電氣工程自動(dòng)化視角下的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

王雅

摘 ?要：在各個(gè)產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)發(fā)展的背景下，自動(dòng)化以及智能化的工業(yè)生產(chǎn)模式受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，且在電氣自動(dòng)化技術(shù)的支持下，行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備不斷更新，生產(chǎn)效率不斷提升，并逐漸投入了大量的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人。我國(guó)當(dāng)前整體的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平相對(duì)較好，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在機(jī)器人自動(dòng)化以及智能化水平方面還有待提高。而對(duì)于產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的功能完善度以及應(yīng)用質(zhì)量而言，電氣自動(dòng)化技術(shù)是重要依托。文章在分析產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)，從電氣工程自動(dòng)化視角出發(fā)，分析了電氣工程自動(dòng)化技術(shù)在產(chǎn)業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中的應(yīng)用，并深入分析了電氣工程自動(dòng)化視角下產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電氣工程自動(dòng)化;產(chǎn)業(yè)機(jī)器人;設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）24-0082-02

Abstract： In the context of continuous upgrading and development of various industries， the automation and intelligent industrial production mode has attracted wide attention from all walks of life， and with the support of electrical automation technology， the production equipment of the industry has been constantly updated and the production efficiency has been continuously improved and gradually involved a large number of industrial robots. At present， the overall development level of robot industry in China is relatively good， but compared with developed countries， the level of robot automation and intelligence still needs to be improved. As for the functional perfection and application quality of industrial robots， electrical automation technology is an important support. When analyzing the design activities of industrial robots， this paper analyzes the application of electrical engineering automation technology in the operation of industrial robots and the design essentials of industrial robots from the perspective of electrical engineering automation.

Keywords： electrical engineering automation; industrial robot; design essentials

國(guó)家近些年推出智能戰(zhàn)略計(jì)劃，產(chǎn)業(yè)機(jī)器人由此應(yīng)運(yùn)而生。我國(guó)部分地區(qū)積極出臺(tái)相應(yīng)文件以支持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。上海曾出臺(tái)《上海市高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，指出要重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)機(jī)器人，將其投用到包裝、焊接、裝配、噴涂、搬運(yùn)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，同時(shí)關(guān)注研發(fā)機(jī)器人的核心部件，包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、傳感器、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。此外，包括廣東、杭州、北京等地都陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策，明確了產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向。電氣工程自動(dòng)化與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的結(jié)合已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，而如何將電氣工程自動(dòng)化技術(shù)與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)活動(dòng)以及應(yīng)用環(huán)節(jié)有機(jī)融合在一起，則成為當(dāng)前發(fā)展產(chǎn)業(yè)機(jī)器人需研究的關(guān)鍵課題。

1 產(chǎn)業(yè)機(jī)器人中的電氣工程自動(dòng)化技術(shù)

1.1 新生代電氣自動(dòng)化技術(shù)

電氣自動(dòng)化技術(shù)是近些年興起且發(fā)展迅速的新型技術(shù)之一，且在電氣自動(dòng)化技術(shù)不斷升級(jí)應(yīng)用的過程中，信息技術(shù)也在不斷發(fā)展，由此不斷催生出各種新型的電氣自動(dòng)化技術(shù)，包括高精度運(yùn)動(dòng)控制、模塊化與嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高可靠性實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)仿真技術(shù)等。將其應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，則能夠滿足不同產(chǎn)業(yè)的實(shí)際需求。面對(duì)更高的控制精度要求以及更加簡(jiǎn)化與智能化的控制流程要求，在應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)時(shí)，要注重對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的核心部件與電氣自動(dòng)化技術(shù)連接在一起，包括伺服電機(jī)、控制器等，同時(shí)要注重對(duì)服務(wù)型機(jī)器人的研發(fā)，確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人整體發(fā)展水平較高。

