1、工業機器人在汽車制造業中的應用Application of industrial robo t in automobile manufacturing industry工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先 進技術于一體的重要的現代制造業自動化裝備。目前，國際上的工業機器人公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、 OTG松下、FANUG不二越、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的KUKACLOOS瑞典的ABR意大利的GOMAU及奧地利的IGM公司。工業機器人已成 為柔性制造系統（FMS）、工廠自動化（FA）、計算機集成制造系統（GIMS）的自 動工具。我國工業機器

2、人是從20世紀80年代開始起步，經過二十年余年的努力，已 經形成了一些具有競爭力的工業機器人研究機構和企業。先后研發出弧焊、點焊、 裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業機器人。近幾年，我國工業機器人及含工 業機器人的自動化生產線相關產品的年產銷額已突破十億元。目前國內市場年需求量在3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統計數據顯示，中國市場上工業 機器人總共擁有量近萬臺，占全球總量的 0.56%,其中完全國產工業機器人（行 業內規模比較大的前三家工業機器人企業） 行業集中度占30%左右，其余都是從 日本、美國、瑞典、德國、意大利等 20多個國家引進的。國產工業機器人目前 主要以國內市場應用為主

3、，年出口量為 100臺左右，年出口額為0.2億以上。工業機器人50%以上用在汽車領域，當前，工業機器人的應用領域主要有弧 焊、點焊、裝配、搬運、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業。目前，國際上工業機器人技術在制造業應用范圍越來越廣闊，現已從傳統制造業推廣到其他制造業，進而推廣到諸如采礦、建筑、農業、災難救援等各種非制 造行業。但汽車工業仍是工業機器人的主要應用領域。據了解，美國 60%的工業 機器人用于汽車生產；全世界用于汽車工業的工業機器人已經達到總用量的37%,用于汽車零部件的工業機器人約占 24%。在我國，工業機器人的最初應用是在汽車和工程機械行業，主要用于汽車及工 程機械的

4、噴涂及焊接。目前，由于機器人技術以及研發的落后， 工業機器人還主 要應用在制造業，非制造業使用的較少。據統計，近幾年國內廠家所生產的工業 機器人有超過一半是提供給汽車行業。 可見，汽車工業的發展是近幾年我國工業 機器人增長的原動力之一。焊接機器人在汽車制造業中發揮著不可替代的作用，焊接機器人是在工業機 器人基礎上發展起來的先進焊接設備，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業機 器人，主要用于工業自動化領域，具廣泛應用于汽車及其零部件制造、摩托車、 工程機械等行業，在汽車生產的沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大生產工藝過程都有 廣泛應用，其中應用最多的以弧焊、點焊為主。目前，焊接工業機器人在一汽、上汽、沈陽

5、中順、金杯通用、重慶長安、湖 南長豐等整車制造企業廣泛應用，據統計每輛汽車車身上，大約有30004000個電阻點焊焊點，電阻點焊技術的應用實現了汽車車身制造的量產化與自動化。多年來，我國汽車零部件生產一直是手工焊、 專機焊占據焊接生產的主導地 位，勞動強度大，作業環境惡劣，焊接質量不易保證，而且生產的柔性也很差， 無法適應現代汽車生產的需要。近年來由于焊接機器人的大量應用， 提高了零部 件生產的自動化水平及生產效率，同時使生產更具有柔性，焊接質量也得到了保 證。近年來，焊接機器人在大連華克、上海華克、上海龍馬神、南京新迪、長春佛吉亞、上海匯眾等零部件及配件生產企業也有著典型的應用。工業機器人（

6、簡稱IR）是廣泛適用的能夠自主動作，且多軸聯動的機械設備。它們通常配備有 機械手、刀具或其他可裝配的加工工具，以及能夠執行搬運操作與加工制造的任 務。工業機器人在汽車生產中的主要應用有： 點焊，弧焊，怫接，涂膠，噴涂等。 在汽車零部件的生產中廣泛采用了點焊、凸焊、縫焊、對焊及電弧焊等焊接工藝。 例如：橫梁總成托架點焊，傳動軸平衡片凸焊，汽車燃油箱縫焊，汽車輪圈連續 閃光對焊，汽車轉向臂、消聲器、凈化器殼體的電弧焊等。隨著我國汽車工業的發展和對自動化水平要求的不斷提高，將為焊接機器人市場的快速增長提供了一個良好的機會。 預計國內企業對焊接機器人的需求量將 以30%以上的速度增長。從機器人技術發展

