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來源：Digi-Key 作者：Jody Muelaner, Lisa Eitel 工業(yè)機(jī)器人對現(xiàn)代制造業(yè)至關(guān)重要——既能執(zhí)行大量的功能，又能與其他形式的自動(dòng)化協(xié)調(diào)任務(wù)。事實(shí)上，價(jià)值 1 萬億美元的汽車行業(yè)是第一個(gè)有能力大規(guī)模使用機(jī)器人技術(shù)的行業(yè)...并且也推動(dòng)了與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的技術(shù)。這不足為奇，因?yàn)槠囀歉叨葟?fù)雜的高價(jià)商品，可以證明工廠的投資可能在數(shù)年內(nèi)都不會產(chǎn)生投資回報(bào)。現(xiàn)在，絕大多數(shù)的汽車制造中心都采用了機(jī)器人技術(shù)。僅僅在過去的 20 年里，包裝、半導(dǎo)體生產(chǎn)和相對較新的自動(dòng)化倉儲領(lǐng)域才加快了采用機(jī)器人技術(shù)的步伐，與汽車行業(yè)展開競爭之勢。 
圖 1：汽車行業(yè)也許比任何其他行業(yè)都更能刺激機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。（圖片來源：Getty Images） 在機(jī)器人以及與機(jī)器人配套的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，有電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)和流體動(dòng)力系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)、控制、網(wǎng)絡(luò)硬件、人機(jī)界面 (HMI) 和軟件系統(tǒng)，以及檢測、反饋和安全組件。這些部分通過執(zhí)行預(yù)先編好的程序來提高效率，而這些程序又可以隨時(shí)適應(yīng)不斷變化的實(shí)時(shí)條件。越來越多的人預(yù)計(jì)，機(jī)器人工作單元也具有可重新配置性，以生產(chǎn)新的汽車產(chǎn)品...因?yàn)橄M(fèi)者的喜好比以往任何時(shí)候都在更快速地變化。 澄清自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的術(shù)語 《牛津英語詞典》將機(jī)器人定義為“能夠自動(dòng)完成一系列復(fù)雜動(dòng)作的機(jī)器，尤其是是可編程的動(dòng)作”。令人困惑的是，這個(gè)定義可以描述從洗衣機(jī)到數(shù)控機(jī)床的一切。甚至 ISO 8373 給出的“自動(dòng)控制的、可重新編程的、多用途機(jī)械手，可在三個(gè)或更多軸上對其進(jìn)行編程”的機(jī)器人定義，也可以描述帶有垂直升降臺的倉庫輸送機(jī)。然而，這種機(jī)器通常不會被歸類為機(jī)器人。 需要記住的實(shí)際區(qū)別是，在固定地點(diǎn)為單一[閱讀：非常明確的定義] 用途而制造的機(jī)器通常不被視為機(jī)器人...至少在工業(yè)界不是這樣。例如，盡管一臺典型的銑床可以運(yùn)行任何數(shù)量的復(fù)雜程序來加工不同的零件，但其設(shè)計(jì)是使用安裝在其主軸上的旋轉(zhuǎn)刀片來切割金屬...而且很可能在整個(gè)使用期限內(nèi)牢牢地固定在一個(gè)位置。
圖 2：在某些情況下，機(jī)器之間的區(qū)別是基于自動(dòng)化設(shè)計(jì)的外觀。有些人把類似機(jī)械化的人手臂的鉸接臂歸為機(jī)器人——把采用自動(dòng)笛卡爾排列式線性滑軌歸為機(jī)器，如用于小零件裝配和檢查的 CT4。（圖片來源：IAI America Inc.） 有時(shí)，甚至這些定義也是矛盾的。例如，數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化機(jī)器越來越靈活，車銑復(fù)合中心同時(shí)具有銑床和車床的功能——許多類似機(jī)器還能用接觸式探頭和激光掃描儀進(jìn)行零件檢測和測量。這樣的機(jī)床甚至可以用于進(jìn)行增材制造。另一方面，所謂的靈活工業(yè)機(jī)器人通常是為了執(zhí)行如噴漆或焊接等特定工作而作為專用型號提供的...并且很可能在使用期限內(nèi)就固定在一條生產(chǎn)線上運(yùn)行。 底線是，在今天的汽車工業(yè)中，被視為機(jī)器人的自動(dòng)化系統(tǒng)確實(shí)常常被期望表現(xiàn)出高度靈活性——能夠（通過重新配置）執(zhí)行運(yùn)輸、分揀、裝配、焊接和噴涂工作，而且這些工作可能每天都不相同。這些工業(yè)機(jī)器人也有望被重新安裝到工廠的新區(qū)域——無論是作為制造系統(tǒng)重新部署，還是在第七軸線性軌道上持續(xù)移動(dòng)以服務(wù)生產(chǎn)線上的一系列工作單元。 汽車生產(chǎn)現(xiàn)場的機(jī)器人家族 汽車生產(chǎn)現(xiàn)場的機(jī)器人大致按其機(jī)械結(jié)構(gòu)分類——包括其關(guān)節(jié)類型、聯(lián)動(dòng)布局和自由度。 串行機(jī)械手機(jī)器人技術(shù)包括了大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人。這個(gè)設(shè)計(jì)系列的設(shè)計(jì)中有一個(gè)線性鏈，一端是底座，另一端是末端效應(yīng)器——鏈上每個(gè)環(huán)節(jié)之間都有一個(gè)關(guān)節(jié)。這些機(jī)器人包括鉸接式機(jī)器人、選擇順應(yīng)性鉸接機(jī)械臂 (SCARA) 機(jī)器人、協(xié)作型六軸機(jī)器人、笛卡爾機(jī)器人（基本上由線性執(zhí)行器組成）和不太常見的圓柱型機(jī)器人。
