工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

陳沛禹

【摘要】? ? 近年來，隨著我國汽車工業(yè)的不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人在汽車制造過程中發(fā)揮著越來越大的作用，有效地提升了制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。汽車工業(yè)是支撐我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，制造工藝的發(fā)展對提高國民經(jīng)濟(jì)效益具有重要的價值。工業(yè)機(jī)器人能夠高效率地完成汽車制造中焊接、搬運(yùn)、裝配、噴涂等多種應(yīng)用任務(wù)，提高汽車制造工業(yè)生產(chǎn)自動化程度，改變了傳統(tǒng)的汽車制造格局。本文主要對機(jī)器人在汽車制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述分析，并對未來機(jī)器人在汽車制造中應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】? ? 工業(yè)機(jī)器人? ? 汽車生產(chǎn)? ? 應(yīng)用? ? 展望

引言

汽車制造行業(yè)是世界上最重要的產(chǎn)業(yè)之一。在工業(yè)機(jī)器人的所有應(yīng)用領(lǐng)域中，汽車制造業(yè)占整體市場份額的六成以上，是目前工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，汽車的需求量也在不斷增大，這對汽車制造的技術(shù)轉(zhuǎn)型升級提出了很高的要求。以日本發(fā)那科協(xié)作機(jī)器人為例，它安全性高，柔性靈活，既能流暢地與人類協(xié)同工作，又能確保周邊區(qū)域環(huán)境的安全。無論是汽車輪胎組裝、機(jī)床工件搬運(yùn)，還是電子產(chǎn)品裝配，F(xiàn)ANUC協(xié)作機(jī)器人都能輕松勝任。

文章第一部分介紹了工業(yè)機(jī)器人，第二部分分析了工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用，第三部分對未來進(jìn)行了展望。

一、工業(yè)機(jī)器人

1.1 概述

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人按照用途分類的一個類別，是一種面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它可以靠自身的動力和控制能力來實現(xiàn)工廠成產(chǎn)中各種工作。它可以接受人類的指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序進(jìn)行工作[1]。從結(jié)構(gòu)上來看，工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)械本體及控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和減速器等零部件組成，其中機(jī)械本體占總成本的10%，減速器占30%。機(jī)械本體共包括腕部、臂部和手部，機(jī)器人的手部通常有4到7個自由度;機(jī)器人的腕部有2到3個自由度;機(jī)器人的臂部有4到5個自由度[2]。;驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，為機(jī)器人運(yùn)動部件提供力和力矩;控制系統(tǒng)按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，并進(jìn)行控制，可通過傳感器獲得對象的狀態(tài)信息。

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一大分支，主要在工業(yè)領(lǐng)域中使用，其發(fā)展過程可分為三代：第一代是示教再現(xiàn)機(jī)器人，能夠通過運(yùn)行預(yù)先輸入的指令完成各項任務(wù)，不會因外界環(huán)境的而改變動作;第二代是視覺機(jī)器人，能夠根據(jù)外界環(huán)境的改變作出一定調(diào)整，有一定的容錯空間;第三代是智能機(jī)器人，能夠根據(jù)外界環(huán)境信息進(jìn)行識別、推理、執(zhí)行，是一種能自主行動的高級機(jī)器人。目前應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人多數(shù)為第一代、第二代工業(yè)機(jī)器人。

1.2工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人最早于1962年誕生在美國，隨后工業(yè)機(jī)器人在歐洲和一些亞洲國家得到了穩(wěn)定且良好的發(fā)展。由于亞洲市場廣闊，對汽車的需求量更大，促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人在汽車制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人數(shù)量在亞洲的增長幅度處于領(lǐng)先地位，并且形成了日本機(jī)器人制造領(lǐng)先地位的發(fā)展態(tài)勢。以安川機(jī)器人為例，其MH12產(chǎn)品具有同級別最高速性能，采用流線型機(jī)械臂設(shè)計，擴(kuò)大了動作范圍，全軸低功率輸出，適合短距離作業(yè)。

