机器人在汽车制造业中的应用.docx
《机器人在汽车制造业中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器人在汽车制造业中的应用.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
机器人在汽车制造业中的应用
机器人在汽车制造业中的应用
工业机器人在汽车制造业中的应用
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。
目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。
日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。
欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。
工业机器人已成为柔性制造系统（FMS）、工厂自动化（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动工具。
我国工业机器人是从20世纪80年代开始起步，经过二十年余年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。
先后研发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。
近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。
目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。
统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。
国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿以上。
工业机器人50%以上用在汽车领域，当前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。
目前，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔，现已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救援等各种非制造行业。
但汽车工业仍是工业机器人的主要应用领域。
据了解，美国60%的工业机器人用于汽车生产；全世界用于汽车工业的工业机器人已经达到总用量的37%，用于汽车零部件的工业机器人约占24%。
在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。
目前，由于机器人技术以及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。
据统计，近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。
可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。
焊接机器人在汽车制造业中发挥着不可替代的作用，焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。
目前，焊接工业机器人在一汽、上汽、沈阳中顺、金杯通用、重庆长安、湖南长丰等整车制造企业广泛应用，据统计每辆汽车车身上，大约有3000～4000个电阻点焊焊点，电阻点焊技术的应用实现了汽车车身制造的量产化与自动化。
多年来，我国汽车零部件生产一直是手工焊、专机焊占据焊接生产的主导地位，劳动强度大，作业环境恶劣，焊接质量不易保证，而且生产的柔性也很差，无法适应现代汽车生产的需要。
近年来由于焊接机器人的大量应用，提高
图1机器人自动柔性搬运系统的现场布局
在此系统中，1台FANUCR-2000iB/165F机器人被安装於行走轴上，能够实现整个系统的上下料动作。
基於机器人专用手爪单元开发的手爪，非常适用於工件一致性较差的使用情况，并有较高的定位精度和抓持稳定性。
在长度为11m的行走轴导轨上安装一台工业机器人，最大运动速度为1.5米/秒，使用FANUC伺服电机驱动，具有重复定位精度高、响应速度快、运行平稳、可靠等特点。
此外，还专门设计了防尘罩，保护导轨、直线轴承以及齿条等运动部件，有效提高了可靠性和使用寿命。
