|
來(lái)源：Digi-Key 作者：Jody Muelaner, Lisa Eitel 工業(yè)機器人對現代制造業(yè)至關(guān)重要——既能執行大量的功能，又能與其他形式的自動(dòng)化協(xié)調任務(wù)。事實(shí)上，價(jià)值 1 萬(wàn)億美元的汽車(chē)行業(yè)是第一個(gè)有能力大規模使用機器人技術(shù)的行業(yè)...并且也推動(dòng)了與機器人技術(shù)相關(guān)的技術(shù)。這不足為奇，因為汽車(chē)是高度復雜的高價(jià)商品，可以證明工廠(chǎng)的投資可能在數年內都不會(huì )產(chǎn)生投資回報�，F在，絕大多數的汽車(chē)制造中心都采用了機器人技術(shù)。僅僅在過(guò)去的 20 年里，包裝、半導體生產(chǎn)和相對較新的自動(dòng)化倉儲領(lǐng)域才加快了采用機器人技術(shù)的步伐，與汽車(chē)行業(yè)展開(kāi)競爭之勢。 
圖 1：汽車(chē)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(lái)源：Getty Images） 在機器人以及與機器人配套的工業(yè)自動(dòng)化設備中，有電動(dòng)機、液壓系統和流體動(dòng)力系統、驅動(dòng)、控制、網(wǎng)絡(luò )硬件、人機界面 (HMI) 和軟件系統，以及檢測、反饋和安全組件。這些部分通過(guò)執行預先編好的程序來(lái)提高效率，而這些程序又可以隨時(shí)適應不斷變化的實(shí)時(shí)條件。越來(lái)越多的人預計，機器人工作單元也具有可重新配置性，以生產(chǎn)新的汽車(chē)產(chǎn)品...因為消費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)化和機器人技術(shù)領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ) 《牛津英語(yǔ)詞典》將機器人定義為“能夠自動(dòng)完成一系列復雜動(dòng)作的機器，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到數控機床的一切。甚至 ISO 8373 給出的“自動(dòng)控制的、可重新編程的、多用途機械手，可在三個(gè)或更多軸上對其進(jìn)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(huì )被歸類(lèi)為機器人。 需要記住的實(shí)際區別是，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量的復雜程序來(lái)加工不同的零件，但其設計是使用安裝在其主軸上的旋轉刀片來(lái)切割金屬...而且很可能在整個(gè)使用期限內牢牢地固定在一個(gè)位置。
圖 2：在某些情況下，機器之間的區別是基于自動(dòng)化設計的外觀(guān)。有些人把類(lèi)似機械化的人手臂的鉸接臂歸為機器人——把采用自動(dòng)笛卡爾排列式線(xiàn)性滑軌歸為機器，如用于小零件裝配和檢查的 CT4。（圖片來(lái)源：IAI America Inc.） 有時(shí)，甚至這些定義也是矛盾的。例如，數控機床等自動(dòng)化機器越來(lái)越靈活，車(chē)銑復合中心同時(shí)具有銑床和車(chē)床的功能——許多類(lèi)似機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)機器人通常是為了執行如噴漆或焊接等特定工作而作為專(zhuān)用型號提供的...并且很可能在使用期限內就固定在一條生產(chǎn)線(xiàn)上運行。 底線(xiàn)是，在今天的汽車(chē)工業(yè)中，被視為機器人的自動(dòng)化系統確實(shí)常常被期望表現出高度靈活性——能夠（通過(guò)重新配置）執行運輸、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(chǎng)的新區域——無(wú)論是作為制造系統重新部署，還是在第七軸線(xiàn)性軌道上持續移動(dòng)以服務(wù)生產(chǎn)線(xiàn)上的一系列工作單元。 汽車(chē)生產(chǎn)現場(chǎng)的機器人家族 汽車(chē)生產(chǎn)現場(chǎng)的機器人大致按其機械結構分類(lèi)——包括其關(guān)節類(lèi)型、聯(lián)動(dòng)布局和自由度。 串行機械手機器人技術(shù)包括了大多數工業(yè)機器人。這個(gè)設計系列的設計中有一個(gè)線(xiàn)性鏈，一端是底座，另一端是末端效應器——鏈上每個(gè)環(huán)節之間都有一個(gè)關(guān)節。這些機器人包括鉸接式機器人、選擇順應性鉸接機械臂 (SCARA) 機器人、協(xié)作型六軸機器人、笛卡爾機器人（基本上由線(xiàn)性執行器組成）和不太常見(jiàn)的圓柱型機器人。
