基于机械臂的工业生产自动化

摘 要：当下社会，工业机械臂的广泛运用对我国工业生产能力的大幅提升发挥了重要作用。文章对机械臂的相关问题进行了简要论述，结合实践给出几个机械臂的运用场景，为企业提高自动化水平与生产效率提供参考。

关键词：机械臂;工业生产;自动化

0 引言

机器人技术是20世纪兴起的，并在21世纪迅速发展的一门技术，将机器人技术，尤其是自由度最丰富的机械臂，应用于工业生产是大势所趋，它将使工厂富有时代感、科技感、无人化，更高效、更先进，机器人技术的应用是符合先进生产力要求的。本文将论述以多自由度机械臂作为终端，结合嵌入式技术、工控计算机技术以及网络技术，系统集成为多功能的自动化生产线的体系结构和方法。

1 概述

工业机械臂采用多自由度并联平行四边形机械臂的设计方案，具有强度大、负载能力强、无积累误差的特点;而且舵机置于基座处，机械臂使用轻质连杆，如此末端位置输出机构的加速度和准确度便可大幅提高，这种设计适用于轻质物体的近距离的堆栈和提取。由底座回转设计可实现双平行自由度的平行四边机构组成高性能的平行四边机械臂，被用于工业、微电子产业中对轻小物体的中、短距离高速精确搬运。在于串联结构设计的机械臂对比中，并联机构拥有结构强度大、负载能力强、定位准确、无积累误差、较简单的实现快速移动等优点。同时，驱动电机被安装在机械臂基座上，机械臂又采用了轻质高强度连接杆，这样不但可以降低机构的总体质量，而且执行机构可达到快速反应和精确定位的要求。

2 机械臂机电系统

2.1 可编程逻辑控制器（PLC）

可编程逻辑控制器的作用是多方面的，主要有以下功能：

2.1.1 和各个舵机交换信息

控制机械臂各个舵机动作是电子控制单元（以下简称PLC）的主要功能，控制信号可通过CAN总线从PLC发往各个舵机控制器，如有必要，舵机控制器可向PLC反馈信息，如当前舵机状态。PLC可带有一定的自主决策、控制能力，一般来说，舵机中电机的功率是动态变化的，而电机功率，瞬间电压、电流必须控制在限定范围内，不然可能导致部分功率器件损坏，如场效应管，从而导致系统实效。在电机超负荷时，或舵机烧毁，失效时PLC采取措施，将损失在第一时间控制住，并将其最小化。

2.1.2 和工控机交换信息

PLC可以通过以太网和工控机交换信息，如坐标数据，指令，机械臂当前状态，瞬时功率数据，故障状态等。工控机带有HMI（人机界面），方便产线維护人员检查、维护设备，也便于监控。工控机拥有一定的生产线机器的决策、控制能力，如：协调，监控机器内各个机械臂的动作、状态等。

2.2 舵机机械部分

舵机为机械臂各个活动关节的执行机构，机械臂的动作精度由舵机的精度决定，例如，第1、2、3自由度的机械臂平均长度为8cm，而这些自由度的舵机能够分辨千分之一圆周率的角度，则该机械臂的定位精度在1mm左右，且机械臂展开越远，精度越差。因此，选用精度高的舵机是必要的，一般来说可通过提高角度传感器的精度或者通过齿轮放大角度传感器的角度行程来实现。对于舵机的另外一个重要指标是力矩，这可以通过选用大功率电机或者通过齿轮将力放大来实现预期需求。最后，不能无条件的使用齿轮的力放大功能，舵机的角度编码速率也是舵机的一项重要指标，这可以通过使用齿轮的行程放大缩小功能实现，通常情况下，直流电机的转速可达到每分钟5400转，和齿轮的恰当配合既可以放大力，又符合编码速率要求。

3 机械臂在工业生产自动化中的运用

3.1 在组合装配环节中的应用

在工业生产中，组合装配环节属于简单的、重复性高的工作环节，此环节中需要大量使用人工进行重复性的操作，但是人工数量的增加会提高人工成本，进而增加管理费用。同时，简单重复的工作容易使工人产生疲劳，降低生产效率，增加原材料、元器件的损耗，从而增加生产成本，降低了企业的效益。而使用机械臂替代人工进行组合装配工作，能够有效地降低人工成本。机械臂在正常工作条件下几乎不会出现误操作的问题，且生产周期恒定，也不会产生生产疲劳，生产成本稳定可控。通过对操作程序进行优化，还可以有效提高生产效率，因此在组合装配环节中应用机械臂，可提高工业生产的自动化程度，具有很好的商业前景。

3.2 在热加工行业的应用

在热加工行业中，很多零部件需要在高温环境下进行加工处理，高温、高污染的作业会对工人造成一定程度的危害，长时间的重复性工作也会降低工人的工作效率。因此，在热加工行业中运用机械臂，能够有效地解决以上问题。使用机械臂代替人工进行热加工处理，能够避免工人在恶劣的作业环境下工作，还能够降低生产的人工成本、提高生产的自动化程度，从而有效控制生产过程中的管理成本。目前在我国具有一定规模的热加工企业，都逐渐开始使用机械臂代替人工进行热加工作业，在很大程度上提高了热加工处理效率，缩短了加工周期，同时也提高了生产的自动化程度，推动了整个行业的技术进步与发展。

4 结语

将机器人技术，尤其是机械臂应用于工业生产，是不可逆转的趋势，装配了大量机械臂的生产线又是高效、优质、先进的最佳体现，最终实现无人化的工业生产。

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作者简介：纪雨晴（1998-），女，满族，黑龙江鹤岗人，本科在读，研究方向：工业设计。