我國的工業(yè)機(jī)器人起步較晚，隨著市場需求的不斷增加和人力成本的不斷上升，我國有越來越多的企業(yè)、機(jī)構(gòu)和大學(xué)開始從事工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與制造工作。經(jīng)過多年的積累與發(fā)展，部分企業(yè)已經(jīng)擁有了一定的競爭力，取得了一定的成果。新松送餐服務(wù)機(jī)器人具有人臉識別功能，通過其托餐盤以及多媒體大屏與人進(jìn)行互動，代替了部分商場員工進(jìn)行售賣服務(wù)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。目前，我國自主研發(fā)生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人已成功應(yīng)用于汽車生產(chǎn)、航空航天、電子信息等多種領(lǐng)域并逐漸走出國門，面向海外銷售。由于各國正投入越來越多的資金和人力用于工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與生產(chǎn)，工業(yè)機(jī)器人的種類也變得越來越多樣化，工業(yè)機(jī)器人在不同的領(lǐng)域能得以應(yīng)用，為人們帶來了極大的便利。工業(yè)機(jī)器人仍具有很大的市場發(fā)展空間，需要人們進(jìn)一步的探索與研究，提升產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)技術(shù)，我國便會從機(jī)器人制造業(yè)大國轉(zhuǎn)為制造業(yè)強(qiáng)國。

1.3優(yōu)點

工業(yè)機(jī)器人主要具有以下四個優(yōu)點：

（1）功能性豐富。工業(yè)機(jī)器人的許多特性能有效地在生產(chǎn)中發(fā)揮作用，彌補(bǔ)人工生產(chǎn)的缺陷與不足。某些部件重量較大，人工搬運(yùn)不僅困難，而且部件可能會損壞。而工業(yè)機(jī)器人最大負(fù)載可達(dá)一噸之多，完全解決了這一問題，大大降低了實際生產(chǎn)中人力的消耗。此外，只要及時充電和維修，工業(yè)機(jī)器人可以實現(xiàn)24小時無間斷的工作，大大提升了生產(chǎn)效率。

（2）可靠性強(qiáng)。用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人重復(fù)精度可達(dá)0.02毫米，并且不會出現(xiàn)表面變形等問題，適用于生產(chǎn)安裝精度要求較高的部件。此外，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于涂膠可以準(zhǔn)確地按照涂膠軌跡和涂膠量均勻快速地完成作業(yè)。

（3）柔性高。與傳統(tǒng)的專用自動焊機(jī)相比，工業(yè)機(jī)器人具有更好地柔性，可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程。只需更改工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行程序、更換工業(yè)機(jī)器人的工具頭就可以將其用于生產(chǎn)多種車型和汽車部件，進(jìn)行生產(chǎn)功能的切換。

（4）應(yīng)用領(lǐng)域廣。工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上與人十分相似，可以代替人能做的絕大部分工作。常見的應(yīng)用領(lǐng)域有焊接、涂層、切割加工、裝配等，如下表所示。

1.4工業(yè)機(jī)器人發(fā)展對制造業(yè)的影響

制造業(yè)可以直接體現(xiàn)一個國家的生產(chǎn)力水平，是區(qū)別發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家的一個重要因素。工業(yè)機(jī)器人對制造業(yè)的影響主要體現(xiàn)在以下四個方面：

（1）提升了生產(chǎn)效率。人工生產(chǎn)零部件會因工人水平、經(jīng)驗和狀態(tài)的不同導(dǎo)致產(chǎn)品的優(yōu)劣參差不齊，完成的時間也有較大的差異，成品率低，會浪費(fèi)大量的生產(chǎn)原料。與之相比，每個工業(yè)機(jī)器人的程序是人為設(shè)定的、可更改的，所以每個產(chǎn)品生產(chǎn)所用的時間和優(yōu)劣程度也基本相同;能夠同時自動操控多個加工中心，大幅度地提升產(chǎn)量;不會像人類一樣身體不適，受外部因素的影響較小，這也能大大提升生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性和高效性，若將工業(yè)機(jī)器人形成生產(chǎn)鏈，可以極大地實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，更大地提升生產(chǎn)效率。

（2）加強(qiáng)了安全系數(shù)。高輻射、較危險的職業(yè)會出現(xiàn)人員傷亡，高噪音、金屬粉塵的工作也會對工人的健康造成影響，而工業(yè)機(jī)器人不僅精準(zhǔn)、穩(wěn)定，還可以克服惡劣的環(huán)境，尤其是在核領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)，使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)工作，能夠有效地保障工人的健康安全，大大降低人員的傷亡概率。

