智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用研究

嚴(yán)培培

（江西科技學(xué)院人工智能學(xué)院，江西 南昌 330098）

1 智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)概述

發(fā)展智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)的主要目標(biāo)，是改善人類生活質(zhì)量、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，并獲得了顯著的應(yīng)用成就。尤其在智能機(jī)械制造領(lǐng)域，不僅提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化定制目標(biāo)，為豐富產(chǎn)品種類奠定了良好基礎(chǔ)。

智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)具有綜合性特點(diǎn)，整合了計(jì)算機(jī)、機(jī)械電子、控制論等學(xué)科知識(shí)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外越來越多學(xué)者投入到智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)研究討論中，對(duì)技術(shù)概念的界定基本趨于一致，即依靠智能化機(jī)器人本身具備的控制功能和動(dòng)力進(jìn)行機(jī)械制造。有學(xué)者對(duì)該技術(shù)的要素做出以下總結(jié)：第一，智能機(jī)器人是一個(gè)具備手、腳、大腦等與人體結(jié)構(gòu)相類似的個(gè)體；第二，具有接觸及非接觸傳感器；第三，具備擬人功能，能夠像真人一樣使用工具。

2 智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.1 智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)的主要特點(diǎn)

2.1.1 自動(dòng)化特點(diǎn)

所謂自動(dòng)化特點(diǎn)，就是無需人工操作。具體來說，在機(jī)械制造過程中引入智能機(jī)器人，可以有效提高數(shù)控技術(shù)自動(dòng)化水平，加快了行業(yè)自動(dòng)化發(fā)展速度。當(dāng)然，現(xiàn)如今機(jī)械制造領(lǐng)域在產(chǎn)品制造過程中逐漸向多樣化、個(gè)性化趨勢(shì)發(fā)展，雖然有效提高了自動(dòng)化水平，但并未完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化目標(biāo)，很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)依然需要依靠人力勞動(dòng)。而與傳統(tǒng)村人工勞動(dòng)方式相比，應(yīng)用智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)，可以有效提高機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率，同時(shí)降低生產(chǎn)成本和人工勞動(dòng)強(qiáng)度，可以為機(jī)械制造企業(yè)創(chuàng)造更高經(jīng)濟(jì)效益，有利于強(qiáng)化企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，使企業(yè)更好地適應(yīng)日新月異的市場(chǎng)環(huán)境，為機(jī)械制造領(lǐng)域改革創(chuàng)新提供了技術(shù)保障。

2.1.2 集成化特點(diǎn)

智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制造過程中，主要由智能化系統(tǒng)完成各生產(chǎn)環(huán)節(jié)。而系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，離不開信息集成技術(shù)的支撐。尤其近年來，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，為智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)優(yōu)化、完善奠定了良好基礎(chǔ)，使得機(jī)械制造自動(dòng)化、集成化特點(diǎn)日益突出。

2.1.3 精細(xì)化特點(diǎn)

隨著機(jī)械制造生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和品質(zhì)需求的不斷提高，機(jī)械制造行業(yè)也迎來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的發(fā)展局面，想要充分滿足機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)精度需求，就要積極引入智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)，充分發(fā)揮技術(shù)自動(dòng)化、精準(zhǔn)化生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)機(jī)械制造領(lǐng)域由傳統(tǒng)粗糙化生產(chǎn)不斷向精細(xì)化生產(chǎn)模式進(jìn)步。

2.2 智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)階段，機(jī)械生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，產(chǎn)品類型不斷豐富，使得傳統(tǒng)人工生產(chǎn)模式存在的弊端日益突出，已經(jīng)無法充分滿足新時(shí)期發(fā)展需求。而應(yīng)用智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工生產(chǎn)模式存在的不足。以上提到，智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)具有集成化、自動(dòng)化和精細(xì)化特點(diǎn)，這些特點(diǎn)均是傳統(tǒng)人工生產(chǎn)所不具備的。其優(yōu)勢(shì)可以從以下幾點(diǎn)分析：第一，加快了機(jī)械制造行業(yè)改革創(chuàng)新進(jìn)程，在實(shí)際應(yīng)用中能夠基于模塊化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，為行業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐；第二，智能機(jī)器人的集成化、自動(dòng)化系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械制造全過程監(jiān)督管理目標(biāo)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程存在的問題，便于及時(shí)防范。同時(shí)可以一次性同時(shí)完成多到工序，在提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮積極作用；第三，滿足機(jī)械生產(chǎn)一體化目標(biāo)，保證生產(chǎn)出的機(jī)械產(chǎn)品與現(xiàn)代化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一致，為機(jī)械制造行業(yè)健康發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，全面提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3 智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及創(chuàng)新思路

