機(jī)械臂工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化現(xiàn)狀分析

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摘要：工業(yè)機(jī)械臂作為一種仿生機(jī)電設(shè)備，具有工作空間大、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢，已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的主要技術(shù)手段。展開對機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的現(xiàn)狀分析有助于普及和提升機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)。對此本文對機(jī)械臂的發(fā)展現(xiàn)狀展開論述分析，提出機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展存在的不足，結(jié)合工業(yè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和性能以及在行業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用分析，以期能夠有效推動(dòng)工業(yè)機(jī)械臂的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；工業(yè)生產(chǎn)；自動(dòng)化；現(xiàn)狀

引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，社會(huì)各行業(yè)實(shí)現(xiàn)了信息化、智能化、精細(xì)化發(fā)展，傳統(tǒng)的人工操作已經(jīng)不能夠滿足生產(chǎn)制造需求了。而人工智能技術(shù)的發(fā)展，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中，代替人工操作流程，展開自動(dòng)化生產(chǎn)。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)化機(jī)械裝置當(dāng)屬機(jī)械臂，它不僅僅在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用空間，在娛樂服務(wù)、醫(yī)療行業(yè)、軍事等領(lǐng)域都能夠廣泛應(yīng)用到。利用工業(yè)機(jī)械臂一方面可以操縱機(jī)械構(gòu)件模仿人類的手臂和腦力功能，完成各種作業(yè)的自動(dòng)控制，完成作業(yè)要求；另一方面是工業(yè)機(jī)械臂技術(shù)應(yīng)用逐漸普及化，采用機(jī)械臂生產(chǎn)制造效率和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工操作，因此具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。總之，機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化已經(jīng)成為一個(gè)新的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

1機(jī)械臂概述

1.1機(jī)械臂概述

工業(yè)機(jī)械臂是一種仿生機(jī)電設(shè)備，能夠通過借助人工智能技術(shù)，模擬展開人手動(dòng)作來改變物體的位姿達(dá)到生產(chǎn)加工的效果。如，工業(yè)機(jī)械臂可以完成搬運(yùn)、焊接等工作，還可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互技術(shù)，應(yīng)用到一些勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)行業(yè)中。一般來說，機(jī)械臂由五個(gè)空間定位的自由度和一個(gè)用來夾持物體的自由度組成。

1.2工業(yè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)械臂是一個(gè)費(fèi)力杠桿結(jié)構(gòu)，其硬件設(shè)施主要由回轉(zhuǎn)部、大臂、小臂以及腕部組成?；剞D(zhuǎn)部控制機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，循環(huán)展開作業(yè)；大臂和小臂主要是配合實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在空間位置上的移動(dòng)。如，前后、上下等位置控制；而腕部則是實(shí)現(xiàn)俯仰軸和擺動(dòng)動(dòng)作。不論是在哪一個(gè)行業(yè)生產(chǎn)流程中，機(jī)械臂的四個(gè)結(jié)構(gòu)部件相互配合都能夠完成作業(yè)流程軌跡。組成大小臂、回轉(zhuǎn)部和腕部都是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制軟件和各種硬件部件所組成的。而一整套的機(jī)械臂還需要有舵機(jī)、PLC、電源等機(jī)電設(shè)備。硬件設(shè)施確保工業(yè)機(jī)械臂能夠完成各種作業(yè)加工動(dòng)作；而機(jī)械臂的軟件設(shè)施則是確保機(jī)械臂系統(tǒng)能夠按照既定的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，展開精準(zhǔn)化的自動(dòng)化加工。工業(yè)機(jī)械臂如圖1所示。

1.2.1大小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械臂的大小臂都是平衡缸、電動(dòng)缸和大臂梁等硬件組成，大小臂均組建成平行四邊形框架結(jié)構(gòu)形式，在大小臂的電動(dòng)缸上均安裝有機(jī)電系統(tǒng)，其能夠通過離合器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)推桿的角度變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的水平和豎直方向的移動(dòng)。

1.2.2機(jī)械回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、渦輪、渦桿、回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)軸等零部件組成。在作業(yè)中，回轉(zhuǎn)部的2臺伺服電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，帶動(dòng)渦桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得同渦桿鏈接的機(jī)械機(jī)體可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)作業(yè)。工業(yè)機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)部結(jié)構(gòu)可傳遞扭矩大小情況直接影響著工業(yè)機(jī)械臂的作業(yè)效率和精準(zhǔn)度。

