［摘 要］現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求更高的產(chǎn)品質(zhì)量、更低的勞動成本及更加精細(xì)和高效的操作。傳統(tǒng)人工和半自動化生產(chǎn)無法滿足這一要求，需要引入更先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人，實現(xiàn)降本提質(zhì)和增效。文章分析了工業(yè)機(jī)器人用于自動化生產(chǎn)的價值，研究了工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用場景，探討了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于自動化生產(chǎn)中的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略。

［關(guān)鍵詞］工業(yè)機(jī)器人；自動化生產(chǎn)；應(yīng)用分析

［中圖分類號］TP242.2 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0066–03

1 工業(yè)機(jī)器人概述

工業(yè)機(jī)器人是一種高度自動化的工業(yè)設(shè)備，是基于對人的勞動模擬而制成的一種智能化生產(chǎn)輔助工具，以執(zhí)行各種復(fù)雜、具有危險性和精密性的生產(chǎn)操作任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人通常包括1 個多關(guān)節(jié)的機(jī)械臂，以及與之相連的執(zhí)行器、傳感器、控制單元和軟件系統(tǒng)等關(guān)鍵組件。其中，機(jī)械臂是工業(yè)機(jī)器人的主要運(yùn)作部分，通常由多個可旋轉(zhuǎn)和可伸縮的關(guān)節(jié)組成，這些關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動使得機(jī)械臂可以靈活到達(dá)工作空間中的任何位置。執(zhí)行器則負(fù)責(zé)驅(qū)動這些關(guān)節(jié)的運(yùn)動，其可以是電動馬達(dá)、氣壓缸或液壓缸等不同類型的動力裝置。傳感器能夠感知和識別工作環(huán)境中的各種信息，如位置、速度、加速度、力矩、溫度等，從而確保機(jī)器人可以精準(zhǔn)、安全地執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)。控制單元相當(dāng)于工業(yè)機(jī)器人的大腦，依靠控制中樞來運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)接收和處理來自傳感器的信息，以及根據(jù)預(yù)設(shè)的程序或?qū)崟r指令來控制機(jī)器人的運(yùn)動和執(zhí)行器的工作。軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的編程、路徑規(guī)劃、任務(wù)管理及與其他設(shè)備的協(xié)同工作等任務(wù)。

2 工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)中的價值

2.1 提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量

工業(yè)機(jī)器人能夠執(zhí)行精確、重復(fù)性高的任務(wù)，且不會像人類因疲勞而降低效率。例如，在汽車制造業(yè)中，焊接機(jī)器人可以連續(xù)工作，確保每個焊點的質(zhì)量一致，大幅提高了車輛制造的效率與車身結(jié)構(gòu)的安全性。在電子產(chǎn)品制造行業(yè)，工業(yè)機(jī)器人可以高速、精確地組裝微小零件，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和效率。

2.2 降低生產(chǎn)成本與人力資源

工業(yè)機(jī)器人可以24 h 不間斷工作，這樣可以在不增加人力資源的情況下，實現(xiàn)生產(chǎn)線的全天候運(yùn)行。長期來看，雖然初期投資較大，但機(jī)器人可以減少長期的人力成本，尤其是在勞動成本較高的地區(qū)。

2.3 增強(qiáng)生產(chǎn)柔性與應(yīng)對能力

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人通常具有較高的靈活性和可編程性，可以快速適應(yīng)生產(chǎn)需求的變化。通過更換不同的工具和程序，一個機(jī)器人可以完成多種不同的任務(wù)，這在產(chǎn)品多樣化、小批量生產(chǎn)的今天尤為重要。同時，在面對市場需求的波動時，企業(yè)可以通過增加或減少機(jī)器人數(shù)量來快速調(diào)整生產(chǎn)能力，提高了企業(yè)的市場應(yīng)變能力。

2.4 提升工業(yè)企業(yè)核心競爭力

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用可以顯著提升企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平和自動化程度，增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力。在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的大背景下，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用使得企業(yè)能夠更加專注于技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級，從而在激烈的市場競爭中脫穎而出。

3 工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用場景

3.1 用于自動化裝配和搬運(yùn)

