工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用

宮佳軻，晉學(xué)猛，吳 凱

（1.濟(jì)南中正金碼科技有限公司，山東濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南易久自動(dòng)化技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

1 工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化控制概述

工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用的初期，有關(guān)機(jī)械數(shù)據(jù)反饋是作為機(jī)器人自動(dòng)化的基礎(chǔ)。由于智能化的加深，導(dǎo)致社會(huì)的需求轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)，現(xiàn)代自動(dòng)控制是指利用智能控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的間接控制，無(wú)需人為干預(yù)，通過(guò)認(rèn)識(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的框架條件，堅(jiān)持自動(dòng)控制技術(shù)的基本原理，可以穩(wěn)步推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的無(wú)人工智能控制，達(dá)到主要國(guó)際上認(rèn)可的工業(yè)生產(chǎn)由機(jī)械自動(dòng)控制的成果[1]。

1.1 工業(yè)機(jī)器人的原理特性

①自由度高?？梢愿鶕?jù)自身的動(dòng)力和控制力自動(dòng)執(zhí)行指令，這是工業(yè)機(jī)器人不亞于人工生產(chǎn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于其實(shí)現(xiàn)了人工智能技術(shù)的基本原理，工業(yè)機(jī)器人可以接受人類(lèi)指令并按照開(kāi)發(fā)的程序自主工作，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)如今的自動(dòng)化領(lǐng)域，可以讓技術(shù)人員快速輸入程序，根據(jù)機(jī)器人自身功能保存相關(guān)輸入信息，然后根據(jù)運(yùn)行情況自動(dòng)檢索信息，為后續(xù)控制工作提供重要保障。②應(yīng)用管理功能。在機(jī)器人控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)下，其姿態(tài)、狀態(tài)和位置都不是靜止的，會(huì)對(duì)后續(xù)工作產(chǎn)生一定的影響。工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵功能是應(yīng)用控制功能，不僅可以保持機(jī)器人進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)基本的速度和運(yùn)動(dòng)形態(tài)，采取有效的控制，還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果自主分析出周?chē)畔⑴c隱患，并通過(guò)得到的反饋數(shù)據(jù)設(shè)置運(yùn)動(dòng)路徑，從而改進(jìn)其整體的控制方式[2]。③數(shù)據(jù)回放。在機(jī)器人自主應(yīng)用其控制系統(tǒng)之前，必須將相關(guān)信息輸入給機(jī)器人，這些信息將存儲(chǔ)在指定的地方，如果需要使用這些信息，它們將會(huì)被提取并解釋?zhuān)瑥亩浞职l(fā)揮機(jī)器人學(xué)習(xí)和作業(yè)的能力[4]。

1.2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成

它配備了一個(gè)處理器和一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)單元。該應(yīng)用程序的主要功能是設(shè)置多個(gè)參數(shù)并根據(jù)人類(lèi)與計(jì)算機(jī)的交互進(jìn)行學(xué)習(xí)。觸控應(yīng)用主要包括觸覺(jué)、視覺(jué)和力傳感器，應(yīng)用的主要功能是捕捉各種信息，可以有效實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的控制。軸控制器具有很高的應(yīng)用價(jià)值，主要用于控制工業(yè)機(jī)器人和各個(gè)工作環(huán)節(jié)的速度。各種輔助設(shè)備的控制主要與工業(yè)機(jī)器人配套使用，是重要的輔助應(yīng)用設(shè)備[3]。

