基于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動化控制中的實(shí)踐分析

萬蕾，凌中水，姚兆鳳，夏燕玲

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽安慶，246000）

0 引言

工業(yè)發(fā)展作為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán)，如何推動工業(yè)生產(chǎn)的智能化、自動化發(fā)展愈發(fā)受到人們的重視。而作為高新技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新下的融合產(chǎn)物，工業(yè)機(jī)器人在自動化控制領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要作用。并且隨著我國相關(guān)福利政策的陸續(xù)出臺，促使自動化控制領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。正因此，探討自動化控制中工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，對于助力我國自動化控制領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展有著重要影響。

1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)概述

1.1 特點(diǎn)分析

分析工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：（1）高度自由化。機(jī)器人控制系統(tǒng)中伺服機(jī)構(gòu)的數(shù)量直接影響到系統(tǒng)控制能力，且以自由度的形式進(jìn)行伺服機(jī)構(gòu)的體現(xiàn)[1]。所以通常情況下，會通過自由度形式的體現(xiàn)來表達(dá)機(jī)器人控制能力。不同結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人自由度存在一定差異，如簡單機(jī)器人自由度相對較低，而復(fù)雜機(jī)器人會在控制能力逐漸強(qiáng)化的過程中持續(xù)增加自由度。據(jù)相關(guān)資料表明，目前工業(yè)機(jī)器人自由度最高可近百。（2）計(jì)算機(jī)高度參與。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行控制主要以計(jì)算機(jī)為載體，以計(jì)算機(jī)操控的形式讓機(jī)器人遵循其指令進(jìn)行規(guī)范化運(yùn)作。（3）通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算可以為機(jī)器人運(yùn)行提供多種路徑，并通過對最佳路徑的選擇來達(dá)到高效運(yùn)行的目的[2]。

1.2 功能分析

自動控制中工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用涉及到諸多功能體現(xiàn)，具體包括：（1）示教再現(xiàn)。即在運(yùn)行期間以機(jī)器人為載體進(jìn)行相關(guān)信息的輸入，且機(jī)器人會通過特定位置存儲來達(dá)到信息長效管理的目的。當(dāng)相關(guān)人員需借助該信息開展講解、演示時(shí)，可通過相應(yīng)操作提取信息實(shí)現(xiàn)示教再現(xiàn)[3]。（2）運(yùn)動控制。即在運(yùn)行期間通過不同指令輸入與操控，完成對工業(yè)機(jī)器人的移速、形態(tài)、動作調(diào)整等。（3）計(jì)算。即運(yùn)行期間可自動對周圍信息采集，并通過對數(shù)據(jù)的分析計(jì)算來判斷運(yùn)行實(shí)際情況，在此基礎(chǔ)上依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行作業(yè)軌跡的合理規(guī)劃，最后借助伺服運(yùn)動控制來達(dá)到機(jī)器人高效運(yùn)作的目的。（4）反饋。機(jī)器人運(yùn)作期間其位置、姿勢及其狀態(tài)等方面會隨著指令程序的變化而發(fā)生改變，而在機(jī)器人動態(tài)變化期間，能夠做到自主采集變化信息并實(shí)時(shí)傳遞至主控系統(tǒng)，以確保工作人員能夠全面掌握機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)[4]。分析工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行原理，具體如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)行原理

2 工業(yè)機(jī)器人控制方式與結(jié)構(gòu)

2.1 控制方式

不同控制方式的應(yīng)用對于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行控制效果不同，當(dāng)前常用控制方式包括：（1）力控制。是指機(jī)器人在運(yùn)作期間進(jìn)行用力程度的合理控制，只有保證機(jī)器人用力程度的精準(zhǔn)控制，才能保證在運(yùn)作期間脆弱產(chǎn)品不受機(jī)器人的影響，避免因產(chǎn)品損壞而增大企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失[5]。（2）點(diǎn)位控制。是指以末端執(zhí)行器為控制主體，依據(jù)其實(shí)際運(yùn)行需求的分析進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)行位置的精準(zhǔn)控制，以確保機(jī)器人可以在特定位置順利完成作業(yè)任務(wù)。需注意，運(yùn)動軌跡不受到機(jī)器人點(diǎn)位的控制。（3）智能控制。作為工業(yè)機(jī)器人運(yùn)作中最為智能化、現(xiàn)代化的控制手段，主要是以相關(guān)信息的全面采集為前提，通過智能分析、計(jì)算，并結(jié)合相關(guān)知識實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行問題的智能化判斷，自主制定相關(guān)方案并對問題加以解決。（4）連續(xù)軌跡控制。該控制方式的應(yīng)用同樣作用于機(jī)器人末端執(zhí)行器，在運(yùn)行期實(shí)施連續(xù)軌跡控制來保證作業(yè)過程的順利進(jìn)行。同時(shí)，機(jī)器人運(yùn)行順序、速度等均受到連續(xù)軌跡控制的操控，以確保機(jī)器人各項(xiàng)操作精準(zhǔn)性的提升。

