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2022

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对工业机器人应用与发展的探讨


 

    如今的工业体系中,生产过程的自动化和智能化成了一种发展趋势,要想实现这一点就需要在生产的过程中引入大量工业机器人,因此工业机器人的应用与发展将成为工业体系发展的重中之重。在如今的很多行业里,已经出现了工业机器人的身影,如汽车生产线上的装配机器人,机械生产过程中,与数控机床和加工中心等配套的物料推送机器人,以及焊接机器人等,这些都是现在工业体系内常见的工业机器人。
 

    工业机器人在一个国家制造业的普及率,反映了一个国家制造业水平的高低。我国虽然是一个制造业大国,但我国的制造业主要还是靠人力进行产品的制造,工业机器人的普及率不如西方国家,因此我国只能被称为制造业大国,不能被称为制造业强国。工业机器人的使用可以提升制造业的产品质量和生产效率,对于提升一个国家制造业的水平有着至关重要的作用。如今我国正在进行产业升级,正在向着制造业强国迈进,因此在未来的几年里工业机器人将会成为我国制造业内的热点话题。本文将对工业机器人的应用与发展进行一定程度上的探讨。
 

1. 工业机器人的概述
 

    机器人是仿生学与机械学结合的产物,它通过机械结构模仿人体构造,进而实现代替人类工作的目的。工业机器人是机器人的一种,这类机器人一般只具有一种功能,在工业生产过程中只完成一道工序,这类机器人的结构一般为多关节机械手或者自由度较高的机械装置,同时它还具备控制装置和动力装置,可以独立地进行工作。简而言之,工业机器人就是用机械装置代替人手,用控制装置代替人脑,进而代替人类完成工作的装置。
 

    工业机器人一般分为三种类型。第一种类型是完全不需要人工介入,完全实现自动化的工业机器人,它是一种完全独立的工业机器人,可以单独的完成一项工作,还可以通过改变其内部程序实现不同的工作需要。第二种类型是需要人工进行操作的工业机器人,它最早出现于核物理领域,和军事领域,这类工业机器人也被称作操作机,主要用于代替人类完成一些危险的工作,最开始是通过有线连接实现对操作机的控制,后来经过发展改为了通过无线连接进行对操作机的控制,目前这类机器人的发展前沿是外星球探测车。第三种类型是需要依附在全自动生产线上或加工中心上的工业机器人,这类工业机器人的工作程序一般是固定的,因此这类机器人一般只能完成简单的工作,如机床上料下料以及物料的传送。这种工业机器人是为主机服务的,由主机驱动。
 

    工业机器人的结构是多种多样的,其中最为常见的结构是关节型的结构,因为该型结构十分紧凑,这使得采用该型结构的工业机器人体积比较小,重量比较轻;其次该型结构的自由度较大,这使得该型结构的机器人十分灵活,并且可以拥有较大的工作范围。正是基于上述优点,关节型结构是目前世界范围内工业机器人的主要结构。
 

    一个工业机器人一般由三部分组成,分别为执行系统,驱动系统,控制系统。执行系统一般为关节型的机械手结构,可以实现较多的功能;驱动系统一般为电机驱动或液压、气压驱动;控制系统一般由单片机或 PLC 构成。工业机器人的基本结构方框图如图1所示。


工业机器人基本结构方框图 
图1 工业机器人基本结构方框图

2. 工业机器人在生产中的应用
 

    2.1 焊接机器人
 

    焊接机器人被广泛应用于汽车和船只的制造。除此之外对于人类无法完成的长距离焊接,也可通过焊接机器人来完 成。焊接机器人在工作时相比于人工有着更高的准确性,这得益于焊接机器人的各类传感器和精密的控制系统,使得焊接机器人有着较高的焊接精度,而且焊接机器人对环境的要求更低,可以在极端温度,密闭环境等恶劣条件下工作。在面对大量工作时,焊接机器人的工作效率比人类更高。焊接机器人图片如图2所示。


焊接机器人 
图2 焊接机器人

 