圖 3：協(xié)作機(jī)器人在需要自動(dòng)碼垛操作的二級汽車供應(yīng)商設(shè)施中越來越普遍。（圖片來源：Dobot） 平行機(jī)械手機(jī)器人在需要高剛度和操作速度的應(yīng)用中具有出色的表現(xiàn)。與鉸接臂（通過單線連桿懸掛在 3D 空間）相比，并聯(lián)操縱器通過連桿陣列支撐或懸掛。這方面的機(jī)器人如 Delta 和 Stuart 機(jī)器人。 移動(dòng)機(jī)器人是在工廠和倉庫周圍移動(dòng)材料和庫存物品的輪式裝置。這些機(jī)器人可以作為自動(dòng)叉車，用來檢索、移動(dòng)和放置貨架或工廠地板上的托盤。這方面的機(jī)器人如自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 和自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR)。 傳統(tǒng)機(jī)器人在汽車制造中的應(yīng)用 汽車制造設(shè)施中的傳統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)用包括焊接、噴漆、裝配和普通汽車中 30,000 多個(gè)零件的搬運(yùn)工作。考慮下一些機(jī)器人亞型是如何在這些應(yīng)用中使用的。 六軸鉸接臂機(jī)器人是一種串行操縱器，其中每個(gè)關(guān)節(jié)都是一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。最常見的配置是具有自由度的六軸機(jī)器人，可以在其工作范圍內(nèi)將物體定位在任何位置和方向。這些機(jī)器人非常靈活，適用于各種各樣的工業(yè)流程。事實(shí)上，六軸關(guān)節(jié)臂機(jī)器人是大多數(shù)人想象到的工業(yè)機(jī)器人的樣子。
圖 4：高性能條碼閱讀器可以快速、可靠地對一維和二維條碼進(jìn)行解碼。有些安裝在機(jī)器人末端效應(yīng)器上，以支持電子和汽車部件、子裝配元件的零件揀選。（圖片來源：Omron Automation and Safety） 事實(shí)上，大型六軸機(jī)器人經(jīng)常用于汽車框架焊接和車身板件點(diǎn)焊。與人工方法相比，機(jī)器人能夠在三維空間中連續(xù)不停地精確追蹤焊接路徑，同時(shí)適應(yīng)隨環(huán)境條件變化的焊珠參數(shù)。
圖5：這些六軸機(jī)器人是大多數(shù)人想象到的工業(yè)機(jī)器人的樣子。（圖像來源：Kuka） 在其他地方，六軸鉸接臂機(jī)器人騎在第七軸系統(tǒng)上，執(zhí)行汽車車身板件的打底、噴漆、清漆和其他密封工藝。這種工藝安實(shí)現(xiàn)了完美一致的效果，其部分原因是這些過程是在隔離良好的噴漆間進(jìn)行的，能夠有效地阻止外部環(huán)境顆粒造成污染。六軸機(jī)器人還遵循通過編程優(yōu)化了的噴涂路徑，以達(dá)到完美的表面處理，甚至最大限度地減少過度噴涂，減少油漆和密封劑的浪費(fèi)。更重要的是，有了這些機(jī)器人，就可以避免汽車工人暴露在與某些噴涂材料有關(guān)的有害氣體中。
圖 6：SIMATIC 機(jī)器人集成器應(yīng)用通過適應(yīng)各種供應(yīng)商的機(jī)器人參數(shù)和各種應(yīng)用的幾何形狀、安裝要求，簡化了機(jī)器人在自動(dòng)化設(shè)置中的集成；這些安裝工作是由可擴(kuò)展的高性能SIMATIC S7 控制器完成的，這些控制器具有集成的 I/O 和各種通信選項(xiàng)，可以靈活地進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。（圖片來源：Siemens） 選擇順應(yīng)性鉸接機(jī)械臂 (SCARA) 機(jī)器人配備兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，且兩個(gè)關(guān)節(jié)具有在垂直方向上運(yùn)行的轉(zhuǎn)軸，可在單一運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)進(jìn)行 X-Y 定位。然后，第三個(gè)線性軸允許在 Z（向上和向下）方向運(yùn)動(dòng)。SCARA 是成本相對較低的選擇，在狹窄的空間中表現(xiàn)出色——甚至比同等的笛卡爾機(jī)器人具有更快的運(yùn)動(dòng)速度。難怪 SCARA 機(jī)器人被用于生產(chǎn)汽車電子和電氣系統(tǒng)中——包括那些用于氣候控制、移動(dòng)設(shè)備連接、音頻/視覺元件、娛樂和導(dǎo)航。在這里，SCARA 最常用來執(zhí)行精確的材料搬運(yùn)和裝配任務(wù)，以生產(chǎn)這些系統(tǒng)。 