7、趨勢看，焊接機器人不斷向智能化方 向發展，完全實現生產系統中機器人的群體協調和集成控制，從而達到更高的可 靠性和安全性。而采用焊接機器人的汽車生產企業在高技術、高質量、低成本條 件下必將獲得高速發展，也必將為汽車產業的發展帶來新的生機。以下是幾種汽車制造行業中普片應用的幾種機器人一、搬運機器人在汽車制造業中應用汽車橋箱類零件具有精度高、加工工序多、形狀復雜、重量重的特點，為提高其 加工精度及生產效率，各重型汽車生產廠家紛紛采用數控加工中心來加工此類零 部件。而在使用數控加工中心加工工件時，要求工件在工作臺上具有非常高的定 位精度，且需要保證每次上料的一致性。由於人工上料此類的工件具有勞動強度

8、高、上料精度不好控制等缺點，現在正逐步被工業機器人或專機進行上下料所取 代。工業機器人具有重復定位精度高，可靠性高，生產柔性化，自動化程度高等 突出的優勢：與人工相比，能夠大幅度提高生產效率和產品質量；與專機相比， 具有可實現生產的柔性化，投資規模小等特點。機器人智能化自動搬運系統作為 減速器殼體加工的重要生產環節，雖然已經在國內重型汽車廠內取得成功的應用， 但依然尚未普及。在國家經濟建設飛速發展的進程中，重型載重汽車的生產能力 及生產力水平亟待有一個質的飛躍，而工業機器人即是提升生產力水平的強力推 進器。如圖所示為機器人自動柔性搬運系統的現場布局。該系統包括1臺FANUCR-2000iB/1

9、65F機器人，1個機器人手爪，1個長11m的行走軸，2臺上下料滑臺， FANUC iR Vision 2DV 視覺系統,FANUC iR Vision 3DL 視覺系統,5臺抽檢滑 臺，電氣控制系統。該系統使用1臺機器人完成服務5臺機床進行上下料的作業。圖1機器人自動柔性搬運系統的現場布局在此系統中，1臺FANUC R-2000iB/165F機器人被安裝於行走軸上，能夠實現 整個系統的上下料動作。基於機器人專用手爪單元開發的手爪，非常適用於工件 一致性較差的使用情況，并有較高的定位精度和抓持穩定性。在長度為11m的行走軸導軌上安裝一臺工業機器人，最大運動速度為1.5米/秒， 使用FANUC伺服

10、電機驅動，具有重復定位精度高、響應速度快、運行平穩、可 靠等特點。止匕外，還專門設計了防塵罩，保護導軌、直線軸承以及齒條等運動部 件，有效提高了可靠性和使用壽命。 在實際應用中，導軌安裝於兩條生產線機床 的中心線上，所安裝的工業機器人運動范圍完全覆蓋 5臺機床以及上下料滑臺區 域。從而實現了 1臺機器人服務5臺機床進行上下料作業。2臺上下料滑臺，每個上面有4個托盤，每個托盤分別可以存放一個工件。以實 現待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在該系統中，由於使用了視覺 技術，因此上下料滑臺無需工件的定位裝置。FANUC iR Vision 2D視覺系統由一個安裝於手爪上的 2D攝像頭完成視覺

11、數據 采集。該視覺系統作為待加工工件準確抓取的定位方式，省去通常為滿足機器人 的準確抓取而必須采用的機械預定位夾具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地實現多產品混合生產。而FANUC iR Vision 3DL視覺系統由一個安裝於地面上的3D Laser Sensor完成視覺數據采集。該視覺系統解決了定位 面有偏差的工件上料位置變化問題。由於待加工工件為毛坯件，機器人抓取工件 彳爰，上料的定位孔位置會發生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。 該技術 可以自動補償位置變化，實現高精度上料。5臺抽檢滑臺分別針對一臺機床，以實現隨時對該機床加工工件質量的檢測。電氣控制系統運用人機界面對

