機(jī)械臂的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化

　　摘 要：當(dāng)下社會(huì)，工業(yè)機(jī)械臂的廣泛運(yùn)用對(duì)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)能力的大幅提升發(fā)揮了重要作用。文章對(duì)機(jī)械臂的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，結(jié)合實(shí)踐給出幾個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)用場(chǎng)景，為企業(yè)提高自動(dòng)化水平與生產(chǎn)效率提供參考。

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

　　0 引言

　　機(jī)器人技術(shù)是20世紀(jì)興起的，并在21世紀(jì)迅速發(fā)展的一門(mén)技術(shù)，將機(jī)器人技術(shù)，尤其是自由度最豐富的機(jī)械臂，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)是大勢(shì)所趨，它將使工廠富有時(shí)代感、科技感、無(wú)人化，更高效、更先進(jìn)，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用是符合先進(jìn)生產(chǎn)力要求的。本文將論述以多自由度機(jī)械臂作為終端，結(jié)合嵌入式技術(shù)、工控計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，系統(tǒng)集成為多功能的自動(dòng)化生產(chǎn)線的體系結(jié)構(gòu)和方法。

　　1 概述

　　工業(yè)機(jī)械臂采用多自由度并聯(lián)平行四邊形機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案，具有強(qiáng)度大、負(fù)載能力強(qiáng)、無(wú)積累誤差的特點(diǎn);而且舵機(jī)置于基座處，機(jī)械臂使用輕質(zhì)連桿，如此末端位置輸出機(jī)構(gòu)的加速度和準(zhǔn)確度便可大幅提高，這種設(shè)計(jì)適用于輕質(zhì)物體的近距離的堆棧和提取。由底座回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)雙平行自由度的平行四邊機(jī)構(gòu)組成高性能的平行四邊機(jī)械臂，被用于工業(yè)、微電子產(chǎn)業(yè)中對(duì)輕小物體的中、短距離高速精確搬運(yùn)。在于串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)械臂對(duì)比中，并聯(lián)機(jī)構(gòu)擁有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、負(fù)載能力強(qiáng)、定位準(zhǔn)確、無(wú)積累誤差、較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)被安裝在機(jī)械臂基座上，機(jī)械臂又采用了輕質(zhì)高強(qiáng)度連接桿，這樣不但可以降低機(jī)構(gòu)的總體質(zhì)量，而且執(zhí)行機(jī)構(gòu)可達(dá)到快速反應(yīng)和精確定位的要求。

　　2 機(jī)械臂機(jī)電系統(tǒng)

　　2.1 可編程邏輯控制器(PLC)

　　可編程邏輯控制器的作用是多方面的，主要有以下功能：

　　2.1.1 和各個(gè)舵機(jī)交換信息

　　控制機(jī)械臂各個(gè)舵機(jī)動(dòng)作是電子控制單元(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC)的主要功能，控制信號(hào)可通過(guò)CAN總線從PLC發(fā)往各個(gè)舵機(jī)控制器，如有必要，舵機(jī)控制器可向PLC反饋信息，如當(dāng)前舵機(jī)狀態(tài)。PLC可帶有一定的自主決策、控制能力，一般來(lái)說(shuō)，舵機(jī)中電機(jī)的功率是動(dòng)態(tài)變化的，而電機(jī)功率，瞬間電壓、電流必須控制在限定范圍內(nèi)，不然可能導(dǎo)致部分功率器件損壞，如場(chǎng)效應(yīng)管，從而導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)效。在電機(jī)超負(fù)荷時(shí)，或舵機(jī)燒毀，失效時(shí)PLC采取措施，將損失在第一時(shí)間控制住，并將其最小化。

　　2.1.2 和工控機(jī)交換信息

　　PLC可以通過(guò)以太網(wǎng)和工控機(jī)交換信息，如坐標(biāo)數(shù)據(jù)，指令，機(jī)械臂當(dāng)前狀態(tài)，瞬時(shí)功率數(shù)據(jù)，故障狀態(tài)等。工控機(jī)帶有HMI(人機(jī)界面)，方便產(chǎn)線維護(hù)人員檢查、維護(hù)設(shè)備，也便于監(jiān)控。工控機(jī)擁有一定的生產(chǎn)線機(jī)器的決策、控制能力，如：協(xié)調(diào)，監(jiān)控機(jī)器內(nèi)各個(gè)機(jī)械臂的動(dòng)作、狀態(tài)等。

