摘要：為提升汽車智能生產(chǎn)的效率與質(zhì)量，對工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)和特點進行詳細探討，并對車身裝配、涂裝作業(yè)、動力系統(tǒng)組裝、內(nèi)飾安裝及質(zhì)量控制與檢測等方面的實際應用進行了研究。結(jié)果表明，工業(yè)機器人在減少人工干預、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和提升產(chǎn)品質(zhì)量方面具有顯著優(yōu)勢，推動了汽車制造業(yè)向智能化和自動化方向的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；汽車生產(chǎn)；智能制造；自動化集成；應用實踐

中圖分類號：U469 收稿日期：2024-08-16

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.028

1 工業(yè)機器人對汽車智能生產(chǎn)的重要性

在汽車智能生產(chǎn)中，工業(yè)機器人提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。福特羅馬尼亞工廠使用的UR10型協(xié)作機器人便加速了生產(chǎn)過程，同時減輕了員工的重復性勞動壓力。機器人技術(shù)優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)，提高了操作的安全性，根據(jù)麥肯錫的報告，預計未來5年內(nèi)自動化將占工業(yè)公司資本支出的25%。此技術(shù)在降低成本和延長運行時間方面的潛力得到了體現(xiàn)［1］。然而，機器人的引入也對勞動市場產(chǎn)生了影響，在美國，每增加1 000名工人中的一個機器人，會導致平均工資下降0.42%，就業(yè)人口比率下降0.2個百分點。

2 汽車智能生產(chǎn)中工業(yè)機器人構(gòu)成

2.1 常用機器人類型及其特點

2.1.1 關(guān)節(jié)機器人

關(guān)節(jié)機器人類似于人類手臂，通常具備4～6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，能夠靈活操作并執(zhí)行復雜任務。關(guān)節(jié)機器人的高精度和重復性使其在裝配、焊接和材料處理等應用中表現(xiàn)卓越。如表1所示，以ABB的IRB 4600和IRB 6700為例，這些機器人分別具備±0.05 mm和±0.06 mm的精度，最大速度為2.1 m/s和1.9 m/s，最大負載能力為60 kg和300 kg。在實際應用中，福特羅馬尼亞工廠采用的UR10協(xié)作機器人顯著提升了生產(chǎn)效率，并減輕了工人的重復性勞動負擔。關(guān)節(jié)機器人在緊湊和高密度布局的制造環(huán)境中尤為適用，能夠優(yōu)化生產(chǎn)輸出并提高產(chǎn)品質(zhì)量［2］。其高精度和快速運動能力，使其在不同工藝環(huán)節(jié)中均能保證操作的一致性和產(chǎn)品的高質(zhì)量，從而減少人為錯誤和生產(chǎn)成本。

2.1.2 SCARA機器人

SCARA機器人特別適用于高精度、高速的裝配、搬運和測試任務，其水平運動靈活性和高重復性使其能在狹小空間內(nèi)高效執(zhí)行復雜操作。如表2所示，ABB的IRB 920T SCARA機器人循環(huán)時間為0.29 s，精度為±0.01 mm，最大速度為1.5 m/s，最大負載為6 kg。FANUC的SR-6iA SCARA機器人具有650 mm臂展，精度為±0.01 mm，最大速度為2.0 m/s，最大負載為6 kg。而OMRON的i4系列SCARA機器人支持15 kg負載，集成以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)了高效控制，適用于多品種生產(chǎn)環(huán)境。SCARA機器人的技術(shù)進步推動了制造業(yè)的智能化和自動化轉(zhuