当今汽车制造业中的机器人技术

来源：Digi-Key
作者：Jody Muelaner, Lisa Eitel

工业机器人对现代制造业至关重要——既能执行大量的功能，又能与其他形式的自动化协调任务。事实上，价值 1 万亿美元的汽车行业是第一个有能力大规模使用机器人技术的行业...并且也推动了与机器人技术相关的技术。这不足为奇，因为汽车是高度复杂的高价商品，可以证明工厂的投资可能在数年内都不会产生投资回报。现在，绝大多数的汽车制造中心都采用了机器人技术。仅仅在过去的 20 年里，包装、半导体生产和相对较新的自动化仓储领域才加快了采用机器人技术的步伐，与汽车行业展开竞争之势。


图 1：汽车行业也许比任何其他行业都更能刺激机器人技术的发展。（图片来源：Getty Images）

在机器人以及与机器人配套的工业自动化设备中，有电动机、液压系统和流体动力系统、驱动、控制、网络硬件、人机界面 (HMI) 和软件系统，以及检测、反馈和安全组件。这些部分通过执行预先编好的程序来提高效率，而这些程序又可以随时适应不断变化的实时条件。越来越多的人预计，机器人工作单元也具有可重新配置性，以生产新的汽车产品...因为消费者的喜好比以往任何时候都在更快速地变化。

澄清自动化和机器人技术领域的术语

《牛津英语词典》将机器人定义为“能够自动完成一系列复杂动作的机器，尤其是是可编程的动作”。令人困惑的是，这个定义可以描述从洗衣机到数控机床的一切。甚至 ISO 8373 给出的“自动控制的、可重新编程的、多用途机械手，可在三个或更多轴上对其进行编程”的机器人定义，也可以描述带有垂直升降台的仓库输送机。然而，这种机器通常不会被归类为机器人。

需要记住的实际区别是，在固定地点为单一[阅读：非常明确的定义] 用途而制造的机器通常不被视为机器人...至少在工业界不是这样。例如，尽管一台典型的铣床可以运行任何数量的复杂程序来加工不同的零件，但其设计是使用安装在其主轴上的旋转刀片来切割金属...而且很可能在整个使用期限内牢牢地固定在一个位置。


图 2：在某些情况下，机器之间的区别是基于自动化设计的外观。有些人把类似机械化的人手臂的铰接臂归为机器人——把采用自动笛卡尔排列式线性滑轨归为机器，如用于小零件装配和检查的 CT4。（图片来源：IAI America Inc.）

有时，甚至这些定义也是矛盾的。例如，数控机床等自动化机器越来越灵活，车铣复合中心同时具有铣床和车床的功能——许多类似机器还能用接触式探头和激光扫描仪进行零件检测和测量。这样的机床甚至可以用于进行增材制造。另一方面，所谓的灵活工业机器人通常是为了执行如喷漆或焊接等特定工作而作为专用型号提供的...并且很可能在使用期限内就固定在一条生产线上运行。

底线是，在今天的汽车工业中，被视为机器人的自动化系统确实常常被期望表现出高度灵活性——能够（通过重新配置）执行运输、分拣、装配、焊接和喷涂工作，而且这些工作可能每天都不相同。这些工业机器人也有望被重新安装到工厂的新区域——无论是作为制造系统重新部署，还是在第七轴线性轨道上持续移动以服务生产线上的一系列工作单元。

汽车生产现场的机器人家族

汽车生产现场的机器人大致按其机械结构分类——包括其关节类型、联动布局和自由度。

串行机械手机器人技术包括了大多数工业机器人。这个设计系列的设计中有一个线性链，一端是底座，另一端是末端效应器——链上每个环节之间都有一个关节。这些机器人包括铰接式机器人、选择顺应性铰接机械臂 (SCARA) 机器人、协作型六轴机器人、笛卡尔机器人（基本上由线性执行器组成）和不太常见的圆柱型机器人。


图 3：协作机器人在需要自动码垛操作的二级汽车供应商设施中越来越普遍。（图片来源：Dobot）

平行机械手机器人在需要高刚度和操作速度的应用中具有出色的表现。与铰接臂（通过单线连杆悬挂在 3D 空间）相比，并联操纵器通过连杆阵列支撑或悬挂。这方面的机器人如 Delta 和 Stuart 机器人。

移动机器人是在工厂和仓库周围移动材料和库存物品的轮式装置。这些机器人可以作为自动叉车，用来检索、移动和放置货架或工厂地板上的托盘。这方面的机器人如自动导引车 (AGV) 和自主移动机器人 (AMR)。

传统机器人在汽车制造中的应用

汽车制造设施中的传统机器人应用包括焊接、喷漆、装配和普通汽车中 30,000 多个零件的搬运工作。考虑下一些机器人亚型是如何在这些应用中使用的。

六轴铰接臂机器人是一种串行操纵器，其中每个关节都是一个旋转关节。最常见的配置是具有自由度的六轴机器人，可以在其工作范围内将物体定位在任何位置和方向。这些机器人非常灵活，适用于各种各样的工业流程。事实上，六轴关节臂机器人是大多数人想象到的工业机器人的样子。


图 4：高性能条码阅读器可以快速、可靠地对一维和二维条码进行解码。有些安装在机器人末端效应器上，以支持电子和汽车部件、子装配元件的零件拣选。（图片来源：Omron Automation and Safety）

