機(jī)電一體化在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用

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機(jī)電一體化實(shí)際上是機(jī)械系統(tǒng)和電子電路系統(tǒng)的有機(jī)組合，因此又稱為機(jī)械電子學(xué)。從原理來(lái)講，就是依靠電子電路實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的控制，這一組合模式有著巨大的吸引力，在工業(yè)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。而隨著信息科學(xué)的發(fā)展，智能化設(shè)備也逐漸融入機(jī)電一體化中，逐漸形成了一種新的應(yīng)用體系，其最大的優(yōu)勢(shì)就是不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)，還在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中有了智能化的判斷和控制。智能化、電子電路控制、機(jī)械動(dòng)作，形成了模擬人的行為模式，將其廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造過(guò)程中，稱之為工業(yè)機(jī)器人。

1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用要求

1.1機(jī)械零部件的制造精度

目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是在生產(chǎn)制造業(yè)中，且基本都是室內(nèi)環(huán)境中，設(shè)備體積不大。為此，要求工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)部件必須制造精度極高。這主要是工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中其機(jī)械構(gòu)建必須按照規(guī)定的位置行跡運(yùn)轉(zhuǎn)，出現(xiàn)偏差，則一方面可能造成運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)位置，從而使得制造品達(dá)不到技術(shù)要求；另一方面有可能造成機(jī)械零部件的損耗加大，甚至發(fā)生工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械故障。并且越是靠近機(jī)械末端運(yùn)動(dòng)位置，由于誤差累積作用，會(huì)使其偏差越大，這將使得上述危害更加嚴(yán)重。因此，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)要求機(jī)械零部件的精度達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2傳動(dòng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度

傳統(tǒng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度與零部件的制造精準(zhǔn)類似，并且其造成的影響也基本一致，但作用原理和控制難度不同，傳動(dòng)系統(tǒng)的精度控制更加不易。當(dāng)前較為常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人分為直線運(yùn)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人，屬于直上直下控制通常用于上下料；旋轉(zhuǎn)工業(yè)機(jī)器人，主要適用于旋轉(zhuǎn)加工的動(dòng)作類型。其中直線運(yùn)轉(zhuǎn)工業(yè)機(jī)器人，控制難度主要在于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的減速器精度，決定了產(chǎn)品生產(chǎn)的精度要求；而旋轉(zhuǎn)工業(yè)機(jī)器人一般都是六軸設(shè)計(jì)，對(duì)其精度要求可想而知，當(dāng)?shù)谝惠S發(fā)生輕微的誤差，將會(huì)在末端放大，對(duì)其傳動(dòng)精度的要求不僅在于減速器方面，還有各種齒輪組件的嚙合程度上，這種誤差都會(huì)在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的末端被無(wú)限放大。為此，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)度要求極高，目前受限于我國(guó)的科技發(fā)展，減速器等設(shè)備主要依靠進(jìn)口，如日本的串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人所采用減速器。

1.3裝配精度

在保證了機(jī)械零部件的制造精度和傳統(tǒng)系統(tǒng)的精度后，要對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行裝配。而裝配的精度取決于兩個(gè)方面，一方面是設(shè)計(jì)的合理性，即使所有的零部件制造精度以及傳動(dòng)設(shè)備的精準(zhǔn)度都滿足了要求，但由于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作指標(biāo)未考慮允許的微小誤差累積作用，也將造成動(dòng)作軌跡的變形。例如傳動(dòng)系統(tǒng)的制造精度只能滿足四軸運(yùn)轉(zhuǎn)工業(yè)機(jī)器人，但設(shè)計(jì)時(shí)未考慮零部件的誤差累積作用要求裝配六軸工業(yè)機(jī)器人，顯然累積誤差將會(huì)造成末端軌跡的誤差超標(biāo)；另一方面是裝配時(shí)的操作工藝問(wèn)題，這很好理解，沒(méi)有按照精準(zhǔn)的裝配工藝進(jìn)行操作，誤差的累積作用將會(huì)造成機(jī)械末端動(dòng)作軌跡誤差擴(kuò)大。

1.4精度保持能力

即使確保工業(yè)機(jī)器人的零部件制造精度、傳動(dòng)系統(tǒng)精準(zhǔn)度以及裝配的精度，在工業(yè)機(jī)器人的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，仍舊有可能產(chǎn)生誤差。因此，要有一定的精度保持能力。在長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)過(guò)程中誤差的增加主要是零部件的磨損、老化作用。特別是一些重復(fù)性動(dòng)作的工業(yè)機(jī)器人，其誤差的增大主要是鏈條等傳統(tǒng)系統(tǒng)的誤差過(guò)大，即使保持了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡精準(zhǔn)度，也很難保持定位點(diǎn)的精準(zhǔn)度。為此，要確保精度保持能力更強(qiáng)，一方面要提高零部件的材料性能以及更高的制造精度，包括提高傳動(dòng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和裝配精度的要求；另一方面要實(shí)時(shí)檢測(cè)，定期檢測(cè)及維護(hù)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)行壽命管理。

