智能制造機器人在汽車制造中的應(yīng)用

南京交通職業(yè)技術(shù)學院 楊婧文

近年來，智能制造機器人在汽車制造流程中所占的比例越來越高。本文針對汽車制造中智能制造機器人在裝配、噴涂、電焊和搬運等4類作業(yè)中的應(yīng)用實例進行詳細介紹，最后對汽車智能制造機器人的發(fā)展趨勢進行展望并對其現(xiàn)階段存在的問題進行分析。

1 搬運作業(yè)機器人

在汽車制造過程中，車身焊接流水線、裝配流水線和物料傳送等均可以利用搬運機器人進行作業(yè)，在車身焊接、自動裝配鏈、材料裝卸等方面，也能靈活、穩(wěn)定、可靠地完成裝卸任務(wù)。在汽車生產(chǎn)制造中，搬運機器人從上下游物料搬運不同形狀和狀態(tài)的汽車零部件，具有靈活、可靠、準確、高效等特點，能夠極大地縮短工時，提高生產(chǎn)效率，提升作業(yè)質(zhì)量，也能保證搬運的可靠性。

圖1 搬運作業(yè)機器人

目前使用最多的是機械手式機器人。圖1為上汽集團大眾車生產(chǎn)線中用于搬運汽車輪胎的SAHLL8型搬運機器人。主要用于汽車生產(chǎn)過程中輪胎的搬運工作。結(jié)構(gòu)設(shè)計包括機器人的手、手臂和臀部。這種運輸機器人的驅(qū)動源來自液壓系統(tǒng)，通過液壓缸的運動來驅(qū)動承載機器人的各個關(guān)節(jié)，實現(xiàn)了承載機器人的實際工作。

該機器人共有5個自由度：手臂承載機構(gòu)沿導軌移動，由安裝于承載機構(gòu)上的氣缸驅(qū)動裝置，實現(xiàn)往復運動；手臂在肩關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動，由安裝于承載機構(gòu)上的氣缸驅(qū)動裝置，由安裝于肩部的滾珠絲杠實現(xiàn)；手臂在肘關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動，由安裝于運動傳遞機構(gòu)上的氣缸驅(qū)動裝置實現(xiàn)。

2 噴涂作業(yè)機器人

可以進行自動噴漆或噴涂其他涂料的智能制造機器人被稱為噴涂機器人，噴涂機器人的作業(yè)原理是采用高壓噴射的原理，將油漆儲存在油漆箱中，通過液壓油泵的抽吸形成高壓，油漆從機器人的頂部噴射出來。機器人一般有多個自由度，通過單片機等控制系統(tǒng)進行控制，使得機器人既可以在較大空間進行復雜的軌跡運行，也可以柔性靈活地通過較小孔伸入工件內(nèi)部進行噴涂。噴涂機器人主要是用于車身外表面的漆面噴涂，使用噴涂機器人可以提高噴涂質(zhì)量和材料使用率，便于操作和維護。

大眾車生產(chǎn)車間用于汽車全身噴漆的PHLOV3型噴漆機器人如圖2所示。該噴涂機器人主要由6個局部組成，分別為主體機、中控機、送料倉、轉(zhuǎn)向頭、背板、X軸滑道。機器接口串行通道接口為RS-232，備用接口為USB接口。

圖2 噴涂作業(yè)機器人

該噴涂機器人主要優(yōu)點有：柔性大，工作范圍大；噴涂質(zhì)量高，有效節(jié)約油漆；可離線編程，縮短了現(xiàn)場調(diào)試時間；可依噴涂產(chǎn)品的變化自動調(diào)整噴槍高低、前后、角度及位置，噴涂油漆量的大小靈活控制；環(huán)保、安全性能高，操作方便簡單易學；壽命長，無易損件，保養(yǎng)簡單，比五軸噴漆臺少了導軌、皮帶等易損件；可存儲3 000組程序，可用U盤拷貝程序，管理方便簡單。

3 電焊作業(yè)機器人

電焊作業(yè)是目前最大的智能制造機器人應(yīng)用領(lǐng)域。汽車車身由多個鈑金件組成，這些鈑金件之間的連接大部分采用焊接的方式。每輛汽車的車身上大約有三千多個焊點。焊接作業(yè)是對人身傷害較大的作業(yè)，此外焊接作業(yè)的精度要求高，對操作人員的技術(shù)要求高，人工成本也高。采用電焊作業(yè)機器人有利于降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高汽車生產(chǎn)的質(zhì)量，降低次品率。

隨著汽車業(yè)在許多構(gòu)件的焊接精度和速度等指標要求的越來越高，電焊作業(yè)機器人被廣泛的使用。大眾車底盤生產(chǎn)車間的電焊機器人如圖3所示。

