智能制造中对机器人的有效应用分析

江苏省常州技师学院 瞿敏敏

工业4.0带来智能制造，工业机器人是其中非常重要的构成要素。目前工业机器人已经成为智能制造中的重要装备，是高端制造业的重要标志。本文采取综合分析、案例分析等方法，对机器人在智能制造中的应用展开了讨论。

1 智能制造

当前自动化控制技术尚未出现革命性突破之前，所谓智能制造是通过物联网、大数据、传感器技术等来实现，这并没有脱离自动化，而是对自动化一定程度的升级，机器人体现了这种技术的整合特性。事实上孤立的机器人在生产制造当中没有任何价值可言。从智能制造的角度来讲，在真正的强人工智能未出现的当下，所有的AI都只能算初级AI，它以数据为智能的基本构成元素，而精准、有时效性的数据则是关键。目前工业4.0的典型代表数字工厂，实际上就是以数据推动的智能化工厂，尽管它并不是真正的智能工厂，它的基础是通过物联网实现对工厂自动化设备的整合，以最少量的人从事创意性的工作，用自动化装备来实现全自动化的生产。

2 工业机器人的思考

2.1 工业机器人的发展

1959年世界上第一台工业机器人出现，用于上下料，这一台机器人引起通用汽车的注意，并在1969年汽车行业引入17台机器人用于车身点焊。1977年PNMA即可编程通用机器装配出现，它是一个具有里程碑意义的装备，PUMA使用电动马达驱动和微电脑控制，体积小、灵活，并被用于组装制造过程，并同时与各类视觉系统和自动流水线连接，执行流水线跟踪与捡包工作。然而实践中PUMA的效果不理想，因此出现了柔性装配机器手臂，即SCARA。PUMA在组装行业的失败，主要是自动化成本因素，额外智能有好处，但是实际成本过高，不符合组装行业的预期。不可否认现阶段工业机器人在体积、编程、安全和灵巧等方面有所提升，与PUMA非常相似，但依然不是组装行业的首选。系统整合机器人（如图1）才是首选，因为其具备成本优势。

图1 系统整合机器人示意

2.2 系统整合机器人

当前编程语言和控制机器人的知识广泛传播，市面上存在很多开源程序与工具使得机器人控制系统的设计门坎下降，但是机器人本身的设计制造却存在非常高的门坎。因为制造业企业对机器人的需求各不相同，不同的需求则导致机器人生产厂家在生产机器人时的定制化程度高，但厂家一般只标准机器人，具体应用还需要制造业企业重新寻求第三方来实现，而机器人本体涉及较高技术壁垒，很难在机器人本体设计制造上取得突破的情况下，系统集成就更为关键。

3 智能制造中机器人的应用

3.1 机器人关键技术

工业机器人在制造领域已经有着相当广泛的应用，在船舶焊接、汽车制造、生产搬运等方面发挥了非常显著的作用。在一家制造企业中，机器人所组成的自动化生产线，其本质是一个整合系统。机器人组成的整合系统是柔性化的生产线，比如上下料、焊接、打磨、抛光、喷涂、装配监测、搬运物流等。要控制好这些不同功能的SCARA机器人，核心是人工智能。

首先，机器人的大脑，由于生产线上，零部件加工对机器人而言最大的问题是零部件结构化且复杂，施展空间小，如何在小空间内指挥机器人精准加工需要好的规划，即位置估计。目前相关研究中提出了自适应鲁棒视觉控制、多约束轨迹规划等技术，实际这些技术的本质是算法，依靠机器视觉系统所采集的数据进行高效快速计算，进而由计算机对机器人进行动作控制、轨迹跟踪和角色规划。

其次，机器人的视觉，生产线上的条件实际上比较复杂，对机器人的感知有一定影响，机器人需要应对光照条件多变、结构尺寸复杂、测量目标微弱等情况。相关研究提出了高分辨率实施的视觉成像和信息处理技术、高速微弱目标完整感知技术、多尺度多特征精准识别三维测量技术等。这些技术致力于解决高端装备制造上的问题，但是最核心的问题是，这些技术成本高，因此绝大多数应用机器人的厂家都是柔性生产线，这种生产线的感知层是大量的传感器。通过传感器来感知相关信息，并进行自动生产，典型的如码垛机器人（如图2所示）。

图2 码垛机器人

最后，协同加工，比如码垛机器人生产线，它由多台码垛机器人组成并协同工作，完成这种协同操作，关键还是看机器人的大脑，即智能规划和调度技术，目前应用较好的是多机械协同优化调度算法，工序优化调度决策算法等技术。实现这些技术的基本思路是解决每一台机器人的路径规划，任务调度与分解，然后进行协同控制，尤其是路径规划，要使每一台机器人精准地到达其应当到达的位置并按照预定轨迹作业。

3.2 机器人应用案例

图3为多种焊接工艺统合后的紧凑型多功能生产单元。在本生产单元中在一个H形平台中央集成一台KR6-2型KUKA机器人，利用回转平台使生产过程始终存在一个焊接夹具处在工作状态，同时第二个夹具由少量工作人员预安装，如此操作员的操作对机器人的焊接工作无影响。

图3 机器人生产单元实景

该生产单元操作如下。操作人员先将工件装载到夹具上并启动系统，传感器感知到回转平台夹具上的工件后旋转180°，使安装工件的夹具旋转至焊接区。KUKA型机器人联动，伸出配有Fronius CMT焊枪的机械臂，进行焊接工作。第二台机器人未KR210 R2700 EXTRA，配备X100气动伺服焊钳，同时移动至焊接点使用点焊焊接工件。焊接工作完成回转平台旋转，将第二个夹具送入焊接区，第一个已经完成焊接的夹具回转至操作员操作区，气动打开，操作员取出已经加工好的工件后安装新的工件，如此循环。当然在操作员操作区也可安装上下料机器人。

结束语：综上所述，机器人是制造业的技术前沿领域，是实现智能制造的关键。在运用机器人发展智能制造的过程中，通过系统整合，组成柔性生产线，在少量人员配合下，极大提高生产效率。但是由于目前人工智能能力水平还比较低，因此需要进一步加强研究。