搬運(yùn)機(jī)器人在印刷裝備智能制造中的應(yīng)用

隨著中國(guó)制造2025和德國(guó)工業(yè)4.0的發(fā)展，傳統(tǒng)的制造行業(yè)已經(jīng)慢慢淡出了人們的視線，從過去傳統(tǒng)的報(bào)紙到現(xiàn)今的精美畫冊(cè)以及對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的使用，這無一不印證互聯(lián)網(wǎng)+和自動(dòng)化時(shí)代的到來。歷史上每一次工業(yè)革命都使得世界飛速發(fā)展，而自動(dòng)化技術(shù)就如同工業(yè)革命，它將會(huì)給工廠帶來飛速發(fā)展。

自動(dòng)化技術(shù)是傳統(tǒng)工業(yè)與現(xiàn)代工業(yè)的連接紐帶，自動(dòng)化智能制造已經(jīng)成功地普及到礦山、輕工、電力、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域，并成功取得了突破性的發(fā)展。對(duì)于印刷行業(yè)的制造業(yè)來說，智能制造已經(jīng)開始慢慢地滲入到制造工廠，但是對(duì)比國(guó)外的印刷智能制造，我國(guó)存在很大差距。國(guó)外已經(jīng)做到了全自動(dòng)智能生產(chǎn)，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量是非常頂尖的，因此產(chǎn)品也受到了很多客戶的青睞。國(guó)內(nèi)知名的印刷企業(yè)使用的都是進(jìn)口印刷機(jī)，比如海德堡、曼羅蘭、小森等知名品牌。國(guó)內(nèi)的印刷機(jī)制造業(yè)雖不如國(guó)外，但也在飛速發(fā)展，慢慢跟上了國(guó)外的發(fā)展腳步。

在這個(gè)傳統(tǒng)制造行業(yè)漸漸被自動(dòng)化生產(chǎn)線所取代的時(shí)代，印刷裝備制造業(yè)也要跟上時(shí)代的步伐，要不斷吸取當(dāng)代智能制造所帶來的便利，以此來改善傳統(tǒng)印刷制造行業(yè)。

本文嘗試以加工印刷機(jī)某零件為研究對(duì)象，通過機(jī)械臂、紅外傳感器、Arduino控制板、360°旋轉(zhuǎn)舵機(jī)、碼垛機(jī)械臂等組成的智能制造工藝系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了零件在加工過程中機(jī)床之間的自動(dòng)化搬運(yùn)、翻轉(zhuǎn)、堆垛等功能。大大節(jié)省了人力，降低了人力搬運(yùn)過程中所發(fā)生的零件損壞率和一些不安全因素，提高了生產(chǎn)效率。

智能制造工藝系統(tǒng)構(gòu)成

在印刷機(jī)生產(chǎn)制造過程中，涉及到很多常用的加工方法，有對(duì)應(yīng)的加工方法就有對(duì)應(yīng)的車床來加工部件。其實(shí)印刷機(jī)智能制造系統(tǒng)是利用機(jī)械手段把車床連接起來，組成的由電腦PC端控制的一種自動(dòng)加工系統(tǒng)，它包括電腦遠(yuǎn)程控制模塊、車床的控制工藝系統(tǒng)模塊、車床之間連接所需要的機(jī)械的控制工藝系統(tǒng)模塊三大模塊。

在印刷機(jī)小零件（如印刷機(jī)軸承蓋）加工制造時(shí)，雖然部件體積很小，但在加工制造時(shí)很不方便。如果靠人力去翻轉(zhuǎn)加工或者在車床之間來回搬運(yùn)就會(huì)顯得很不便捷，而且效率特別低。所以如果在車床之間加入一個(gè)機(jī)械手再加入一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)就可以直接生產(chǎn)出產(chǎn)品，最后再加一個(gè)入庫(kù)堆垛機(jī)械臂就可以做成智能生產(chǎn)制造這類小零件的系統(tǒng)。

如圖1所示，這是本次模擬設(shè)計(jì)的智能制造車間機(jī)床、機(jī)械臂位置分布圖，此圖包含了加工印刷機(jī)軸承所有工藝系統(tǒng)，從原材料到成品一步一步的加工過程都非常清楚。

在智能生產(chǎn)系統(tǒng)中，機(jī)械臂的工作對(duì)象一般為集中起來的一些加工部件，在一定情況下這些部件的形狀、大小、質(zhì)量都不一樣，故多采用夾鉗式的手爪，保證物體能被牢固夾起不掉落并轉(zhuǎn)運(yùn)到工位上，且不影響工作的正常進(jìn)行。

