工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)行業(yè)機(jī)械加工中的應(yīng)用前景分析

李洋　齊曉震　馬勇　蘭霜

摘 要：在世界經(jīng)濟(jì)一體化的背景下，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨加劇，工業(yè)機(jī)器人已被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)制造領(lǐng)域。特別是在汽車(chē)行業(yè)高速發(fā)展的今天，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人利用自己的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械加工的自動(dòng)化、柔性化，取代了人工的手工工作，保證了質(zhì)量和產(chǎn)量?；诖?，本文從汽車(chē)行業(yè)機(jī)械加工中的工業(yè)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用及目前存在的問(wèn)題入手，全面分析了工業(yè)機(jī)器人在未來(lái)汽車(chē)行業(yè)機(jī)械加工中的應(yīng)用前景發(fā)展，以供為汽車(chē)行業(yè)從業(yè)者提供參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 人工智能技術(shù) 機(jī)械加工 汽車(chē)行業(yè) 應(yīng)用前景

1 引文

工工業(yè)機(jī)器人是一種被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的多個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)械臂或多個(gè)自由度機(jī)械設(shè)備，具有一定的自動(dòng)化，能夠根據(jù)其本身的能量和控制能力，完成多種工業(yè)加工與制造的功能[1]。它不但可以推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，而且可以使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程得到優(yōu)化，從而使企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、工藝水平得到提高。工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)制造中的應(yīng)用，可以有效地改善汽車(chē)制造過(guò)程中的人工差錯(cuò)，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，從而改善汽車(chē)制造的總體質(zhì)量。

2 基于工業(yè)機(jī)器人的汽車(chē)行業(yè)機(jī)械加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

資料顯示，目前在汽車(chē)工業(yè)的機(jī)械加工中，72%的工作由工業(yè)機(jī)器人完成，其中：15%用于材料處理，22%用于銑面，3%用于鉆孔，3%用于鑄造，15%用于上料和卸料，14%用于復(fù)雜工作，如研磨、拋光、激光刻印等。以上數(shù)據(jù)顯示了工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，未來(lái)幾年，工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)需求仍將持續(xù)快速增長(zhǎng)，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到20%左右，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)在汽車(chē)領(lǐng)域中迅速發(fā)展并大放異彩[2]。

汽車(chē)業(yè)的發(fā)展程度，是一個(gè)國(guó)家整體科技水平的體現(xiàn)，而汽車(chē)業(yè)的發(fā)展，必然會(huì)帶動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了在日益激烈的市場(chǎng)中站穩(wěn)腳跟，汽車(chē)制造業(yè)的其他中上游制造公司，都會(huì)選擇工業(yè)機(jī)器人，以提高產(chǎn)品的品質(zhì)。如表1為發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程工業(yè)機(jī)器人使用情況。

3 汽車(chē)行業(yè)機(jī)械加工中工業(yè)機(jī)器人存在的主要問(wèn)題

3.1 國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化程度不高

核心部件依然是國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展的最大障礙。在工業(yè)機(jī)器人中，核心部件是制約其發(fā)展與應(yīng)用的重要因素，其中：減速器、伺服系統(tǒng)、控制器是工業(yè)機(jī)器人的三大關(guān)鍵部件，它們?cè)诠I(yè)機(jī)器人的制造成本中占據(jù)了35%、25%和10%的比重。雖然近幾年來(lái)，我國(guó)核心部件的國(guó)產(chǎn)化程度逐漸提高，但其利潤(rùn)水平和性能的提高依然受到了極大的限制，使得國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的國(guó)產(chǎn)設(shè)備廠商都在虧損。在國(guó)外品牌不斷降價(jià)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)品牌的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈。其中：

1）伺服馬達(dá)：高端、大功率、高性能的伺服馬達(dá)市場(chǎng)仍然由國(guó)外廠商壟斷，但近幾年我國(guó)技術(shù)水平不斷提高，中小型伺服馬達(dá)已全部國(guó)產(chǎn)化，例如深圳飛特、北京智達(dá)等。

2）減速機(jī)：國(guó)內(nèi)的減速機(jī)研究起步較晚，在轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)精度、穩(wěn)定性等方面尚有差距。目前，我國(guó)已基本實(shí)現(xiàn)了低負(fù)載諧波減速器的國(guó)產(chǎn)化，但大負(fù)載減速器仍依賴(lài)進(jìn)口[3]。

3）控制器：在關(guān)鍵芯片和核心算法方面，國(guó)內(nèi)控制器仍主要依靠國(guó)外技術(shù)。

4）傳感器：它是智能系統(tǒng)中必不可少的基本設(shè)備。目前，我國(guó)的高端傳感器市場(chǎng)依然處于國(guó)外的壟斷地位，而在我國(guó)，其應(yīng)用領(lǐng)域仍然是以低端的傳感器為主，其產(chǎn)品的品質(zhì)與穩(wěn)定性還需進(jìn)一步提高。