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 集中控制結(jié)構(gòu)

在以往機(jī)器人自動控制中集中控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為常見，主要是以單臺計(jì)算機(jī)完成對機(jī)器人系統(tǒng)的整體控制[6]。相較于雙計(jì)算機(jī)控制而言，集中控制應(yīng)用盡管在成本控制等方面存在一定優(yōu)勢，但是因系統(tǒng)整體控制完全依賴于一臺計(jì)算機(jī)，所以對計(jì)算機(jī)的性能、功能要求較為嚴(yán)格。所以集中控制結(jié)構(gòu)在以往機(jī)器人控制中的應(yīng)用較為常見，能夠在一定程度滿足工業(yè)制造生產(chǎn)需求。但是隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，促使集中控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用逐漸與工業(yè)生產(chǎn)需求相脫節(jié)，再加上以往計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制性，使得此結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出功能單一、運(yùn)行速率慢等問題。所以，在現(xiàn)階段我國工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，集中控制結(jié)構(gòu)機(jī)器人逐步被淘汰。

2.2.2 主從式控制結(jié)合

隨著傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人無法滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需求，更為先進(jìn)且科學(xué)的機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)逐漸走進(jìn)人們的視野[7]。其中主從式控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅有助于提升工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行效率，亦可以借助更為科學(xué)的結(jié)構(gòu)控制方式來促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人功能豐富。以MOTORMAN弧焊機(jī)器人為例，主要以兩臺獨(dú)立運(yùn)行計(jì)算機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)（如圖2）。其中一臺設(shè)定為一級計(jì)算機(jī)，主要作用體現(xiàn)為對機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體性控制，基于人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)的前提下，能夠依托于語言編輯來促進(jìn)機(jī)器人控制優(yōu)化。另外，該控制結(jié)構(gòu)機(jī)器人具備數(shù)據(jù)計(jì)算能力，在軌跡控制過程中借助計(jì)算功能進(jìn)行設(shè)定坐標(biāo)的數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)。另一臺被設(shè)定為二級計(jì)算機(jī)，其作用體現(xiàn)為對關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)的獲取與控制，機(jī)器人運(yùn)行期間依托于二級計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)算結(jié)構(gòu)獲取，在接收上級下達(dá)控制指令后為各內(nèi)存系統(tǒng)、執(zhí)行器下達(dá)指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的高效、精準(zhǔn)控制。該控制結(jié)構(gòu)機(jī)器人的應(yīng)用，各CPU之間的連接可利用內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)，做到在運(yùn)行期間對信息交換、傳輸?shù)囊淮涡酝瓿?。需注意，?dāng)前主從控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以兩臺計(jì)算機(jī)的應(yīng)用最佳，若涉及到多臺計(jì)算機(jī)的共同設(shè)置，極易因耦合松散問題的存在影響到機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖2 主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 分布式控制

現(xiàn)階段分布式結(jié)構(gòu)在工業(yè)機(jī)器人控制中的應(yīng)用較為普及，不同于其它控制形式而言，分布式控制強(qiáng)調(diào)以主控計(jì)算機(jī)完成對機(jī)器人系統(tǒng)的整體性管理，并依托于自身強(qiáng)化的運(yùn)算、分析能力進(jìn)行坐標(biāo)指令的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，并在此基礎(chǔ)上完成對機(jī)器人軌跡自動控制。同時(shí)將多個(gè)CPU設(shè)置于機(jī)器人下級控制模塊中，其中機(jī)器人不同關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)分別對應(yīng)一個(gè)CPU[8]。此種控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用不僅在控制效率方面存在優(yōu)勢，同時(shí)還存在處理速度快、控制精準(zhǔn)等方面的優(yōu)化。針對上級計(jì)算機(jī)與CPU的連接，主要依托于對總線的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動化控制中的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 鑄造行業(yè)應(yīng)用

受限于環(huán)境、技術(shù)等方面的影響，使得我國工業(yè)鑄造領(lǐng)域發(fā)展中噪音、粉塵等問題長期存在，再加上傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)對于人工操作過于依賴，使得產(chǎn)品鑄造質(zhì)量始終無法得到顯著提升。而借助工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，通過對人工操作模式的全面取代，能夠在促進(jìn)產(chǎn)品鑄造效率顯著提升的同時(shí)，避免過于惡劣的環(huán)境對人員身體健康造成影響。

