎn)生疲勞，降低生產(chǎn)效率，增加原材料、元器件的損耗，從而增加生產(chǎn)成本，降低了企業(yè)的效益。而使用機械臂替代人工進行組合裝配工作，能夠有效地降低人工成本。機械臂在正常工作條件下幾乎不會出現(xiàn)誤操作的問題，且生產(chǎn)周期恒定，也不會產(chǎn)生生產(chǎn)疲勞，生產(chǎn)成本穩(wěn)定可控。通過對操作程序進行優(yōu)化，還可以有效提高生產(chǎn)效率，因此在組合裝配環(huán)節(jié)中應用機械臂，可提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度，具有很好的商業(yè)前景。

3.2 在熱加工行業(yè)的應用

在熱加工行業(yè)中，很多零部件需要在高溫環(huán)境下進行加工處理，高溫、高污染的作業(yè)會對工人造成一定程度的危害，長時間的重復性工作也會降低工人的工作效率。因此，在熱加工行業(yè)中運用機械臂，能夠有效地解決以上問題。使用機械臂代替人工進行熱加工處理，能夠避免工人在惡劣的作業(yè)環(huán)境下工作，還能夠降低生產(chǎn)的人工成本、提高生產(chǎn)的自動化程度，從而有效控制生產(chǎn)過程中的管理成本。目前在我國具有一定規(guī)模的熱加工企業(yè)，都逐漸開始使用機械臂代替人工進行熱加工作業(yè)，在很大程度上提高了熱加工處理效率，縮短了加工周期，同時也提高了生產(chǎn)的自動化程度，推動了整個行業(yè)的技術(shù)進步與發(fā)展。

4 結(jié)語

將機器人技術(shù)，尤其是機械臂應用于工業(yè)生產(chǎn)，是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，裝配了大量機械臂的生產(chǎn)線又是高效、優(yōu)質(zhì)、先進的最佳體現(xiàn)，最終實現(xiàn)無人化的工業(yè)生產(chǎn)。

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作者簡介：紀雨晴（1998-），女，滿族，黑龍江鶴崗人，本科在讀，研究方向：工業(yè)設計。