机器人技术在机械工程自动化中的应用探索

一、引言

在机械工程自动化发展进程中，机器人技术凭借其高效、精准、灵活等优势，成为推动行业变革的关键力量。从汽车制造的流水线作业到电子设备的精密加工，机器人技术不断渗透到机械工程的各个领域。

二、机器人技术概述

（一）机器人类型

工业机器人是机械工程自动化中应用最广泛的类型，其结构多样，功能各异。多关节机器人模仿人类手臂结构，拥有6 个或更多自由度，可实现复杂空间运动，常用于汽车零部件焊接、机床上下料等场景；SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）机器人即平面关节型机器人，具备高速、高精度特点，在 3C 产品装配、食品包装等对速度和精度要求较高的领域表现出色；直角坐标机器人通过X、Y、Z 轴的直线运动实现定位，结构简单，负载能力强，适用于重型工件搬运、大型模具加工等作业。服务机器人虽不直接参与产品制造，但在机械工程辅助环节发挥着重要作用。物流搬运机器人如AGV（自动导引车）和 AMR（自主移动机器人），能够依据预设路径或自主规划路线，实现物料的自动化运输，广泛应用于工厂内部物流和仓储管理；检测机器人搭载多种传感器，可对机械零件、设备进行无损检测或性能测试，及时发现潜在缺陷；清洁机器人则负责工厂车间的地面清洁、设备除尘等工作，维持生产环境的整洁。

（二）关键技术

机器人的运动控制技术是实现精准作业的基础。关节伺服控制通过伺服电机和驱动器，精确调节机器人各关节的位置、速度和扭矩，以满足不同作业的运动需求。轨迹规划技术则根据作业任务，规划机器人末端执行器的运动路径，常见的有直线插补、圆弧插补等方法，确保机器人在运动过程中平稳、高效。传感器和识别算法赋予机器人感知外部环境和获取信息的能力。

三、机器人技术在机械工程自动化中的应用实例

（一）焊接自动化

在汽车车身焊接和钢结构焊接领域，弧焊机器人得到广泛应用。其作业流程通常为：首先通过视觉传感器对焊缝位置进行精确识别和定位；然后机器人按照预设程序或实时规划的轨迹，控制焊枪以合适的角度和速度进行焊接；焊接过程中，利用电弧传感器或激光传感器进行焊缝跟踪，实时调整焊枪位置，确保焊缝质量。汽车白车身焊接生产线是点焊机器人的主要应用场景。

（二）装配自动化

在电子设备、精密仪器等产品制造中，精密零件装配对精度要求极高。工业机器人通过高精度定位系统和力控技术，能够准确抓取和放置微小零件，避免零件损坏。在汽车发动机装配、家电产品装配等大规模生产场景中，机器人装配生产线发挥着重要作用。以汽车发动机装配为例，多台机器人与传送带、夹具等设备协同工作，分别完成发动机缸体、曲轴、活塞等零部件的装配。

（三）检测与质量控制

视觉检测机器人在机械零件尺寸测量和表面缺陷检测中应用广泛。在尺寸测量方面，机器人搭载高精度工业相机对零件进行多角度拍摄，通过图像分析算法计算零件的长度、宽度、孔径等尺寸参数，并与标准值进行对比，判断零件是否合格。无损检测机器人结合超声波、射线等检测技术，可对管道、压力容器等设备进行内部缺陷检测。以管道检测为例，机器人搭载超声波探头，沿管道内部移动，通过发射和接收超声波信号，分析管道内壁的腐蚀、裂纹等缺陷情况。

（四）物流与仓储自动化

AGV 在工厂物料搬运和仓库货物运输中承担着重要角色。AGV的导航方式主要有磁条导航、激光导航、视觉导航等，通过与仓库管理系统（WMS）或生产管理系统（MES）对接，接收搬运任务指令。在工厂车间，AGV 可根据生产计划自动将原材料运输到加工设备旁，或将成品运输到仓库；在仓库中，AGV 能实现货物的自动化出入库和库内搬运。

四、机器人技术应用面临的问题

（一）技术层面

尽管机器人技术不断发展，但在动态、非结构化环境中，其感知和决策能力仍存在局限。例如，在户外施工现场或存在大量干扰因素的车间环境中，机器人的传感器容易受到光线变化、灰尘、电磁干扰等影响，导致感知信息不准确。复杂工况下，机器人的运动控制精度也会下降，如在高温、高湿度或振动环境中，机器人关节的机械性能和传感器精度会受到影响，难以完成高精度作业任务。

（二）成本层面

工业机器人及其配套自动化系统的购置成本高昂。一台普通的工业机器人价格在 10-50 万元不等，若加上末端执行器、控制系统、安全防护装置等，整体成本会大幅增加。对于中小企业而言，大规模引入机器人技术意味着巨大的资金投入，很多企业因资金限制，难以承担高昂的设备采购费用，从而无法享受机器人技术带来的生产优势，阻碍了机器人技术在行业内的广泛普及。

（三）安全与伦理层面

机器人运行过程中存在碰撞、误操作等安全威胁。由于机器人运动速度快、力量大，一旦发生故障或程序错误，可能对操作人员造成严重伤害；此外，机器人系统的电气故障、机械部件松动等问题，也可能引发设备损坏和生产事故。虽然现代机器人通常配备了安全防护装置，如急停按钮、安全光幕等，但仍无法完全消除安全隐患，如何进一步提升机器人运行的安全性，是应用过程中必须解决的重要问题。机器人技术的大规模应用引发了劳动力替代和就业结构变化问题。一些重复性、规律性的工作岗位被机器人取代，导致部分工人面临失业风险，如何妥善安置受影响的劳动力，保障社会就业稳定，是亟待解决的社会问题。

五、机器人技术应用的发展策略

（一）技术创新与突破

加大在机器人复杂环境感知、智能决策等关键技术领域的研发投入。例如，研究多传感器融合技术，将视觉、力觉、触觉等传感器数据进行融合处理，提高机器人在复杂环境下的感知能力；开发基于强化学习、迁移学习的智能决策算法，使机器人能够快速适应不同工况和任务需求。

（二）成本控制与优化

企业可通过集中采购、定制化开发等方式降低机器人购置成本。行业协会或企业联盟可组织联合采购，增加与供应商的议价能力；根据自身生产需求，定制功能适配的机器人系统，避免功能冗余，降低成本。

（三）安全与伦理保障

制定和完善机器人安全标准和操作规程，明确机器人设计、制造、安装、使用等各个环节的安全要求。建立机器人安全认证和检测体系，对投入市场的机器人产品进行严格检测，确保其符合安全标准。

六、结论

机器人技术在机械工程自动化中的应用，显著提升了生产效率、产品质量和智能化水平，在焊接、装配、检测、物流等多个环节发挥了重要作用。然而，当前机器人技术应用仍面临技术瓶颈、成本压力和安全伦理等问题。

参考文献：

[1] 王田苗，陶永，陈恳. 工业机器人技术发展现状与趋势分析[J]. 机械工程学报， 2020， 56（13）： 1-17.

[2] 刘辛军，谢福贵，汪劲松. 协作机器人关键技术研究进展[J].机械工程学报， 2021， 57（15）： 1-16.