由于在工業(yè)生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況也屬于不可控的，隨時(shí)會(huì)有許多的障礙產(chǎn)生，極有可能會(huì)對(duì)小車的行進(jìn)路線產(chǎn)生阻擋，同時(shí)生產(chǎn)過程隨時(shí)都有可能發(fā)生突發(fā)狀況，必要時(shí)需要小車及時(shí)躲避障礙，不影響自身的運(yùn)行，故小車需具有可循跡避障的功能。

控制系統(tǒng)構(gòu)成

本次設(shè)計(jì)所采用的機(jī)械臂系統(tǒng)基于Arduino UNO微處理器，采用單CPU集中控制方式利用其強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力進(jìn)行系統(tǒng)的控制，完成預(yù)定工作。本設(shè)計(jì)采用的機(jī)械臂控制系統(tǒng)為單CPU集中控制，系統(tǒng)框圖如下：

計(jì)算機(jī)用于完成整個(gè)系統(tǒng)的管理、發(fā)送指令、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等。計(jì)算機(jī)通過Arduino IDE將程序燒錄至Arduino UNO微處理器，向關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，Arduino根據(jù)指令輸出PWM波，從而使機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)指定的角度，進(jìn)而按照預(yù)定規(guī)劃的軌跡完成搬運(yùn)工作。

本次設(shè)計(jì)的通過以Arduino微處理器為核心的機(jī)械臂控制系統(tǒng)，對(duì)直流伺服電機(jī)（舵機(jī)）進(jìn)行較為精確的運(yùn)動(dòng)控制，其主要是通過微處理器內(nèi)的PWM單元產(chǎn)生的PWM信號(hào)來完成伺服電機(jī)的精確定位。采用此控制系統(tǒng)可降低功耗，增強(qiáng)了運(yùn)算能力，同時(shí)采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)，比較簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。

機(jī)械臂小車現(xiàn)如今在越來越多的產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用，其單機(jī)控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了很長(zhǎng)的時(shí)間，但是多級(jí)聯(lián)合工作的還不多，印刷中很少采用。目前無論是在教學(xué)還是工業(yè)應(yīng)用中其都有著很重要的意義，但距離技術(shù)成熟的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走。

本設(shè)計(jì)是以Autolabor小車為基礎(chǔ)，以Arduino自由度機(jī)械臂控制為主要對(duì)象，對(duì)其系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，并在此基礎(chǔ)上，采用合適的控制系統(tǒng)方法，進(jìn)行了軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，以機(jī)械臂的硬件和軟件的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，控制芯片的選型為保證，以機(jī)械臂和小車的串口通信控制為輔，在保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性的情況下，通過編寫控制程序來完成對(duì)各個(gè)部件的控制。本次設(shè)計(jì)也表明基于Arduino控制板能夠完美地契合對(duì)中小型機(jī)器人的控制要求，無論是在靈活性還是控制精度上都可以表現(xiàn)出良好的性能，但仍有一些不足之處需要改進(jìn)。

①小車的自動(dòng)巡航。作為機(jī)械臂工作時(shí)的基礎(chǔ)，其本身的性能決定了機(jī)械臂在實(shí)際應(yīng)用中的效果。本設(shè)計(jì)采用的小車的自動(dòng)巡航部分仍有待開發(fā)，加入一些攝像頭模塊，可以為小車的控制提供更為完整的信息。

②自動(dòng)控制的算法的研究。為了更完美地實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的自動(dòng)調(diào)節(jié)，往后對(duì)控制算法的要求會(huì)更高，尤其在機(jī)械臂逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的算法需要更加優(yōu)化，這樣計(jì)算出的控制參數(shù)才具有更高的精準(zhǔn)度。

③小車的控制精度。雖然現(xiàn)在小車可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和自動(dòng)避障，但是由于其控制系統(tǒng)不夠完善，小車在到達(dá)目的地后無法自動(dòng)將機(jī)械臂停靠在面對(duì)工作臺(tái)的一面，需人工操控，后期可加入一些超聲波探測(cè)模塊來完成這類工作，增強(qiáng)小車的控制精度，使其在工作時(shí)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

總結(jié)

在現(xiàn)如今人工智能快速發(fā)展的大背景下，對(duì)機(jī)械臂的要求不僅僅滿足于簡(jiǎn)單的搬運(yùn)，所以對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)、性能的進(jìn)一步研究與探索則更為迫切，比如加入可以感應(yīng)環(huán)境變化的傳感器和智能的自動(dòng)控制算法，在不需要人控制的情況下，其可以自動(dòng)進(jìn)行更優(yōu)化的計(jì)算，隨著環(huán)境的變化可以進(jìn)行自身的調(diào)節(jié)。

智能化印刷設(shè)備、智能印廠是印刷行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)所在，各種新技術(shù)層出不窮，印刷行業(yè)也會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步而不斷發(fā)展進(jìn)步。機(jī)械搬運(yùn)小車、機(jī)器人將來在制造業(yè)中一定會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。