作者：Jody Muelaner, Lisa Eitel

　　工业机器人对于现代制造业至关重要——执行大量功能，同时与其他形式的自动化协调任务。事实上，1万亿美元的汽车行业是第一个拥有大规模使用机器人手段的行业......并推进与机器人相关的技术。难怪，因为汽车是高度复杂的大件商品，可以证明工厂投资的合理性，而这些投资可能不会在几年内产生投资回报率。现在，绝大多数汽车制造中心都采用机器人技术。直到过去二十年，包装、半导体生产和相对较新的自动化仓储领域才加速了机器人技术的采用，以与汽车行业相媲美。

　　圖1：大規模產業比其他任何行業都更能刺激機器技術的進步。(图片来源：盖蒂图片社)

　　在机器人本身和互补的工业自动化设备中，有电动机、液压系统和流体动力系统;驱动器、控制、网络硬件、人机界面 (HMI) 和软件系统;以及传感、反馈和安全组件。这些元件通过执行预编程的例程来提高效率，这些例程可以轻松适应不断变化的实时条件。人们越来越期望机器人工作单元还具有可重新配置性，以生产新的汽车产品......随着消费者偏好的演变比以往任何时候都快。

　　阐明用于自动化和机器人技术的术语

　　牛津英语词典将机器人定义为“能够自动执行一系列复杂运动的机器，尤其是可编程的机器”。令人困惑的是，这个定义可以描述从洗衣机到数控机床的所有内容。即使是ISO 8373将机器人定义为“自动控制，可重新编程，多用途机械手，可在三个或更多轴上编程”，也可以描述带有垂直提升站的仓库输送机。然而，这样的机器通常永远不会被归类为机器人。

　　要记住的实际区别是，在固定位置为单一[阅读：非常明确定义]用途而建造的机器通常不被视为机器人......至少在工业界没有。例如，尽管典型的铣床可以运行任意数量的复杂程序来加工不同的零件，但它的设计目的是使用安装在其主轴上的旋转刀片切割金属......而且它很可能在整个使用寿命期间安全地固定在一个位置。

　　图 2：在某些情况下，机器人和机器之间的区别取决于自动化设计的外观。一些人将类似于机械化人类手臂的关节臂归类为机器人，并将线性滑块的自动笛卡尔排列(如用于小零件组装和检查的CT4)归类为机器。(图片来源： IAI美国公司)

　　有时，甚至这些定义也是矛盾的。例如，数控机床等自动化机床越来越灵活，车铣复合中心同时扮演铣床和车床的角色，许多此类机床也使用接触式探头和激光扫描仪对零件执行检查和测量任务。这种机床甚至可以配备用于执行增材制造。另一方面，所谓的柔性工业机器人通常作为专为特定任务(例如油漆喷涂或焊接)设计的专用模型提供......并且很可能将其整个使用寿命停放在生产线上的一个工作单元内。

　　最重要的是，在当今的汽车行业中，被归类为机器人的自动化系统确实经常被期望表现出高度的灵活性 - 能够(通过重新配置)执行运输，分类，装配，焊接和喷漆任务，这些任务可能每天都在变化。这些工业机器人也有望重新定位到工厂中的新区域——无论是作为制造系统重新部署并重新配置，还是在第七轴线性轨道上连续移动，以服务于生产线中的工作单元阵列。

　　用于汽车生产基地的机器人系列

　　汽车生产现场的机器人大致按其机械结构分类，包括其关节类型、连杆布置和自由度。

　　串行机械手机器人 包括大多数工业机器人。该设计系列中的设计具有线性链节，一端是底座，另一端是末端执行器......链条中每个环节之间有一个接头。这些包括关节机器人，选择性顺应性关节机器人手臂(SCARA)机器人，协作六轴机器人，笛卡尔机器人(主要由线性致动器组成)和(有点不常见的)圆柱形机器人。

　　图3： 协作机器人 在受益于自动码垛的二级汽车供应商设施中越来越普遍。(图片来源：多博特)

　　并联机械手机器人 在需要高刚性和运行速度的应用场合表现出色。与铰接臂(通过单线连杆悬挂在 3D 空间中)相比，平行机械手由连杆阵列支撑或悬挂。例子包括delta和Stuart机器人。

　　移动机器人 是轮式单元，用于在工厂和仓库周围移动材料和库存物品。它们可以用作自动叉车，以检索、移动托盘并将其放置在货架或工厂车间。示例包括自动导引车 (AGV) 和自主移动机器人 (AMR)。

　　汽车制造中的经典机器人应用

　　汽车制造设施中的经典机器人应用包括焊接、喷漆、装配和(用于运输普通汽车中的 30，000 多个零件)材料处理任务。考虑如何在这些应用中使用某些机器人子类型。

　　六轴关节臂机器人 是串行机械手，其中每个关节都是一个蜗壳关节。最常见的配置是六轴机器人，其自由度可以在其工作体积内将物体定位到任何位置和方向。这些是非常灵活的机器人，适用于无数的工业过程。事实上，六轴关节臂机器人是大多数人在想到工业机器人时所想象的。

　　图 4：高性能 条形码阅读器 可以快速可靠地解码一维和二维条码。有些安装在机器人末端执行器上，以支持电子和汽车零件以及子组件元件的零件拣选。(图片来源： 欧姆龙自动化与安全)

