作者：Jody Muelaner, Lisa Eitel

　　工業(yè)機器人對于現代制造業(yè)至關重要——執(zhí)行大量功能，同時與其他形式的自動化協調任務。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的技術。難怪，因為汽車是高度復雜的大件商品，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產生投資回報率。現在，絕大多數汽車制造中心都采用機器人技術。直到過去二十年，包裝、半導體生產和相對較新的自動化倉儲領域才加速了機器人技術的采用，以與汽車行業(yè)相媲美。

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

　　在機器人本身和互補的工業(yè)自動化設備中，有電動機、液壓系統(tǒng)和流體動力系統(tǒng);驅動器、控制、網絡硬件、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)行預編程的例程來提高效率，這些例程可以輕松適應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，以生產新的汽車產品......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的術語

　　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控機床的所有內容。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量的復雜程序來加工不同的零件，但它的設計目的是使用安裝在其主軸上的旋轉刀片切割金屬......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)別取決于自動化設計的外觀。一些人將類似于機械化人類手臂的關節(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，數控機床等自動化機床越來越靈活，車銑復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。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(例如油漆噴涂或焊接)設計的專用模型提供......并且很可能將其整個使用壽命停放在生產線上的一個工作單元內。

　　最重要的是，在當今的汽車行業(yè)中，被歸類為機器人的自動化系統(tǒng)確實經常被期望表現出高度的靈活性 - 能夠(通過重新配置)執(zhí)行運輸，分類，裝配，焊接和噴漆任務，這些任務可能每天都在變化。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，以服務于生產線中的工作單元陣列。

　　用于汽車生產基地的機器人系列

　　汽車生產現場的機器人大致按其機械結構分類，包括其關節(jié)類型、連桿布置和自由度。

　　串行機械手機器人 包括大多數工業(yè)機器人。該設計系列中的設計具有線性鏈節(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。這些包括關節(jié)機器人，選擇性順應性關節(jié)機器人手臂(SCARA)機器人，協作六軸機器人，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： 協作機器人 在受益于自動碼垛的二級汽車供應商設施中越來越普遍。(圖片來源：多博特)

　　并聯機械手機器人 在需要高剛性和運行速度的應用場合表現出色。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。示例包括自動導引車 (AGV) 和自主移動機器人 (AMR)。

　　汽車制造中的經典機器人應用

　　汽車制造設施中的經典機器人應用包括焊接、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。考慮如何在這些應用中使用某些機器人子類型。

　　六軸關節(jié)臂機器人 是串行機械手，其中每個關節(jié)都是一個蝸殼關節(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，適用于無數的工業(yè)過程。事實上，六軸關節(jié)臂機器人是大多數人在想到工業(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，同時適應焊縫參數的變化以響應環(huán)境條件。

　　圖 5：這些 六軸機器人 是大多數人在想象工業(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的有害蒸氣中的需要。

　　圖 6：該 SIMATIC 機器人集成商 應用程序通過適應各種供應商機器人的參數以及各種應用的幾何形狀和安裝要求，簡化了機器人與自動化設置的集成;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，可實現靈活的設計調整。(圖片來源： 西門子)

　　選擇性順應性關節(jié)式機器人手臂 (SCARA) 機器人 具有兩個具有平行旋轉軸的蝸殼接頭，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 機器人用于生產汽車電子和電氣系統(tǒng)，包括氣候控制、移動設備連接、音頻/視頻元素、娛樂和導航系統(tǒng)。在這里，SCARA最常用于執(zhí)行精確的材料處理和裝配任務，以生產這些系統(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，二級汽車供應商使用的一些笛卡爾機器人采用數控機床、3D 打印機和坐標測量機 (CMM) 的形式來驗證最終產品的質量和一致性。如果將這些機器計算在內，笛卡爾機器人很容易成為業(yè)內最常見的工業(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用

　　圓柱形機器人 是緊湊而經濟的機器人，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。

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

　　臺達機器人 有三個臂，通過底座的蝸殼接頭驅動——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。Delta 機器人可以實現極高的加速度，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構。然而，與結構的尺寸相比，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測試例程中的高速振動補償......包括用于驗證車輛懸架設計的那些。

　　自動導引車 (AGV)遵循由地板上繪制的線條，地板上的電線或其他引導信標標記的設定路線。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設施中的物料運輸任務。

　　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，從而實現自由導航。當檢測到潛在碰撞時，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。這種適應性使AMR在汽車工廠裝卸月臺中的生產率和靈活性大大提高。

　　結論

　　在過去的30年里，汽車行業(yè)刺激了機器人領域的大規(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，以增強所有類型的機器人安裝。