工業機器人自動組裝生產線結構設計及應用探究

魏偉峰

（深圳創華智能科技有限公司，廣東深圳 518000）

近年來，機器人的自動化組裝對國民經濟增長產生了不小的影響。機器人作為現代工業建設的重要產物，在工業制造中得到了廣泛的應用。工業機器人的引入不僅降低了生產成本，提高了生產效率，還可以降低人的工作壓力。因此，工業機器人在現代工業生產中得到了廣泛的應用。現代控制集成系統與機器人的結合，可以在科技日新月異的背景下，創造出更智能化、更有利于自動化的生產。

1 工業機器人的特點分析

（1）工業機器人自動化程度高。這是其區別于傳統工藝流程的最大特點。在主要的工業領域，工業機器人幾乎已經全面取代了傳統的人工操作。先進的工業機器人已可以模擬熟練工人甚至高級技術人員的復雜操作。

（2）工業機器人效率高。與傳統的手工生產線相比，引入工業機器人的自動化生產線，可無休息的24h 生產，大大提高了工作效率，同時不會產生疲勞。

（3）工業機器人顯示出一定的智能化。工業機器人在預先輸入程序和操作程序的幫助下，可以自動收集數據，識別風險并做出判斷。

2 PLC控制系統分析

可編程邏輯控制器（Programmablelogiccontroller，PLC）具有操作可靠、程序編輯速度快等特點。可編程控制器的基本組成與計算機相似，由CPU、內存和外部設備接口（打印機、顯示器、條形碼閱讀器等）組成。可編程控制器運行時的工作流程如下：第一步是輸入采樣，第二步是用戶程序執行，第三步是輸出刷新。如圖1所示。

圖1 PLC控制系統圖

3 工業機器人的常見類型

隨著我國科學技術的不斷發展和進步，智能、現代機器人技術推動了工業建設的加快，既可以減少人工勞動，又可以提高工作質量和效率。

本文對某廠自動化生產線機器人的操作進行了分析。該廠自動化流水線設計2臺油壓床，設有1臺自動上料裝置，3臺搬運機器人及2個移動滑床。工廠的具體加工程序為：①送料，先用自動送料裝置將所有毛坯放入第一臺油壓機的模具中。加工工作完成后，讓機器人利用磁鐵將坯料輸送到油壓床的指定位置。②放模時，讓號機器人按固定標準將模具放在號液壓機上。③裝卸。液壓床號作業完成后，3號機器人會將相應的毛坯件取下，運送到下一道工序，自動完成上料工作。

4 工業機器人自動組裝結構設計

4.1 升降結構設計

機械手的升降結構設計應充分考慮到機械手本身作為一個重要部件，其主要功能是垂直移動并與多層生產線連接。既要保證機器人的垂直承載能力和運動要求，又要保證其定位準確，工作狀態穩定。升降機構主要由汽缸、活塞、傳動等組成。在實際應用中，活塞桿是用來驅動活塞垂直運動的。將機械手垂直放置在油缸上，固定在活動油缸末端，以提升驅動裝置。傳動部分帶動活塞和活塞桿運轉。動力設備安裝好后，即可安裝到機器人中。當機械臂啟動時，端蓋和活塞桿將壓縮空氣輸送到汽缸。利用空氣推進裝置，機器人可以垂直向上移動，帶動機器人手臂向上移動。當機械臂下降時，壓縮空氣通過活塞桿輸送到汽缸，汽缸向下推動機械臂，完成下降動作。

4.2 旋轉結構設計

旋轉是機器人操作過程中不可缺少的一環，因此，必須合理設計旋轉機構。旋轉式機構是機器人結構設計的重要組成部分。工作時應充分利用齒輪齒條，將齒條活塞產生的力矩轉化為軸向力矩，由軸傳力矩驅動操縱器。機械手的轉動結構由大筒子、齒輪、轉軸、小筒子、活塞、活塞頭、傳感器、液力自動鋼組成。

4.3 手柄結構設計

手抓機構的設計是機器人結構設計中的一個重要環節。確保機器人在工業自動化生產線上的正常運行是關鍵。機械手只能通過換向閥來抓放。整流啟動后，壓縮空氣經濾清器、減壓閥和單向閥送至儲氣罐，經整流閥送至雙夾筒右腔。這時可以向左移動活塞桿固定重物。當機器人抓取和釋放時，接通方向閥，使左腔內的彈簧壓力上下移動，釋放右腔內的氣體，使機器人釋放工件。機械手的爪主要涉及換向閥、齒條、齒輪和軸。這兩個部分一起工作，旋轉機器人的握手。在實際操作中，換向閥可以通電。壓縮機啟動后，進入氣罐，然后通過轉向閥進入旋轉氣缸的左腔，使活塞向右移動，活塞向右推動機架。此時，齒條可以帶動齒輪和軸旋轉，讓機器人抓取和旋轉。當實現手柄反向轉動時，可通過改變換向閥的通風位置來實現。

5 基于自動化生產線的工業機器人技術

工業生產勞動強度高，工藝復雜，安全隱患大。傳統的手工參與方式在現代工業生產領域逐漸被取代。以自動化生產線為基礎的工業機器人技術近年來發展迅速，逐漸成為現代工廠的主要勞動力。其原因是高精度的工業生產需要較高的勞動力，人的身體素質和技術水平難以適應高強度連續的工業生產，難以平衡生產效率、產品質量和安全因素。