1.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)特征

①機(jī)器人控制器與機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)，可以在提供機(jī)器手臂和腿在各種坐標(biāo)系下的狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況選擇基坐標(biāo)，并相應(yīng)調(diào)整坐標(biāo)。②在正常情況下，機(jī)器人有很多方式和路徑來(lái)完成一個(gè)動(dòng)作，從而導(dǎo)致一個(gè)“最優(yōu)”任務(wù)的完成。對(duì)于高級(jí)別的機(jī)器人，可以利用人工智能過(guò)程，在計(jì)算機(jī)的幫助下建立信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)決策、指揮和控制等操作[4]。③人-機(jī)交互。指操作人員用來(lái)控制機(jī)器人并與之交互的設(shè)備，該系統(tǒng)可分為兩類(lèi)：學(xué)習(xí)設(shè)備和信息顯示設(shè)備，就像計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)和屏幕。以一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人為例，該機(jī)器人系統(tǒng)由一個(gè)便攜式編程器和一個(gè)控制柜組成，機(jī)器人主要通過(guò)學(xué)習(xí)盒和控制柜與自身進(jìn)行通信，還可在示教器上顯示相關(guān)信息，為信息顯示裝置，是一個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)[5]。④力矩控制與智能控制。扭矩控制的主要應(yīng)用是工業(yè)機(jī)器人在拾取和放置各種物體和組裝物體中的應(yīng)用，需要對(duì)位置點(diǎn)進(jìn)行控制，為各種工作任務(wù)施加最合適的扭矩。在具體應(yīng)用中，工業(yè)機(jī)器人需要充分發(fā)揮傳感器的價(jià)值，應(yīng)對(duì)不同環(huán)境的較大變化。智能控制方法相關(guān)的具體解決方案是根據(jù)其中存儲(chǔ)的知識(shí)制定的，應(yīng)用智能控制方法可以提高機(jī)器人的自學(xué)習(xí)能力和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[3]。

2 工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的具體應(yīng)用

2.1 工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)制造行業(yè)的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用最多的行業(yè)是汽車(chē)制造，而其中采用焊接機(jī)器人的占比超過(guò)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的一半，在汽車(chē)制造業(yè)中機(jī)器人已經(jīng)代替大多數(shù)的人工操作。因此，在工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)節(jié)利用工業(yè)機(jī)器人，是符合國(guó)際發(fā)展與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的必經(jīng)之路，工業(yè)機(jī)器人的利用顯著提高了汽車(chē)行業(yè)的生產(chǎn)效率，在減少勞動(dòng)力浪費(fèi)的前提下保證汽車(chē)的質(zhì)量?，F(xiàn)如今如何更好地應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人已成為這些制造企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)和戰(zhàn)略，也從而極大地推動(dòng)了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。例如，在工業(yè)機(jī)器人引入之前的生產(chǎn)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造商主要通過(guò)人工操作來(lái)完成汽車(chē)生產(chǎn)任務(wù)，每個(gè)工人維護(hù)的機(jī)器不能超過(guò)兩臺(tái)，難以增加企業(yè)的利潤(rùn)。而一個(gè)工業(yè)機(jī)器人可以獨(dú)立控制多個(gè)汽車(chē)工藝和制造設(shè)備來(lái)執(zhí)行生產(chǎn)和加工任務(wù)，引入工業(yè)機(jī)器人后，國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)在職人員增速明顯放緩，但汽車(chē)行業(yè)整體表現(xiàn)大幅提升，說(shuō)明工業(yè)機(jī)器人的使用發(fā)揮了重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械臂將鋼板加工材料引入沖擊機(jī)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，極大降低了發(fā)生工業(yè)事故的可能性[4]。

2.2 工業(yè)機(jī)器人在橡膠及塑料工業(yè)的應(yīng)用

在橡塑行業(yè)，對(duì)機(jī)器人的質(zhì)量要求程度高，要完成生產(chǎn)任務(wù)，必須與實(shí)際情況密切調(diào)控。在機(jī)械工程領(lǐng)域，現(xiàn)階段橡塑的生產(chǎn)與加工技術(shù)之間有著密切的關(guān)系，為了保證日常加工中的最終生產(chǎn)效果，需要選擇合適的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。精細(xì)化生產(chǎn)，確保成品和半成品非常堅(jiān)固，提高工藝的整體效率。目前各行各業(yè)發(fā)展都比較強(qiáng)勁，我國(guó)塑料工業(yè)要想在世界上占有一席之地，就必須嚴(yán)格遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，選擇更先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品，充分利用工業(yè)機(jī)器人。并進(jìn)行手工無(wú)法完成的高強(qiáng)度制造作業(yè)。為實(shí)際生產(chǎn)創(chuàng)造更高的價(jià)值。比如有些應(yīng)用可以采用主從控制方式加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，在使用工業(yè)機(jī)器人時(shí)，連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，做好分級(jí)控制，即時(shí)翻譯機(jī)器人語(yǔ)言，達(dá)到人機(jī)交互的效果。