12、整個機器人自動柔性搬運系統的運行狀態進行監控。采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工業現場總線實現系統中實時和非實時數據的傳輸，具有高度可靠性和可維護性。安全設備采用門開關作為機器人工作區域的安全防護，完全做到人機隔離，確保系統在自動運行中的人員安全。該套設備的應用極大地提高了產品的質量穩定性， 節省了大批人工，提高了企業 的自動化水平，減少了企業的勞動力成本支出，提高了產品的市場競爭力。系統 流程如圖2所示。圖2機器人自動柔性搬運系統流程圖2D視覺技術：無夾具定位工件的自動柔性搬運機器人對無定位工件的自動柔性搬運系統的工作原理，就是利用高清晰攝像頭（vision系統）實現對無定位工件的準確位置

13、判斷，在機器人收到信號彳爰，機器人裝上為工件定制的專用手爪可靠的抓取工件，在與機床進行通訊得到上料請求彳爰，最終完成機床的上下料。在各種機械加工行業中該系統應用廣泛。使用機器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運系統可以使生產流水線更加簡單易於維 護，并大幅度降低工人的勞動強度，效率和柔性又比較高。該系統結構簡單，安 全文明，并且無污染，能在各種機械加工場合進行應用，滿足了高效率、低能耗 的生產要求。FANUC iR Vision 2DV視覺系統主要是通過視覺系統軟件設置， 建立視覺畫面上 的點位與機器人位置相對應關系。對工件進行視覺成像，與已標定的工件進行比 較，得出偏差值，即機器人抓放位置的補償

14、值，實現機器人自動抓放。該技術實 現了機器人在無夾具定位工件情況下的自動柔性搬運。在該上下料系統中，待加工工件形狀復雜，用夾具進行定位非常復雜，也不利於 以彳爰同類新產品的擴展。應用 FANUC iR Vision 2DV視覺系統彳爰，待加工工件 只需放置於上下料滑臺無定位裝置的托盤上，實際情況為待加工工件可以在托盤上移動正負2厘米以及旋轉正負30度。這樣大大減少了在上下料滑臺上的設計 工作，保證了系統的擴展功能。FANUC iR Vision 2DV視覺系統的原理是，選一個待加工工件作為初始工件， 通 過2DV視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點位與機器人示教點位的關系進行 標定,同時完成初始

15、工件的特征標定。示教完成的抓取程序為初始工件初始位置 的抓取位置，此時工件抓取偏差值為零。當工件平移或者旋轉彳爰，位置與初始工 件的位置發生變化。通過2DV軟件，機器人能夠計算出位置變化量X、 Y、R。 機器人把該偏差值存入位置寄存器PR中。此時機器人可以通過把偏差值PR 補償到初始抓取位置來實現工件的抓取。2DV視覺系統操作流程如圖3。圖3 2DV視覺系統操作流程在該上下料的應用中只有一種工件，當有多種工件時， 2DV視覺系統可以根據 不同的工件進行多次特征標定，實現多種工件之間的切換調用。大大提高了系統 的可擴展性，柔性度高。3D視覺定位技術助力機器人準確上料3D視覺定位技術應用於機器人上

16、料至機床。 攝像頭安裝固定在3DL視覺支架 上。該技術解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由於工件為毛坯件， 機器人抓取工件彳爰，上料的定位孔位置會發生變化，甚至工件上料時的平面度也 有變化。對於此，在沒有3DL視覺系統的情況下，機器人是無法實現對工件的 準確上料。其原理是：選一個毛坯件作為初始工件，通過 3DL視覺軟件對該工件在攝像頭 中的畫面點位與機器人示教點位的關系進行標定，同時完成初始工件的特征標定。 示教完成的上料程序為初始工件初始位置的上料位置，此時工件上料偏差值為零。 當抓取其它毛坯件彳爰，定位孔位置以及工件的平面度發生變化。 通過3DL軟件， 機器人能夠計算出位置變化量X

