摘要：工业机器人在工业生产中发挥了重要作用，但也带来了一些挑战。工业机器人柔性制造将改变传统的生产方式，促进行业发展和智能制造。本文结合国内外相关研究成果和实践经验，分析了工业机器人柔性制造的挑战——面向需求型制造、柔性结构和智能制造、智能机器人本体和关键部件技术等；总结了柔性制造的关键技术；并结合工业机器人柔性制造新趋势提出了可推广的应用路径及其实现方法。

关键字：工业机器人  柔性制造

在当前，制造业正处于由规模经济向效率经济转变的关键时期，工业机器人作为高效智能的工具在制造业转型升级过程中扮演着越来越重要的角色。同时在机器人应用领域也呈现出多样化、集成化、集成平台化趋势，并正在逐步成为制造业未来发展中重要的力量之一。

一、工业机器人面临的共性难题

目前，工业机器人技术研究和应用主要围绕提高机器人在生产中的柔性化水平、实现生产全流程智能化来展开。主要包括智能传感器的设计与集成、传感技术应用、工业机器人智能感知系统技术、工业机器人网络控制与信息系统、工业机器人集成控制与信息系统等关键技术。从发展历程来看，工业机器人应用领域主要包括3个方面：1）传统制造业：如汽车制造、化工制造等产品要求柔性化生产、智能化升级；2）工业机器人智能终端：如电子产品制造业（如手机、电脑等）要求机器人能够柔性化生产；3）汽车及零部件制造业（如冲压制造等）需要实现自动检测、自动装配生产和自动检测出产品质量。随着工业机器人技术及应用领域不断发展，其产品功能不断增强而引起了广泛关注与应用，但与此同时工业机器人也存在着许多共性问题：1）在加工过程中无法避免对机器人自身造成磨损与损伤；2）不能根据用户需求快速制造产品；3）难以实现个性化定制；4）由于加工成本高昂影响整体效益。这些共性问题不仅制约着制造业数字化、网络化和智能化转型升级，而且对设备的更新换代、自动化生产线系统升级、生产制造模式转变产生了重大影响。

二、机器人柔性制作探索

为适应世界上各个市场对生产多样化和个性化服务的要求，制造公司必须改变已有的传统制造模式，而采用高柔性科技的新制造模式也开始成为一个发展趋势。在现代企业制造中，柔性技术生产企业对工业机器人的高度柔性机动性和差异化业务处理的能力要求也很高。利用其无可比拟的独特优势，可助力于柔性产业的大规模应用。在有效降低机器间电缆成本的同时，高度安全网络的持续覆盖使得机器人能够在无限范围内自由移动，按需要抵达不同区域，在不同场合下持续流畅地工作。

2.1 工业机器人柔性制造生产布局

数字化工厂的布局形式是工厂设计中根据加工零件的工艺要求合理安排加工设备的重要步骤。必须要考虑零部件的制造方法、生产装置的功能、货物输送的途径、特殊装置的功能、安全保护的措施、中间过程的存放方式、机械手的承重、刀具位置的变化、固定夹紧的方法、工厂的生产规模等。经过对上述方案的综合研究，制定了满足当时生产技术条件的经济实用的生产线设计总体方案。在工程设计时，企业应结合以上各种因素，顾全大局，设计日益完善，并逐步完善，发挥工厂内各部分的作用，使工厂实现了设施最多、设施最小、投资成本最低，从而为企业提供最佳的数字化工厂解决方案。

2.2工业机器人柔性制造生产组成

（1）上料设备：为工厂提供坯料的自动输送，是加工产品的输入设备。带式输送机、接触网输送机等，设备设有工件定位、输送导向、工件停止、就地检测等机构，实现准确可靠的传输。

（2）机器人系统：它是数字工厂的核心部分，是加工设备中的加工部件，包括机器人本体、机械手和机器人控制系统。它具有运行速度快、定位精度高和旋转自由度多的特点。它是一种集检测、定位、夹紧、翻转、松开和移动于一体的智能设备。

（3）各工序加工装置：它是由数控加工中心或专门数控装置完成零部件加工，或零部件加工的重点装置。设备由单独的数控系统操作，具备开关门、换刀、对刀、切断、排屑的自动功能，甚至自动在线测量等功能。它还可按数控编程的要求加工零部件，以达到工艺规格和精确度的需要，是现代制造业不可缺少的自动化加工设备。

（4）专门装置：指在数字化生产中用于实现特殊用途的一类专门自动化装置，是数字化制造过程中不能缺少的关键部件，包括重要零部件加工流通过程中的姿态辗宽或倾覆实验台、符合工艺技术要求的工装装拆试验台、重要零部件加工过程中的形状与精度实验台、重要零部件的空间与气密性实验台等，以及零件搬运过程中储存物料的快速搬运，零件使用过程中的清洁工作台，以及零件检验后的合格和不合格产品自动分为工作台。

（5）下料设备：数字工厂用于自动将成品运出加工区的专用设备是工厂内加工产品的输出设备。带式输送机、吊链输送机、推链输送机、板式链式输送机等定期使用。设备设有工件定位、输送引导、工件停止、到位检测、错位报警、防撞、废液收集等机构。

（6）栅栏和周边设备：是安全保护栅栏和安全保护检测装置将数字实验室内的处理场所和周边环境分隔。包含安全栅栏、安全窗、安全格栅、安全智能锁、趾板和其他辅助装置。安全烤架和安全电子锁等安全防护装置的功能由机器整个设备的串联相连。在机器人工作中，若任何保险装置的信号改变，整个装置都将自行终止工作并产生报警信号，以确保操作员和设备的安全，并及时提醒维护人员排除设备故障。

（7）线路布局情况与走向：是指数字化工厂中，各种关键装置的电源电路、控制电路、气料管道和液压油电路等的相对布置情况和相关技术发展趋势。包括了主控柜、控制箱、中间接线箱、气源处理设备和分电器、液压站等的相对位置。路线可采取空气电缆桥架、地面布线管和沟槽布线管的型式布设。在道路上布设时，地面线缆、控制线、气管、油管等宜分别布设。空气电缆桥架及线槽等宜布置最平整，稳定安全，线路距离最短，并避免潮湿、油污、干扰和碰撞。

三、机器人柔性制造模式及关键技术研究

近年来，基于可编程控制器（PLC）、工业4.0等智能制造新技术，将信息技术与制造装备深度融合促进生产模式变革的现象在制造业已逐步得到认可和实践。在新的技术浪潮下可以预见智能机器人和智能装备将迎来一个高速发展时期。但随着智能制造的快速发展，为实现智能机器人应用产业化提供了新机遇。从发展历程来看，工业机器人柔性制造模式包括了多种发展趋势：传统柔性机器人应用将朝着模块化柔性结构方向发展、更多零部件组合柔性制造、更多功能融合柔性制造等；新理论表明不同柔性制造模式下的应用需求不同、价值网络分布不同系统耦合应用方式不同等，因此将工业机器人柔性制造系统研究主要分为以下几个方面：面向需求型制造技术、多功能柔性结构技术、面向柔性结构集成技术、机器人本体结构技术、智能机器人关键部件技术等。基于以上多维度分析结果可发现这些方法在柔性机器人的设计、加工、测试、应用与管理方面均存在一定困难与问题。

人机界面是智能机器人的关键，针对机器视觉、智能传感等工业智能控制过程，国内外学者已开展了一系列研究工作。机器人人机界面的设计要遵循人机交互的基本原则，包括人机界面的易用性、易维护性、易操作性（以人机交互界面为主）。为此，目前国内外学者对机器人关键部件技术进行了研究。如以机器人本体为基础、基于视觉、智能传感、控制技术等信息融合集成技术为重点、面向机器人核心部件设计技术为突破口等。主要研究方向包括：（1）关键元件技术：如视觉传感器集成技术、视觉系统信息处理技术和智能控制技术，以及摄像头模组集成技术等。（2）传感技术：如视觉传感器集成技术和传感电路技术，包括智能相机集成技术、非接触传感技术和可编程控制器技术等。（3）控制技术：包括人机界面算法、人机交互硬件设备技术等。