在实际应用中，导轨安装於两条生产线机床的中心线上，所安装的工业机器人运动范围完全覆盖5台机床以及上下料滑台区域。
从而实现了1台机器人服务5台机床进行上下料作业。
2台上下料滑台，每个上面有4个托盘，每个托盘分别可以存放一个工件。
以实现待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。
在该系统中，由於使用了视觉技术，因此上下料滑台无需工件的定位装置。
FANUCiRVision2D视觉系统由一个安装於手爪上的2D摄像头完成视觉数据采集。
该视觉系统作为待加工工件准确抓取的定位方式，省去通常为满足机器人的准确抓取而必须采用的机械预定位夹具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地实现多产品混合生产。
而FANUCiRVision3DL视觉系统由一个安装於地面上的3DLaserSensor完成视觉数据采集。
该视觉系统解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。
由於待加工工件为毛坯件，机器人抓取工件後，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。
该技术可以自动补偿位置变化，实现高精度上料。
5台抽检滑台分别针对一台机床，以实现随时对该机床加工工件质量的检测。
电气控制系统运用人机界面对整个机器人自动柔性搬运系统的运行状态进行监控。
采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工业现场总线实现系统中实时和非实时数据的传输，具有高度可靠性和可维护性。
安全设备采用门开关作为机器人工作区域的安全防护，完全做到人机隔离，确保系统在自动运行中的人员安全。
该套设备的应用极大地提高了产品的质量稳定性，节省了大批人工，提高了企业的自动化水平，减少了企业的劳动力成本支出，提高了产品的巿场竞争力。
系统流程如图2所示。
图2机器人自动柔性搬运系统流程图
2D视觉技术：
无夹具定位工件的自动柔性搬运
机器人对无定位工件的自动柔性搬运系统的工作原理，就是利用高清晰摄像头（vision系统）实现对无定位工件的准确位置判断，在机器人收到信号後，机器人装上为工件定制的专用手爪可靠的抓取工件，在与机床进行通讯得到上料请求後，最终完成机床的上下料。
在各种机械加工行业中该系统应用广泛。
使用机器人对无夹具定位工件的自动柔性搬运系统可以使生产流水线更加简单易於维护，并大幅度降低工人的劳动强度，效率和柔性又比较高。
该系统结构简单，安全文明，并且无污染，能在各种机械加工场合进行应用，满足了高效率、低能耗的生产要求。
FANUCiRVision2DV视觉系统主要是通过视觉系统软件设置，建立视觉画面上的点位与机器人位置相对应关系。
对工件进行视觉成像，与已标定的工件进行比较，得出偏差值，即机器人抓放位置的补偿值，实现机器人自动抓放。
该技术实现了机器人在无夹具定位工件情况下的自动柔性搬运。
在该上下料系统中，待加工工件形状复杂，用夹具进行定位非常复杂，也不利於以後同类新产品的扩展。
应用FANUCiRVision2DV视觉系统後，待加工工件只需放置於上下料滑台无定位装置的托盘上，实际情况为待加工工件可以在托盘上移动正负2厘米以及旋转正负30度。
这样大大减少了在上下料滑台上的设计工作，保证了系统的扩展功能。
FANUCiRVision2DV视觉系统的原理是，选一个待加工工件作为初始工件，通过2DV视觉软件对该工件在摄像头中的画面点位与机器人示教点位的关系进行标定，同时完成初始工件的特征标定。
示教完成的抓取程序为初始工件初始位置的抓取位置，此时工件抓取偏差值为零。
当工件平移或者旋转後，位置与初始工件的位置发生变化。
通过2DV软件，机器人能够计算出位置变化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。
机器人把该偏差值存入位置寄存器[PR]中。
此时机器人可以通过把偏差值[PR]补偿到初始抓取位置来实现工件的抓取。
2DV视觉系统操作流程如图3。
图32DV视觉系统操作流程
在该上下料的应用中只有一种工件，当有多种工件时，2DV视觉系统可以根据不同的工件进行多次特征标定，实现多种工件之间的切换调用。
大大提高了系统的可扩展性，柔性度高。
3D视觉定位技术助力机器人准确上料