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，為了加快社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐，各級(jí)政府進(jìn)一步提高了機(jī)械制造行業(yè)創(chuàng)新改革重視程度，并強(qiáng)調(diào)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)。在這一背景下，智能化機(jī)械制造深入滲透到各行各業(yè)。智能化機(jī)器人數(shù)控技術(shù)作為智能化機(jī)械制造的典型代表，在新時(shí)期背景下應(yīng)用范圍也逐漸拓寬，其發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一階段為“七五”攻關(guān)計(jì)劃階段，即初級(jí)階段；第二階段為“九五”攻關(guān)計(jì)劃階段，為中級(jí)階段；第三階段為863 計(jì)劃階段，即現(xiàn)代化發(fā)展階段。在此過程中，智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)也不斷升級(jí)，并逐漸向成熟化趨勢(shì)發(fā)展，呈現(xiàn)出了廣闊發(fā)展前景。但由于我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)在智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)應(yīng)用方面起步較晚，所以與發(fā)達(dá)國(guó)家相比依然存在一定差距，主要體現(xiàn)在自主研發(fā)能力較差方面，需要相關(guān)專家和學(xué)者加大研發(fā)力度，研發(fā)出具備自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能機(jī)器人，使其更好地為機(jī)械制造行業(yè)提供服務(wù)。

3.2 創(chuàng)新思路

智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域，主要目標(biāo)是解放勞動(dòng)力，提高產(chǎn)品質(zhì)量和精度。具體來說，就是通過計(jì)算機(jī)編程，將人工操作轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化操作方式，以此來提高機(jī)械制造綜合水平。數(shù)控技術(shù)本身具有綜合性特點(diǎn)，其集合了計(jì)算機(jī)、光機(jī)、傳統(tǒng)機(jī)械等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)自動(dòng)化、精確化、高效化目標(biāo)。其設(shè)計(jì)思路如下：機(jī)械制造人員對(duì)已經(jīng)完成的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，并記錄產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在此基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)編程軟件將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編輯，使其形成系統(tǒng)化程序，而后復(fù)制到數(shù)控設(shè)備中。技術(shù)人員對(duì)程序進(jìn)行合理設(shè)置并調(diào)控后，由數(shù)控設(shè)備按照程序加工生產(chǎn)。在編程過程中，為了避免人為失誤，可以直接將圖紙與程序快速轉(zhuǎn)換。在智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，需要充分利用編碼器、傳感器等裝置，有效提高機(jī)械生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制水平。例如：在作業(yè)單檢測(cè)過程中，機(jī)械制造一體化作業(yè)單元的數(shù)控車床，通常為45°斜床身。在使用智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)對(duì)作業(yè)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，如圖1 所示。第一，智能機(jī)器人末端位于Q3 位置，在大臂、小臂或者刀架之間。如圖2 所示，智能機(jī)器人位于Q2 或Q4 位置，在大臂、小臂或前外殼之間。在坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程中，需要按照以下公式計(jì)算：

圖1 末端位于Q3 干涉

圖2 末端位于Q2、Q4 的干涉檢測(cè)

其中Z 代表智能機(jī)器人位于Q2 的位置，Zc代表智能機(jī)器人位于Q4 的位置，x 代表坐標(biāo)橫軸，r 代表末端干涉檢測(cè)結(jié)果。y 代表坐標(biāo)縱軸。當(dāng)智能機(jī)器人位于Q2 和Q4 位置，結(jié)果如公式所示。

4 智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用

4.1 在零件加工中的應(yīng)用

將智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)引入零件加工中，能夠有效提高零件精度，同時(shí)加快生產(chǎn)速度。具體來說，智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)機(jī)械制造領(lǐng)域逐漸向自動(dòng)化趨勢(shì)發(fā)展，在實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備發(fā)揮重要作用。應(yīng)用機(jī)械設(shè)備可以克服惡劣環(huán)境帶來的壓力，同時(shí)能夠快速完成人工操作難度大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，保證生產(chǎn)工序有序進(jìn)行。由此可見，智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)充分滿足了行業(yè)智能化生產(chǎn)需求。當(dāng)前，很多機(jī)械制造企業(yè)采用傳感型智能機(jī)器人對(duì)零件進(jìn)行生產(chǎn)加工，即利用計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程的傳感信息進(jìn)行控制和處理。例如：某機(jī)械制造企業(yè)需要加工一款形狀均勻的圓柱體金屬圓盤零件，該零件的直徑為200 mm，圓盤四周分布四個(gè)半圓凹槽，將（100，50）作為圓盤坐標(biāo)中心點(diǎn)，利用智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)對(duì)該零件進(jìn)行加工，可以將程序編號(hào)設(shè)置為xxxx，使智能機(jī)器人嚴(yán)格按照指令完成加工工作，以此來提高零件精確度。如圖3，為智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)實(shí)際應(yīng)用。