圖 3：協(xié)作機器人在需要自動(dòng)碼垛操作的二級汽車(chē)供應商設施中越來(lái)越普遍。（圖片來(lái)源：Dobot） 平行機械手機器人在需要高剛度和操作速度的應用中具有出色的表現。與鉸接臂（通過(guò)單線(xiàn)連桿懸掛在 3D 空間）相比，并聯(lián)操縱器通過(guò)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(dòng)機器人是在工廠(chǎng)和倉庫周?chē)苿?dòng)材料和庫存物品的輪式裝置。這些機器人可以作為自動(dòng)叉車(chē)，用來(lái)檢索、移動(dòng)和放置貨架或工廠(chǎng)地板上的托盤(pán)。這方面的機器人如自動(dòng)導引車(chē) (AGV) 和自主移動(dòng)機器人 (AMR)。 傳統機器人在汽車(chē)制造中的應用 汽車(chē)制造設施中的傳統機器人應用包括焊接、噴漆、裝配和普通汽車(chē)中 30,000 多個(gè)零件的搬運工作�？紤]下一些機器人亞型是如何在這些應用中使用的。 六軸鉸接臂機器人是一種串行操縱器，其中每個(gè)關(guān)節都是一個(gè)旋轉關(guān)節。最常見(jiàn)的配置是具有自由度的六軸機器人，可以在其工作范圍內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(shí)上，六軸關(guān)節臂機器人是大多數人想象到的工業(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(jìn)行解碼。有些安裝在機器人末端效應器上，以支持電子和汽車(chē)部件、子裝配元件的零件揀選。（圖片來(lái)源：Omron Automation and Safety） 事實(shí)上，大型六軸機器人經(jīng)常用于汽車(chē)框架焊接和車(chē)身板件點(diǎn)焊。與人工方法相比，機器人能夠在三維空間中連續不停地精確追蹤焊接路徑，同時(shí)適應隨環(huán)境條件變化的焊珠參數。
圖5：這些六軸機器人是大多數人想象到的工業(yè)機器人的樣子。（圖像來(lái)源：Kuka） 在其他地方，六軸鉸接臂機器人騎在第七軸系統上，執行汽車(chē)車(chē)身板件的打底、噴漆、清漆和其他密封工藝。這種工藝安實(shí)現了完美一致的效果，其部分原因是這些過(guò)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。六軸機器人還遵循通過(guò)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(guò)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(chē)工人暴露在與某些噴涂材料有關(guān)的有害氣體中。
圖 6：SIMATIC 機器人集成器應用通過(guò)適應各種供應商的機器人參數和各種應用的幾何形狀、安裝要求，簡(jiǎn)化了機器人在自動(dòng)化設置中的集成；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(jìn)行設計調整。（圖片來(lái)源：Siemens） 選擇順應性鉸接機械臂 (SCARA) 機器人配備兩個(gè)旋轉關(guān)節，且兩個(gè)關(guān)節具有在垂直方向上運行的轉軸，可在單一運動(dòng)平面內進(jìn)行 X-Y 定位。然后，第三個(gè)線(xiàn)性軸允許在 Z（向上和向下）方向運動(dòng)。SCARA 是成本相對較低的選擇，在狹窄的空間中表現出色——甚至比同等的笛卡爾機器人具有更快的運動(dòng)速度。難怪 SCARA 機器人被用于生產(chǎn)汽車(chē)電子和電氣系統中——包括那些用于氣候控制、移動(dòng)設備連接、音頻/視覺(jué)元件、娛樂(lè )和導航。在這里，SCARA 最常用來(lái)執行精確的材料搬運和裝配任務(wù)，以生產(chǎn)這些系統。 