    2.2 物料搬运机器人
 

    物料搬运机器人基于单片机的控制,可以进行物料的搬运和配送。我国的绝大多数企业都有它的身影。物料搬运机器人主要分为多关节型,硬臂式助力型和 T 型助力型。多关节型的运动惯性小,灵活性高,工作范围广,可以绕过障碍物抓取物料,并且有着较高的抓取精度,但是搬运物料的重量较小;硬臂式助力型,用于大重量,大范围且有扭矩产生的物料搬运中;T 型助力型适用于操作空间较小的场合,设置有安全系统,有着较好的安全性。物料搬运机器人如图3所示。


物料搬运机器人 
图3 物料搬运机器人

2.3 装配机器人
 

    装配机器人可以自动地对一些零件进行装配,目前主要应用于对内燃机连杆,活塞,缸体等零部件的自动化装配。此外借助,装配机器人还可以利用机器人视觉实现精密度较高的装配,利用装配机器人进行高精度装配可以最大程度上减少零部件因装配造成的损伤,这对于对精度有着较高要求的机械产品来说有着重要意义,例如火箭内部机械零件的装配。装配机器人如图4所示。
 

装配机器人 
图4 装配机器人

    2.4 激光加工机器人
 

    激光加工机器人是激光技术和机器人技术结合的产物,可以实现对工件的精密切割、钻孔和对金属材料表面进行特殊处理,对于人工无法完成的特殊加工工艺,可以由它完成。
 

    激光加工的优势有很多,激光加工时,不存在传统加工中的刀具磨损问题,因为激光发生装置在加工工件时与工件隔着一段距离,不与工件直接接触;激光光斑直径可以达到微米级,工作时间可以控制在纳秒级,并且有着最大十千瓦的输出功率,因此激光加工有着非常高的精密度和加工效率;激光蕴含的能量很大,当它加工工件时产生的加工温度极高,因此激光可以加工熔点高,硬度大的材料,例如陶瓷材料,这在传统的加工工艺中是很难实现的;激光加工技术还不易受外界环境的影响,在极端恶劣的环境下也可以正常工作,因此其在与机器人技术结合后,就可以在人类无法工作的环境下进行工作,激光加工机器人将工业机器人的精密性和与激光加工的优势完美结合,组成了一种强大的制造业工具。在西方国家已经发展成了一种成熟的技术。目前在我国激光加工机器人技术还不是十分成熟,应用也不是十分广泛,仍有着较大的发展空间。激光加工机器人如图5所示。


激光加工机器人  

图5 激光加工机器人
 

    2.5 工业机器人的发展趋势
 

    工业机器人将会向着更加智能化的方向发展,未来的工业机器人将会利用精密传感技术,计算机技术和物联网技术,实现高水平的人机交互;利用应大数据技术实现工业机器人之间的数据交互;利用人工智能技术实现工业机器人的自我学习,自我完善功能。未来工业机器人将会拥有更高的生产效率和生产水平。
 

    工业机器人将会向着更加绿色化的方向发展,现在,全世界都在倡导绿色环保,绿色环保在未来的很长一段时间里将会是世界的主旋律。未来工业机器人的生产材料将会在保证使用性的前提下更加注重绿色化,尽量避免对环境的污染。

       未来的工业机器人在工作时也会产生比现在工业机器人更少的环境污染。工业机器人将会向着更进一步模仿人类的方向发展,工业机器人的出现就是为了代替人类劳动。为了代替人类进行更多的劳动,未来的工业机器人将会越来越像人类。未来可能会出现像人手一样精密的机械手,目前日本的研究机构已经研制出了可以拿起一片薯片的机械手,相信在不久的将来一定会出现像人手一样精密的机械手。
 

3. 结语
 

    生产过程的自动化与智能化对于一个国家的制造业是十分重要的,要实现生产过程的自动化与智能化就一定要大量应用工业机器人。我国是一个制造业大国,因此工业机器人的发展对于我们国家的发展十分重要。

       目前我国的工业机器人技术相较于制造业发达的欧美国家仍有较大的差距,并且我国工业机器人在制造业中的普及率也远远低于西方国家。我国的工业机器人还有着比较大的发展空间。这就需要从事机器人相关行业的人才努力奋斗,缩短我国和西方国家的差距,让更加优秀的工业机器人普及我国的制造业,推进我国制造业走向智能制造

       作者:王宇,男,佳木斯大学机械工程学院,机械电子工程专业。
       来源:《中国科技信息》2022年第7期

工业机器人