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來源：Digi-Key 作者：Jody Muelaner, Lisa Eitel 工業(yè)機器人對現(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化協(xié)調(diào)任務(wù)。事實上，價值 1 萬億美元的汽車行業(yè)是第一個有能力大規(guī)模使用機器人技術(shù)的行業(yè)...并且也推動了與機器人技術(shù)相關(guān)的技術(shù)。這不足為奇，因為汽車是高度復(fù)雜的高價商品，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。現(xiàn)在，絕大多數(shù)的汽車制造中心都采用了機器人技術(shù)。僅僅在過去的 20 年里，包裝、半導(dǎo)體生產(chǎn)和相對較新的自動化倉儲領(lǐng)域才加快了采用機器人技術(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)都更能刺激機器人技術(shù)的發(fā)展。（圖片來源：Getty Images） 在機器人以及與機器人配套的工業(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、控制、網(wǎng)絡(luò)硬件、人機界面 (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適應(yīng)不斷變化的實時條件。越來越多的人預(yù)計，機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...因為消費者的喜好比以往任何時候都在更快速地變化。 澄清自動化和機器人技術(shù)領(lǐng)域的術(shù)語 《牛津英語詞典》將機器人定義為“能夠自動完成一系列復(fù)雜動作的機器，尤其是是可編程的動作”。令人困惑的是，這個定義可以描述從洗衣機到數(shù)控機床的一切。甚至 ISO 8373 給出的“自動控制的、可重新編程的、多用途機械手，可在三個或更多軸上對其進行編程”的機器人定義，也可以描述帶有垂直升降臺的倉庫輸送機。然而，這種機器通常不會被歸類為機器人。 需要記住的實際區(qū)別是，在固定地點為單一[閱讀：非常明確的定義] 用途而制造的機器通常不被視為機器人...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...而且很可能在整個使用期限內(nèi)牢牢地固定在一個位置。
圖 2：在某些情況下，機器之間的區(qū)別是基于自動化設(shè)計的外觀。有些人把類似機械化的人手臂的鉸接臂歸為機器人——把采用自動笛卡爾排列式線性滑軌歸為機器，如用于小零件裝配和檢查的 CT4。（圖片來源：IAI America Inc.） 有時，甚至這些定義也是矛盾的。例如，數(shù)控機床等自動化機器越來越靈活，車銑復(fù)合中心同時具有銑床和車床的功能——許多類似機器還能用接觸式探頭和激光掃描儀進行零件檢測和測量。這樣的機床甚至可以用于進行增材制造。另一方面，所謂的靈活工業(yè)機器人通常是為了執(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)線上運行。 底線是，在今天的汽車工業(yè)中，被視為機器人的自動化系統(tǒng)確實常常被期望表現(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)場的機器人家族 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、聯(lián)動布局和自由度。 串行機械手機器人技術(shù)包括了大多數(shù)工業(yè)機器人。這個設(shè)計系列的設(shè)計中有一個線性鏈，一端是底座，另一端是末端效應(yīng)器——鏈上每個環(huán)節(jié)之間都有一個關(guān)節(jié)。這些機器人包括鉸接式機器人、選擇順應(yīng)性鉸接機械臂 (SCARA) 機器人、協(xié)作型六軸機器人、笛卡爾機器人（基本上由線性執(zhí)行器組成）和不太常見的圓柱型機器人。
圖 3：協(xié)作機器人在需要自動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） 平行機械手機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。這方面的機器人如 Delta 和 Stuart 機器人。 移動機器人是在工廠和倉庫周圍移動材料和庫存物品的輪式裝置。這些機器人可以作為自動叉車，用來檢索、移動和放置貨架或工廠地板上的托盤。這方面的機器人如自動導(dǎo)引車 (AGV) 和自主移動機器人 (AMR)。 傳統(tǒng)機器人在汽車制造中的應(yīng)用 汽車制造設(shè)施中的傳統(tǒng)機器人應(yīng)用包括焊接、噴漆、裝配和普通汽車中 30,000 多個零件的搬運工作。考慮下一些機器人亞型是如何在這些應(yīng)用中使用的。 六軸鉸接臂機器人是一種串行操縱器，其中每個關(guān)節(jié)都是一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。最常見的配置是具有自由度的六軸機器人，可以在其工作范圍內(nèi)將物體定位在任何位置和方向。這些機器人非常靈活，適用于各種各樣的工業(yè)流程。事實上，六軸關(guān)節(jié)臂機器人是大多數(shù)人想象到的工業(yè)機器人的樣子。
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行解碼。有些安裝在機器人末端效應(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） 事實上，大型六軸機器人經(jīng)常用于汽車框架焊接和車身板件點焊。與人工方法相比，機器人能夠在三維空間中連續(xù)不停地精確追蹤焊接路徑，同時適應(yīng)隨環(huán)境條件變化的焊珠參數(shù)。