5）智能化技術(shù)：隨著人工智能、機(jī)器視覺(jué)等智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人的融合是不可避免的，但在某些關(guān)鍵技術(shù)上，卻被國(guó)外所壟斷。

3.2 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，平均售價(jià)不斷下跌，國(guó)內(nèi)品牌利潤(rùn)下滑

自2020年起，以四大工業(yè)機(jī)器人為代表的國(guó)外工業(yè)機(jī)器人公司紛紛在中國(guó)擴(kuò)大了產(chǎn)能，世界范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開(kāi)始逐漸向中國(guó)內(nèi)地轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)了我國(guó)發(fā)展機(jī)器人的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)，世界范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格也在持續(xù)下跌。在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)鏈中，整體加工企業(yè)的利潤(rùn)率在10%到20%之間。由于國(guó)產(chǎn)自主品牌的核心部件國(guó)產(chǎn)化水平仍然很低，而工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格也在不斷下滑，使得產(chǎn)品的盈虧平衡銷(xiāo)量不斷上升，從而影響到國(guó)產(chǎn)品牌的利潤(rùn)。

3.3 中高級(jí)技術(shù)人員相對(duì)匱乏，注重科研而忽視實(shí)際工作

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是一個(gè)技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè)，它需要具備一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能。在關(guān)鍵零部件和機(jī)械加工方面，國(guó)內(nèi)擁有核心技術(shù)的技術(shù)研發(fā)人員和有豐富經(jīng)驗(yàn)的組裝工人比較欠缺；而在系統(tǒng)集成方面，由于缺少跨學(xué)科的專(zhuān)門(mén)人才，如現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、維護(hù)操作和運(yùn)營(yíng)管理等實(shí)用型人才的培養(yǎng)還很薄弱。過(guò)去單一依靠專(zhuān)業(yè)院校的專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式已經(jīng)很難適應(yīng)中國(guó)未來(lái)產(chǎn)業(yè)的需要，需要政府、企業(yè)、教育機(jī)構(gòu)、第三方組織等各方力量共同努力[4]。

3.4 實(shí)體經(jīng)濟(jì)面臨下行壓力，降低了對(duì)自動(dòng)化的要求

在新的經(jīng)濟(jì)循環(huán)體系中，特別是受2019年新冠肺炎疫情的影響，由于全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)乏力，國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)智能制造的發(fā)展持續(xù)低迷，由于中小企業(yè)的發(fā)展前景不樂(lè)觀，影響到了汽車(chē)業(yè)和一般工業(yè)企業(yè)的固定資產(chǎn)投資，從而降低了對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的資金需求。

4 汽車(chē)行業(yè)機(jī)械加工中對(duì)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展建議

4.1 增強(qiáng)仿生功能和系統(tǒng)集成化

隨著智能化時(shí)代的到來(lái)，大型的自動(dòng)化設(shè)備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作，在減少生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的前提下，提高生產(chǎn)效率，減少企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，這就是工業(yè)機(jī)器人的作用。在多個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域的結(jié)合下，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)得到更好的發(fā)展，同時(shí)也會(huì)降低汽車(chē)生產(chǎn)成本。在我們國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人一般都是模仿人類(lèi)的手臂，再加上智能的控制和信息處理，從而達(dá)到自動(dòng)操作的目的。

隨著智能制造時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在信息化、人工智能等領(lǐng)域的應(yīng)用，其仿生性能得到了極大的提高，而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，將會(huì)在軟硬件層面上進(jìn)行集成，使其計(jì)算能力得到極大的提升，使其能夠更好地投入到生產(chǎn)中去。在未來(lái)，無(wú)論從程序設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、外觀設(shè)計(jì)等方面，工業(yè)機(jī)器人都會(huì)以更好的性能應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)。

4.2 提高自動(dòng)化一體化程度，減少成本

在智能控制中，工業(yè)機(jī)器人并不是一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，它必須與各個(gè)生產(chǎn)裝置協(xié)同工作。所以在智能制造的時(shí)代，整個(gè)汽車(chē)生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)不同的生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)行合理的規(guī)劃和布局，協(xié)調(diào)運(yùn)輸設(shè)備、數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人的工作，以便對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃。在智能化的今天，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)越來(lái)越趨向于高水平的自動(dòng)化集成，并建立標(biāo)準(zhǔn)化的控制體系，并在軟件和硬件上進(jìn)行模塊化的開(kāi)發(fā)，使整個(gè)生產(chǎn)體系具有良好的兼容性。而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)則需要具備精確的信息處理能力，能夠正確地理解和轉(zhuǎn)換上位機(jī)的特定的控制信息，并將其轉(zhuǎn)換成實(shí)際的操作，在接收到特定的操作命令后，由運(yùn)動(dòng)馬達(dá)和各功能關(guān)節(jié)的高效協(xié)作來(lái)完成所需的操作[5]。

隨著工業(yè)制造的智能化，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的引入，將會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到滿足各種生產(chǎn)、加工任務(wù)的要求，并且只需要通過(guò)控制模塊的功能轉(zhuǎn)換命令，就可以在多個(gè)場(chǎng)景之間進(jìn)行靈活切換，而不需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)適合于特定場(chǎng)景的機(jī)器人，大大降低了生產(chǎn)和維護(hù)費(fèi)用。