笛卡爾機器人至少有三個(gè)線(xiàn)性軸，這三個(gè)軸堆疊在一起以執行 X、Y 和 Z 方向的運動(dòng)。實(shí)際上，二級汽車(chē)供應商采用的一些笛卡爾機器人采取了數控機床、3D 打印機和坐標測量機 (CMM) 的形式來(lái)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，笛卡爾機器人顯而易見(jiàn)就是業(yè)內最常見(jiàn)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(shí)才稱(chēng)為機器人，例如在裝配、拾放和碼垛方面。 汽車(chē)工業(yè)中使用的另一種笛卡爾機器人變體是門(mén)式自動(dòng)起重機。這對于需要在還未全部完成裝配的車(chē)輛底盤(pán)下方進(jìn)行緊固和連接工藝來(lái)說(shuō)是必不可少的。 新型創(chuàng )新機器人在汽車(chē)制造中的應用 圓柱機器人是一種外形緊湊、經(jīng)濟實(shí)惠的機器人，可通過(guò)基座上的旋轉關(guān)節和兩個(gè)用于增大高度和延伸機械臂的線(xiàn)性軸提供三軸定位。這類(lèi)機器人特別適合于機器理貨、包裝和碼垛汽車(chē)子組件的工作。 上文提及的協(xié)作式六軸機器人 (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)結構，但在每個(gè)關(guān)節處都有極其緊湊的、集成的、基于電機的驅動(dòng)裝置...通常采用齒輪馬達或直接驅動(dòng)的形式。在汽車(chē)環(huán)境中，這類(lèi)機器人的任務(wù)是焊接托架、支架和幾何形狀復雜的子框架。優(yōu)點(diǎn)包括高精度和可重復性。 Delta 機器人配備三個(gè)機械臂，通過(guò)來(lái)自底座的旋轉式關(guān)節實(shí)現驅動(dòng)——通常安裝在天花板上采用懸掛式布置。每個(gè)機械臂都有一個(gè)平行四邊形，其末端安裝有萬(wàn)向節，然后這些平行四邊形都與末端效應器連接。這使得 Delta 機器人有三個(gè)平移自由度，且末端效應器從不相對于底座旋轉。Delta 機器人可以達到極高的加速度，使其在涉及小型汽車(chē)緊固件、電氣元件分揀以及其他搬運應用中能夠非常有效地進(jìn)行拾放操作。 Stewart 平臺（也稱(chēng)作六爪魚(yú)）由一個(gè)三角形底座和三角形末端效應器組成，由六個(gè)線(xiàn)性執行器連接成一個(gè)八面體。這賦予了六個(gè)自由度，且具有極強的剛性結構。然而，與自身結構的大小相比，其運動(dòng)范圍相對有限。Stewart 平臺用于運動(dòng)模擬、移動(dòng)式精密加工、起重機運動(dòng)補償以及精密物理學(xué)和光學(xué)測試程序中的高速振動(dòng)補償...包括那些用于驗證車(chē)輛懸掛設計的平臺。 自動(dòng)導引車(chē) (AGV) 遵循刷在地板上的標線(xiàn)、地板上的電線(xiàn)或其他引導信標所標示的既定路線(xiàn)。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(lèi)發(fā)生碰撞。這類(lèi)機器非常適用于汽車(chē)生產(chǎn)設施中的材料搬運任務(wù)。 自主移動(dòng)機器人 (AMR) 不需要固定路線(xiàn)，能夠比 AGV 做出更復雜的決定。這類(lèi)機器人在汽車(chē)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(lái)感知周?chē)h(huán)境，實(shí)現自由導航。當檢測到潛在的碰撞時(shí)，AMR 不是像 AGV 那樣停下來(lái)等待，而是可以簡(jiǎn)單地改變路線(xiàn)，繞過(guò)障礙物。這種適應性使 AMR 在汽車(chē)廠(chǎng)的裝貨碼頭大大提高了生產(chǎn)力和靈活性。 結束語(yǔ) 在過(guò)去的 30 年里，汽車(chē)行業(yè)刺激了機器人領(lǐng)域的大規模創(chuàng )新，這一趨勢將隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē) (EV) 市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展而持續。該行業(yè)也開(kāi)始受益于新型人工智能和機器視覺(jué)的適應性，可加強機器人安裝，以適應任何一種用途。 |