　　2.2 舵機(jī)機(jī)械部分

　　舵機(jī)為機(jī)械臂各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械臂的動(dòng)作精度由舵機(jī)的精度決定，例如，第1、2、3自由度的機(jī)械臂平均長(zhǎng)度為8cm，而這些自由度的舵機(jī)能夠分辨千分之一圓周率的角度，則該機(jī)械臂的定位精度在1mm左右，且機(jī)械臂展開(kāi)越遠(yuǎn)，精度越差。因此，選用精度高的舵機(jī)是必要的，一般來(lái)說(shuō)可通過(guò)提高角度傳感器的精度或者通過(guò)齒輪放大角度傳感器的角度行程來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于舵機(jī)的另外一個(gè)重要指標(biāo)是力矩，這可以通過(guò)選用大功率電機(jī)或者通過(guò)齒輪將力放大來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期需求。最后，不能無(wú)條件的使用齒輪的力放大功能，舵機(jī)的角度編碼速率也是舵機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，這可以通過(guò)使用齒輪的行程放大縮小功能實(shí)現(xiàn)，通常情況下，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘5400轉(zhuǎn)，和齒輪的恰當(dāng)配合既可以放大力，又符合編碼速率要求。

　　3 機(jī)械臂在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的運(yùn)用

　　3.1 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)屬于簡(jiǎn)單的、重復(fù)性高的工作環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)中需要大量使用人工進(jìn)行重復(fù)性的操作，但是人工數(shù)量的增加會(huì)提高人工成本，進(jìn)而增加管理費(fèi)用。同時(shí)，簡(jiǎn)單重復(fù)的工作容易使工人產(chǎn)生疲勞，降低生產(chǎn)效率，增加原材料、元器件的損耗，從而增加生產(chǎn)成本，降低了企業(yè)的效益。而使用機(jī)械臂替代人工進(jìn)行組合裝配工作，能夠有效地降低人工成本。機(jī)械臂在正常工作條件下幾乎不會(huì)出現(xiàn)誤操作的問(wèn)題，且生產(chǎn)周期恒定，也不會(huì)產(chǎn)生生產(chǎn)疲勞，生產(chǎn)成本穩(wěn)定可控。通過(guò)對(duì)操作程序進(jìn)行優(yōu)化，還可以有效提高生產(chǎn)效率，因此在組合裝配環(huán)節(jié)中應(yīng)用機(jī)械臂，可提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，具有很好的商業(yè)前景。

　　3.2 在熱加工行業(yè)的應(yīng)用

　　在熱加工行業(yè)中，很多零部件需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行加工處理，高溫、高污染的作業(yè)會(huì)對(duì)工人造成一定程度的危害，長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)性工作也會(huì)降低工人的工作效率。因此，在熱加工行業(yè)中運(yùn)用機(jī)械臂，能夠有效地解決以上問(wèn)題。使用機(jī)械臂代替人工進(jìn)行熱加工處理，能夠避免工人在惡劣的作業(yè)環(huán)境下工作，還能夠降低生產(chǎn)的人工成本、提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，從而有效控制生產(chǎn)過(guò)程中的管理成本。目前在我國(guó)具有一定規(guī)模的熱加工企業(yè)，都逐漸開(kāi)始使用機(jī)械臂代替人工進(jìn)行熱加工作業(yè)，在很大程度上提高了熱加工處理效率，縮短了加工周期，同時(shí)也提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　將機(jī)器人技術(shù)，尤其是機(jī)械臂應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，裝配了大量機(jī)械臂的生產(chǎn)線又是高效、優(yōu)質(zhì)、先進(jìn)的最佳體現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人化的工業(yè)生產(chǎn)。

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　　作者簡(jiǎn)介：紀(jì)雨晴

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