電氣工程自動化下的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計

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摘要：在各個產(chǎn)業(yè)不斷升級發(fā)展的背景下，自動化以及智能化的工業(yè)生產(chǎn)模式受到社會各界的廣泛關(guān)注，且在電氣自動化技術(shù)的支持下，行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備不斷更新，生產(chǎn)效率不斷提升，并逐漸投入了大量的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人。我國當(dāng)前整體的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平相對較好，但是與發(fā)達(dá)國家相比，在機(jī)器人自動化以及智能化水平方面還有待提高。而對于產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的功能完善度以及應(yīng)用質(zhì)量而言，電氣自動化技術(shù)是重要依托。文章在分析產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計活動時，從電氣工程自動化視角出發(fā)，分析了電氣工程自動化技術(shù)在產(chǎn)業(yè)機(jī)器人運行過程中的應(yīng)用，并深入分析了電氣工程自動化視角下產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計要點。

關(guān)鍵詞：電氣工程自動化；產(chǎn)業(yè)機(jī)器人；設(shè)計要點

國家近些年推出智能戰(zhàn)略計劃，產(chǎn)業(yè)機(jī)器人由此應(yīng)運而生。我國部分地區(qū)積極出臺相應(yīng)文件以支持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。上海曾出臺《上海市高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，指出要重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)機(jī)器人，將其投用到包裝、焊接、裝配、噴涂、搬運等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，同時關(guān)注研發(fā)機(jī)器人的核心部件，包括電機(jī)、驅(qū)動器、控制器、傳感器、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。此外，包括廣東、杭州、北京等地都陸續(xù)出臺相關(guān)政策，明確了產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向。電氣工程自動化與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的結(jié)合已經(jīng)成為必然趨勢，而如何將電氣工程自動化技術(shù)與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計活動以及應(yīng)用環(huán)節(jié)有機(jī)融合在一起，則成為當(dāng)前發(fā)展產(chǎn)業(yè)機(jī)器人需研究的關(guān)鍵課題。

1產(chǎn)業(yè)機(jī)器人中的電氣工程自動化技術(shù)

1.1新生代電氣自動化技術(shù)

電氣自動化技術(shù)是近些年興起且發(fā)展迅速的新型技術(shù)之一，且在電氣自動化技術(shù)不斷升級應(yīng)用的過程中，信息技術(shù)也在不斷發(fā)展，由此不斷催生出各種新型的電氣自動化技術(shù)，包括高精度運動控制、模塊化與嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計、高可靠性實時通信網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)仿真技術(shù)等。將其應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，則能夠滿足不同產(chǎn)業(yè)的實際需求。面對更高的控制精度要求以及更加簡化與智能化的控制流程要求，在應(yīng)用電氣自動化技術(shù)時，要注重對產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的核心部件與電氣自動化技術(shù)連接在一起，包括伺服電機(jī)、控制器等，同時要注重對服務(wù)型機(jī)器人的研發(fā)，確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人整體發(fā)展水平較高。

1.2PLC控制系統(tǒng)

在電氣自動化控制技術(shù)中，PLC控制系統(tǒng)是標(biāo)志性的自動化控制技術(shù)的集合控制形式，PLC又稱為可編程邏輯控制器，與工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境有較高的適應(yīng)性，在數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)的支持下，能夠更加可靠與高效的開展工作，且能夠更加快速的進(jìn)行編程。和計算機(jī)類似，PLC控制系統(tǒng)中主要包括中央處理器、存儲器、外部設(shè)備接口等組件，工作流程則為采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。在PLC系統(tǒng)的支持下，可以幫助產(chǎn)業(yè)機(jī)器人在實際的運作過程中實現(xiàn)對機(jī)器人的點位控制、智能控制、力矩控制和軌跡連續(xù)控制。PLC控制系統(tǒng)要加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人控制器之間的連接，要形成智能化的控制路徑，以提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，并確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人能夠穩(wěn)定、高效的完成工作。

1.3機(jī)械零件拼接、驅(qū)動與程序編排技術(shù)