工業(yè)機(jī)器人可以用于倉儲和物流管理中的自動搬運(yùn)、堆放。在倉儲和物流管理中，機(jī)器人通過配備的傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)，利用相關(guān)夾具和抓取器，根據(jù)物品的類型、重量及形狀等特征，按照預(yù)設(shè)的路徑和位置，將其準(zhǔn)確地搬運(yùn)到指定地點，實現(xiàn)貨物的精確堆放。這在確保作業(yè)高效的同時，保證了倉庫的整潔和有序。工業(yè)機(jī)器人還可以用于裝配車間的自動化裝配。在裝配車間，工業(yè)機(jī)器人通過先進(jìn)的視覺系統(tǒng)和精確的控制系統(tǒng)，通過預(yù)設(shè)的工作程序和算法，可有效識別和精確地找到每個零部件的正確裝配位置，按照標(biāo)準(zhǔn)的裝配順序進(jìn)行規(guī)范化組裝。在這個過程中，機(jī)器人可以執(zhí)行各種復(fù)雜的裝配任務(wù)，包括擰緊螺栓、夾持固定、上膠密封、裝配軸承等。

3.2 用于自動化檢測和分類

工業(yè)機(jī)器人可以利用視覺系統(tǒng)、傳感器等設(shè)備，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)動態(tài)、性能特點等方面的準(zhǔn)確檢測。借助視覺系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人可以識別產(chǎn)品的外觀缺陷、尺寸偏差、顏色差異等。例如，在汽車制造過程中，機(jī)器人可以通過視覺系統(tǒng)檢測、判定車身的噴漆質(zhì)量，確保沒有瑕疵或色差。借助各種傳感器則可以檢測產(chǎn)品的重量、硬度、溫度等物理特性。例如，在食品加工業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人可以準(zhǔn)確檢測出食品的重量和成分，確保產(chǎn)品符合生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)機(jī)器人可通過智能算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的物料、產(chǎn)品等進(jìn)行識別和分類。工業(yè)機(jī)器人可以學(xué)習(xí)不同產(chǎn)品的特征，并逐漸形成對產(chǎn)品質(zhì)量與形態(tài)的判斷能力。這種自我學(xué)習(xí)的能力使得工業(yè)機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的服務(wù)需求。其可以通過學(xué)習(xí)新物料的特征，實現(xiàn)對自動化生產(chǎn)過程中的新產(chǎn)品或新物料的自動分類，從而提高物品分類的準(zhǔn)確性和效率。

3.3 用于自動化焊接和切割

自動化焊接和切割是工業(yè)自動化生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，工業(yè)機(jī)器人在這個生產(chǎn)制造領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。通過使用工業(yè)機(jī)器人，生產(chǎn)企業(yè)可以顯著提高作業(yè)效率、降低成本，并改善工人工作條件。在自動化焊接生產(chǎn)開始之前，使用工業(yè)機(jī)器人對焊接區(qū)域進(jìn)行清潔、除銹等預(yù)處理，以確保焊接質(zhì)量。然后基于計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）模型，預(yù)先規(guī)劃機(jī)器人的焊接路徑，包括確定起始點、結(jié)束點，以及焊接過程中的速度和加速度等參數(shù)。焊接執(zhí)行過程中，機(jī)器人借助視覺系統(tǒng)對焊接點進(jìn)行精確定位，并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的路徑進(jìn)行焊接操作，焊接完成后進(jìn)行質(zhì)量檢查，如焊縫的外觀、連續(xù)性是否存在缺陷等。通過使用焊接機(jī)器人，不僅能夠顯著提高焊接生產(chǎn)效率，還能夠降低工人因長時間暴露在焊接煙霧中而可能面臨的健康風(fēng)險，同時保證焊接質(zhì)量可靠、可控。自動化切割機(jī)器人多用于機(jī)械制造和金屬加工行業(yè)。根據(jù)預(yù)設(shè)的操作程序，自動化切割機(jī)器人將待切割的材料放置在切割臺上，并通過夾具固定。然后，使用激光、等離子或水刀等切割工具，按照規(guī)劃的切割路徑進(jìn)行切割。切割完成后，機(jī)器人會將廢料自動移走，以便后續(xù)處理，同時對切割后的產(chǎn)品尺寸精度、表面粗糙度等進(jìn)行質(zhì)量檢查。