3D视觉定位技术应用於机器人上料至机床。
摄像头安装固定在3DL视觉支架上。
该技术解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。
由於工件为毛坯件，机器人抓取工件後，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。
对於此，在没有3DL视觉系统的情况下，机器人是无法实现对工件的准确上料。
其原理是：
选一个毛坯件作为初始工件，通过3DL视觉软件对该工件在摄像头中的画面点位与机器人示教点位的关系进行标定，同时完成初始工件的特征标定。
示教完成的上料程序为初始工件初始位置的上料位置，此时工件上料偏差值为零。
当抓取其它毛坯件後，定位孔位置以及工件的平面度发生变化。
通过3DL软件，机器人能够计算出位置变化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。
机器人把该偏差值存入位置寄存器[PR]中。
此时机器人可以通过把偏差值[PR]补偿到初始上料位置来实现工件的上料。
2DV是通过摄像头计算平面变化量，3DL是通过摄像头和激光综合计算空间变化量。
实际上3DL是2DV与激光技术的综合应用，该技术大大增加了系统设计的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件设计时。
软浮动功能：
补偿机器人手爪在抓取工件时产生的位置偏差
软浮动功能（SoftFloat）应用於工件抓取和机器人机床上、下料步骤。
该项目中，机器人手爪抓取处於待加工工件位置在毛坯面，各个毛坯件抓取位置与定位孔位置都有差异。
毛坯面与定位孔位置的变化会引起一系列的问题，这包括：
工件在托盘内，机器人抓取後，由於毛坯面带来的偏差就会导致工件在手爪抓取时产生移动，偏差大的时候会与托盘之间产生摩擦；机器人从机床下料时，由於毛坯面带来的偏差，导致手抓不能完全贴合毛坯面，即使强硬贴合上，在工件脱离定位销时会有严重的摩擦，导致碰撞报警。
虽然有2DV视觉补偿，但是毛坯面不能作为特征量，导致在机器人手爪抓取工件的位置在不停的变化，机器人无法补偿此偏差。
当开启软浮动功能後，机器人可以受外力改变姿态，改变大小可以通过参数设置。
手爪在抓取毛坯件时可以根据毛坯面改变姿态，达到完全贴合，避免碰撞和摩擦。
在该项目中，工件定位孔与机床定位销（锥形）之间的配合精度达到0.01毫米。
机器人本身的重复精度是大於0.01毫米的，导致工件上料位置偏差。
此时，通过应用软浮动功能，机器人首先抓取工件运行到定位销锥度部位，由机床夹具夹紧，机器人通过软浮动移动至上料位置，从而实现上料过程。
搬运机器人
机器人自动柔性搬运系统在重型汽车生产中应用前景可期，随着中国经济的快速增长，重型载重运输汽车的需求在不断地扩大，为满足巿场的需求，各重型汽车厂正在不断地积极开发新产品，并扩大原有产能。
使用机器人服务加工中心组成柔性加工生产线的自动化方式逐步得到广泛采用，从而在提高生产效率、减少人工成本、保障作业安全、提高生产品质等方面起到了显着作用。
由上文可知，机器人自动柔性搬运系统具有很高的效率和产品质量稳定性，同时兼具柔性和可靠性较高、结构简单和便於维护的优点，可以满足不同种类产品的生产。
对於重型汽车生产厂家来说，可以很快进行产品结构的调整和扩大产能，同时大大降低了产业工人的劳动强度，具有广泛的应用前景。
二、焊接机器人在汽车制造业中的应用
汽车行业的发展水平，代表了一个国家的综合技术水平，汽车工业的发展将会带动其他行业的发展。
各厂商为了在日渐激烈的竞争中立于不败之地，必须率先实现焊接自动化，因此，今后除了如汽车、摩托车这样的大批量生产行业，一些产品多样化的企业，为了提高焊接质量，也将会考虑使用焊接机器人，如钢结构等行业，与此同时，对焊接机器人的要求也必然会逐步提高，如说对焊道的自动跟踪系统的需求会逐步加大等。
作为焊接机器人和焊接机的专业生产厂家，OTC公司将继续为提高中国的高速、高效、自动化焊机做出自己的贡献。
李瑞峰：
由于焊接技术是基于多学科交叉融合的产物，随着现代科学技术成果的不断涌现，必将推动焊接技术更新更快的发展。
除了物理、化学、材料、力学、冶金、机械、电子学等学科的新发展将会推动焊接新材料、新工艺的不断出现外，计算机、控制理论、人工智能等信息科学领域的新进展将进一步将焊接工艺实现的手段推进到自动化、机器人化和智能化的新阶段，进而实现几代焊接人的梦想——用机器来代替人工进行焊接作业。