圖3 智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

4.2 在軌跡規(guī)劃中的應(yīng)用

零件拋光是機(jī)械制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其操作水平能夠直接影響零件尺寸的精準(zhǔn)度。在傳統(tǒng)機(jī)械制造中，主要采用人工方式進(jìn)行拋光，容易受人員素質(zhì)和操作能力影響產(chǎn)生質(zhì)量問題，導(dǎo)致生產(chǎn)出的零件不達(dá)標(biāo)，不僅浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力，還會(huì)增加生產(chǎn)成本。而引入智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)，可以在合理設(shè)定程序基礎(chǔ)上自動(dòng)完成拋光工作，有利于提高拋光效率，同時(shí)保證零件精準(zhǔn)度，從根源上減少了零件損壞率。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以采用交互型智能機(jī)器人，完成軌跡規(guī)劃工作。具體來說，就是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話目標(biāo)，并快速完成相關(guān)動(dòng)作。同時(shí)，智能機(jī)器人還能夠?qū)巧M(jìn)行處理，從而對(duì)軌跡進(jìn)行合理規(guī)劃。智能機(jī)器人運(yùn)行狀況與機(jī)械另加技工情況息息相關(guān)，這也在一定程度上突出了軌跡規(guī)劃的重要性。例如：將智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制造中，工作人員可以將CAM 軟件作為零件拋光的主要載體，完成自動(dòng)化拋光工作，在操作過程中，采用UG CAM 軟件，對(duì)型腔進(jìn)行掃描，可以準(zhǔn)確得到零件表層數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，利用映射功能，可以快速恢復(fù)復(fù)雜腔表層數(shù)控加工的正常軌跡。技術(shù)人員只需合理設(shè)置參數(shù)，就能夠完成零件拋光工作，從而提高拋光準(zhǔn)確度。

4.3 在激光測(cè)量中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的精準(zhǔn)度提出更高要求，促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也逐漸向產(chǎn)品精準(zhǔn)化方向發(fā)展。而應(yīng)用智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)，能夠?yàn)闄C(jī)械制造行業(yè)更好地適應(yīng)社會(huì)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。具體來說，在機(jī)械產(chǎn)品制造中引入自主型機(jī)器人激光測(cè)量技術(shù)，可以在無需人為干預(yù)的情況下，模擬人工操作完成測(cè)量工作。另外，自主型機(jī)器人激光測(cè)量技術(shù)具備較強(qiáng)的適應(yīng)性和交互性，尤其在精準(zhǔn)識(shí)別圖像、對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制等方面效果更加顯著，有利于提高機(jī)械制造的綜合水平。

4.4 在離線編程中的應(yīng)用

自主型智能機(jī)器人具備適應(yīng)能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠在沒有任何外部控制的條件下，自主完成機(jī)械加工控制工作。同時(shí)可以對(duì)附近環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，并結(jié)合環(huán)境要素自動(dòng)調(diào)整自身參數(shù)，使智能化生產(chǎn)活動(dòng)有序進(jìn)行，從根源上降低突發(fā)事件發(fā)生率。在機(jī)械產(chǎn)品實(shí)際加工中，自主型智能機(jī)器人應(yīng)用范圍逐漸拓寬，不僅能夠切實(shí)解決復(fù)雜問題，還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床存在的不足之處。例如：智能機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)離線編程目標(biāo)。在彎曲金屬板加工過程中，可以將CAD 圖形仿真法與離線編程的CAD 信息輔助性相結(jié)合，以此來完成單元設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，將智能機(jī)器人作為機(jī)械產(chǎn)品加工載體，投建自動(dòng)化處理系統(tǒng)，可以對(duì)2D 零件、3D 零件進(jìn)行精準(zhǔn)加工。在此過程中，智能機(jī)器人充分體現(xiàn)了自身自主性優(yōu)勢(shì)，有利于提高加工方案的精準(zhǔn)性。

4.5 在剛度優(yōu)化中的應(yīng)用

現(xiàn)如今，機(jī)械產(chǎn)品逐漸向多樣化趨勢(shì)發(fā)展，并且對(duì)精度質(zhì)量提出更高要求。眾所周知，機(jī)械產(chǎn)品的剛度與精度有密切聯(lián)系，引入智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)，能夠?qū)Ξa(chǎn)品剛度進(jìn)行優(yōu)化。簡(jiǎn)單來說，就是在傳統(tǒng)剛度映射模型基礎(chǔ)上，通過辨別實(shí)驗(yàn)方法，得出準(zhǔn)確的機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度。與此同時(shí)，還能夠?qū)C(jī)器人關(guān)節(jié)的加工位置、加工角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。處于智能機(jī)器人尾端的球體，會(huì)沿著機(jī)械產(chǎn)品加工曲面進(jìn)行眼神，采用遺產(chǎn)算法，即可對(duì)機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。另外，機(jī)械加工企業(yè)構(gòu)建剛度數(shù)學(xué)模型，同時(shí)確定剛度參數(shù)，在此基礎(chǔ)上明確執(zhí)行器力以及矩與力。同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性，判斷切削力的最佳值，以此來得出智能機(jī)器人加工制造的最佳位置。

5 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)械制造在帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用，新時(shí)期背景下逐漸向智能化趨勢(shì)發(fā)展。并廣泛應(yīng)用智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)，在一定程度上提高了機(jī)械產(chǎn)品制造效率和質(zhì)量，充分滿足了產(chǎn)品高精度加工需求。當(dāng)前，隨著科技不斷進(jìn)步，越來越多的智能機(jī)器人數(shù)控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且應(yīng)用范圍越來越廣泛，已經(jīng)基本取代了傳統(tǒng)人工生產(chǎn)和半自動(dòng)生產(chǎn)模式，為促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。