2.3 裝配機(jī)器人

在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，裝配任務(wù)是比較繁瑣的任務(wù)，傳統(tǒng)的人工操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由于其性能比較繁瑣，這項(xiàng)作業(yè)對(duì)機(jī)器人的要求也比較高。參與裝配工作的機(jī)器人配備了圖像傳感器、接觸傳感器等多種傳感裝置，可以保證工業(yè)機(jī)器人的精度，保證工業(yè)機(jī)器人更準(zhǔn)確地感知工作物體，做出準(zhǔn)確地判斷，保證安裝工作完成。使用裝配機(jī)器人不僅可以提高工作精度，還可以節(jié)省勞動(dòng)時(shí)間，提高工作效率[6]。

2.4 材料搬運(yùn)機(jī)器人

工業(yè)生產(chǎn)中，總是有超重的物品需要搬運(yùn)，物料搬運(yùn)費(fèi)力，而超重的物品不能靠人力搬運(yùn)，需要機(jī)械臂。機(jī)械臂力量大，可以搬運(yùn)較重的物體，機(jī)械臂的作業(yè)主要有碼垛、零件揀取、卸料等固定作業(yè)[6]。

3 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

從宏觀經(jīng)濟(jì)來(lái)看，近年來(lái)我國(guó)先進(jìn)的技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，例如數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)化技術(shù)、3D 立體打印技術(shù)等，這些高新技術(shù)都可用于工業(yè)機(jī)器人的控制器中，從而提升其控制系統(tǒng)的性能。從實(shí)際應(yīng)用程度來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)不僅可以用于工業(yè)生產(chǎn)等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化控制，在醫(yī)藥、食品加工等其他行業(yè)也有非常顯著的應(yīng)用成果。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)不斷地研究、開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的精度也會(huì)隨之得到提高，并應(yīng)用于更加廣闊的自動(dòng)控制領(lǐng)域，有助于提高該技術(shù)應(yīng)用的落實(shí)。此外，未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)將繼續(xù)向仿生學(xué)方向發(fā)展，該技術(shù)的研究和創(chuàng)新應(yīng)從AI 層面入手，如何創(chuàng)造出更加智能的機(jī)器人是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)所向，目前解決的工業(yè)機(jī)器人行走時(shí)滑動(dòng)的問(wèn)題，可在自動(dòng)化控制的應(yīng)用中進(jìn)一步保證其操作的安全[7]。

3.1 配合PLC技術(shù)

可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)程和信息管理功能。在過(guò)程控制中，需要對(duì)溫度、壓力等機(jī)器人模擬值進(jìn)行控制，提出更科學(xué)地優(yōu)化措施，改變工業(yè)機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到最優(yōu)的工作效果。從信息管理的角度來(lái)看，要根據(jù)機(jī)器人傳輸系統(tǒng)滿足信息處理和存儲(chǔ)的要求，消除以往序列管理的不足。隨著我國(guó)科技水平的不斷提高，采用PLC 技術(shù)，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，通過(guò)信息的傳輸滿足智能說(shuō)明書(shū)的需求?？梢杂行岣吖I(yè)機(jī)器人的應(yīng)用效果。在遙控方面，要求精度更高，通過(guò)控制物體的運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)精確操作，有效提高工業(yè)機(jī)器人的智能化發(fā)展水平，讓工業(yè)機(jī)器人改進(jìn)自動(dòng)控制工作方式，提高整體效果[2]。

3.2 邏輯控制技術(shù)

