南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊婧文

近年來，智能制造機(jī)器人在汽車制造流程中所占的比例越來越高。本文針對(duì)汽車制造中智能制造機(jī)器人在裝配、噴涂、電焊和搬運(yùn)等4類作業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)介紹，最后對(duì)汽車智能制造機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望并對(duì)其現(xiàn)階段存在的問題進(jìn)行分析。

1 搬運(yùn)作業(yè)機(jī)器人

在汽車制造過程中，車身焊接流水線、裝配流水線和物料傳送等均可以利用搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，在車身焊接、自動(dòng)裝配鏈、材料裝卸等方面，也能靈活、穩(wěn)定、可靠地完成裝卸任務(wù)。在汽車生產(chǎn)制造中，搬運(yùn)機(jī)器人從上下游物料搬運(yùn)不同形狀和狀態(tài)的汽車零部件，具有靈活、可靠、準(zhǔn)確、高效等特點(diǎn)，能夠極大地縮短工時(shí)，提高生產(chǎn)效率，提升作業(yè)質(zhì)量，也能保證搬運(yùn)的可靠性。

圖1 搬運(yùn)作業(yè)機(jī)器人

目前使用最多的是機(jī)械手式機(jī)器人。圖1為上汽集團(tuán)大眾車生產(chǎn)線中用于搬運(yùn)汽車輪胎的SAHLL8型搬運(yùn)機(jī)器人。主要用于汽車生產(chǎn)過程中輪胎的搬運(yùn)工作。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器人的手、手臂和臀部。這種運(yùn)輸機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源來自液壓系統(tǒng)，通過液壓缸的運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)承載機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了承載機(jī)器人的實(shí)際工作。

該機(jī)器人共有5個(gè)自由度：手臂承載機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌移動(dòng)，由安裝于承載機(jī)構(gòu)上的氣缸驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；手臂在肩關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，由安裝于承載機(jī)構(gòu)上的氣缸驅(qū)動(dòng)裝置，由安裝于肩部的滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)；手臂在肘關(guān)節(jié)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，由安裝于運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)上的氣缸驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。

2 噴涂作業(yè)機(jī)器人

可以進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的智能制造機(jī)器人被稱為噴涂機(jī)器人，噴涂機(jī)器人的作業(yè)原理是采用高壓噴射的原理，將油漆儲(chǔ)存在油漆箱中，通過液壓油泵的抽吸形成高壓，油漆從機(jī)器人的頂部噴射出來。機(jī)器人一般有多個(gè)自由度，通過單片機(jī)等控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，使得機(jī)器人既可以在較大空間進(jìn)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)行，也可以柔性靈活地通過較小孔伸入工件內(nèi)部進(jìn)行噴涂。噴涂機(jī)器人主要是用于車身外表面的漆面噴涂，使用噴涂機(jī)器人可以提高噴涂質(zhì)量和材料使用率，便于操作和維護(hù)。

大眾車生產(chǎn)車間用于汽車全身噴漆的PHLOV3型噴漆機(jī)器人如圖2所示。該噴涂機(jī)器人主要由6個(gè)局部組成，分別為主體機(jī)、中控機(jī)、送料倉、轉(zhuǎn)向頭、背板、X軸滑道。機(jī)器接口串行通道接口為RS-232，備用接口為USB接口。

圖2 噴涂作業(yè)機(jī)器人

該噴涂機(jī)器人主要優(yōu)點(diǎn)有：柔性大，工作范圍大；噴涂質(zhì)量高，有效節(jié)約油漆；可離線編程，縮短了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間；可依噴涂產(chǎn)品的變化自動(dòng)調(diào)整噴槍高低、前后、角度及位置，噴涂油漆量的大小靈活控制；環(huán)保、安全性能高，操作方便簡(jiǎn)單易學(xué)；壽命長，無易損件，保養(yǎng)簡(jiǎn)單，比五軸噴漆臺(tái)少了導(dǎo)軌、皮帶等易損件；可存儲(chǔ)3 000組程序，可用U盤拷貝程序，管理方便簡(jiǎn)單。

3 電焊作業(yè)機(jī)器人

電焊作業(yè)是目前最大的智能制造機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。汽車車身由多個(gè)鈑金件組成，這些鈑金件之間的連接大部分采用焊接的方式。每輛汽車的車身上大約有三千多個(gè)焊點(diǎn)。焊接作業(yè)是對(duì)人身傷害較大的作業(yè)，此外焊接作業(yè)的精度要求高，對(duì)操作人員的技術(shù)要求高，人工成本也高。采用電焊作業(yè)機(jī)器人有利于降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高汽車生產(chǎn)的質(zhì)量，降低次品率。

隨著汽車業(yè)在許多構(gòu)件的焊接精度和速度等指標(biāo)要求的越來越高，電焊作業(yè)機(jī)器人被廣泛的使用。大眾車底盤生產(chǎn)車間的電焊機(jī)器人如圖3所示。