四、工业机器人柔性制造新趋势

为了促进我国制造业的发展，降低成本，提高效率，工业机器人正逐步向柔性制造方向发展。柔性制造是指机器人生产过程具有连续加工方式，它具有多个工序协同作业的能力，能够通过一系列先进、合理和优化的工艺路径实现柔性制造。工业机器人柔性制造的技术核心是机器人本体——伺服系统——运动控制单元等组成。柔性机器人技术主要包括柔性结构技术、柔性执行系统技术、柔性运行控制技术等。目前工业机器人柔性制造领域形成了多种新型制造模式趋势：从柔性制造需求向柔性制造模式转变、从传统方式向新型制造模式转变、从模块式向模块组装式转变、从刚性化向柔性化转变、从单一机型向集成平台化转变等。为进一步推动我国柔性制造发展，特提出以下几点值得借鉴的建议：（1）积极开展工业机器人应用领域、关键工艺等领域研究；（2）建立适应多产品、多工位以及多关节机器人应用领域；（3）开发并应用系统与功能模块化机器人；（4）开展与柔性制造相适应、能够应用于工业机器人柔性制造应用领域、能够满足工业机器人柔性制造需求的新技术、新工艺与新产品研究；（5）结合典型案例开展工业机器人柔性制造应用示范与技术研究、开展相关技术与产品创新研究。

4.1柔性结构

工业机器人通过柔性结构的设计，使其在生产过程中能够多角度加工并形成三维空间结构。其结构的基本特征包括刚性和柔性两大类。当前，柔性结构由于具有灵活多变的结构形式和独特的控制技术受到越来越多的关注，尤其是基于刚度和强度理论的动态分析方法和分析软件，以及动态、智能反馈等技术获得更多新信息和新特征逐渐成为当前柔性结构研究发展方向。其基本表现形式有：（1）针对不同刚度和柔性结构设计和实现不同刚度和柔性结构下工件在加工过程中的受力情况进行模拟优化；（2）研究柔性结构对工业机器人动作和结构性能的影响规律并开发智能控制软件。为保证具有优良结构特性的柔性结构能够发挥出最大性能指标并达到最优使用状态，柔性结构在设计时需要考虑其材料特性、几何形状及承载能力等。基于刚性结构研发出灵活多变、受力精确稳定且具有高刚性特性的柔性结构已经成为发展趋势。

4.2柔性执行系统

柔性执行系统是指在一定的执行条件下完成某种任务的装置。主要包括执行器、运动控制器、电气接口等，通过伺服驱动对所需的运动控制单元（如视觉单元、伺服电机等）进行驱动、反馈控制，从而实现工艺路径的优化控制或对特定工艺路径的精确控制。目前国际上研究比较集中的几种柔性执行系统分别是单轴多关节柔性执行器、单轴多关节刚性执行器、多轴柔性运动控制器与单轴柔性检测控制系统等[9]。随着未来生产组织方式以及流程优化进程的加快，各种柔性执行器将成为工业机器人各自由度实现柔性加工的核心。

4.3柔性功能模块化

柔性模块化是柔性制造模式下实现工业机器人系统集成、多产品集成的重要途径。工业机器人的柔性是从具有多个部件与功能的部件和模块组合法进行组合而形成的，其基本形式是基于机器人平台、驱动平台和控制平台进行柔性组合[8]。未来机器人将从其单一功能发展到各种功能模块，并能够实现集成[9]。通过设计功能单元和模块化结构，将工业机器人实现集成一体化，使得它既可以独立完成任务又可以被组合成模块进行生产。目前国内一些企业已经开始开展应用试点，取得良好成效。

结语：为了适应工业机器人的柔性制造需求，必须要将柔性系统、柔性执行系统与功能模块化，使之在实现功能的同时，也能在一定程度上降低设备的使用成本。模块化技术作为先进制造观念的重要组成部分，正在世界范围内被广泛应用于制造行业。模块化机器人是目前机器人领域的热点，其具有模块结构设计、运动控制软件开发等核心技术；模块化机器人实现了不同形式零部件按照同一生产线工艺标准进行快速柔性连接的功能；模块化机器人是一种生产高度模块化、制造高度标准化和集成应用系统，能够在工业生产中快速实施大规模制造并且实现系统集成应用，使得工业机器人系统能够直接满足客户定制生产能力。随着集成式技术的快速发展，工业机器人将具有更高的生产灵活性并提高整体加工质量，从而减少客户对其加工环节和能耗水平等方面的负面影响。

参考文献：[1]王萍，蒋珂.工业机器人自动化生产技术的实践研究[J].南方农机，2022，53（20）：168-170.

[2]张峥.工业机器人的智能化发展探究[J].中国军转民，2022（18）：82-83.

[3]刘飞.我国工业机器人产业的困境[J].中国信息界，2022（02）：78-83.