基于智能制造中工业机器人的应用
【摘 要】 随着工业4.0时代的到来，国家出台《中国制造2025》，规划未来10年中国制造业从“大国”走向“强国”之路，智能制造中工业机器人应用成为推动制造业转型升级的必由之路。本文阐述智能制造领域中工业机器人在焊接、搬运、加工等领域得到广泛应用，提高工业生产效率和产品质量,降低生产和劳动力成本。
【关键词】 智能制造；工业机器人； 应用
目前，我国在智能制造领域,多关节工业机 器人、并联机器人、移动机器人的本体开发及批量生产,使得机器人技术在焊接、搬运、喷涂、加工、装配、检测、清洁生产等领域得到规模化集成应用,极大地提高了生产效率和产品质量,降低了生产和劳动力成本。
1.焊接机器人在汽车及机械行业的应用
在汽车、工程机械、船舶、农机等行业,焊接机器人的应用十分普遍。作为精细度需求较高、工作环境质量较差的生产步骤,焊接的劳动强度极大,对焊接工作人的专业索养要求较高。由于机器人具备抗疲劳、高精准、抗于扰等特点,应用焊接机器人技术取代人工焊接,可保证焊接质量一致性,提高焊接作业效率,同时也能直观地反馈焊接作业的质量。示教型焊接机器人在焊接工序中应用的实现主要基于以下工作流程:
(1)确定示教轨迹。操作人员根据加工需求编制完整的示教程序,焊接机器人严格执行程序完成相应的动作轨迹,确保焊接操作的可行性和稳定性。
(2)焊接工艺参数设定和控制。根据零部件厚度及材质等实际情况,对焊接电流、焊接时间及焊接压力等参数进行设置,避免出现骑边、焊穿等焊接缺陷。随着视觉、力觉感知技 木在焊接生产中的应用,感知型焊接机器人还能进行引导路径乡程,可实时感知/预测焊接过程中的非预期事件(如人体接触),并迅速规避,实现更加智能的人机协作焊接。
目前,投放于焊接岗位的机器人的种类较多,根据使用场合的差异,选用的焊 接机器种类各有不同,其中多关节机器人的应用较为普遍,如图1所示。多关节 机器人运动#活、空间自由度较高,能够调整任意的焊接位置和姿态,有效地提升了制造中的生产效率生产质量。
图1 焊接机器人
在汽车制造领域,奇瑞公司在奇瑞A3车型的 生产中引入了自动化生产线焊接系统,以完成车身下部和车身总成的焊接任务。在汽车焊接工艺中,点焊占整车焊接的很大一部,奇瑞A3车型自动化生产线焊接系统主要由点焊机器人系统组成,包括机器人本体、机器人控制器、点焊控制器、自动电极修磨机、自动工具交换装置、气动点焊钳和水气供应的水气控制盘等,机器人系统能够根据上位PLC的车型信号 输人来调用对应的机器人焊接 程序进行车身装配焊接。自动化生产线焊接系统的引入提高了生产线的自动化水平和加工效率,保证了车身的高质量焊接要求。
2.搬运机器人在制造业的应用
机器人技术同样能够应用到制造业的搬运作业中。借助人工程序的构架与编排,将搬运机器人投放到当今制造业生产之中,从而实现运输、存储、包装等一系列工作的自动化进行,不仅有效地解放了劳动力,而且提高了搬运工作的实际效率。通过安装不同功能的执行器,搬运机器人能够适应各类自动生产线的搬运任务,实现多形状或不规则的物料搬运作业。同时考虑到化工原料及成品的危险性,利用搬运机器人进行运输能降低安全隐患,减小危险品及辐射品对搬运人员的人体伤害。
目前,固定式串联搬运机器人在制造业中应用广泛,其优点是 工作空间大、结构简单,但其负载较低、刚性较差,只能在固定工位上完成简单的 搬运工作,具有一定的局限性[2]。通过结合移动机器人技术和并联机器人技 术,能有效地提高搬运机器人的承载能力和作业范围,在汽车、物流、食品、医药等行业具有广阔的应用前景,如图2所示。
图2 搬运机器人
在物流领城,菜鸟网络海宁的实验仓引人了一套使用ABB机器人的智能分拣系统,实现了存储、拣选和分拨3个功能的全自动化操作,覆盖了库内作业80%以上的工作流程。这套智能分拣系统的最前端是料箱式自动化立体仓库,ABB大型机器人IRB6700能够根据不同的订单需求,将相应的周转箱取出,并推送到下一个工作站;然后配备了吸盘夹爪的两台IRB1200通过抽真空原理,使用吸力把商品从周转箱中拣选出来,放置到流水线上,并根据订单数量进行拣选;最后两台IRB360机器人根据每个订单的需求进行分拨,放入对应的订单箱中。这套智能分拣系统的使 用完全实现了无人化操作,既节省了人力成本,还能有效避免工作中的差错,大大提高了物流分拣效率。
3.加工机器人在智能制造业的应用
随着生产制造向着智能化和信息化发展,机器人技术越来越多地应用到智能制造加工的打磨、抛光、钻削、铣削、钻孔等工序中。与 进行加工作业的工人 相比,加工机器人对工作环境的要求相对较低,具备持续加工的能力,同时加工产品质量稳定、生产效率高,能够加工多种材料类型的工件,如铝、不锈钢、铜、复合材料、树脂、木材和玻璃等,有能力完成各类高精度、大批量、高难度的复杂加 工任务。相比机床加工,工业机器人的缺点在于其自身的弱刚性。但是加工机器人具有较大的工作空间、较高的灵活性和较低的制造成本,对于 小批量多品种工件的定制化加工,机器人在灵活性和成本方面显示出较大优势;同时,机器人更 加适合与传感器技术、人工智能技术相结合,在航空、汽车、木制品、塑料制品、食等领城具有广阔的应用前景,如图3所示。
图3 加工机器人
在复杂曲面零件制造领域,AV&R航空航天公司推出了一种用于航空发动机叶片光的新型机器人解决方案,能够提高叶片的气动效率。相比于于动抛光可能会因为用力不当造成叶片表面刮伤,影响航空发动机叶片的整体质量,机器人抛光能够保证叶片加工更高的一致性,满足叶片的公差要求。机器人抛光解决方案已经经 过3年的beta测试,可以根据客户的公差和 表面粗糙度要求,自动抛光航空发动机叶片的叶形、凸台和圆角半径。同时该解决方案还结合了自动化检测和验证功能,有效地节省了加工时间,并加强了质量保障。
此外,华中科技大学的丁汉院上团队研制了大叶片机器人“测量-操作-加工”(3M)一体化磨抛系统,通过建立复杂曲面宽行加工理论,揭示了刀具空间运 动一包络成形一加工误差间的微分传递规律,突破了多轴联动高效加工等关键技术,与中车株洲所联合 开发出一条国际先进的大型风电叶片机器人打磨生产线。这项技术的投入使用有效提升了产品质量和致性,实现了测量、操作、加工一体化的基础研究一技术开发一产业化应用的贯通链。
参考文献：
[1]李培根，高亮.智能制造概论[M].北京:清华大学出版社,2021
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