3.4 用于自動化噴涂和包裝

在汽車機(jī)械裝備制造、電子產(chǎn)品和食品等行業(yè)生產(chǎn)中，噴涂和包裝是必不可少的工序，也是工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用場景。一般噴涂之前，可以使用工業(yè)機(jī)器人對目標(biāo)對象進(jìn)行清潔、除油及除銹等操作，以確保涂層能夠均勻附著。然后，根據(jù)所需涂層的類型、顏色及厚度，自動選擇并調(diào)配涂料。在確定噴涂的起始點、結(jié)束點、噴涂速度、噴槍與工件之間的距離等參數(shù)設(shè)計合理情況下，噴涂機(jī)器人根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的路徑進(jìn)行噴涂。在噴涂過程中，機(jī)器人實時調(diào)整噴槍的角度、位置及速度，以確保涂層均勻且無遺漏。最后對涂層進(jìn)行烘干和固化等后續(xù)處理，以確保噴涂的質(zhì)量和耐久性。

包裝作業(yè)過程中，工業(yè)機(jī)器人將生產(chǎn)線上完成的產(chǎn)品自動加載到包裝臺上，根據(jù)產(chǎn)品的尺寸和形狀，自動選擇合適的包裝材料，如紙箱、塑料袋、泡沫板等。然后按照預(yù)設(shè)的包裝程序?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行封裝、封口、貼標(biāo)等操作，并檢測包裝的質(zhì)量和完整性，以確保產(chǎn)品的安全運(yùn)輸。包裝完成后，使用搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人將產(chǎn)品碼垛到指定的貨架上或進(jìn)行自動倉儲。

4 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于自動化生產(chǎn)中挑戰(zhàn)

4.1 技術(shù)復(fù)雜且精度要求高

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)需要精確協(xié)同多個運(yùn)動軸的動作，尤其是在精密加工、裝配等高精度應(yīng)用場景中，對位置、速度及力的控制要求極高。由于機(jī)器人可能涉及六軸或更多自由度的同步運(yùn)動控制，如何確保其在高速運(yùn)行下的動態(tài)性能及軌跡精度是一個持續(xù)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

4.2 柔性和適應(yīng)性需求嚴(yán)峻

自動化生產(chǎn)線的靈活性和定制化需求日益增長，這意味著工業(yè)機(jī)器人需要具備更高的柔性化和可重構(gòu)能力?？焖俑鼡Q產(chǎn)品類型和調(diào)整生產(chǎn)流程時，機(jī)器人需要能快速重新編程并適應(yīng)新的任務(wù)，同時還需要智能識別和處理不同形態(tài)、材質(zhì)的產(chǎn)品，這對機(jī)器人軟件和硬件的設(shè)計提出了更高要求。

4.3 集成化與兼容性挑戰(zhàn)大

在復(fù)雜的自動化環(huán)境中，工業(yè)機(jī)器人需要與其他生產(chǎn)設(shè)備、傳感器、控制系統(tǒng)及企業(yè)信息系統(tǒng)無縫集成。不同的設(shè)備與系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)不一，數(shù)據(jù)通信協(xié)議多樣，使得集成過程復(fù)雜且耗時。解決這些兼容性問題，實現(xiàn)整體優(yōu)化的自動化生產(chǎn)流程是一項重大挑戰(zhàn)。

4.4 人機(jī)協(xié)作中的安全問題

隨著工業(yè)機(jī)器人向更高級別的自主性和智能化發(fā)展，工作場所的安全問題凸顯。如何在人機(jī)協(xié)作環(huán)境下確保工人的安全，避免因機(jī)器人誤動作導(dǎo)致的傷害事故，需要在設(shè)計階段就充分考慮并采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施和技術(shù)手段。

4.5 成本效益與投資回報率

盡管工業(yè)機(jī)器人長期來看可以降低成本和提高效率，但初始投資大，包括購買機(jī)器人、安裝調(diào)試、員工培訓(xùn)及可能出現(xiàn)的維護(hù)費(fèi)用等。企業(yè)需準(zhǔn)確評估機(jī)器人技術(shù)的投資回報周期，并在不斷變化的市場需求下保持技術(shù)更新，以確保持續(xù)的競爭力。

5 應(yīng)對自動化生產(chǎn)中工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用挑戰(zhàn)的策略