1.2.3機(jī)械臂腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腕部是由渦輪渦桿傳動(dòng)副、支撐桿、4臺伺服電機(jī)、輸出法蘭等部門組成。在機(jī)械臂作業(yè)中，需要展開擺軸和俯仰動(dòng)作，從而完成一些重復(fù)性的工業(yè)作業(yè)。如，同一個(gè)位置的焊接工藝。因此腕部結(jié)構(gòu)就依靠差動(dòng)原理，通過計(jì)算機(jī)控制軟件，將差動(dòng)輸入單元進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，達(dá)到控制兩側(cè)渦輪做出擺軸和俯仰軸的動(dòng)作。

1.2.4機(jī)械臂的可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器是確保機(jī)械臂的各個(gè)加工步驟都能夠嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)所展開的關(guān)鍵。在機(jī)械臂的加工中，電機(jī)功率等必須控制在限定范圍內(nèi)，機(jī)械臂的當(dāng)前狀態(tài)必須是穩(wěn)定和諧的，否認(rèn)容易導(dǎo)致工業(yè)機(jī)械臂發(fā)生故障，引起自動(dòng)化加工效率低下。對此PLC技術(shù)可以發(fā)揮自主決策和控制能力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和工業(yè)自動(dòng)化加工系統(tǒng)的信息溝通連接。

1.2.5舵機(jī)控制器的設(shè)計(jì)舵機(jī)控制器是控制機(jī)械臂各種機(jī)械設(shè)備動(dòng)作的電子裝置，一般是由單片機(jī)、角度傳感器等器件組成。其中單片機(jī)發(fā)揮著信息核心的作用，其能夠接收外界的加工指令，并且對于機(jī)械臂的各個(gè)結(jié)構(gòu)部件和相應(yīng)的電氣設(shè)備進(jìn)行控制和指令下達(dá)，從而完成高效作業(yè)。

2基于機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化應(yīng)用

事實(shí)上，各行業(yè)基于機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展并不僅僅是依靠于單個(gè)的機(jī)械臂所展開的，同時(shí)工業(yè)機(jī)械臂的作業(yè)對象也不僅僅是只有一種形式。因此基于機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化應(yīng)用在性能等方面逐漸優(yōu)化，滿足各種自動(dòng)化生產(chǎn)線的作業(yè)需求。

2.1.1機(jī)械臂在組合裝配環(huán)節(jié)中的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，組合裝配環(huán)節(jié)具有重復(fù)性高、操作技術(shù)簡單等特點(diǎn)，在此過程中往往需要大量的人工進(jìn)行重復(fù)性的高質(zhì)量的操作。隨著我國人口紅利的消失，在各行業(yè)的組合裝配環(huán)節(jié)中逐漸采用工業(yè)機(jī)械臂來代替人工操作。當(dāng)前在組合裝配環(huán)節(jié)中，機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)同工件的交互，通過直角坐標(biāo)系定位的方式，將裝配線上傳送來的工件，進(jìn)行位置、坐標(biāo)和方向的調(diào)整，確保能夠?qū)崿F(xiàn)組合裝配能夠精準(zhǔn)高效地展開。

2.1.2機(jī)械臂在加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用社會(huì)工業(yè)化程度的進(jìn)一步發(fā)展，一些新材料、新工藝等的發(fā)展促使一些特殊加工行業(yè)的誕生。如，熱加工行業(yè)的發(fā)展。在這些特殊的生產(chǎn)加工線上，傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)加工的危險(xiǎn)性變高。如此根據(jù)生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)所需要的特殊條件，在不同的機(jī)械臂上加裝不同的功能模塊，能夠滿足各種行業(yè)領(lǐng)域的加工生產(chǎn)需求。如，在熱加工行業(yè)中，有一些加工步驟需要在溫度較高的環(huán)境下操作，而下一個(gè)加工步驟需要在正常溫度下展開。對此，工業(yè)機(jī)械臂能夠發(fā)揮同其他機(jī)械臂的交互操作，完成多臺機(jī)械臂協(xié)同加工的方式，在機(jī)械臂和機(jī)械臂的交互加工中，需要統(tǒng)一生產(chǎn)加工線上的機(jī)械設(shè)備都采用同一套的空間坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，如此才能夠確保加工的質(zhì)量性。