圖3 電焊作業(yè)機(jī)器人

焊接機(jī)器人必須依靠控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備進(jìn)行焊接作業(yè)。整個(gè)焊接機(jī)器人系統(tǒng)通常由機(jī)器人控制器、變位機(jī)、焊接傳感器、與中央控制計(jì)算機(jī)相對(duì)應(yīng)的安全設(shè)備等組成。變位機(jī)用于將焊件（橫向）轉(zhuǎn)到最佳焊接位置。機(jī)器人控制器用于處理焊接機(jī)器人操作過程中的所有信息，控制焊接機(jī)器人的所有運(yùn)動(dòng)。所有現(xiàn)代機(jī)器人的控制都是基于多處理器的，根據(jù)操作系統(tǒng)的指令，通過系統(tǒng)總線對(duì)不同部件的控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。安全設(shè)備是機(jī)器人系統(tǒng)焊接安全運(yùn)行的重要保證，主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過熱自保護(hù)和操作限制。

4 裝配作業(yè)機(jī)器人

裝配機(jī)器人是用于汽車生產(chǎn)中零部件裝配的智能制造機(jī)器人。為了提高汽車零部件的裝配速度和質(zhì)量，有效地降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，在汽車裝配過程中，大型發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配和小型零部件的裝配過程中都運(yùn)用了裝配作業(yè)機(jī)器人，如儀表板、車燈、蓄電池等。

大眾汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車間的ZQVI型裝配機(jī)器人如圖4所示。此款機(jī)器人主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配作業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件比較復(fù)雜，零件種類繁多，由氣缸體、機(jī)體、曲軸、活塞、進(jìn)氣管、排氣管等部件組成，通過機(jī)器人的裝配作業(yè)可大大降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少裝配過程中的錯(cuò)誤。

圖4 裝配作業(yè)機(jī)器人

裝配機(jī)器人的組成如下：手臂、控制器、示教盒、傳感器。關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人幾乎都采取電機(jī)驅(qū)方式，伺服電動(dòng)機(jī)速度快，容易控制?？刂破鞯淖饔檬怯洃洐C(jī)器人的動(dòng)作，它能完成動(dòng)作程序、手臂位置的記憶、程序的執(zhí)行、工作狀態(tài)的診斷、與傳感器的信息交流、狀態(tài)顯示等功能，控制器一般采用多CPU和多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)編程。示教盒主要由顯示部分和輸入鍵組成，用來輸入程序、顯示機(jī)器人的狀態(tài)等，這是人機(jī)對(duì)話的主要渠道。另外，傳感系統(tǒng)在機(jī)器人、環(huán)境和裝配對(duì)象之間進(jìn)行信息傳輸，借助傳感器的感知機(jī)器人可以更好地順應(yīng)對(duì)象物，例如，視覺傳感器常常用來修正對(duì)象物的位置偏移。

5 汽車智能制造機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

隨著新材料如石墨烯、納米材料等的應(yīng)用和仿生機(jī)器人的開發(fā)，使得汽車制造機(jī)器人更加小型化、靈活化，并提高了制造精度，可以應(yīng)對(duì)未來復(fù)雜的環(huán)境要求?？偟膩碚f，未來汽車智能制造機(jī)器人朝著高效率、智能化、模塊化方向發(fā)展?？萍及l(fā)展日新月異，汽車制造技術(shù)方面也需要不斷進(jìn)行創(chuàng)新突破。首先電機(jī)、控制裝置、減速器是機(jī)器人的核心零部件，應(yīng)該加大研發(fā)投入，同時(shí)傳感技術(shù)也要實(shí)現(xiàn)突破；其次，在機(jī)器人的可靠性方面，構(gòu)建自己的數(shù)據(jù)庫包括分揀數(shù)據(jù)、機(jī)器人的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，這對(duì)于保證機(jī)器人的長期穩(wěn)定工作具有重要的作用，同時(shí)可以深入開展機(jī)器人的研究開發(fā)；最后構(gòu)建先進(jìn)的機(jī)器人制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能制造機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化與標(biāo)準(zhǔn)化。

6 機(jī)器人應(yīng)用過程中存在的問題

機(jī)器人在汽車制造中的應(yīng)用同樣存在不足之處，目前存在的問題主要有以下幾個(gè)方面。

（1）初投資成本高。搭建一個(gè)完整的機(jī)器人生產(chǎn)線，其中機(jī)器人的成本只占很小的一部分，更多費(fèi)用是部署成本。因?yàn)榇罱ㄒ粋€(gè)生產(chǎn)線本身是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要第三方進(jìn)行安裝、調(diào)試和編程等一系列工作。汽車制造生產(chǎn)的產(chǎn)品精度很高，需要在固定位置作業(yè)，以便機(jī)器人精準(zhǔn)執(zhí)行操作。這就需要非常精細(xì)的設(shè)計(jì)和施工，一般都需要幾個(gè)月的時(shí)間來調(diào)試、搭建。對(duì)人工要求也很高，需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人才能熟練完成裝配、編程、調(diào)試和維護(hù)的工作。

（2）更換成本高。每條生產(chǎn)線上的機(jī)械手，都是針對(duì)特定功能設(shè)計(jì)的，如需轉(zhuǎn)變生產(chǎn)，就需要重新裝配設(shè)計(jì)新的機(jī)械臂和系統(tǒng)。比如常見的車型改進(jìn)，這意味著需要重新設(shè)計(jì)一整套的工裝、夾具等設(shè)備，然后重新對(duì)工人進(jìn)行培訓(xùn)，這個(gè)過程又是耗時(shí)很長的工序

（3）空間利用率低。一旦完成裝配，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)這個(gè)空間只能專用，一條生產(chǎn)線布置好后，一般數(shù)年都不會(huì)變動(dòng)。