5.1 不斷更新算法和工業(yè)機(jī)器人

采用先進(jìn)的運(yùn)動控制算法與高精度傳感器（如PID 控制器、伺服電機(jī)及激光跟蹤系統(tǒng)等）提升工業(yè)機(jī)器人的定位精度和動態(tài)響應(yīng)性能。通過深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，讓機(jī)器人自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化操作路徑，進(jìn)一步提高其在復(fù)雜環(huán)境下的動作精度。對于特定領(lǐng)域的高精度作業(yè)，應(yīng)加快研發(fā)具有專業(yè)功能的特種機(jī)器人，如帶有力覺感知和視覺引導(dǎo)的精密裝配機(jī)器人，結(jié)合力控技術(shù)和視覺檢測，使機(jī)器人能夠?qū)崟r反饋并調(diào)整自身動作，滿足高精度工藝需求。

5.2 深化機(jī)器人結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)研發(fā)

開發(fā)模塊化、可重構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，允許根據(jù)生產(chǎn)需求快速更換末端執(zhí)行器或擴(kuò)展機(jī)械臂長度，從而適應(yīng)不同工序的需要。同時，引入基于模型的編程和仿真技術(shù)，使非技術(shù)人員也能快速便捷地進(jìn)行機(jī)器人程序編寫與驗證，降低編程門檻，增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)變能力。利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)自適應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)，使其具備一定的自主學(xué)習(xí)和決策能力，以便快速適應(yīng)新任務(wù)和環(huán)境變化。

5.3 構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人統(tǒng)一使用體系

推廣并采用開放標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的通信協(xié)議，如OPC UA、Modbus TCP/IP 等，促進(jìn)各設(shè)備間的互聯(lián)互通，簡化集成難度。同時建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)工廠內(nèi)各類設(shè)備的數(shù)據(jù)共享與交互，借助邊緣計算和云計算技術(shù)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理和分析，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度。設(shè)計和實施智能制造系統(tǒng)集成解決方案，將機(jī)器人作為整個生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，從頂層規(guī)劃到底層實施，全方位保證機(jī)器人與其他設(shè)備的協(xié)同運(yùn)作。

5.4 嚴(yán)守安全法規(guī)提升生產(chǎn)安全

首先，要嚴(yán)格遵守國際和國內(nèi)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 10218《工業(yè)機(jī)器人安全要求標(biāo)準(zhǔn)》、IEC 61508《電氣/ 電子/ 可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)》，在設(shè)計階段引入安全功能，如配備安全圍欄、光柵保護(hù)裝置，使用符合SIL（安全完整性等級）的安全控制器等，確保人機(jī)協(xié)作的安全性。同時，必須進(jìn)一步發(fā)展新一代協(xié)作機(jī)器人，通過內(nèi)置的多種傳感器和避障機(jī)制，來實現(xiàn)在無物理隔離的情況下與人類近距離互動，提供與人的工作協(xié)同，大幅降低自動化生產(chǎn)過程中的意外風(fēng)險。

5.5 堅持立足實際合理配置使用

工業(yè)企業(yè)應(yīng)對自身的生產(chǎn)、發(fā)展實際需求及工業(yè)機(jī)器人的投入使用能力等有清晰認(rèn)識，在保證不影響正常生產(chǎn)和運(yùn)營基礎(chǔ)上，選擇具有良好性價比的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，根據(jù)自身當(dāng)前的生產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力，合理配置機(jī)器人類型和數(shù)量，逐步更新生產(chǎn)線，提升生產(chǎn)能力，要避免盲目跟風(fēng)，片面追求高端設(shè)備而忽視投資回報率。企業(yè)要進(jìn)行詳盡的項目可行性分析和投資回報率（ROI）計算，通過精益生產(chǎn)、減少浪費(fèi)、提高良品率等方式量化機(jī)器人應(yīng)用帶來的經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)的長期發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。供應(yīng)鏈方面應(yīng)提供全面的機(jī)器人生命周期服務(wù)，包括租賃、二手市場、升級維護(hù)等方案，幫助各類工業(yè)企業(yè)靈活應(yīng)對市場變化，減輕一次性投資壓力。

6 結(jié)束語

智能制造時代，生產(chǎn)效率和質(zhì)量是工業(yè)企業(yè)得以持續(xù)發(fā)展的重要依托。工業(yè)機(jī)器人的大量應(yīng)用，為實現(xiàn)這一目的創(chuàng)造了有利條件，讓自動化、智能化的高質(zhì)量生產(chǎn)制造成為可能。各類工業(yè)企業(yè)應(yīng)當(dāng)結(jié)合自身與行業(yè)實際情況，合理引入工業(yè)機(jī)器人，更新生產(chǎn)線，增強(qiáng)生產(chǎn)能力和綜合競爭力。

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