笛卡爾機(jī)器人至少有三個(gè)線性軸，這三個(gè)軸堆疊在一起以執(zhí)行 X、Y 和 Z 方向的運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，二級汽車供應(yīng)商采用的一些笛卡爾機(jī)器人采取了數(shù)控機(jī)床、3D 打印機(jī)和坐標(biāo)測量機(jī) (CMM) 的形式來驗(yàn)證最終產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。如果把這些機(jī)器也包括在內(nèi)，笛卡爾機(jī)器人顯而易見就是業(yè)內(nèi)最常見的工業(yè)機(jī)器人形式。但如前所述，笛卡爾機(jī)器通常只在用于涉及操縱工件而非工具的操作時(shí)才稱為機(jī)器人，例如在裝配、拾放和碼垛方面。 汽車工業(yè)中使用的另一種笛卡爾機(jī)器人變體是門式自動(dòng)起重機(jī)。這對于需要在還未全部完成裝配的車輛底盤下方進(jìn)行緊固和連接工藝來說是必不可少的。 新型創(chuàng)新機(jī)器人在汽車制造中的應(yīng)用 圓柱機(jī)器人是一種外形緊湊、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的機(jī)器人，可通過基座上的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個(gè)用于增大高度和延伸機(jī)械臂的線性軸提供三軸定位。這類機(jī)器人特別適合于機(jī)器理貨、包裝和碼垛汽車子組件的工作。 上文提及的協(xié)作式六軸機(jī)器人 (cobots) 的特點(diǎn)是與較大型工業(yè)變體具有相同的基本聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，但在每個(gè)關(guān)節(jié)處都有極其緊湊的、集成的、基于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置...通常采用齒輪馬達(dá)或直接驅(qū)動(dòng)的形式。在汽車環(huán)境中，這類機(jī)器人的任務(wù)是焊接托架、支架和幾何形狀復(fù)雜的子框架。優(yōu)點(diǎn)包括高精度和可重復(fù)性。 Delta 機(jī)器人配備三個(gè)機(jī)械臂，通過來自底座的旋轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)——通常安裝在天花板上采用懸掛式布置。每個(gè)機(jī)械臂都有一個(gè)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與末端效應(yīng)器連接。這使得 Delta 機(jī)器人有三個(gè)平移自由度，且末端效應(yīng)器從不相對于底座旋轉(zhuǎn)。Delta 機(jī)器人可以達(dá)到極高的加速度，使其在涉及小型汽車緊固件、電氣元件分揀以及其他搬運(yùn)應(yīng)用中能夠非常有效地進(jìn)行拾放操作。 Stewart 平臺（也稱作六爪魚）由一個(gè)三角形底座和三角形末端效應(yīng)器組成，由六個(gè)線性執(zhí)行器連接成一個(gè)八面體。這賦予了六個(gè)自由度，且具有極強(qiáng)的剛性結(jié)構(gòu)。然而，與自身結(jié)構(gòu)的大小相比，其運(yùn)動(dòng)范圍相對有限。Stewart 平臺用于運(yùn)動(dòng)模擬、移動(dòng)式精密加工、起重機(jī)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以及精密物理學(xué)和光學(xué)測試程序中的高速振動(dòng)補(bǔ)償...包括那些用于驗(yàn)證車輛懸掛設(shè)計(jì)的平臺。 自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 遵循刷在地板上的標(biāo)線、地板上的電線或其他引導(dǎo)信標(biāo)所標(biāo)示的既定路線。AGV 通常具有一定程度的智能，因此能夠停止和啟動(dòng)，以避免相互之間以及與人類發(fā)生碰撞。這類機(jī)器非常適用于汽車生產(chǎn)設(shè)施中的材料搬運(yùn)任務(wù)。 自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 不需要固定路線，能夠比 AGV 做出更復(fù)雜的決定。這類機(jī)器人在汽車制造商龐大的倉庫中非常有用，通常利用激光掃描儀和物體識別算法來感知周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自由導(dǎo)航。當(dāng)檢測到潛在的碰撞時(shí)，AMR 不是像 AGV 那樣停下來等待，而是可以簡單地改變路線，繞過障礙物。這種適應(yīng)性使 AMR 在汽車廠的裝貨碼頭大大提高了生產(chǎn)力和靈活性。 結(jié)束語 在過去的 30 年里，汽車行業(yè)刺激了機(jī)器人領(lǐng)域的大規(guī)模創(chuàng)新，這一趨勢將隨著電動(dòng)汽車 (EV) 市場的蓬勃發(fā)展而持續(xù)。該行業(yè)也開始受益于新型人工智能和機(jī)器視覺的適應(yīng)性，可加強(qiáng)機(jī)器人安裝，以適應(yīng)任何一種用途。 |