2.2機(jī)械臂的在工業(yè)生產(chǎn)信息處理自動(dòng)化方面的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中不僅僅是利用機(jī)械替代人手臂的操作，更是利用信息技術(shù)來替代人腦，協(xié)調(diào)每一個(gè)生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，完成對工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量控制。對此在工業(yè)機(jī)械臂的自動(dòng)化應(yīng)用中，其還可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的信息處理和控制。

2.2.1機(jī)械臂在工業(yè)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展中，一件產(chǎn)品的生產(chǎn)加工并不是隨心所欲的，而是要求能夠根據(jù)人工的設(shè)計(jì)方案，按照一定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)加工設(shè)計(jì)而言。對此，機(jī)械臂中的PLC控制軟件正是發(fā)揮著信息處理的作用。一方面是在加工開始之前，PLC控制器能夠接收到產(chǎn)品加工生產(chǎn)的空間坐標(biāo)和時(shí)間信息等相關(guān)指令。之后，機(jī)械臂的數(shù)據(jù)中心就是將機(jī)械臂的每一個(gè)操作工部的空間坐標(biāo)、加工時(shí)間以及相應(yīng)的次序確定下來，將這些信息下發(fā)到各個(gè)機(jī)械節(jié)點(diǎn)上，使得工業(yè)生產(chǎn)線上的每一個(gè)機(jī)械臂都能夠各司其職，完成生產(chǎn)加工。

2.2.2機(jī)械臂在工業(yè)生產(chǎn)線實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用不論是人還是機(jī)械設(shè)備，用得久了總會(huì)出現(xiàn)故障等。因此在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中機(jī)械臂的應(yīng)用需要能夠做好實(shí)時(shí)控制，避免因?yàn)槟骋粋€(gè)流水線的故障導(dǎo)致整條生產(chǎn)線崩潰，影響工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。對此機(jī)械臂中的PLC控制器可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)的加工統(tǒng)計(jì)，對于機(jī)械臂的功耗控制等，甚至可以通過對機(jī)械臂的各個(gè)構(gòu)件的使用情況的判斷，及時(shí)有效地將信息傳遞給數(shù)據(jù)中心，以便對機(jī)械臂提出下一步的加工指令。如，在機(jī)械臂的機(jī)電設(shè)備中安裝有故障報(bào)警功能，當(dāng)自身出現(xiàn)部件故障時(shí)，可以發(fā)出警報(bào)，相關(guān)故障信息數(shù)據(jù)也會(huì)傳遞給數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心的技術(shù)人員進(jìn)行分析，完成故障的排查和維護(hù)管理。最大限度地控制好事故的危害性，將損失最小化。

3基于機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化應(yīng)用未來趨勢

總之，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展已經(jīng)成為大勢所趨，機(jī)械臂在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的應(yīng)用還不夠全面、科學(xué)，這主要是因?yàn)槲覈P(guān)于工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展起步較晚，當(dāng)前的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)還不夠智能化、信息化。目前我國已經(jīng)正式將工業(yè)機(jī)器人列為科技發(fā)揮著那計(jì)劃中，要求能夠大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人，滿足各行業(yè)對于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用需求。而影響工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用效率的根本就是要求掌握好機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)技術(shù)。通過建立起開放式結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件平臺，讓機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)操作更加簡單，精準(zhǔn)度和可靠性更加高。同時(shí)還要求借此降低機(jī)械臂的系統(tǒng)的成本造價(jià)，讓越來越多的傳統(tǒng)工業(yè)能夠?qū)霗C(jī)械臂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級。在現(xiàn)在乃至是未來的一段時(shí)間內(nèi)，在人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新支持下，機(jī)械臂控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的應(yīng)用將會(huì)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

4結(jié)束語

隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人所扮演著角色越來越重要。當(dāng)前在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的當(dāng)口，勞動(dòng)密集型、技術(shù)密集型的行業(yè)必須實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。在此背景下自動(dòng)化生產(chǎn)得到進(jìn)一步發(fā)展。隨著工業(yè)自動(dòng)化的升級，各行業(yè)將會(huì)出現(xiàn)各種形式的自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。當(dāng)前機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化應(yīng)用尚處于起步階段，在我國的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中，機(jī)械臂的應(yīng)用仍舊存在明顯的技術(shù)短板，未來隨著機(jī)器人技術(shù)、人工智能等專業(yè)理論和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全智能、柔性化的工業(yè)機(jī)械臂自動(dòng)化生產(chǎn)順理成章。

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作者：楊乾熙 單位：南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院