　　事实上，大型六轴机器人经常用于汽车车架焊接和车身面板的点焊。与手动方法相比，机器人能够在3D空间中精确跟踪焊缝路径而无需停止，同时适应焊缝参数的变化以响应环境条件。

　　图 5：这些 六轴机器人 是大多数人在想象工业机器人时所想象的。(图片来源： 库卡)

　　在其他地方，六轴关节臂机器人骑在第七轴系统上，对汽车面板主体执行底漆、喷漆、清漆和其他密封过程。这种安排提供了完美一致的结果，部分如此可靠，因为这些过程是在隔离良好的喷房中执行的，有效地保持不受外部环境颗粒的污染。六轴机器人还遵循编程优化的喷涂路径，以实现完美的表面处理，同时最大限度地减少过度喷涂、油漆和密封剂浪费。更重要的是，它们消除了将汽车厂人员暴露在与某些喷涂材料相关的有害蒸气中的需要。

　　图 6：该 SIMATIC 机器人集成商 应用程序通过适应各种供应商机器人的参数以及各种应用的几何形状和安装要求，简化了机器人与自动化设置的集成;完成这些安装的是可扩展的高性能 SIMATIC S7 控制器，该控制器具有集成的 I/O 和各种通信选项，可实现灵活的设计调整。(图片来源： 西门子)

　　选择性顺应性关节式机器人手臂 (SCARA) 机器人 具有两个具有平行旋转轴的蜗壳接头，这些蜗牛轴沿垂直方向运行，用于在单个运动平面上进行X-Y定位。然后第三个线性轴允许在Z(向上和向下)方向上运动。SCARA是相对低成本的选择，在密闭空间中表现出色 - 即使提供比同等笛卡尔机器人更快的移动。难怪 SCARA 机器人用于生产汽车电子和电气系统，包括气候控制、移动设备连接、音频/视频元素、娱乐和导航系统。在这里，SCARA最常用于执行精确的材料处理和装配任务，以生产这些系统。

　　笛卡尔机器人 至少具有三个线性轴，堆叠以在 X、Y 和 Z 方向上执行运动。事实上，二级汽车供应商使用的一些笛卡尔机器人采用数控机床、3D 打印机和坐标测量机 (CMM) 的形式来验证最终产品的质量和一致性。如果将这些机器计算在内，笛卡尔机器人很容易成为业内最常见的工业机器人形式。如前所述，笛卡尔机器通常只被称为 机器人 当它们用于涉及操纵工件而不是工具的操作时 - 例如装配、拾取和放置以及码垛。

　　汽车行业中使用的另一种笛卡尔机器人变体是自动龙门起重机。这些对于需要接近部分完成的车辆组件的底盘系统的紧固和连接过程是必不可少的。

　　新型机器人在汽车制造中的应用

　　圆柱形机器人 是紧凑而经济的机器人，可提供三轴定位，底部有一个蜗壳接头，两个线性轴用于高度和手臂伸展。它们特别适用于汽车子部件的机器维护、包装和码垛。

　　协作式六轴机器人(协作机器人) 前面提到的具有与较大的工业变体相同的基本连杆结构，但在每个接头处都具有极其紧凑和集成的基于电机的驱动器......通常采用减速电机或直接驱动选项的形式。在汽车环境中，这些任务包括焊接支架、支架和几何复杂的副车架。优点包括高精度和可重复性。

　　台达机器人 有三个臂，通过底座的蜗壳接头驱动——通常安装在天花板上以进行悬挂布置。每个臂都有一个平行四边形，其末端安装有万向节，然后这些平行四边形都连接到末端执行器。这为 delta 机器人提供了三个平移自由度，末端执行器永远不会相对于底座旋转。Delta 机器人可以实现极高的加速度，使其在涉及小型汽车紧固件和电气部件的分拣和其他处理的应用中非常有效地进行拾取和放置操作。

　　斯图尔特平台 (也称为六足位移台)由三角形底座和三角形末端执行器组成，由八面体中的六个线性致动器连接。这赋予了六个自由度和极其坚固的结构。然而，与结构的尺寸相比，运动范围相对有限。斯图尔特平台用于运动模拟;移动式精密加工;起重机运动补偿;以及精密物理和光学测试例程中的高速振动补偿......包括用于验证车辆悬架设计的那些。

　　自动导引车 (AGV)遵循由地板上绘制的线条，地板上的电线或其他引导信标标记的设定路线。AGV通常具有一定程度的智能，因此它们会停止和启动以避免彼此之间以及与人类的碰撞。它们非常适合汽车生产设施中的物料运输任务。

　　自主移动机器人 (AMR)不需要固定路线，并且能够做出比AGV更复杂的决策。在庞大的汽车制造商仓库中特别有用，这些通常使用激光扫描仪和物体识别算法来感知其环境，从而实现自由导航。当检测到潜在碰撞时，AMR 可以简单地改变路线并绕过障碍物，而不是像 AGV 那样停下来等待。这种适应性使AMR在汽车工厂装卸月台中的生产率和灵活性大大提高。

　　结论

　　在过去的30年里，汽车行业刺激了机器人领域的大规模创新，随着电动汽车(EV)市场的蓬勃发展，这一趋势将继续下去。该行业也开始受益于新的人工智能和机器视觉适应，以增强所有类型的机器人安装。