1.2 PLC控制系統(tǒng)

在電氣自動(dòng)化控制技術(shù)中，PLC控制系統(tǒng)是標(biāo)志性的自動(dòng)化控制技術(shù)的集合控制形式，PLC又稱為可編程邏輯控制器，與工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境有較高的適應(yīng)性，在數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)的支持下，能夠更加可靠與高效的開展工作，且能夠更加快速的進(jìn)行編程。和計(jì)算機(jī)類似，PLC控制系統(tǒng)中主要包括中央處理器、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備接口等組件，工作流程則為采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。在PLC系統(tǒng)的支持下，可以幫助產(chǎn)業(yè)機(jī)器人在實(shí)際的運(yùn)作過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的點(diǎn)位控制、智能控制、力矩控制和軌跡連續(xù)控制。PLC控制系統(tǒng)要加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人控制器之間的連接，要形成智能化的控制路徑，以提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，并確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人能夠穩(wěn)定、高效的完成工作。

1.3 機(jī)械零件拼接、驅(qū)動(dòng)與程序編排技術(shù)

在對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電氣工程自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)主要功能在于對(duì)機(jī)器人的零部件進(jìn)行組裝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員要借助電氣自動(dòng)化技術(shù)對(duì)組裝的零件設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，并對(duì)相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)反饋零部件信息，確保不出現(xiàn)偏差。在完成初步的拼接工作后，設(shè)計(jì)人員要借助電氣自動(dòng)化技術(shù)對(duì)零部件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)檢測(cè)，要依托于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)定運(yùn)行信號(hào)，判斷機(jī)器人根據(jù)信號(hào)工作的能力。最后則要進(jìn)行機(jī)器人操作程序的編排，要搭建中心監(jiān)控與操控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。此外，還要注重加強(qiáng)機(jī)器人和云服務(wù)器之間的連接，提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人處理多種環(huán)境的能力，確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化以及智能化操作水平高。

2 提高電氣工程自動(dòng)化背景下產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)水平的具體措施

2.1 搭建行業(yè)開放式資源平臺(tái)

機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展規(guī)模在不斷擴(kuò)大，針對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員要關(guān)注搭建行業(yè)開放式資源共享平臺(tái)，要以行業(yè)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)以及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為基石，對(duì)上述第三方機(jī)構(gòu)加強(qiáng)協(xié)調(diào)，搭建交流平臺(tái)，拓寬產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)渠道和技術(shù)研究渠道，真正的推動(dòng)機(jī)器人行業(yè)在產(chǎn)品、人才、資源、技術(shù)等方面的流動(dòng)。各個(gè)省市可以舉辦機(jī)器人競(jìng)賽和挑戰(zhàn)賽等，激發(fā)愛好者的興趣，并提供可交流經(jīng)驗(yàn)的競(jìng)技平臺(tái)，以儲(chǔ)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展人才，形成科學(xué)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

2.2 科學(xué)進(jìn)行硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員基于生產(chǎn)要求應(yīng)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行科學(xué)選擇，考慮到便于維護(hù)和易于實(shí)現(xiàn)智能化這兩個(gè)要求，應(yīng)選用直流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)的精度由電機(jī)后端編碼器控制，能夠更加低速和平穩(wěn)的運(yùn)行，具有較強(qiáng)的過載能力。DSP傳輸控制信號(hào)，電機(jī)執(zhí)行，并由閉環(huán)控制進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在電機(jī)編碼器反饋信號(hào)采樣的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)器可以快速響應(yīng)。其次，要合理的選用和設(shè)計(jì)控制器，控制器中應(yīng)包括單片微控制器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、PLC可編程邏輯控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等，同時(shí)要在電氣自動(dòng)化技術(shù)的支持下使用控制算法，形成控制信號(hào)后可對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行精準(zhǔn)控制。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自身特點(diǎn)以及產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際要求，科學(xué)的選擇DSP控制器。對(duì)繼電器進(jìn)行設(shè)計(jì)，要從操作安全性以及抗干擾性、靈敏度等方面進(jìn)行把控，可選擇固態(tài)繼電器，其組成部分包括分離電子器和微電子電路等?？梢詫⒖刂菩盘?hào)輸送到輸入端，從而有效控制大電流負(fù)載驅(qū)動(dòng)。