圖3 分布式控制結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際鑄造生產(chǎn)期間，依托于軟硬件應(yīng)用構(gòu)成機(jī)器人系統(tǒng)，以Windows CE作為工業(yè)機(jī)器人的控制平臺，依據(jù)對機(jī)器人運(yùn)行要求、鑄造工藝的分析，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)置機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)，并保證將機(jī)器人的定位精度控制在±0.5mm范圍內(nèi)，避免因定位偏差過大而影響到鑄造質(zhì)量。對于硬件系統(tǒng)而言，主要是借助人機(jī)交互、伺服機(jī)構(gòu)、運(yùn)動控制等模塊構(gòu)建機(jī)器人控制系統(tǒng)，其中運(yùn)動控制模塊作為機(jī)器人的中樞核心，主要負(fù)責(zé)在運(yùn)行期間進(jìn)行相關(guān)信息的采集與分析，依托于控制算法應(yīng)用進(jìn)行運(yùn)動軌跡的合理設(shè)計(jì)，以確保通過機(jī)器人控制來促進(jìn)鑄造作業(yè)過程的順利進(jìn)行 。伺服機(jī)構(gòu)主要作用是為機(jī)器人進(jìn)行動力提供，為保證機(jī)器人作業(yè)的穩(wěn)定性，需做到依據(jù)電機(jī)性能、參數(shù)的分析來合理選擇驅(qū)動器。人機(jī)交互模塊的設(shè)置主要作用體現(xiàn)為機(jī)器人控制的強(qiáng)化，并以可視化的方式為工作人員提供操作選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)通過人機(jī)交互來提升機(jī)器人控制效果。

3.2 汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用

汽車制造領(lǐng)域中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用較為廣泛，合理地將機(jī)器人應(yīng)用于各汽車制造環(huán)節(jié)，可以在顯著促進(jìn)汽車制造效率提升的同時(shí)，保證其制造品質(zhì)符合預(yù)期要求。針對不同制造環(huán)節(jié)機(jī)器人的應(yīng)用，具體包括：（1）裝配機(jī)器人。機(jī)器人應(yīng)用主要是以汽車裝配要求的分析為前提，在合理配置智能化工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，通過對多套操作模式的合理設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)借助機(jī)器人進(jìn)行不同配置汽車的高效率裝配。同時(shí)，得益于裝配機(jī)器人的有效應(yīng)用，能夠在保證汽車裝配質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，進(jìn)一步促進(jìn)汽車裝配效率的提升。另外，為確保機(jī)器人的工作強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際裝配工作開展需求，需依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動控制、執(zhí)行程序等方面的合理設(shè)計(jì)。（2）檢測機(jī)器人。該類型機(jī)器人主要作用在于對相關(guān)構(gòu)件尺寸信息的檢測，依托于對測量控制、視覺傳感等技術(shù)的應(yīng)用，促使機(jī)器人在運(yùn)行階段能夠做到對汽車構(gòu)配件圖像信息的全面獲取，并結(jié)合相關(guān)公式進(jìn)行尺寸的精準(zhǔn)計(jì)算。以構(gòu)配件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為基準(zhǔn)，進(jìn)行構(gòu)配件成品尺寸的對照、比對，判斷汽車各構(gòu)配件的生產(chǎn)是否符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求。（3）搬運(yùn)機(jī)器人。相較于人力運(yùn)輸而言，機(jī)器人搬運(yùn)在效率方面存在顯著優(yōu)勢。尤其是對于部分大型構(gòu)件而言，可借助搬運(yùn)機(jī)器人完成對構(gòu)配件的高效率搬運(yùn)，并為汽車制造的高品質(zhì)開展打下良好基礎(chǔ)。（4）噴涂機(jī)器人。汽車噴涂作業(yè)開展一方面有助于提升汽車整體外觀的美觀性，另一方面則可加強(qiáng)對汽車構(gòu)配件的防護(hù)。借助對噴涂機(jī)器人的合理應(yīng)用，以運(yùn)動軌跡控制為前提，通過結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要去進(jìn)行噴涂參數(shù)的科學(xué)設(shè)定，能夠讓機(jī)器人依據(jù)指令開展更為規(guī)范、專業(yè)的噴涂工作，通過取代人工噴涂來有效規(guī)避噴涂不合理、不到位等問題的出現(xiàn)。

4 結(jié)束語

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的廣泛普及與持續(xù)發(fā)展不僅有助于推動我國工業(yè)生產(chǎn)的智能化、自動化發(fā)展，亦可以借助工業(yè)機(jī)器人自動化控制的形式來促進(jìn)工業(yè)企業(yè)增大經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造。鑒于此，需繼續(xù)加大對工業(yè)機(jī)器人在自動化控制領(lǐng)域中應(yīng)用的研究，通過持續(xù)創(chuàng)新、完善工業(yè)機(jī)器人技術(shù)來助力我國“智能制造2025”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。