邏輯控制技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用非常重要?？偟膩?lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)屬于信息傳輸控制系統(tǒng)，包括信息采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，集成邏輯控制技術(shù)可以對(duì)應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)控制，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成移動(dòng)端控制任務(wù)，滿足綜合管控的需要。通過(guò)遠(yuǎn)程控制，機(jī)器人在得到適當(dāng)指令時(shí)可以執(zhí)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)作，完成對(duì)機(jī)器人的整體控制，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)軌跡方面，可以按照邏輯控制技術(shù)和可編程技術(shù)進(jìn)行日常操作，凸顯了工業(yè)機(jī)器人的控制精度。在實(shí)際工作中，必須根據(jù)控制目標(biāo)對(duì)機(jī)器人路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，以提高整體控制精度和工作質(zhì)量。通過(guò)實(shí)施邏輯控制技術(shù)，要求控制機(jī)器人的位置，用智能系統(tǒng)明確與目標(biāo)的距離，科學(xué)規(guī)劃路徑，更快到達(dá)目標(biāo)，更有秩序地開(kāi)展后續(xù)工作，全面提升機(jī)器人飛行器的控制能力。需要為機(jī)器人配備觸覺(jué)和視覺(jué)傳感器，以滿足各種環(huán)境下的工作需要，提高工業(yè)機(jī)器人的操作控制水平[2]。

3.3 數(shù)控機(jī)械領(lǐng)域

機(jī)器人技術(shù)在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用旨在使智能工程的優(yōu)勢(shì)能夠有效推廣，特別是對(duì)主要生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工作進(jìn)行必要的研究，使各種措施滿足人類(lèi)的需求，操作得到有效解決，自動(dòng)化精準(zhǔn)支撐半自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的發(fā)展。機(jī)械數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)全面總結(jié)計(jì)算機(jī)編程的價(jià)值，特別是對(duì)加工所需的控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面分析，使機(jī)械數(shù)控控制臺(tái)更加智能化，使數(shù)控技術(shù)能夠與光機(jī)技術(shù)相結(jié)合成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的充分發(fā)揮。在數(shù)控機(jī)械技術(shù)集成加工過(guò)程中，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用可以使機(jī)械精度更可控，特別是可以更有效地節(jié)省人工成本，保證數(shù)控技術(shù)設(shè)計(jì)思路的提高。機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)更加注重產(chǎn)品的測(cè)量，特別是有效研究數(shù)據(jù)、圖紙等基礎(chǔ)信息，通過(guò)編程軟件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理程序的合理調(diào)整，從而滿足復(fù)制控制的需要。數(shù)控設(shè)備到位，確保智能機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床技術(shù)的使用提供了更理想的工作條件。技術(shù)人員需要根據(jù)控制程序的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)編程細(xì)節(jié)，盡可能減少人工編程量，辦公軟件在應(yīng)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電子圖紙和程序的轉(zhuǎn)換和刪除，為獲得一個(gè)更完善的CNC 機(jī)器人創(chuàng)造了有利條件。在機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用中，電子繪圖的優(yōu)勢(shì)將得到更充分的體現(xiàn)，編碼器、傳感器等設(shè)備將在更高層次上集成應(yīng)用，自動(dòng)控制技術(shù)也將發(fā)展出更高的應(yīng)用價(jià)值[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

手工勞動(dòng)長(zhǎng)期以來(lái)一直是主要的生產(chǎn)加工方式，因此工業(yè)生產(chǎn)的成本大部分在勞動(dòng)力投入方面，工廠每日正常的生產(chǎn)效率與人力投入掛鉤，工人的壓力和勞動(dòng)強(qiáng)度與工廠的利益掛鉤。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)可為普通工廠每年節(jié)約幾萬(wàn)甚至是幾十萬(wàn)的勞動(dòng)力成本，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)24h 作業(yè)，為工廠創(chuàng)造相較以往更為巨大的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)分析工業(yè)機(jī)器人的原理特性，配合PLC 技術(shù)與邏輯控制技術(shù)，進(jìn)一步在橡膠及塑料、汽車(chē)制造、裝配、材料搬運(yùn)等工業(yè)環(huán)節(jié)加深研究力度，重視技術(shù)創(chuàng)新與操作實(shí)用性。如今，隨著科技的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中完全代替人工控制的可能將會(huì)實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相輔相成，兩者的緊密結(jié)合為工業(yè)生產(chǎn)提供了明顯的高效率作業(yè)，減輕生產(chǎn)線作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量，還一定程度上保證了他們的人身安全，避免由于復(fù)雜的操作造成嚴(yán)重的人身安全隱患。