17、、Y、 Z、W、P、R。機器人把該偏差值存入 位置寄存器PR中。此時機器人可以通過把偏差值PR補償到初始上料位置來實 現工件的上料。2DV是通過攝像頭計算平面變化量，3DL是通過攝像頭和激光綜合計算空間變 化量。實際上3DL是2DV與激光技術的綜合應用，該技術大大增加了系統設計 的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設計時。軟浮動功能：補償機器人手爪在抓取工件時產生的位置偏差軟浮動功能(Soft Float)應用於工件抓取和機器人機床上、下料步驟。該項目中，機器人手爪抓取處於待加工工件位置在毛坯面，各個毛坯件抓取位置與定位 孔位置都有差異。毛坯面與定位孔位置的變化會引起一系列的問題，這包括：

18、工件在托盤內，機器人抓取彳爰，由於毛坯面帶來的偏差就會導致工件在手爪抓取時 產生移動，偏差大的時候會與托盤之間產生摩擦； 機器人從機床下料時，由於毛 坯面帶來的偏差，導致手抓不能完全貼合毛坯面，即使強硬貼合上，在工件脫離 定位銷時會有嚴重的摩擦，導致碰撞報警。雖然有2DV視覺補償，但是毛坯面不能作為特征量，導致在機器人手爪抓取工 件的位置在不停的變化，機器人無法補償此偏差。當開啟軟浮動功能彳爰，機器人可以受外力改變姿態，改變大小可以通過參數設置。 手爪在抓取毛坯件時可以根據毛坯面改變姿態， 達到完全貼合，避免碰撞和摩擦。 在該項目中，工件定位孔與機床定位銷(錐形)之間的配合精度達到0.01毫米

19、。 機器人本身的重復精度是大於 0.01毫米的，導致工件上料位置偏差。此時，通過應用軟浮動功能，機器人首先抓取工件運行到定位銷錐度部位， 由機床夾具夾 緊，機器人通過軟浮動移動至上料位置，從而實現上料過程。搬運機器人機器人自動柔性搬運系統在重型汽車生產中應用前景可期，隨著中國經濟的快速增長，重型載重運輸汽車的需求在不斷地擴大， 為滿足市場的需求，各重型汽 車廠正在不斷地積極開發新產品，并擴大原有產能。使用機器人服務加工中心組 成柔性加工生產線的自動化方式逐步得到廣泛采用，從而在提高生產效率、減少人工成本、保障作業安全、提高生產品質等方面起到了顯著作用。由上文可知，機器人自動柔性搬運系統具有很高

20、的效率和產品質量穩定性，同時兼具柔性和可靠性較高、結構簡單和便於維護的優點，可以滿足不同種類產品 的生產。對於重型汽車生產廠家來說，可以很快進行產品結構的調整和擴大產能， 同時大大降低了產業工人的勞動強度，具有廣泛的應用前景。二、焊接機器人在汽車制造業中的應用汽車行業的發展水平，代表了一個國家的綜合技術水平，汽車工業的發展將 會帶動其他行業的發展。各廠商為了在日漸激烈的競爭中立于不敗之地， 必須率 先實現焊接自動化，因此，今后除了如汽車、摩托車這樣的大批量生產行業，一 些產品多樣化的企業，為了提高焊接質量，也將會考慮使用焊接機器人，如鋼結 構等行業，與此同時，對焊接機器人的要求也必然會逐步提高

21、， 如說對焊道的自 動跟蹤系統的需求會逐步加大等。作為焊接機器人和焊接機的專業生產廠家， OTC公司將繼續為提高中國的高速、高效、自動化焊機做出自己的貢獻。李瑞峰：由于焊接技術是基于多學科交叉融合的產物， 隨著現代科學技術成果的不斷涌現，必將推動焊接技術更新更快的發展。 除了物理、化學、材料、力學、冶金、 機械、電子學等學科的新發展將會推動焊接新材料、新工藝的不斷出現外，計算 機、控制理論、人工智能等信息科學領域的新進展將進一步將焊接工藝實現的手 段推進到自動化、機器人化和智能化的新階段，進而實現幾代焊接人的夢想 一一 用機器來代替人工進行焊接作業。 對于在汽車工業中的點焊應用來說，目前已廣