在對產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計時，電氣工程自動化技術(shù)的一個主要功能在于對機(jī)器人的零部件進(jìn)行組裝設(shè)計。設(shè)計人員要借助電氣自動化技術(shù)對組裝的零件設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量檢測，并對相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實時反饋零部件信息，確保不出現(xiàn)偏差。在完成初步的拼接工作后，設(shè)計人員要借助電氣自動化技術(shù)對零部件進(jìn)行驅(qū)動檢測，要依托于計算機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動裝置設(shè)定運行信號，判斷機(jī)器人根據(jù)信號工作的能力。最后則要進(jìn)行機(jī)器人操作程序的編排，要搭建中心監(jiān)控與操控系統(tǒng)，實時調(diào)整機(jī)器人的運行狀態(tài)。此外，還要注重加強(qiáng)機(jī)器人和云服務(wù)器之間的連接，提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人處理多種環(huán)境的能力，確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自動化以及智能化操作水平高。

2提高電氣工程自動化背景下產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計水平的具體措施

2.1搭建行業(yè)開放式資源平臺

機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展規(guī)模在不斷擴(kuò)大，針對產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，設(shè)計人員要關(guān)注搭建行業(yè)開放式資源共享平臺，要以行業(yè)協(xié)會、學(xué)會以及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為基石，對上述第三方機(jī)構(gòu)加強(qiáng)協(xié)調(diào)，搭建交流平臺，拓寬產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)渠道和技術(shù)研究渠道，真正的推動機(jī)器人行業(yè)在產(chǎn)品、人才、資源、技術(shù)等方面的流動。各個省市可以舉辦機(jī)器人競賽和挑戰(zhàn)賽等，激發(fā)愛好者的興趣，并提供可交流經(jīng)驗的競技平臺，以儲備產(chǎn)業(yè)發(fā)展人才，形成科學(xué)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

2.2科學(xué)進(jìn)行硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計對產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計人員基于生產(chǎn)要求應(yīng)對伺服電機(jī)進(jìn)行科學(xué)選擇，考慮到便于維護(hù)和易于實現(xiàn)智能化這兩個要求，應(yīng)選用直流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)的精度由電機(jī)后端編碼器控制，能夠更加低速和平穩(wěn)的運行，具有較強(qiáng)的過載能力。DSP傳輸控制信號，電機(jī)執(zhí)行，并由閉環(huán)控制進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在電機(jī)編碼器反饋信號采樣的基礎(chǔ)上，驅(qū)動器可以快速響應(yīng)。其次，要合理的選用和設(shè)計控制器，控制器中應(yīng)包括單片微控制器、DSP數(shù)字信號處理器、PLC可編程邏輯控制器、工業(yè)控制計算機(jī)等，同時要在電氣自動化技術(shù)的支持下使用控制算法，形成控制信號后可對控制對象進(jìn)行精準(zhǔn)控制。設(shè)計人員要根據(jù)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自身特點以及產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的實際要求，科學(xué)的選擇DSP控制器。對繼電器進(jìn)行設(shè)計，要從操作安全性以及抗干擾性、靈敏度等方面進(jìn)行把控，可選擇固態(tài)繼電器，其組成部分包括分離電子器和微電子電路等。可以將控制信號輸送到輸入端，從而有效控制大電流負(fù)載驅(qū)動。