（3）降低了生產(chǎn)成本。由于人力成本越來越貴，企業(yè)可以通過盡量減少人員來節(jié)省人工費(fèi)用，使用工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人可以代替幾人甚至幾十人的工作。以往，在生產(chǎn)過程中會有幾十個員工同時在輸送帶上工作，現(xiàn)如今有了工業(yè)機(jī)器人，只需一人負(fù)責(zé)操控即可。此外，機(jī)器人不需要休息，可以幾乎無休止地進(jìn)行工作，這使得工業(yè)機(jī)器人單位時間內(nèi)的工作量比相同情況下工人的工作量多得多，這也起到了節(jié)約生產(chǎn)成本、提升生產(chǎn)效率的效果。

（4）提高了市場競爭力。在一個制造流水線上，人工生產(chǎn)、安裝很容易在某一環(huán)節(jié)中出現(xiàn)疏忽，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量收到嚴(yán)重的影響，這會給企業(yè)的品牌與形象帶來損害，失去大量客戶，造成難以彌補(bǔ)的損失。工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的程序精準(zhǔn)、嚴(yán)格地執(zhí)行生產(chǎn)工作，保證產(chǎn)品的準(zhǔn)確性、可靠性和一致性，大大降低了工人在生產(chǎn)過程中出錯的可能。此外，使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)韓能夠較準(zhǔn)確地估計產(chǎn)品產(chǎn)量及生產(chǎn)時間，便于企業(yè)進(jìn)行交付工作，提高企業(yè)的信譽(yù)度。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工生產(chǎn)，能夠有效地維護(hù)企業(yè)的品牌與形象，提高企業(yè)的市場競爭力。

二、汽車制造

2.1 概述

汽車工業(yè)發(fā)源于歐洲，而現(xiàn)代汽車工業(yè)的形成則起源于美國。經(jīng)過一百多年來的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)已經(jīng)成為世界上規(guī)模最大、最重要的產(chǎn)業(yè)之一，是一個國家綜合技術(shù)水平的直接體現(xiàn)。自2001年中國加入世貿(mào)組織以來，一大批國外汽車制造企業(yè)逐漸進(jìn)入中國市場，使我國汽車行業(yè)高速發(fā)展。隨著我國科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和國民收入的提升，私家車的需求量越來越大，使汽車制造行業(yè)有良好的發(fā)展前景。

2.2工業(yè)機(jī)器人在汽車制造中的應(yīng)用

通常情況下，工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中扮演著裝配工、操作工、焊接工等角色，主要應(yīng)用有焊接、涂膠、弧焊、噴涂等[4]。如圖所示，機(jī)器人在汽車生產(chǎn)應(yīng)用中不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)中占比不同：弧焊占16%，點焊占15%，組裝占22%，噴漆、沖壓、鑄造各占3%。由此可見，工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中發(fā)揮了不可或缺的作用。

（1）焊接機(jī)器人

長期以來，焊接工作經(jīng)常由人工示教進(jìn)行，這增加了工人的工作強(qiáng)度，并且焊接的質(zhì)量參差不齊，嚴(yán)重依賴人的經(jīng)驗，無法適應(yīng)汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展。焊接機(jī)器人可以很好地解決這些問題，它能精準(zhǔn)穩(wěn)定地實施焊接動作，最大化地減小誤差。焊接機(jī)器人主要分為點焊和弧焊，點焊機(jī)器人安裝面積小，工作空間大，在工作過程中能夠很好地控制焊接點精度，保證焊接節(jié)點的質(zhì)量;弧焊機(jī)器人工序較為復(fù)雜，分為起弧、焊接、熄弧等步驟，但是設(shè)定好程序之后，這些步驟能夠自動完成，實現(xiàn)高效精準(zhǔn)焊接。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和控制技術(shù)的發(fā)展，目前焊接自動化正在向完全自主焊接的方向發(fā)展，焊接機(jī)器人能夠利用視覺傳感器自主尋找焊縫起點位置、電弧跟蹤、自動化送絲等，實現(xiàn)精準(zhǔn)地高效焊接。

（2）搬運(yùn)機(jī)器人

在汽車生產(chǎn)工序完成后，搬運(yùn)就顯得十分重要。搬運(yùn)機(jī)器人能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行準(zhǔn)確地定位并搬運(yùn)，且不會出現(xiàn)零部件受損、搬運(yùn)位置不夠精確等情況。根據(jù)工件的形狀和種類不同，搬運(yùn)機(jī)器人末端可以安裝不同的執(zhí)行器進(jìn)行搬運(yùn)，大大節(jié)省了人力成本。