22、泛采用電驅動的伺服焊槍。日本豐田公司已決定將這種技術作為標準來裝備其日 本國內和海外的所有點焊機器人。據本田公司稱，用這種技術可以提高焊接質量， 在短距離內的運動時間也大為縮短，因而試圖用它來代替某些弧焊作業。 據富士 電機報導，該公司最近推出一種高度較低的點焊機器人， 用它來焊接車體的下部 零件，這種矮小的點焊機器人還可以與較高的機器人組裝在一起，共同對車體上部進行加工，從而縮短了整個焊接生產線的長度。目前，用2臺機器人協調工作進行弧焊已相當普遍。此時，一臺弧焊機器人焊接工件，而另一臺夾持機器人 夾持工件，從而不必為特殊工件專門設計成本很高的專用夾具，并能保持最佳的焊接壓力。目前，豐田公司已

23、開始使用能夠焊接厚度為0.6mm的薄鋼板（間隙2mm）的弧焊機器人，由于這種弧焊機器人能從鋼板一側進入到焊接位置而不必 像點焊機器人那樣需要從鋼板兩側進入到焊接位置，因而將優先取代某些點焊作 業。在日本，激光焊接還不是很普遍，而柔性本體生產線（FBL）方案的應用已 日益增多。在這種場合下，各種形狀的板金件都采用激光焊接， 以形成車體的板 金件。將處理速度更高的微處理器引入到機器人控制器， 顯著提高了機器人的運 動控制性能，從而提高了生產效率。由于運動控制性能的不斷提高，使得一些新 型應用成為可能，比如汽車油箱的線焊，采用特殊的焊機焊接油箱的接縫， 專門 設計用于特定的油箱形狀，而為了便于裝入到

24、車體內的有限空間內， 油箱的形狀 越來越復雜，因而這就要求機器人的工作盡可能滿足這一需要。過去，由于難以 保持恒定的線焊速度，很難實現這一任務，而使用了新的機器人控制器后則能夠 順利完成這一任務。 計算機視覺以其信息量大、精度高、檢測范圍大等特點， 在焊接領域得到了廣泛應用，為實現焊接操作自動化提供了有力手段。 借助CCD 攝像機、紅外攝像儀、X光探傷儀、高速攝像機等圖像傳感設備及智能化的圖像 處理方法，許多機器人及特定的自動焊機也具備了一定的視覺功能，它們不僅可以模擬熟練焊工的視覺感知能力，而且可以超越人的局限，完成諸如獲取并處理 強弧光及飛濺干擾下的焊縫圖像，實時提取焊接熔池特征參數，預測

25、焊接組織、 結構及性能等，實現人類難以直接作業的特殊場合（如水下、空間核輻射環境等） 的自動焊接施工，確保焊縫質量的穩定性和可靠性。在國內外研究人員的共同努 力下，計算機視覺廣泛應用于焊縫跟蹤、熔池形狀與熔透控制、焊道形貌檢測與 控制等領域，為焊接生產和過程自動化、智能化作出了重要貢獻。鑒于焊接過程 的復雜性、先進制造業對焊接技術更高層次的需求及用戶對新型視覺傳感系統更 高的性價比要求等，當前還必須解決系統的復雜性與可靠性、實時性與精確性、 可控性與智能化等方面的問題。隨著全球經濟的一體化發展，世界制造中心逐步 向中國轉移，中國工業機器人的產業也將會快速地發展起來。 我堅信，在不遠的 未來，在

26、中國的汽車生產線上會有越來越多的國產焊接機器人發揮作用。弧焊機器人三、裝配機器人在汽車制造業中的應用在國內外各大汽車公司裝配生產線上被廣泛采用的裝配機器人。一方面使汽車裝配自動化水平大大提高，目前，國外某些大批量生產的轎車的裝配自動化程度 已達到50%65%。另一方面，有效地減輕了工人的勞動強度，提高了裝配質量， 并明顯地提高了生產率。在汽車整車裝配中，機器人不僅用于擋風玻璃的密封濟 涂覆、安裝和車輪備胎、儀表盤總成、后懸梁、車門、蓄電池等部件的安裝，也 用于發動機動力總成等大件的安裝。裝配機器人四、噴涂機器人在汽車制造業中的應用噴涂機器人在汽車制造業中可噴涂形態復雜的汽車工件，而且生產效率和