对于在汽车工业中的点焊应用来说，目前已广泛采用电驱动的伺服焊枪。
日本丰田公司已决定将这种技术作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。
据本田公司称，用这种技术可以提高焊接质量，在短距离内的运动时间也大为缩短，因而试图用它来代替某些弧焊作业。
据富士电机报导，该公司最近推出一种高度较低的点焊机器人，用它来焊接车体的下部零件，这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线的长度。
目前，用2台机器人协调工作进行弧焊已相当普遍。
此时，一台弧焊机器人焊接工件，而另一台夹持机器人夹持工件，从而不必为特殊工件专门设计成本很高的专用夹具，并能保持最佳的焊接压力。
目前，丰田公司已开始使用能够焊接厚度为0.6mm的薄钢板（间隙2mm）的弧焊机器人，由于这种弧焊机器人能从钢板一侧进入到焊接位置而不必像点焊机器人那样需要从钢板两侧进入到焊接位置，因而将优先取代某些点焊作业。
在日本，激光焊接还不是很普遍，而柔性本体生产线（FBL）方案的应用已日益增多。
在这种场合下，各种形状的板金件都采用激光焊接，以形成车体的板金件。
将处理速度更高的微处理器引入到机器人控制器，显著提高了机器人的运动控制性能，从而提高了生产效率。
由于运动控制性能的不断提高，使得一些新型应用成为可能，比如汽车油箱的线焊，采用特殊的焊机焊接油箱的接缝，专门设计用于特定的油箱形状，而为了便于装入到车体内的有限空间内，油箱的形状越来越复杂，因而这就要求机器人的工作尽可能满足这一需要。
过去，由于难以保持恒定的线焊速度，很难实现这一任务，而使用了新的机器人控制器后则能够顺利完成这一任务。
计算机视觉以其信息量大、精度高、检测范围大等特点，在焊接领域得到了广泛应用，为实现焊接操作自动化提供了有力手段。
借助CCD摄像机、红外摄像仪、X光探伤仪、高速摄像机等图像传感设备及智能化的图像处理方法，许多机器人及特定的自动焊机也具备了一定的视觉功能，它们不仅可以模拟熟练焊工的视觉感知能力，而且可以超越人的局限，完成诸如获取并处理强弧光及飞溅干扰下的焊缝图像，实时提取焊接熔池特征参数，预测焊接组织、结构及性能等，实现人类难以直接作业的特殊场合（如水下、空间核辐射环境等）的自动焊接施工，确保焊缝质量的稳定性和可靠性。
在国内外研究人员的共同努力下，计算机视觉广泛应用于焊缝跟踪、熔池形状与熔透控制、焊道形貌检测与控制等领域，为焊接生产和过程自动化、智能化作出了重要贡献。
鉴于焊接过程的复杂性、先进制造业对焊接技术更高层次的需求及用户对新型视觉传感系统更高的性价比要求等，当前还必须解决系统的复杂性与可靠性、实时性与精确性、可控性与智能化等方面的问题。
随着全球经济的一体化发展，世界制造中心逐步向中国转移，中国工业机器人的产业也将会快速地发展起来。
我坚信，在不远的未来，在中国的汽车生产线上会有越来越多的国产焊接机器人发挥作用。
弧焊机器人
三、装配机器人在汽车制造业中的应用
在国内外各大汽车公司装配生产线上被广泛采用的装配机器人。
一方面使汽车装配自动化水平大大提高，目前，国外某些大批量生产的轿车的装配自动化程度已达到50%~65%。
另一方面，有效地减轻了工人的劳动强度，提高了装配质量，并明显地提高了生产率。
在汽车整车装配中，机器人不仅用于挡风玻璃的密封济涂覆、安装和车轮备胎、仪表盘总成、后悬梁、车门、蓄电池等部件的安装，也用于发动机动力总成等大件的安装。
装配机器人
四、喷涂机器人在汽车制造业中的应用
喷涂机器人在汽车制造业中可喷涂形态复杂的汽车工件，而且生产效率和很高。
多用于汽车车体的喷涂作业，如喷漆、喷釉等。
喷涂机器人
除了上述4类机器人以外，汽车制造业中应用的机器人还有用于特殊加工的激光加工机器人，用于部件形状测量、装配检查和产品缺陷检查的检测机器人，抑制尘埃粒子大小及数量的水切割机器人和净化机器人等。
随着中国汽车工业的迅猛发展，机器人在先进汽车制造中的重要性也越来越凸显。
机器人的产品应用广泛，覆盖焊接、物料搬运、装配、喷涂、精加工、拾料、包装、货盘堆垛、机械管理等领域。
在汽车行业的应用主要分为以下五大部分。
车身系统中，采用虚拟仿真等手段，主要针对车身覆盖件不断开发出新的标准化、模块化解决方案；动力总成系统中，提供了涵盖汽车传动系统核心部件：
发动机、变速箱和传动轴的全套装配测试系统。
