作者：Jody Muelaner, Lisa Eitel

　　工業(yè)機器人對于現(xiàn)代制造業(yè)至關(guān)重要——執(zhí)行大量功能，同時與其他形式的自動化協(xié)調(diào)任務(wù)。事實上，1萬億美元的汽車行業(yè)是第一個擁有大規(guī)模使用機器人手段的行業(yè)......并推進與機器人相關(guān)的技術(shù)。難怪，因為汽車是高度復(fù)雜的大件商品，可以證明工廠投資的合理性，而這些投資可能不會在幾年內(nèi)產(chǎn)生投資回報率?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)汽車制造中心都采用機器人技術(shù)。直到過去二十年，包裝、半導(dǎo)體生產(chǎn)和相對較新的自動化倉儲領(lǐng)域才加速了機器人技術(shù)的采用，以與汽車行業(yè)相媲美。

　　圖1：大規(guī)模產(chǎn)業(yè)比其他任何行業(yè)都更能刺激機器技術(shù)的進步。(圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　在機器人本身和互補的工業(yè)自動化設(shè)備中，有電動機、液壓系統(tǒng)和流體動力系統(tǒng);驅(qū)動器、控制、網(wǎng)絡(luò)硬件、人機界面 (HMI) 和軟件系統(tǒng);以及傳感、反饋和安全組件。這些元件通過執(zhí)行預(yù)編程的例程來提高效率，這些例程可以輕松適應(yīng)不斷變化的實時條件。人們越來越期望機器人工作單元還具有可重新配置性，以生產(chǎn)新的汽車產(chǎn)品......隨著消費者偏好的演變比以往任何時候都快。

　　闡明用于自動化和機器人技術(shù)的術(shù)語

　　牛津英語詞典將機器人定義為“能夠自動執(zhí)行一系列復(fù)雜運動的機器，尤其是可編程的機器”。令人困惑的是，這個定義可以描述從洗衣機到數(shù)控機床的所有內(nèi)容。即使是ISO 8373將機器人定義為“自動控制，可重新編程，多用途機械手，可在三個或更多軸上編程”，也可以描述帶有垂直提升站的倉庫輸送機。然而，這樣的機器通常永遠不會被歸類為機器人。

　　要記住的實際區(qū)別是，在固定位置為單一[閱讀：非常明確定義]用途而建造的機器通常不被視為機器人......至少在工業(yè)界沒有。例如，盡管典型的銑床可以運行任意數(shù)量的復(fù)雜程序來加工不同的零件，但它的設(shè)計目的是使用安裝在其主軸上的旋轉(zhuǎn)刀片切割金屬......而且它很可能在整個使用壽命期間安全地固定在一個位置。

　　圖 2：在某些情況下，機器人和機器之間的區(qū)別取決于自動化設(shè)計的外觀。一些人將類似于機械化人類手臂的關(guān)節(jié)臂歸類為機器人，并將線性滑塊的自動笛卡爾排列(如用于小零件組裝和檢查的CT4)歸類為機器。(圖片來源： IAI美國公司)

　　有時，甚至這些定義也是矛盾的。例如，數(shù)控機床等自動化機床越來越靈活，車銑復(fù)合中心同時扮演銑床和車床的角色，許多此類機床也使用接觸式探頭和激光掃描儀對零件執(zhí)行檢查和測量任務(wù)。這種機床甚至可以配備用于執(zhí)行增材制造。另一方面，所謂的柔性工業(yè)機器人通常作為專為特定任務(wù)(例如油漆噴涂或焊接)設(shè)計的專用模型提供......并且很可能將其整個使用壽命停放在生產(chǎn)線上的一個工作單元內(nèi)。

　　最重要的是，在當(dāng)今的汽車行業(yè)中，被歸類為機器人的自動化系統(tǒng)確實經(jīng)常被期望表現(xiàn)出高度的靈活性 - 能夠(通過重新配置)執(zhí)行運輸，分類，裝配，焊接和噴漆任務(wù)，這些任務(wù)可能每天都在變化。這些工業(yè)機器人也有望重新定位到工廠中的新區(qū)域——無論是作為制造系統(tǒng)重新部署并重新配置，還是在第七軸線性軌道上連續(xù)移動，以服務(wù)于生產(chǎn)線中的工作單元陣列。

