工业机器人在汽车生产中的应用

陈沛禹

【摘要】    近年来，随着我国汽车工业的不断进步，工业机器人在汽车制造过程中发挥着越来越大的作用，有效地提升了制造效率和产品质量。汽车工业是支撑我国国民经济发展的支柱型产业，制造工艺的发展对提高国民经济效益具有重要的价值。工业机器人能够高效率地完成汽车制造中焊接、搬运、装配、喷涂等多种应用任务，提高汽车制造工业生产自动化程度，改变了传统的汽车制造格局。本文主要对机器人在汽车制造中的应用现状进行综述分析，并对未来机器人在汽车制造中应用发展进行了展望。

【关键词】    工业机器人    汽车生产    应用    展望

引言

汽车制造行业是世界上最重要的产业之一。在工业机器人的所有应用领域中，汽车制造业占整体市场份额的六成以上，是目前工业机器人应用最广泛的领域。随着人们生活质量的不断提升，汽车的需求量也在不断增大，这对汽车制造的技术转型升级提出了很高的要求。以日本发那科协作机器人为例，它安全性高，柔性灵活，既能流畅地与人类协同工作，又能确保周边区域环境的安全。无论是汽车轮胎组装、机床工件搬运，还是电子产品装配，FANUC协作机器人都能轻松胜任。

文章第一部分介绍了工业机器人，第二部分分析了工业机器人在汽车生产中的应用，第三部分对未来进行了展望。

一、工业机器人

1.1 概述

工业机器人是机器人按照用途分类的一个类别，是一种面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它可以靠自身的动力和控制能力来实现工厂成产中各种工作。它可以接受人类的指挥，也可以按照预先编排的程序进行工作[1]。从结构上来看，工业机器人主要由机械本体及控制系统、驱动系统和减速器等零部件组成，其中机械本体占总成本的10%，减速器占30%。机械本体共包括腕部、臂部和手部，机器人的手部通常有4到7个自由度;机器人的腕部有2到3个自由度;机器人的臂部有4到5个自由度[2]。;驱动系统包括动力装置和传动机构，为机器人运动部件提供力和力矩;控制系统按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令，并进行控制，可通过传感器获得对象的状态信息。

工业机器人是机器人的一大分支，主要在工业领域中使用，其发展过程可分为三代：第一代是示教再现机器人，能够通过运行预先输入的指令完成各项任务，不会因外界环境的而改变动作;第二代是视觉机器人，能够根据外界环境的改变作出一定调整，有一定的容错空间;第三代是智能机器人，能够根据外界环境信息进行识别、推理、执行，是一种能自主行动的高级机器人。目前应用于汽车生产中的工业机器人多数为第一代、第二代工业机器人。

1.2工业机器人研究现状

工业机器人最早于1962年诞生在美国，随后工业机器人在欧洲和一些亚洲国家得到了稳定且良好的发展。由于亚洲市场广阔，对汽车的需求量更大，促进了工业机器人在汽车制造领域中的应用，工业机器人数量在亚洲的增长幅度处于领先地位，并且形成了日本机器人制造领先地位的发展态势。以安川机器人为例，其MH12产品具有同级别最高速性能，采用流线型机械臂设计，扩大了动作范围，全轴低功率输出，适合短距离作业。

我国的工业机器人起步较晚，随着市场需求的不断增加和人力成本的不断上升，我国有越来越多的企业、机构和大学开始从事工业机器人的开发与制造工作。经过多年的积累与发展，部分企业已经拥有了一定的竞争力，取得了一定的成果。新松送餐服务机器人具有人脸识别功能，通过其托餐盘以及多媒体大屏与人进行互动，代替了部分商场员工进行售卖服务，具有较高的经济价值。目前，我国自主研发生产的工业机器人已成功应用于汽车生产、航空航天、电子信息等多种领域并逐渐走出国门，面向海外销售。由于各国正投入越来越多的资金和人力用于工业机器人的开发与生产，工业机器人的种类也变得越来越多样化，工业机器人在不同的领域能得以应用，为人们带来了极大的便利。工业机器人仍具有很大的市场发展空间，需要人们进一步的探索与研究，提升产品质量和开发技术，我国便会从机器人制造业大国转为制造业强国。

1.3优点

工业机器人主要具有以下四个优点：

（1）功能性丰富。工业机器人的许多特性能有效地在生产中发挥作用，弥补人工生产的缺陷与不足。某些部件重量较大，人工搬运不仅困难，而且部件可能会损坏。而工业机器人最大负载可达一吨之多，完全解决了这一问题，大大降低了实际生产中人力的消耗。此外，只要及时充电和维修，工业机器人可以实现24小时无间断的工作，大大提升了生产效率。

（2）可靠性强。用于工业生产的机器人重复精度可达0.02毫米，并且不会出现表面变形等问题，适用于生产安装精度要求较高的部件。此外，工业机器人应用于涂胶可以准确地按照涂胶轨迹和涂胶量均匀快速地完成作业。

（3）柔性高。与传统的专用自动焊机相比，工业机器人具有更好地柔性，可随其工作环境变化的需要而再编程。只需更改工业机器人的运行程序、更换工业机器人的工具头就可以将其用于生产多种车型和汽车部件，进行生产功能的切换。

（4）应用领域广。工业机器人在机械结构上与人十分相似，可以代替人能做的绝大部分工作。常见的应用领域有焊接、涂层、切割加工、装配等，如下表所示。

1.4工業机器人发展对制造业的影响

制造业可以直接体现一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的一个重要因素。工业机器人对制造业的影响主要体现在以下四个方面：

（1）提升了生产效率。人工生产零部件会因工人水平、经验和状态的不同导致产品的优劣参差不齐，完成的时间也有较大的差异，成品率低，会浪费大量的生产原料。与之相比，每个工业机器人的程序是人为设定的、可更改的，所以每个产品生产所用的时间和优劣程度也基本相同;能够同时自动操控多个加工中心，大幅度地提升产量;不会像人类一样身体不适，受外部因素的影响较小，这也能大大提升生产过程中的稳定性和高效性，若将工业机器人形成生产链，可以极大地实现自动化生产，更大地提升生产效率。

（2）加强了安全系数。高辐射、较危险的职业会出现人员伤亡，高噪音、金属粉尘的工作也会对工人的健康造成影响，而工业机器人不仅精准、稳定，还可以克服恶劣的环境，尤其是在核领域和军事领域中已经得到了很好的体现，使用工业机器人进行生产工作，能够有效地保障工人的健康安全，大大降低人员的伤亡概率。

（3）降低了生产成本。由于人力成本越来越贵，企业可以通过尽量减少人员来节省人工费用，使用工业机器人，工业机器人可以代替几人甚至几十人的工作。以往，在生产过程中会有几十个员工同时在输送带上工作，现如今有了工业机器人，只需一人负责操控即可。此外，机器人不需要休息，可以几乎无休止地进行工作，这使得工业机器人单位时间内的工作量比相同情况下工人的工作量多得多，这也起到了节约生产成本、提升生产效率的效果。

（4）提高了市场竞争力。在一个制造流水线上，人工生产、安装很容易在某一环节中出现疏忽，导致产品质量收到严重的影响，这会给企业的品牌与形象带来损害，失去大量客户，造成难以弥补的损失。工业机器人可以根据预先设置好的程序精准、严格地执行生产工作，保证产品的准确性、可靠性和一致性，大大降低了工人在生产过程中出错的可能。此外，使用工业机器人进行生产韩能够较准确地估计产品产量及生产时间，便于企业进行交付工作，提高企业的信誉度。使用工业机器人代替人工生产，能够有效地维护企业的品牌与形象，提高企业的市场竞争力。

二、汽车制造

2.1 概述

汽车工业发源于欧洲，而现代汽车工业的形成则起源于美国。经过一百多年来的不断发展，汽车行业已经成为世界上规模最大、最重要的产业之一，是一个国家综合技术水平的直接体现。自2001年中国加入世贸组织以来，一大批国外汽车制造企业逐渐进入中国市场，使我国汽车行业高速发展。随着我国科学技术进步和国民收入的提升，私家车的需求量越来越大，使汽车制造行业有良好的发展前景。

2.2工业机器人在汽车制造中的应用

通常情况下，工业机器人在汽车生产中扮演着装配工、操作工、焊接工等角色，主要应用有焊接、涂胶、弧焊、喷涂等[4]。如图所示，机器人在汽车生产应用中不同生产环节中占比不同：弧焊占16%，点焊占15%，组装占22%，喷漆、冲压、铸造各占3%。由此可见，工业机器人机器人在汽车生产中发挥了不可或缺的作用。