圖3 電焊作業(yè)機器人

焊接機器人必須依靠控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備進行焊接作業(yè)。整個焊接機器人系統(tǒng)通常由機器人控制器、變位機、焊接傳感器、與中央控制計算機相對應(yīng)的安全設(shè)備等組成。變位機用于將焊件（橫向）轉(zhuǎn)到最佳焊接位置。機器人控制器用于處理焊接機器人操作過程中的所有信息，控制焊接機器人的所有運動。所有現(xiàn)代機器人的控制都是基于多處理器的，根據(jù)操作系統(tǒng)的指令，通過系統(tǒng)總線對不同部件的控制進行調(diào)節(jié)。安全設(shè)備是機器人系統(tǒng)焊接安全運行的重要保證，主要包括驅(qū)動系統(tǒng)過熱自保護和操作限制。

4 裝配作業(yè)機器人

裝配機器人是用于汽車生產(chǎn)中零部件裝配的智能制造機器人。為了提高汽車零部件的裝配速度和質(zhì)量，有效地降低工人的勞動強度，在汽車裝配過程中，大型發(fā)動機的裝配和小型零部件的裝配過程中都運用了裝配作業(yè)機器人，如儀表板、車燈、蓄電池等。

大眾汽車發(fā)動機裝配車間的ZQVI型裝配機器人如圖4所示。此款機器人主要用于發(fā)動機的裝配作業(yè)，發(fā)動機的零部件比較復雜，零件種類繁多，由氣缸體、機體、曲軸、活塞、進氣管、排氣管等部件組成，通過機器人的裝配作業(yè)可大大降低作業(yè)人員的勞動強度，減少裝配過程中的錯誤。

圖4 裝配作業(yè)機器人

裝配機器人的組成如下：手臂、控制器、示教盒、傳感器。關(guān)節(jié)型裝配機器人幾乎都采取電機驅(qū)方式，伺服電動機速度快，容易控制。控制器的作用是記憶機器人的動作，它能完成動作程序、手臂位置的記憶、程序的執(zhí)行、工作狀態(tài)的診斷、與傳感器的信息交流、狀態(tài)顯示等功能，控制器一般采用多CPU和多級計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)運動控制和運動編程。示教盒主要由顯示部分和輸入鍵組成，用來輸入程序、顯示機器人的狀態(tài)等，這是人機對話的主要渠道。另外，傳感系統(tǒng)在機器人、環(huán)境和裝配對象之間進行信息傳輸，借助傳感器的感知機器人可以更好地順應(yīng)對象物，例如，視覺傳感器常常用來修正對象物的位置偏移。

5 汽車智能制造機器人的發(fā)展趨勢

隨著新材料如石墨烯、納米材料等的應(yīng)用和仿生機器人的開發(fā)，使得汽車制造機器人更加小型化、靈活化，并提高了制造精度，可以應(yīng)對未來復雜的環(huán)境要求。總的來說，未來汽車智能制造機器人朝著高效率、智能化、模塊化方向發(fā)展。科技發(fā)展日新月異，汽車制造技術(shù)方面也需要不斷進行創(chuàng)新突破。首先電機、控制裝置、減速器是機器人的核心零部件，應(yīng)該加大研發(fā)投入，同時傳感技術(shù)也要實現(xiàn)突破；其次，在機器人的可靠性方面，構(gòu)建自己的數(shù)據(jù)庫包括分揀數(shù)據(jù)、機器人的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，這對于保證機器人的長期穩(wěn)定工作具有重要的作用，同時可以深入開展機器人的研究開發(fā)；最后構(gòu)建先進的機器人制造技術(shù)，實現(xiàn)智能制造機器人的產(chǎn)業(yè)化與標準化。

6 機器人應(yīng)用過程中存在的問題

機器人在汽車制造中的應(yīng)用同樣存在不足之處，目前存在的問題主要有以下幾個方面。

（1）初投資成本高。搭建一個完整的機器人生產(chǎn)線，其中機器人的成本只占很小的一部分，更多費用是部署成本。因為搭建一個生產(chǎn)線本身是一個系統(tǒng)工程，需要第三方進行安裝、調(diào)試和編程等一系列工作。汽車制造生產(chǎn)的產(chǎn)品精度很高，需要在固定位置作業(yè)，以便機器人精準執(zhí)行操作。這就需要非常精細的設(shè)計和施工，一般都需要幾個月的時間來調(diào)試、搭建。對人工要求也很高，需要經(jīng)過專業(yè)培訓的人才能熟練完成裝配、編程、調(diào)試和維護的工作。

（2）更換成本高。每條生產(chǎn)線上的機械手，都是針對特定功能設(shè)計的，如需轉(zhuǎn)變生產(chǎn)，就需要重新裝配設(shè)計新的機械臂和系統(tǒng)。比如常見的車型改進，這意味著需要重新設(shè)計一整套的工裝、夾具等設(shè)備，然后重新對工人進行培訓，這個過程又是耗時很長的工序

（3）空間利用率低。一旦完成裝配，在相當長的時間內(nèi)這個空間只能專用，一條生產(chǎn)線布置好后，一般數(shù)年都不會變動。