圖5：這些六軸機器人是大多數(shù)人想象到的工業(yè)機器人的樣子。（圖像來源：Kuka） 在其他地方，六軸鉸接臂機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行的，能夠有效地阻止外部環(huán)境顆粒造成污染。六軸機器人還遵循通過編程優(yōu)化了的噴涂路徑，以達到完美的表面處理，甚至最大限度地減少過度噴涂，減少油漆和密封劑的浪費。更重要的是，有了這些機器人，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 機器人集成器應(yīng)用通過適應(yīng)各種供應(yīng)商的機器人參數(shù)和各種應(yīng)用的幾何形狀、安裝要求，簡化了機器人在自動化設(shè)置中的集成；這些安裝工作是由可擴展的高性能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，可以靈活地進行設(shè)計調(diào)整。（圖片來源：Siemens） 選擇順應(yīng)性鉸接機械臂 (SCARA) 機器人配備兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，且兩個關(guān)節(jié)具有在垂直方向上運行的轉(zhuǎn)軸，可在單一運動平面內(nèi)進行 X-Y 定位。然后，第三個線性軸允許在 Z（向上和向下）方向運動。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器人具有更快的運動速度。難怪 SCARA 機器人被用于生產(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)行精確的材料搬運和裝配任務(wù)，以生產(chǎn)這些系統(tǒng)。 笛卡爾機器人至少有三個線性軸，這三個軸堆疊在一起以執(zhí)行 X、Y 和 Z 方向的運動。實際上，二級汽車供應(yīng)商采用的一些笛卡爾機器人采取了數(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。如果把這些機器也包括在內(nèi)，笛卡爾機器人顯而易見就是業(yè)內(nèi)最常見的工業(yè)機器人形式。但如前所述，笛卡爾機器通常只在用于涉及操縱工件而非工具的操作時才稱為機器人，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器人變體是門式自動起重機。這對于需要在還未全部完成裝配的車輛底盤下方進行緊固和連接工藝來說是必不可少的。 新型創(chuàng)新機器人在汽車制造中的應(yīng)用 圓柱機器人是一種外形緊湊、經(jīng)濟實惠的機器人，可通過基座上的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個用于增大高度和延伸機械臂的線性軸提供三軸定位。這類機器人特別適合于機器理貨、包裝和碼垛汽車子組件的工作。 上文提及的協(xié)作式六軸機器人 (cobots) 的特點是與較大型工業(yè)變體具有相同的基本聯(lián)動結(jié)構(gòu)，但在每個關(guān)節(jié)處都有極其緊湊的、集成的、基于電機的驅(qū)動裝置...通常采用齒輪馬達或直接驅(qū)動的形式。在汽車環(huán)境中，這類機器人的任務(wù)是焊接托架、支架和幾何形狀復(fù)雜的子框架。優(yōu)點包括高精度和可重復(fù)性。 Delta 機器人配備三個機械臂，通過來自底座的旋轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)實現(xiàn)驅(qū)動——通常安裝在天花板上采用懸掛式布置。每個機械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與末端效應(yīng)器連接。這使得 Delta 機器人有三個平移自由度，且末端效應(yīng)器從不相對于底座旋轉(zhuǎn)。Delta 機器人可以達到極高的加速度，使其在涉及小型汽車緊固件、電氣元件分揀以及其他搬運應(yīng)用中能夠非常有效地進行拾放操作。 Stewart 平臺（也稱作六爪魚）由一個三角形底座和三角形末端效應(yīng)器組成，由六個線性執(zhí)行器連接成一個八面體。這賦予了六個自由度，且具有極強的剛性結(jié)構(gòu)。然而，與自身結(jié)構(gòu)的大小相比，其運動范圍相對有限。Stewart 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學(xué)和光學(xué)測試程序中的高速振動補償...包括那些用于驗證車輛懸掛設(shè)計的平臺。 自動導(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，以避免相互之間以及與人類發(fā)生碰撞。這類機器非常適用于汽車生產(chǎn)設(shè)施中的材料搬運任務(wù)。 自主移動機器人 (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，實現(xiàn)自由導(dǎo)航。當(dāng)檢測到潛在的碰撞時，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)刺激了機器人領(lǐng)域的大規(guī)模創(chuàng)新，這一趨勢將隨著電動汽車 (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器視覺的適應(yīng)性，可加強機器人安裝，以適應(yīng)任何一種用途。 |