（1）焊接机器人

长期以来，焊接工作经常由人工示教进行，这增加了工人的工作强度，并且焊接的质量参差不齐，严重依赖人的经验，无法适应汽车制造业的飞速发展。焊接机器人可以很好地解决这些问题，它能精准稳定地实施焊接动作，最大化地减小误差。焊接机器人主要分为点焊和弧焊，点焊机器人安装面积小，工作空间大，在工作过程中能够很好地控制焊接点精度，保证焊接节点的质量;弧焊机器人工序较为复杂，分为起弧、焊接、熄弧等步骤，但是设定好程序之后，这些步骤能够自动完成，实现高效精准焊接。随着机器学习和控制技术的发展，目前焊接自动化正在向完全自主焊接的方向发展，焊接机器人能够利用视觉传感器自主寻找焊缝起点位置、电弧跟踪、自动化送丝等，实现精准地高效焊接。

（2）搬运机器人

在汽车生产工序完成后，搬运就显得十分重要。搬运机器人能够根据预先设定的程序进行准确地定位并搬运，且不会出现零部件受损、搬运位置不够精确等情况。根据工件的形状和种类不同，搬运机器人末端可以安装不同的执行器进行搬运，大大节省了人力成本。

（3）装配机器人

在传统汽车生产线上，通常是人工负责装配工作，由于每个工人的水平良莠不齐，产出汽车的质量无法得到保证。装配机器人能够极大地提高汽车装配的精准度，其主要通过传感器获取周围环境和装配对象的信息，由末端执行器完成装配工作。在一些精度要求较为严格的组装环节，如挡风玻璃的密封涂覆，装配机器人发挥了重要作用，大幅提高了装配的效率和质量。

（4）喷涂机器人

由于汽车制造车间透风性较差，涂料中的有害气体难以排放，若工人长期处于这种环境中，他们的健康会受到严重的危害。而喷涂机器人可以很好地避免这一点，喷涂机器人能够根据车身形状的不同从而选择不同的喷涂工具，按照预先设定的喷涂程序进行工作。使用喷涂机器人不仅能够保护员工的健康安全，还能加快喷涂速度、避免工作失误，提高喷涂效率。

三、展望

工业机器人能够很大程度上提升汽车生产的品质和效率、节约企业的生产成本和相关人员，使汽车生产流水线更加稳定。但是在实际生产过程中仍存在以下几点问题有望解决：

（1）国内外主流品牌的工业机器人生产商都有自己的标准，并且相互之间无法兼容。在汽车生产以及其他作业中难以进行相互之间的通信和设备搭配。

（2）外围设备设计时未充分考虑机器人的工作环境。机器人在不同的环境中工作时，会对其实际寿命有很大的影响[6];在汽车生产过程中，工业机器人的电气控制系统会由于外界温度和湿度不同而出现故障，进而对机器人的寿命有所影响;长时间在多油雾环境工作的工业机器人表面会慢慢积累油污，受到腐蚀，从而减短寿命。应在研发能够在恶劣环境下长时间工作的工业机器人的基础上进一步考虑其寿命的延长。

（3）工业机器人在汽车生产过程中可能会与其他设备发生碰撞，造成一定损失。当遇到紧急情况，工人需要进入生产车间时，工业机器人可能会对人员造成伤害。对此，希望在汽车生产的过程中能够更大程度地引入人机协作机器人，减小人工伤亡的意外发生。人机协作机器人可以同时弥补工业机器人和人类工作的缺陷，在高危险、高重复性的工作中可以得到有效的应用。

为了解决这些问题，人才培养是产业发展的重中之重，政府、高校和人才是其中最重要的三者。政府应加大机器人培训力度，积极搭建高校与企业、高校与高校之间的交流平台，培养应用型人才投入机器人的研究;企业之间应互相学习、互相交流，定期向学生提供相关课程辅导，吸引优秀人才加入;高校应积极响应机器人产业发展的号召，广泛开设高质量的机器人相關课程，对学生进行技能与实践两方面的培养。只有加强人才的培养，工业机器人的发展才能迈上新台阶。

参  考  文  献

[1]杨惠.工业机器人在汽车智能制造中的应用[J].数码世界，2019（03）：266-267.

[2]李想.浅谈工业机器人在汽车生产行业的应用[J].内燃机与配件，2020（03）：187-188.

[3]陈媛媛，徐浩，魏庆丰.机器人在汽车工业中的应用[J].金属加工（冷加工），2013（20）：22-24.

[4]姚翀.工业机器人在汽车生产行业的应用[J].硅谷，2014，7（11）：7+10.

[5]吴婷.工业机器人在汽车生产行业的应用[J].山东工业技术，2017（18）：171.