　　用于汽車生產(chǎn)基地的機器人系列

　　汽車生產(chǎn)現(xiàn)場的機器人大致按其機械結(jié)構(gòu)分類，包括其關(guān)節(jié)類型、連桿布置和自由度。

　　串行機械手機器人 包括大多數(shù)工業(yè)機器人。該設(shè)計系列中的設(shè)計具有線性鏈節(jié)，一端是底座，另一端是末端執(zhí)行器......鏈條中每個環(huán)節(jié)之間有一個接頭。這些包括關(guān)節(jié)機器人，選擇性順應(yīng)性關(guān)節(jié)機器人手臂(SCARA)機器人，協(xié)作六軸機器人，笛卡爾機器人(主要由線性致動器組成)和(有點不常見的)圓柱形機器人。

　　圖3： 協(xié)作機器人 在受益于自動碼垛的二級汽車供應(yīng)商設(shè)施中越來越普遍。(圖片來源：多博特)

　　并聯(lián)機械手機器人 在需要高剛性和運行速度的應(yīng)用場合表現(xiàn)出色。與鉸接臂(通過單線連桿懸掛在 3D 空間中)相比，平行機械手由連桿陣列支撐或懸掛。例子包括delta和Stuart機器人。

　　移動機器人 是輪式單元，用于在工廠和倉庫周圍移動材料和庫存物品。它們可以用作自動叉車，以檢索、移動托盤并將其放置在貨架或工廠車間。示例包括自動導(dǎo)引車 (AGV) 和自主移動機器人 (AMR)。

　　汽車制造中的經(jīng)典機器人應(yīng)用

　　汽車制造設(shè)施中的經(jīng)典機器人應(yīng)用包括焊接、噴漆、裝配和(用于運輸普通汽車中的 30，000 多個零件)材料處理任務(wù)。考慮如何在這些應(yīng)用中使用某些機器人子類型。

　　六軸關(guān)節(jié)臂機器人 是串行機械手，其中每個關(guān)節(jié)都是一個蝸殼關(guān)節(jié)。最常見的配置是六軸機器人，其自由度可以在其工作體積內(nèi)將物體定位到任何位置和方向。這些是非常靈活的機器人，適用于無數(shù)的工業(yè)過程。事實上，六軸關(guān)節(jié)臂機器人是大多數(shù)人在想到工業(yè)機器人時所想象的。

　　圖 4：高性能 條形碼閱讀器 可以快速可靠地解碼一維和二維條碼。有些安裝在機器人末端執(zhí)行器上，以支持電子和汽車零件以及子組件元件的零件揀選。(圖片來源： 歐姆龍自動化與安全)

　　事實上，大型六軸機器人經(jīng)常用于汽車車架焊接和車身面板的點焊。與手動方法相比，機器人能夠在3D空間中精確跟蹤焊縫路徑而無需停止，同時適應(yīng)焊縫參數(shù)的變化以響應(yīng)環(huán)境條件。

　　圖 5：這些 六軸機器人 是大多數(shù)人在想象工業(yè)機器人時所想象的。(圖片來源： 庫卡)

　　在其他地方，六軸關(guān)節(jié)臂機器人騎在第七軸系統(tǒng)上，對汽車面板主體執(zhí)行底漆、噴漆、清漆和其他密封過程。這種安排提供了完美一致的結(jié)果，部分如此可靠，因為這些過程是在隔離良好的噴房中執(zhí)行的，有效地保持不受外部環(huán)境顆粒的污染。六軸機器人還遵循編程優(yōu)化的噴涂路徑，以實現(xiàn)完美的表面處理，同時最大限度地減少過度噴涂、油漆和密封劑浪費。更重要的是，它們消除了將汽車廠人員暴露在與某些噴涂材料相關(guān)的有害蒸氣中的需要。

　　圖 6：該 SIMATIC 機器人集成商 應(yīng)用程序通過適應(yīng)各種供應(yīng)商機器人的參數(shù)以及各種應(yīng)用的幾何形狀和安裝要求，簡化了機器人與自動化設(shè)置的集成;完成這些安裝的是可擴展的高性能 SIMATIC S7 控制器，該控制器具有集成的 I/O 和各種通信選項，可實現(xiàn)靈活的設(shè)計調(diào)整。(圖片來源： 西門子)

　　選擇性順應(yīng)性關(guān)節(jié)式機器人手臂 (SCARA) 機器人 具有兩個具有平行旋轉(zhuǎn)軸的蝸殼接頭，這些蝸牛軸沿垂直方向運行，用于在單個運動平面上進行X-Y定位。然后第三個線性軸允許在Z(向上和向下)方向上運動。SCARA是相對低成本的選擇，在密閉空間中表現(xiàn)出色 - 即使提供比同等笛卡爾機器人更快的移動。難怪 SCARA 機器人用于生產(chǎn)汽車電子和電氣系統(tǒng)，包括氣候控制、移動設(shè)備連接、音頻/視頻元素、娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)。在這里，SCARA最常用于執(zhí)行精確的材料處理和裝配任務(wù)，以生產(chǎn)這些系統(tǒng)。

　　笛卡爾機器人 至少具有三個線性軸，堆疊以在 X、Y 和 Z 方向上執(zhí)行運動。事實上，二級汽車供應(yīng)商使用的一些笛卡爾機器人采用數(shù)控機床、3D 打印機和坐標(biāo)測量機 (CMM) 的形式來驗證最終產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。如果將這些機器計算在內(nèi)，笛卡爾機器人很容易成為業(yè)內(nèi)最常見的工業(yè)機器人形式。如前所述，笛卡爾機器通常只被稱為 機器人 當(dāng)它們用于涉及操縱工件而不是工具的操作時 - 例如裝配、拾取和放置以及碼垛。

　　汽車行業(yè)中使用的另一種笛卡爾機器人變體是自動龍門起重機。這些對于需要接近部分完成的車輛組件的底盤系統(tǒng)的緊固和連接過程是必不可少的。

　　新型機器人在汽車制造中的應(yīng)用

　　圓柱形機器人 是緊湊而經(jīng)濟的機器人，可提供三軸定位，底部有一個蝸殼接頭，兩個線性軸用于高度和手臂伸展。它們特別適用于汽車子部件的機器維護、包裝和碼垛。

　　協(xié)作式六軸機器人(協(xié)作機器人) 前面提到的具有與較大的工業(yè)變體相同的基本連桿結(jié)構(gòu)，但在每個接頭處都具有極其緊湊和集成的基于電機的驅(qū)動器......通常采用減速電機或直接驅(qū)動選項的形式。在汽車環(huán)境中，這些任務(wù)包括焊接支架、支架和幾何復(fù)雜的副車架。優(yōu)點包括高精度和可重復(fù)性。

　　臺達機器人 有三個臂，通過底座的蝸殼接頭驅(qū)動——通常安裝在天花板上以進行懸掛布置。每個臂都有一個平行四邊形，其末端安裝有萬向節(jié)，然后這些平行四邊形都連接到末端執(zhí)行器。這為 delta 機器人提供了三個平移自由度，末端執(zhí)行器永遠不會相對于底座旋轉(zhuǎn)。Delta 機器人可以實現(xiàn)極高的加速度，使其在涉及小型汽車緊固件和電氣部件的分揀和其他處理的應(yīng)用中非常有效地進行拾取和放置操作。

　　斯圖爾特平臺 (也稱為六足位移臺)由三角形底座和三角形末端執(zhí)行器組成，由八面體中的六個線性致動器連接。這賦予了六個自由度和極其堅固的結(jié)構(gòu)。然而，與結(jié)構(gòu)的尺寸相比，運動范圍相對有限。斯圖爾特平臺用于運動模擬;移動式精密加工;起重機運動補償;以及精密物理和光學(xué)測試?yán)讨械母咚僬駝友a償......包括用于驗證車輛懸架設(shè)計的那些。

　　自動導(dǎo)引車 (AGV)遵循由地板上繪制的線條，地板上的電線或其他引導(dǎo)信標(biāo)標(biāo)記的設(shè)定路線。AGV通常具有一定程度的智能，因此它們會停止和啟動以避免彼此之間以及與人類的碰撞。它們非常適合汽車生產(chǎn)設(shè)施中的物料運輸任務(wù)。

　　自主移動機器人 (AMR)不需要固定路線，并且能夠做出比AGV更復(fù)雜的決策。在龐大的汽車制造商倉庫中特別有用，這些通常使用激光掃描儀和物體識別算法來感知其環(huán)境，從而實現(xiàn)自由導(dǎo)航。當(dāng)檢測到潛在碰撞時，AMR 可以簡單地改變路線并繞過障礙物，而不是像 AGV 那樣停下來等待。這種適應(yīng)性使AMR在汽車工廠裝卸月臺中的生產(chǎn)率和靈活性大大提高。

　　結(jié)論

　　在過去的30年里，汽車行業(yè)刺激了機器人領(lǐng)域的大規(guī)模創(chuàng)新，隨著電動汽車(EV)市場的蓬勃發(fā)展，這一趨勢將繼續(xù)下去。該行業(yè)也開始受益于新的人工智能和機器視覺適應(yīng)，以增強所有類型的機器人安裝。