2.2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的過程中，要將產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的軟件設(shè)計作為要點之一。設(shè)計人員要從上層開發(fā)環(huán)節(jié)、驅(qū)動程序以及底層控制程序三個方面進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。上層開發(fā)設(shè)計的目的在于提供測試控制器，基于此，用戶可以在滿足控制要求的軟件平臺上進(jìn)行操作。在開發(fā)驅(qū)動時，則要考慮到控制器的抗干擾性，要從提高在不同網(wǎng)絡(luò)下的適應(yīng)性角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計。在進(jìn)行底層設(shè)計時，設(shè)計人員則要以伺服驅(qū)動的運動功能為基礎(chǔ)，并借助C語言進(jìn)行編程開發(fā)，為整個控制系統(tǒng)提供可靠支撐。設(shè)計人員要依托于傳感器的狀態(tài)值自動切換無刷電機(jī)和電路電壓，并且可以借助相關(guān)算法提高對電機(jī)位置以及電機(jī)速度的控制精度。在電氣自動化技術(shù)和PLC控制系統(tǒng)的幫助下，可以實現(xiàn)對產(chǎn)業(yè)機(jī)器人運行過程中可能出現(xiàn)的軟件故障的監(jiān)測和診斷，主要包括CAN的通信故障和功率器件的過載故障等。設(shè)計人員應(yīng)選用更加高效的C編譯器，提高兼容性，同時要借助CCS推出的軟件集成開發(fā)技術(shù)，更加科學(xué)的開展設(shè)計工作。

2.3精準(zhǔn)執(zhí)行焊接機(jī)器人功能調(diào)試操作

在完成產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)設(shè)計工作之后，設(shè)計人員要對設(shè)計完成的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行功能調(diào)試。首先要檢查伺服電機(jī)的運動極性，要依次施加小電流和大電流。在完成極性檢查之后，設(shè)計人員要對機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動情況進(jìn)行檢查，要確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)能夠根據(jù)預(yù)定的程序靈活的進(jìn)行運動。在調(diào)試產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)時，要對基本軸進(jìn)行預(yù)先調(diào)試，接著要對機(jī)器人的腕部軸進(jìn)行調(diào)試，確保機(jī)器人能夠正常的完成上臂帶手腕回轉(zhuǎn)、機(jī)器人手腕上下運動以及機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)操作。

2.4全面優(yōu)化設(shè)計細(xì)節(jié)

從提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工作效率和工作質(zhì)量的角度出發(fā)，設(shè)計人員要結(jié)合設(shè)計要求對設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。要借助電氣自動化技術(shù)和操作平臺對已經(jīng)完成設(shè)計的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行試運行，并找出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中可優(yōu)化設(shè)計的細(xì)節(jié)。以采茶機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計為例，設(shè)計人員可以將機(jī)械結(jié)構(gòu)改為懸臂梁式，即對傳統(tǒng)的Z軸改為與Y軸平行的結(jié)構(gòu)改變成左Y軸與右Y軸相互獨立的結(jié)構(gòu)，并將左Z軸與右Z軸設(shè)置在兩Y軸上。在進(jìn)行滑臺設(shè)計時，則要從有效控制三軸運行的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)對有效運行行程、長度、最大速度以及重復(fù)定位精度等參數(shù)的控制。設(shè)計采摘爪手時，設(shè)計人員要提高其自動化和智能化程度，要使用推拉式電磁鐵，電磁吸力可以幫助制動，同時彈簧彈力可以幫助歸位，此外，在微型軸承的作用下，固定銷、轉(zhuǎn)動鉸鏈間可以實現(xiàn)高效配合，從而提高作業(yè)效率?；诖耍O(shè)計人員在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計時，必須依托于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的實踐要求，對產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定且易于操作。

3結(jié)束語

產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)成為一種必然發(fā)展趨勢，對于提高產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)以及經(jīng)營水平有重要的推動作用，而提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自動化以及智能化水平，成為決定機(jī)器人產(chǎn)業(yè)助推功能能夠發(fā)揮的關(guān)鍵?；诖?，產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計和運用人員要依托于電氣工程自動化技術(shù)的發(fā)展背景，了解產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展要求，并有機(jī)的將電氣工程自動化技術(shù)融入其中。具體應(yīng)關(guān)注搭建產(chǎn)業(yè)發(fā)展資源共享平臺，科學(xué)設(shè)計系統(tǒng)，做好功能調(diào)試，同時要關(guān)注對設(shè)計細(xì)節(jié)的全面優(yōu)化，以真正發(fā)揮出電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用價值，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人功能的完善，并最終提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)代優(yōu)化運作水平。

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作者：王雅 單位：廣州數(shù)控設(shè)備有限公司