2機(jī)電一體化在工業(yè)機(jī)器人中的合理應(yīng)用

2.1運(yùn)動(dòng)軌跡的檢測(cè)

運(yùn)用機(jī)電一體化中的電子檢測(cè)技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確保其運(yùn)動(dòng)的精確性。通過(guò)上文已強(qiáng)調(diào)了精準(zhǔn)性對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的重要性，為此，通過(guò)對(duì)電機(jī)上安裝編碼器，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)，則可以采用限位止釘對(duì)其定位點(diǎn)的精度確認(rèn)。通過(guò)傳感器等電子檢測(cè)手段傳輸至控制單元，對(duì)誤差級(jí)別進(jìn)行分析判斷，從而保證了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的精確性。

2.2減速器的檢測(cè)

工業(yè)機(jī)器人的核心模塊是關(guān)鍵部分，而其中最核心的技術(shù)就是減速器，它有助于實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡保持精確，這包括運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的精確和定位點(diǎn)的精確，每一位置的速度精確等。但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也會(huì)發(fā)生減速器的故障問(wèn)題，一般的現(xiàn)象就是減速器會(huì)發(fā)生輕微的震動(dòng)，而通過(guò)對(duì)震動(dòng)檢測(cè)敏銳的傳感器，將震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集傳輸?shù)綑z測(cè)設(shè)備上，對(duì)相應(yīng)的故障級(jí)別進(jìn)行判斷，從而發(fā)出停機(jī)維修、減速生產(chǎn)等告警信息，幫助監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行控制，且得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)也為之后技術(shù)人員的診斷維修提供了重要的依據(jù)。

2.3工作環(huán)境的管理

當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人主要是實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)，屬于精密性工作，因此對(duì)環(huán)境的要求非常高，環(huán)境對(duì)工業(yè)機(jī)器人的影響指標(biāo)主要表現(xiàn)在溫度、濕度及灰塵因素，溫度的變化會(huì)使工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)性降低增加誤差，濕度及灰塵則會(huì)加速零部件的磨損及老化，并且導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)誤差等。為此，要對(duì)工業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)、控制、處置等。而溫濕度傳感器等能夠很好地對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將信號(hào)傳輸給控制設(shè)備，控制設(shè)備啟動(dòng)相應(yīng)的空調(diào)等對(duì)溫濕度進(jìn)行控制，確保環(huán)境條件滿足工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境。

2.4運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡必須精確，才能確保生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。而運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)一般由工控機(jī)設(shè)計(jì)而成，這需要以工業(yè)機(jī)器人所能到達(dá)的軌跡空間范圍以及動(dòng)作范圍為基準(zhǔn)，根據(jù)制造所要的動(dòng)作以及軌跡，形成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息錄入計(jì)算機(jī)中，通過(guò)相應(yīng)設(shè)計(jì)軟件生成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)程式和數(shù)據(jù)庫(kù)，最終通過(guò)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)運(yùn)動(dòng)程式的設(shè)定和數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)數(shù)據(jù)的支持驅(qū)動(dòng)電機(jī)，形成電機(jī)組合按照一定的順序、速度、方向進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)制造目的。

2.5智能設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人之所以稱之為機(jī)器人，最主要的就是智能部分。對(duì)工業(yè)機(jī)器人的智能部分是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，加入了電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口結(jié)束等。其中以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)，具備了邏輯判斷、程序編譯、存儲(chǔ)分析等，用于收集信息、發(fā)出指令、指令返回等；傳感器技術(shù)則主要是對(duì)工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作的各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、產(chǎn)品監(jiān)控等，將數(shù)據(jù)收集傳送給工業(yè)機(jī)器人的“大腦”，從而讓工業(yè)機(jī)器人做出正確的邏輯判斷，指揮機(jī)器人的行為。工業(yè)機(jī)器人所具備的智能極大地增強(qiáng)了工業(yè)機(jī)器人的適應(yīng)能力、自動(dòng)化程度和邏輯判斷能力，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

3結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人有效運(yùn)轉(zhuǎn)的主要條件就是運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)性，這有賴于零部件制造精準(zhǔn)、傳動(dòng)系統(tǒng)精確度、裝配精度以及精度保持能力。圍繞工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)度，機(jī)電一體化有著十分重要的作用，如運(yùn)動(dòng)軌跡的檢測(cè)、減速器的檢測(cè)、環(huán)境的檢測(cè)等方面，都有著很好的應(yīng)用；而圍繞工業(yè)機(jī)器人的主體制造同樣有著很好的應(yīng)用，如智能設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)這都需要機(jī)電一體化全面合理的應(yīng)用。作者簡(jiǎn)介：黃旭（1988-），男，陜西西安人，碩士，陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師，研究方向：機(jī)電一體化。

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作者:黃旭 單位:陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院