摘要：随着“工业4.0”的发展，国家大力推进以机器人为核心的高端制造产业的发展，以提高国际竞争力。“机器换人”也逐渐变成了工业制造的一种趋势。近年来，工业机器人需求量急速增长，制造和应用企业大量增加，研究工业机器人系统集成技术就变得尤为迫切。本文从工业机器人的应用开始分析，对工业机器人系统集成设计的定义、步骤、方法进行研究，对我国的工业机器人发展具有一定的参考意义。
关键词：工业机器人；系统集成；设计方法
引言
自从开展工业革命以来，生产中的人力劳动逐渐被机械所代替，这是社会文明进步的必然现象。随着科技的进步，智能化越来越高的机器人在工业生产中进一步发挥巨大的作用，同时也标志着现代化企业已经成功实现自动化生产。
工业机器人已经日益成为各种生产中不可或缺的主体，通过系统集成，它以其灵活高效的特性组成各种各样的应用系统，不但提高了生产率，还提高了生产柔性，适应当今多品种、小批量生产的趋势。
1工业机器人应用概况
机器人技术正在以超乎一般人所预料的速度向前发展，对机器人这一概念的理解及定义也在变化。1984年末著名科学家钱学森指出：“所谓机器人，就是指那些有特定功能的自动机，它是机电一体化的，具有人工智能因素的80年代高技术，是新技术革命的重要内容之一。”
作为机器人家族的一员，工业机器人诞生于20世纪60年代，在20世纪90年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。
在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了从试验引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。
2 工业机器人的效益
发达国家的使用经验表明：使用工业机器人可以降低废品率和产品成本，提高了机床的利用率，降低了工人误操作带来的残次零件风险等，其带来的一系列效益也是十分明显的，例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等。机器人具有执行各种任务特别是高危任务的能力，平均故障间隔期达60000小时以上，比传统的自动化工艺更加先进。采用工业机器人还有如下优点：第一，改善劳动条件，逐步提高生产效率；第二，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代；第三，提高零件的处理能力与产品质量；第四，消除枯燥无味的工作，节约劳动力；第五，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险；第六，提高机床生产率；第七，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存；第八，提高企业竞争力。
3 工业机器人系统集成设计的定义
工业机器人系统集成是指工业机器人在实际应用中针对现场的集成开发，包括工作装备、外部设备控制系统等，完整的一个系统的调试开发即工业机器人的系统集成。也可从理解为将出厂状态下的工业机器人通过集成开发变为可实际应用的工业机器人。
4 工业化器人系统集成设计的一般步驟与方法
工业机器人系统集成设计属于工业机器人应用研究范畴，通过对工业机器人应用及其系统集成定义的研究，结合文献、资料及案例的分析研究后，可以总结其一般步骤与方法为：
（1）解读分析工业机器人工作任务：工业机器人的工作任务是整个系统集成设计的核必问题和要求，所有的设计都必须围绕工作任务来完成。它决定了将为工业机器人本身的选型、工艺软件的使用、工作装备的选用或设计、外部设备的配合以及外围控制系统的设计。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆所以，必须准确而清晰的解读分析工业机器人工作任务，否则将使系统集成设计达不到预期的效果，甚至完全错误；
（2）合理选用或设计工作装备：工作装备是工化机器人进巧工艺加工操作的执行元件，没有工作装备的工业机器人就仅仅是一台运动定位设备。选用或设计工作装备的根本依据是工作任务。工业机器人究竟是需耍进行何种操作，是焊接操作，或是搬运码垛操作，亦或是打磨抛光操作等，是否需要配备变为机、移动滑台等，以及操作所需要达到的工艺水准，加工对象的情况，都是需耍综合考虑的。只有正确、合理的选用或设计工作装备，让它们与工业机器人配合起来，才能使工业机器人发挥出其应有的功效，更好的完成加工工艺；
（3）工业机器人的合理选型：当工作装备被确定下来后，就课题进行工业机器人的选型，它是其应用系统的核心元件。由于不同品牌的工业机器人其技术特点、擅长领域各不相同，所以首先根据工作任务的工艺要求，初步选定工业机器人的品牌。其次根据工作任务、工作装备、操作对象以及工作环境等因素决定所需工业机器人的负载、最大运动范围、防护等级等性能指称，最终确定工业机器人的型号，之后再巧细考虑如系统先进性、配套工艺软件、I/O接口、总线通信方式、外部设备配合等问题。在满足工作任务要求的前提下，尽量选用控制系统更先进、I/O接口更多、有配套工艺软件的品牌和型号，以利使系统具巧一定的冗余性和扩充性。同时，成本也是选型时必须考虑的问题。综上所述，最终选定工业机器人的品牌和型号：
（4）工艺辅助软件的选择和使用：工业机器人工艺辅助软件是当工业机器人应用系统涉及复杂工艺操作时，辅助技术人员进行机器人工作路径规划、工艺参数管理和点位示教的软件，一般会与三维建模软件同时使用。功能强大的工艺辅助软件还可以进行如生产数据管理、工艺编制、生产资源管理和工具选择，甚至可以直接输出工业机器人运动程序。根据工作任务和选定工业机器人品牌，共同决定工艺软件的使用。由于工业机器人不同品牌的原因，导致了其核心控制器件的不同，从而也就导致了某些工业机器人生产供应商针对不同加工工艺，能提供配套的工艺软件，提升工艺水准，而另一些则没有相应的工艺软件。综合考虑工作任务和所选定的工业机器人品牌，确定是否选用工艺软件，选用何种工艺软件：
（5）外部控制系统的设计和选型：根据前面步骤所选定的工业机器人型号、工作装备，综合考虑工作任务后初步选定外部控制系统的核心控制器件。一般情况下，都选用可编程控制器（PLC）作为外围控制系统的核必控制器件，但是在某些特殊加工工艺中，比如工艺过程连续，对时间要求非常精确的情况下，需要考虑PLC的I/O延迟是否会对加工工艺造成不良影响，否则必须选用其他控制器件，如嵌入式系统等。应尽量考虑在工业机器人以及各外部控制设备之间采用工业现场总线的通信方式，以减少安装施工工作量与周期，提高系统可靠性，同时也降低后期维护维修成本。同时，安全问题在外部控制系统中也是非常重要的，在某些情况下甚至是首要考虑的因素。而安全问题包括了设备安全和人身安全，关于前者的设备如防碰撞传感器等，关于后者的设备如安全光幕等，都是外部控制系统必须的设备。综合考虑以上因素，进行整个系统集成的设计与选型，在充分考虑系统的先进性、安全性、可靠性、兼容性和扩充性的基础上，尽可能的采用成熟的器件与设计思路；
（6）系统安装与调试：前述所有步骤均已完成后，就可以进入系统安装、调试阶段。在工业机器人应用系统的安装阶段，需严格遵守施工规范，保证施工质量。调试时应尽量考虑到各种使用情况，尽可能的提早发现问题并反馈。不论是安装还是调试，安全问题都是重中之重，必须时刻牢记安全操作规程。
5结语
机器人用于生产中，是现代科技进步的表现，目前的机器人市场非常火爆，在竞争激烈的市场中，将会迎来整个机器人集成产业的整合浪潮，研究工业化器人系统集成设计的方法对推动我过工业发展具有重大意义。
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论文作者:林文雄
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/6
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