事实上，大型六轴机器人经常用于汽车框架焊接和车身板件点焊。与人工方法相比，机器人能够在三维空间中连续不停地精确追踪焊接路径，同时适应随环境条件变化的焊珠参数。


图5：这些六轴机器人是大多数人想象到的工业机器人的样子。（图像来源：Kuka）

在其他地方，六轴铰接臂机器人骑在第七轴系统上，执行汽车车身板件的打底、喷漆、清漆和其他密封工艺。这种工艺安实现了完美一致的效果，其部分原因是这些过程是在隔离良好的喷漆间进行的，能够有效地阻止外部环境颗粒造成污染。六轴机器人还遵循通过编程优化了的喷涂路径，以达到完美的表面处理，甚至最大限度地减少过度喷涂，减少油漆和密封剂的浪费。更重要的是，有了这些机器人，就可以避免汽车工人暴露在与某些喷涂材料有关的有害气体中。


图 6：SIMATIC 机器人集成器应用通过适应各种供应商的机器人参数和各种应用的几何形状、安装要求，简化了机器人在自动化设置中的集成；这些安装工作是由可扩展的高性能SIMATIC S7 控制器完成的，这些控制器具有集成的 I/O 和各种通信选项，可以灵活地进行设计调整。（图片来源：Siemens）

选择顺应性铰接机械臂 (SCARA) 机器人配备两个旋转关节，且两个关节具有在垂直方向上运行的转轴，可在单一运动平面内进行 X-Y 定位。然后，第三个线性轴允许在 Z（向上和向下）方向运动。SCARA 是成本相对较低的选择，在狭窄的空间中表现出色——甚至比同等的笛卡尔机器人具有更快的运动速度。难怪 SCARA 机器人被用于生产汽车电子和电气系统中——包括那些用于气候控制、移动设备连接、音频/视觉元件、娱乐和导航。在这里，SCARA 最常用来执行精确的材料搬运和装配任务，以生产这些系统。

笛卡尔机器人至少有三个线性轴，这三个轴堆叠在一起以执行 X、Y 和 Z 方向的运动。实际上，二级汽车供应商采用的一些笛卡尔机器人采取了数控机床、3D 打印机和坐标测量机 (CMM) 的形式来验证最终产品的质量和一致性。如果把这些机器也包括在内，笛卡尔机器人显而易见就是业内最常见的工业机器人形式。但如前所述，笛卡尔机器通常只在用于涉及操纵工件而非工具的操作时才称为机器人，例如在装配、拾放和码垛方面。

汽车工业中使用的另一种笛卡尔机器人变体是门式自动起重机。这对于需要在还未全部完成装配的车辆底盘下方进行紧固和连接工艺来说是必不可少的。

新型创新机器人在汽车制造中的应用

圆柱机器人是一种外形紧凑、经济实惠的机器人，可通过基座上的旋转关节和两个用于增大高度和延伸机械臂的线性轴提供三轴定位。这类机器人特别适合于机器理货、包装和码垛汽车子组件的工作。

上文提及的协作式六轴机器人 (cobots) 的特点是与较大型工业变体具有相同的基本联动结构，但在每个关节处都有极其紧凑的、集成的、基于电机的驱动装置...通常采用齿轮马达或直接驱动的形式。在汽车环境中，这类机器人的任务是焊接托架、支架和几何形状复杂的子框架。优点包括高精度和可重复性。

Delta 机器人配备三个机械臂，通过来自底座的旋转式关节实现驱动——通常安装在天花板上采用悬挂式布置。每个机械臂都有一个平行四边形，其末端安装有万向节，然后这些平行四边形都与末端效应器连接。这使得 Delta 机器人有三个平移自由度，且末端效应器从不相对于底座旋转。Delta 机器人可以达到极高的加速度，使其在涉及小型汽车紧固件、电气元件分拣以及其他搬运应用中能够非常有效地进行拾放操作。

Stewart 平台（也称作六爪鱼）由一个三角形底座和三角形末端效应器组成，由六个线性执行器连接成一个八面体。这赋予了六个自由度，且具有极强的刚性结构。然而，与自身结构的大小相比，其运动范围相对有限。Stewart 平台用于运动模拟、移动式精密加工、起重机运动补偿以及精密物理学和光学测试程序中的高速振动补偿...包括那些用于验证车辆悬挂设计的平台。

自动导引车 (AGV) 遵循刷在地板上的标线、地板上的电线或其他引导信标所标示的既定路线。AGV 通常具有一定程度的智能，因此能够停止和启动，以避免相互之间以及与人类发生碰撞。这类机器非常适用于汽车生产设施中的材料搬运任务。

自主移动机器人 (AMR) 不需要固定路线，能够比 AGV 做出更复杂的决定。这类机器人在汽车制造商庞大的仓库中非常有用，通常利用激光扫描仪和物体识别算法来感知周围环境，实现自由导航。当检测到潜在的碰撞时，AMR 不是像 AGV 那样停下来等待，而是可以简单地改变路线，绕过障碍物。这种适应性使 AMR 在汽车厂的装货码头大大提高了生产力和灵活性。

结束语

在过去的 30 年里，汽车行业刺激了机器人领域的大规模创新，这一趋势将随着电动汽车 (EV) 市场的蓬勃发展而持续。该行业也开始受益于新型人工智能和机器视觉的适应性，可加强机器人安装，以适应任何一种用途。