4.3 開(kāi)發(fā)人機(jī)交互為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)器人

在智能制造時(shí)代，新一代的工業(yè)機(jī)器人，將會(huì)根據(jù)相應(yīng)的算法，根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)，利用軟件對(duì)環(huán)境和視頻進(jìn)行處理，通過(guò)高性能的軟件運(yùn)算，達(dá)到人機(jī)交互的目的。同時(shí)，在光學(xué)測(cè)量方面，工業(yè)機(jī)器人也可以實(shí)現(xiàn)更多的智能化，它可以精確地對(duì)汽車(chē)等相關(guān)部件進(jìn)行精確的檢測(cè)。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人在操作中收集到的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)周?chē)沫h(huán)境和控制處理器的內(nèi)部判斷，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理。

在工業(yè)機(jī)器人的不斷改進(jìn)下，工業(yè)生產(chǎn)中許多環(huán)節(jié)的控制功能將被整合到控制器中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的信息和數(shù)據(jù)的高效整合，從而達(dá)到對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能操作和服務(wù)的目的。在此基礎(chǔ)上，視覺(jué)影像、機(jī)器擬人化、機(jī)器學(xué)習(xí)等與人工智能有關(guān)的技術(shù)也將被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，使機(jī)器能夠在某種程度上取代人類(lèi)的決策和判斷，提高其安全性和可靠性。在技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程中，采用新材料來(lái)減少機(jī)械臂的重量和載荷，采用計(jì)算機(jī)模擬等方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提高機(jī)器人的總體柔性。

5 工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)行業(yè)機(jī)械加工中的應(yīng)用前景

目前，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人主要用于解決傳統(tǒng)的生產(chǎn)效率問(wèn)題，其特征是工作于靜態(tài)、結(jié)構(gòu)和確定性的無(wú)人環(huán)境中，并按一定的時(shí)間順序進(jìn)行重復(fù)的工作，具有空間相對(duì)隔離、非接觸、預(yù)編程或演示控制、外部安全保證等特征。

未來(lái)基于工業(yè)機(jī)器人的汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)會(huì)隨著制造業(yè)自身的升級(jí)與變革而改變，小批量、多品種、短周期、個(gè)性化將成為其發(fā)展的重要特征。所以，下一代的工業(yè)機(jī)器人，將會(huì)與人類(lèi)的生產(chǎn)、生活環(huán)境融為一體，與人類(lèi)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，互相幫助，最終形成一種可以改變工作方式的機(jī)器人[6]。

1）智能化：智能化是未來(lái)汽車(chē)工業(yè)中最重要的發(fā)展方向，隨著信息技術(shù)與人工智能技術(shù)的融合，機(jī)器人具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行等特性，能夠?qū)χ圃爝^(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)適時(shí)調(diào)整制造參數(shù)、在線檢測(cè)、裝備企業(yè)維護(hù)等功能，將大幅提升制造效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

2）柔性化：隨著“C2B”模式的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)更加重視產(chǎn)品的定制化，同時(shí)也在朝著柔性化的方向發(fā)展。

6 結(jié)論

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展及智能制造裝備的強(qiáng)大，為了提升被加工零件的效率與加工精度的穩(wěn)定性，機(jī)器人會(huì)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工自動(dòng)線中，工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，在質(zhì)量、效率、數(shù)量、安全方面都會(huì)有著很大的提高，特別是在信息技術(shù)的引進(jìn)下，基于工業(yè)機(jī)器人的汽車(chē)生產(chǎn)越來(lái)越趨向于智能化，在生產(chǎn)中所暴露的相關(guān)問(wèn)題也會(huì)增多。在未來(lái)的智能制造時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)有更好的綜合和模擬能力，從而在人機(jī)交互的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更多的經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)器人，使其朝著智能化的方向發(fā)展，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究與優(yōu)化將會(huì)為汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展提供廣闊的空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]李光雷，崔亞輝，王利花，孟磊. 深度學(xué)習(xí)在工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)拋磨系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造：1-6.

[2]彭明仔. 專(zhuān)業(yè)群背景下“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)”課程的教學(xué)改革探析[J]. 科技與創(chuàng)新，2022，（14）：130-132.

[3]王曉東，楊嬌，付強(qiáng)，徐國(guó)新. 基于工業(yè)機(jī)器人的全自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，24（03）：22-24.

[4]楊謀，羅富娟，蔡麗娟. 智能制造在汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用與展望[J]. 集成電路應(yīng)用，2022，39（06）：190-191.

[5]徐鑫. 智能化與制造業(yè)就業(yè)[D].山西財(cái)經(jīng)大學(xué)，2022.

[6]史紅燕. ABB工業(yè)機(jī)器人編程及應(yīng)用研究——以物料搬運(yùn)為例[J]. 造紙裝備及材料，2022，51（04）：17-19+23.