2.2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的過程中，要將產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)作為要點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)人員要從上層開發(fā)環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)程序以及底層控制程序三個(gè)方面進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。上層開發(fā)設(shè)計(jì)的目的在于提供測(cè)試控制器，基于此，用戶可以在滿足控制要求的軟件平臺(tái)上進(jìn)行操作。在開發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)，則要考慮到控制器的抗干擾性，要從提高在不同網(wǎng)絡(luò)下的適應(yīng)性角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行底層設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員則要以伺服驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)功能為基礎(chǔ)，并借助C語(yǔ)言進(jìn)行編程開發(fā)，為整個(gè)控制系統(tǒng)提供可靠支撐。設(shè)計(jì)人員要依托于傳感器的狀態(tài)值自動(dòng)切換無(wú)刷電機(jī)和電路電壓，并且可以借助相關(guān)算法提高對(duì)電機(jī)位置以及電機(jī)速度的控制精度。在電氣自動(dòng)化技術(shù)和PLC控制系統(tǒng)的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的軟件故障的監(jiān)測(cè)和診斷，主要包括CAN 的通信故障和功率器件的過載故障等。設(shè)計(jì)人員應(yīng)選用更加高效的C 編譯器，提高兼容性，同時(shí)要借助CCS 推出的軟件集成開發(fā)技術(shù)，更加科學(xué)的開展設(shè)計(jì)工作。

2.3 精準(zhǔn)執(zhí)行焊接機(jī)器人功能調(diào)試操作

在完成產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作之后，設(shè)計(jì)人員要對(duì)設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行功能調(diào)試。首先要檢查伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)極性，要依次施加小電流和大電流。在完成極性檢查之后，設(shè)計(jì)人員要對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動(dòng)情況進(jìn)行檢查，要確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)能夠根據(jù)預(yù)定的程序靈活的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在調(diào)試產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)時(shí)，要對(duì)基本軸進(jìn)行預(yù)先調(diào)試，接著要對(duì)機(jī)器人的腕部軸進(jìn)行調(diào)試，確保機(jī)器人能夠正常的完成上臂帶手腕回轉(zhuǎn)、機(jī)器人手腕上下運(yùn)動(dòng)以及機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)操作。

2.4 全面優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

從提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工作效率和工作質(zhì)量的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合設(shè)計(jì)要求對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。要借助電氣自動(dòng)化技術(shù)和操作平臺(tái)對(duì)已經(jīng)完成設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行試運(yùn)行，并找出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中可優(yōu)化設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。以采茶機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員可以將機(jī)械結(jié)構(gòu)改為懸臂梁式，即對(duì)傳統(tǒng)的Z軸改為與Y軸平行的結(jié)構(gòu)改變成左Y軸與右Y軸相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，并將左Z軸與右Z軸設(shè)置在兩Y軸上。在進(jìn)行滑臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，則要從有效控制三軸運(yùn)行的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有效運(yùn)行行程、長(zhǎng)度、最大速度以及重復(fù)定位精度等參數(shù)的控制。設(shè)計(jì)采摘爪手時(shí)，設(shè)計(jì)人員要提高其自動(dòng)化和智能化程度，要使用推拉式電磁鐵，電磁吸力可以幫助制動(dòng)，同時(shí)彈簧彈力可以幫助歸位，此外，在微型軸承的作用下，固定銷、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈間可以實(shí)現(xiàn)高效配合，從而提高作業(yè)效率。基于此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，必須依托于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐要求，對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定且易于操作。

3 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)成為一種必然發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于提高產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)以及經(jīng)營(yíng)水平有重要的推動(dòng)作用，而提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化以及智能化水平，成為決定機(jī)器人產(chǎn)業(yè)助推功能能夠發(fā)揮的關(guān)鍵?；诖?，產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)用人員要依托于電氣工程自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展背景，了解產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展要求，并有機(jī)的將電氣工程自動(dòng)化技術(shù)融入其中。具體應(yīng)關(guān)注搭建產(chǎn)業(yè)發(fā)展資源共享平臺(tái)，科學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，做好功能調(diào)試，同時(shí)要關(guān)注對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的全面優(yōu)化，以真正發(fā)揮出電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人功能的完善， 并最終提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)代優(yōu)化運(yùn)作水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉峰.淺析關(guān)于機(jī)器人夾爪位姿的過程調(diào)整[J].科技風(fēng)，2020（15）：155.

[2]楊國(guó)慶，黃銳，李健，等.智能服務(wù)機(jī)器人語(yǔ)音交互的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技視界，2020（09）：129-131.

[3]劉心.智能控制技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人控制領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（15）：177-178.

[4]王立忠.工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)及研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（05）：234-235.

[5]許鵬.工業(yè)機(jī)器人易編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，38（01）：49-52.