5.1 運行模式分析

基于自動化生產線的工業機器人技術，需要建立一個科學、準確和標準化的流程來控制機器人的行動路徑，提高機器人的工作精度，保證其按照預設指令和操作規程完成焊接，組裝，噴繪等具體工作。結合幾條自動化生產線的實際調查，認為不同的工藝流程和操作方式對工業機器人有不同的要求。例如在沖壓的自動化生產中，工業機器人需要依次完成拆料、鈑金、最終沖壓的操作動作。在板料對中時需選擇科學、適用的對中方式，常使用光學對中模式，近年來也多使用重力對中方式。

5.2 系統組成分析

以自動沖壓生產為例，自動沖壓生產包括很多工序，需要不同的工業機器人來參與完成。由多個不同的工業機器人組成的自動化生產線還包括壓力系統、輸送系統、上料系統、定心系統等。機器人在拆垛過程中的應用，可以在避免人工操作風險的基礎上，大大提高拆垛的質量和效率。卸殼平臺主要有兩個，兩個卸殼平臺保持連通，可以輪流維護，保證全天候生產。在系統中加入分料器，可以提高物料分配的準確性，使給料過程更加合理、科學。為了進一步提高工業機器人的回收效率，可以在裝載區配置拆料車。圖2為自動化生產線的工業機器人。

圖2 自動化生產線的工業機器人

5.3 控制系統分析

結合自動化生產的要求，工業機器人的控制系統主要包括數據層和物理層兩個方面。①數據層。數據層對于實現工業機器人的自動化生產和精確控制具有重要意義。數據層的主要功能是實現數據的傳輸和一定程度的分析。數據層功能的完善與否直接影響到自動化生產線的效率和工業機器人的運行穩定性。在實際應用中，數據層與設備之間的數據交換主要通過總線技術實現。現階段使用的總線技術有很多種，其中EPA 技術應用最廣泛。EPA 技術的主要優點是使用的線路少，布局相對簡單。還可以采用DCS 系統和監控網絡實現對工業機器人動作的捕獲和實時控制。一方面可以提高工業機器人的操作精度，另一方面也可以避免由于工業機器人故障而對數據層造成的損壞。②物理層。與數據層相比，物理層的結構更為復雜，內部組件較多。為了達到信息共享的目的，現階段的物理層開放性較好，方便員工提取各種數據。③交互平臺在控制系統中也發揮了重要作用。主要的功能在于顯示操作流程和運行情況，憑借其可視化的特點，幫助技術人員便捷地完成系統操作和控制，及時發現風險因素和安全隱患，提升系統的運行質量。

5.4 安全體系分析

安全系統主要是在工業機器人出現故障時及時進行干預，避免安全生產事故的發生，提高生產線的連續作業能力。在現代化的生產車間里，自動生產線會被劃分成不同的區域。該區域的生產設備和工業機器人保持獨立運行，但仍存在一些重疊區域。如果工業機器人的動作不能得到有效的控制，重疊區域的設備會相互碰撞，容易造成損壞。這就需要設計者有效地規劃機器人的動作，并借助控制系統實現時間和空間上的隔離。同時，借助軟件和硬件保護，可以提高工業機器人在自動化生產線上的安全系數，預防和控制故障。

5.5 自動化生產線組裝技術分析

自動化生產線是在數字技術、自動化技術、機器人技術和信息技術的聯合支持下完成的。可以從以下幾個方面進行分析。①采用工業機器人的自動化生產線應用了成熟的遠程控制，可以實現非接觸式遠程操作，保證了工業生產的效率和控制的準確性和時效性，在一定程度上實現了工業生產的自動調節。②自動化生產線的實現得益于資源管理系統，可以實現制造工藝與企業資源的有效結合，全面提升工業技術，保證自動化生產線的信息化和自動化。最重要的是定位系統的應用，可以快速整合生產線，提高安裝質量和安裝精度，在一定程度上實現生產過程的透明化。③自動化柔性管理技術。該技術對于管理流和生產流較為復雜的作業工序最為適用，在靈活管理的幫助下，一個開放的控制最終是自動化柔性管理，借助柔性管理，構建開放式控制的自動化生產控制系統，保證各工序的無縫連接。例如對工業機器人中的信息輸入輸出模塊進行配置，實現接口對接和數據傳輸，從而保證不同工業機器人和控制系統的數據傳輸實現。

6 工業機器人未來發展趨勢

6.1 機器人傳感技術的研究方向

傳感器在機器人焊接技術的發展中起著非常重要的作用。在當前的開發環境下，傳感器的開發環境需要進一步優化。鑒于現代技術的發展，需要擴大傳感器的種類，增加傳感器的功能，尋求技術突破，促進行業的發展。

6.2 機器人焊接主要部件開發

機器人廠家需要對機器人進行優化調整，結合各行業的實際發展，提高機器人焊接技術。在機器人核心部件的研究過程中還存在許多空白區域，這些核心組件相對依賴于進口。在技術不成熟的情況下，只能通過高價進口，這使得機器人的銷售價格無法降低。在機器人焊接技術的研發過程中，要打破進口的尷尬局面。通過提高智能技術，將機器人焊接技術推向更廣闊的空間，使機器人焊接技術更加成熟穩定。

7 結束語

現階段機器人在生產線上作業融合了傳感技術、跟蹤技術等多項現代技術。在各行業快速發展的過程中，智能技術的應用與融合，可以幫助各行業快速、優質地發展。在機器人技術的應用過程中，生產質量高，可以有效提高生產效率，降低生產成本。