摘要：随着德国“工业 4.0”、美国 “工业互联网”及我国“中国制造2025”的提出，智能制造产业得到迅猛发展，而工业机器人在智能制造中的应用，将迅速扩大。以智能制造生产线为基础，对工业机器人的操作、通信、控制等进行研究，使一台工业机器人通过与外部设备的通信，能精确完成取料工作、放料工作及4台数控机床的上、下料工作，大大提高生产节拍和节约生产成本，并不会发生任何干涉。
关键词：智能制造; 工业机器人; 应用研究
1.工业机器人的优势及目前在国外的应用现状
1.1工业机器人的应用优势
在制造行业中，工业机器人的应用优势主要体现在“自动化”、“安全化”以及“高效率”三方面。单就自动化而言，与传统的人工生产相比，工业机器人可在计算机的控制下自动执行相应的动作，实现自动化生产。从安全的角度分析，工业机器人的设计更加精密，且具有完善的故障预警机制。将其应用到制造过程中，将能够有效降低故障率，预防人员伤亡。从制造效率方面分析，与手工操作相比，工业机器人的动作频率更高，因此，生产效率同样较高。
1.2工业机器人的国外应用现状
工业机器人的各项优势，使其得到了世界范围内受到广泛重视。与国内相比，国外对工业机器人的应用率更高，且技术相对更加成熟。目前，国外著名的工业机器人公司主要包括 ABB、KUKA、FANUC 、Yaskawa以及Adept Technology等。上述公司所生产的机器人涵盖“分配机器人”、“点焊机器人”、“装配机器人”以及“搬运机器人”等多品种，分别已大规模应用到“物流”、“焊接”、“零件组装”、“货物搬运”等多种行业。
2.智能制造生产线工作流程
以一个零件的加工过程为例，工作流程如图1所示。开机后，所有设备手动复位，将生产线转换到自动运行模式。待自动上料机构将零件取出后，发送信号给机器人。机器人在取料台上方视觉系统的辅助下，准确取料，将零件按加工工艺，逐一送往各数控机床进行加工，最后把加工好的零件放到取料台上。
图1智能制造生产线工作流程
图2工业机器人手爪结构
为提高生产节拍，多个零件的加工是同时进行的，即4台机床同时工作。为此，工业机器人手爪必须是双工位手爪，一个用于上料，一个用于取料，具体结构如图2所示。
3.工业机器人通信
3.1工业机器人通信信号分配
工业机器人可通过输入接口、输出接口及DeviceNET总线与外部设备进行通信。此生产线使用的ABB IRB1410工业机器人，控制柜内配有两块DSQC652的板卡。该板卡有16个输入接口和16个输出接口，支持 DeviceNET总线通信。为方便通信，通过输入输出接口连接的I/O信号主要包括: 4 台数控机床的I/O信号和机器人手爪的I/O信号。DeviceNET总线的通信信号主要包括工作台各按钮信号和视觉位置检测数据等，分配情况如图3所示。
3.2工业机器人I/O信号连
机器人板卡上端为输出接口，其中，10口接24V电源，9口接0V; 而下端为输入接口，9口接0V，10口不接线，外部必须接24V电源。为了方便接线，24V和0V电均通过机器人电控柜内部提供。根据第2. 1节列出的I/O信号分配情况，以板卡1为例，其输入、输出信号接线图分别如图4、图5所示。
图3 机器人通信信号分配
图4板卡1的输入信号接线图
图5板卡1的输出信号接线图
3.3工业机器人的串行通信接口线路连接
该生产线中，串行通信信号由西门子S7300PLC传递给工业机器人。在该总线通信中，由于PLC支持 Profibus总线，而机器人只支持 DeviceNET总线，因此两设备之间需要通过 PD-100网关转接，具体线路连接如图6所示。
图6PLC与工业机器人串行线路连接
由于两种总线物理层均采用RS485通信方式，需要在终端连接终端电阻以防止虚电压造成信号干扰。PLC端、DP通信线自带终端电阻，只需将终端电阻开关打到 ON即可; 而机器人端，需要在CANL和CANF信号线之间连接一个120Ω的终端电阻。
4.工业机器人控制
工业机器人使用程序进行控制，而ABB机器人的控制程序为RAPID程序，是一种近似于C语言的程序类别。通常把RAPID程序叫做程序模块，一台机器人可新建多个程序模块，每个程序模块又可包含多个例行程序、中断程序和功能程序。文中的机器人程序中等复杂，只用一个程序模块即可。但为了程序条理清晰，容易识读和更改，在程序模块中新建了33个普通例行程序、1个功能程序和1个中断程序，其中，最重要的例行程序有:主程序、初始化程序、取料程序、4台数控机床上下料程序、掉头夹持程序、放置程序。具体控制逻辑如图7所示。
5.未来机器人应用发展方向的展望及建议
5.1提高高校专业人才培养力度
工业机器人的设计以及应用对国家的人才储备具有较高的需求。我国需加大力度培养相关行业的人才，为机器人的普及以及国家智能制造水平的提升提供保证。例如：各高校可在“自动化专业”中，增加机器人研发、机器人应用及系统集成、人工智能的专业培养课程。通过上述课程，培养人才对工业机器人结构、自动化控制以及程序编写知识的掌握水平，使我国智能制造行业工业机器人设计水平得以提高，使其性能得以增强。
5.2完善国产工业机器人的功能、性能及系统集成
目前，我国工业机器人虽具有较强的动作执行能力，但运动精度、应用功能及性能与国外相比还有一定差距，无法与人工协作作业，且关键零部件还是以进口为主。考虑到机器人的零件性能，属于影响其整体性能以及智能化水平的主要因素，建议加大机器人关键零部件的研发，提高机器人应用系统集成能力。将伺服电机、减速机及机器人控制软件等作为重点研发项目。同时可大力推广各行业的工业机器人应用，支持各系统集成企业充分结合各行业的不同工艺要求，为最终用户提供功能稳定、性能优越的机器人应用系统。
总结
该智能制造生产线上的工业机器人还需要进行其他一些简单的设置，如: 通信信号软件配置、工具坐标系的设置、有效载荷的设置、板卡的设置、变量的新建、运动路线中点位的保存等，这里由于篇幅原因不再一一说明，读者可参考工业机器人操作说明书逐一学习。
工业机器人现已成为国内外自动化技术的生力军，越来越多的生产制造厂都将自动上下料的方式引入到实际生产中。文中阐述的工业机器人应用非常具有代表作用，可为读者在建立工业机器人工作站时提供参考。
参考文献：
[1]朱季泽. 工业机器人技术应用研究[J]. 现代工业经济和信息化,2018,8(15):57-58+67.
[2]孟明辉,周传德,陈礼彬,冯淼,苗纯正. 工业机器人的研发及应用综述[J]. 上海交通大学学报,2016,50(S1):98-101.
论文作者:杜凤鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：机器人论文; 工业论文; 程序论文; 信号论文; 通信论文; 板卡论文; 智能论文; 《电力设备》2018年第31期论文;