在冲压自动化系统方面，从卷材与堆垛到零件的码垛，从提供控制系统到企业ERP，从设计到生产支持与效率优化，拥有全面的工程能力；涂装自动化系统方面，以高柔性高精度的喷涂机器人来帮助客户提升涂装质量，减少生产废料；而在焊接自动化系统中，机器人比较典型的应用是电阻点焊、电弧焊；其最新一代机器人配套提供一系列高度人性化的软件工具。
汽车工业的最大特点是产量大，生产节拍快，产品一致化程度高。
消费者对汽车质量要求越来越高，是促使机器人应用越来越普遍的一个重要原因。
与人工制造相比较而言，运用机器人进行自动化批量生产有许多好处。
以汽车车灯的涂胶为例，随市场对汽车车灯泡质量要求逐日升高，对车灯的密封性能要求比以前更高了，如果仍然采用传统的人工涂胶生产模式是不能满足现在消费者对车灯密封性能的需求的。
机器人的运用不仅能解决人工生产所不能达到的技术要求，而且还能进行高质量的批量生产以满足不断增长的生产和消费需求。
对此，机器人却是个很好的解决方案。
比如说ABB机器人，坚固耐用，功能强，使用周期可达十年以上；需要更换车型的时候，只考虑改变机器人程序就行，所以它可生产不同的车型；同时，由于柔性化程度高，同一条机器人生产线也可同时生产许多不同种类的产品。
作为大型投资，投资回报期的长短是厂家必须考虑的重要因素之一；以前汽车商们把这个时间估算为八到十年，而有了机器人以后，这个周期被大大缩短。
投资节省了，节拍变快了，避免了废工废力废材料，不仅有利于汽车商本身，而且也有利于节能和环保，对社会也是一个很大的贡献。
目前，机器人市场上主要存在欧系和日系两大类产品，其中，ABB是典型的欧系机器人，是第一个发明微电子电机驱动的机器人生产厂家。
ABB机器人的轨迹精度很高，尤其是在高速运动时非常出色；若软件设定切割一个圆，不管直径再小，切出来的形状所达的效果值和期望值几乎毫无偏差。
再如，过去的机器人在进行电弧焊时，必须安装一个特别防撞开关，避免发生撞击事故时可能对人体及设备产生的不安全因素；而ABB却是通过独特防碰撞软件技术，使得力的控制达到了最巧妙的设定。
在电阻点焊时，要求工程师非常清楚的了解工具的重心在哪里，惯量多大，必须标定的很好，才能最优化的发挥机器人的性能。
忆起机器人最初在业界兴起的时候，王经理细谈起，最初只有合资厂们直接引进机器人项目，但也只使用于关键工序；渐渐，中国汽车厂商们开始对吸收新技术充溢激情，很多公司看到别人的工作站上使用机器人就有样学样，一时间，车间里充斥不同品牌的制造机器人；乍一看颇有些气势，但使用过H中出现了许多问题，比如设备维护、技术培训、备件储存等，这都大大增加了管理的复杂度和难度。
机器人本身只是集装箱里的一个货物；随机器人的设备功能越来越精细，客户的思维在这时候逐渐走向成熟，在采购时不再单单考虑某生产工位的瓶颈，而更多的考虑到长期战略因素，如维护成本加入的高低，长期投资回报是否划算，服务涵盖地域是否广泛，响应是否及时，全球技术支持能力有多强，中期后期不同阶段解决问题的能力有多大，等等；这时，产品本身的价格和意义相对弱化，而长期的价值越发凸显。
可以看到，目前中国的机器人市场虽然仍是一种混合状态，但是基本上一半的客户都已经比较成熟。
对于那些新的使用者，他们仍需要有一段时间了解整个汽车行业到底偏爱哪个供货商品牌。
机器人运用中的问题
目前，国内汽车生产中机器人运用还不够广泛，但为了改善汽车制造过程中的质量，提高劳动生产率，机器人的应用已经成为汽车制造的总体大方向。
1）位置偏移后重新示教的问题
在ABB机器人应用与焊接时，如果发生焊接位置偏移，必须进行在线示教然后再线运行，这个工作现在需要占用大量的生产时间。
如果能利用先进的计算机动态仿真，将是ABB机器人在汽车制造的焊接过程中的一次革命性的改变。
2）机器人焊缝跟踪问题
示教再现型机器人进行弧焊时，不能对焊缝进行跟踪反馈，因而焊缝有细微变化时，不能保证焊缝质量，如果能够应用智能技术，动态跟踪焊缝状态，就能有效的保证弧焊质量的可靠性和稳定性。
3）机器人与其他工位或设备上的障碍物碰撞问题
目前机器人系统在处理信号交换时，都采用外部I/O信号来交换彼此的工作状态，信号检测只以一个点的工作方式测量，即在某一运动程序中，确认某一个交换信号来决定机器人是否继续下面的工作，而不是在一个运动区域中持续检测障碍物和机器人状态，这样，一旦检测过程结束，而机器人的运动轨迹发生错误或信号交换不正常，碰撞问题就能得到有效控制甚至彻底避免。
综上所述，机器人使汽车制造也大批量、高效率、高质量生产提供了有效保障，同时机器人在应用是暴露了问题，这也促使我们不断学习先进技术，不断寻求更加有效的方式，让机器人为中国汽车制造业作出更大贡献。
升级会员 