（3）裝配機(jī)器人

在傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)線上，通常是人工負(fù)責(zé)裝配工作，由于每個工人的水平良莠不齊，產(chǎn)出汽車的質(zhì)量無法得到保證。裝配機(jī)器人能夠極大地提高汽車裝配的精準(zhǔn)度，其主要通過傳感器獲取周圍環(huán)境和裝配對象的信息，由末端執(zhí)行器完成裝配工作。在一些精度要求較為嚴(yán)格的組裝環(huán)節(jié)，如擋風(fēng)玻璃的密封涂覆，裝配機(jī)器人發(fā)揮了重要作用，大幅提高了裝配的效率和質(zhì)量。

（4）噴涂機(jī)器人

由于汽車制造車間透風(fēng)性較差，涂料中的有害氣體難以排放，若工人長期處于這種環(huán)境中，他們的健康會受到嚴(yán)重的危害。而噴涂機(jī)器人可以很好地避免這一點，噴涂機(jī)器人能夠根據(jù)車身形狀的不同從而選擇不同的噴涂工具，按照預(yù)先設(shè)定的噴涂程序進(jìn)行工作。使用噴涂機(jī)器人不僅能夠保護(hù)員工的健康安全，還能加快噴涂速度、避免工作失誤，提高噴涂效率。

三、展望

工業(yè)機(jī)器人能夠很大程度上提升汽車生產(chǎn)的品質(zhì)和效率、節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本和相關(guān)人員，使汽車生產(chǎn)流水線更加穩(wěn)定。但是在實際生產(chǎn)過程中仍存在以下幾點問題有望解決：

（1）國內(nèi)外主流品牌的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)商都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，并且相互之間無法兼容。在汽車生產(chǎn)以及其他作業(yè)中難以進(jìn)行相互之間的通信和設(shè)備搭配。

（2）外圍設(shè)備設(shè)計時未充分考慮機(jī)器人的工作環(huán)境。機(jī)器人在不同的環(huán)境中工作時，會對其實際壽命有很大的影響[6];在汽車生產(chǎn)過程中，工業(yè)機(jī)器人的電氣控制系統(tǒng)會由于外界溫度和濕度不同而出現(xiàn)故障，進(jìn)而對機(jī)器人的壽命有所影響;長時間在多油霧環(huán)境工作的工業(yè)機(jī)器人表面會慢慢積累油污，受到腐蝕，從而減短壽命。應(yīng)在研發(fā)能夠在惡劣環(huán)境下長時間工作的工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮其壽命的延長。

（3）工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)過程中可能會與其他設(shè)備發(fā)生碰撞，造成一定損失。當(dāng)遇到緊急情況，工人需要進(jìn)入生產(chǎn)車間時，工業(yè)機(jī)器人可能會對人員造成傷害。對此，希望在汽車生產(chǎn)的過程中能夠更大程度地引入人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，減小人工傷亡的意外發(fā)生。人機(jī)協(xié)作機(jī)器人可以同時彌補(bǔ)工業(yè)機(jī)器人和人類工作的缺陷，在高危險、高重復(fù)性的工作中可以得到有效的應(yīng)用。

為了解決這些問題，人才培養(yǎng)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重，政府、高校和人才是其中最重要的三者。政府應(yīng)加大機(jī)器人培訓(xùn)力度，積極搭建高校與企業(yè)、高校與高校之間的交流平臺，培養(yǎng)應(yīng)用型人才投入機(jī)器人的研究;企業(yè)之間應(yīng)互相學(xué)習(xí)、互相交流，定期向?qū)W生提供相關(guān)課程輔導(dǎo)，吸引優(yōu)秀人才加入;高校應(yīng)積極響應(yīng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的號召，廣泛開設(shè)高質(zhì)量的機(jī)器人相關(guān)課程，對學(xué)生進(jìn)行技能與實踐兩方面的培養(yǎng)。只有加強(qiáng)人才的培養(yǎng)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展才能邁上新臺階。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]楊惠.工業(yè)機(jī)器人在汽車智能制造中的應(yīng)用[J].數(shù)碼世界，2019（03）：266-267.

[2]李想.淺談工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（03）：187-188.

[3]陳媛媛，徐浩，魏慶豐.機(jī)器人在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].金屬加工（冷加工），2013（20）：22-24.

[4]姚翀.工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用[J].硅谷，2014，7（11）：7+10.

[5]吳婷.工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（18）：171.