27、很高 多用于汽車車體的噴涂作業，如噴漆、噴釉等。噴涂機器人除了上述4類機器人以外，汽車制造業中應用的機器人還有用于特殊加工的 激光加工機器人，用于部件形狀測量、裝配檢查和產品缺陷檢查的檢測機器人， 抑制塵埃粒子大小及數量的水切割機器人和凈化機器人等。隨著中國汽車工業的迅猛發展，機器人在先進汽車制造中的重要性也越來 越凸顯。機器人的產品應用廣泛，覆蓋焊接、物料搬運、裝配、噴涂、精加工、 拾料、包裝、貨盤堆垛、機械管理等領域。在汽車行業的應用主要分為以下五大 部分。車身系統中，采用虛擬仿真等手段，主要針對車身覆蓋件不斷開發出新 的標準化、模塊化解決方案；動力總成系統中，提供了涵蓋汽車傳動系統核心部

28、 件：發動機、變速箱和傳動軸的全套裝配測試系統。在沖壓自動化系統方面，從 卷材與堆垛到零件的碼垛，從提供控制系統到企業ERP,從設計到生產支持與效 率優化，擁有全面的工程能力；涂裝自動化系統方面，以高柔性高精度的噴涂機 器人來幫助客戶提升涂裝質量，減少生產廢料；而在焊接自動化系統中，機器人 比較典型的應用是電阻點焊、電弧焊；其最新一代機器人配套提供一系列高度人 性化的軟件工具。 汽車工業的最大特點是產量大，生產節拍快，產品一致化程 度高。消費者對汽車質量要求越來越高，是促使機器人應用越來越普遍的一個重 要原因。與人工制造相比較而言，運用機器人進行自動化批量生產有許多好處。以汽車車燈的涂膠為例，

29、隨市場對汽車車燈泡質量要求逐日升高， 對車燈的密封 性能要求比以前更高了，如果仍然采用傳統的人工涂膠生產模式是不能滿足現在 消費者對車燈密封性能的需求的。機器人的運用不僅能解決人工生產所不能達到 的技術要求，而且還能進行高質量的批量生產以滿足不斷增長的生產和消費需求。 對此，機器人卻是個很好的解決方案。比如說ABB機器人，堅固耐用，功能強， 使用周期可達十年以上；需要更換車型的時候，只考慮改變機器人程序就行，所 以它可生產不同的車型；同時，由于柔性化程度高，同一條機器人生產線也可同 時生產許多不同種類的產品。作為大型投資，投資回報期的長短是廠家必須考慮 的重要因素之一；以前汽車商們把這個時間估

30、算為八到十年，而有了機器人以后， 這個周期被大大縮短。投資節省了，節拍變快了，避免了廢工廢力廢材料，不僅 有利于汽車商本身，而且也有利于節能和環保，對社會也是一個很大的貢獻。目前，機器人市場上主要存在歐系和日系兩大類產品，其中，ABB是典型的歐系機器人，是第一個發明微電子電機驅動的機器人生產廠家。ABB機器人的軌跡精度很高，尤其是在高速運動時非常出色；若軟件設定切割一個圓，不管直 徑再小，切出來的形狀所達的效果值和期望值幾乎毫無偏差。再如，過去的機器人在進行電弧焊時，必須安裝一個特別防撞開關，避免發生撞擊事故時可能對人 體及設備產生的不安全因素；而 ABB卻是通過獨特防碰撞軟件技術，使得力的 控制達到了最巧妙的設定。在電阻點焊時，要求工程師非常清楚的了解工具的重 心在哪里，慣量多大，必須標定的很好，才能最優化的發揮機器人的性能。憶起 機器人最初在業界興起的時候，王經理細談起，最初只有合資廠們直接引進機器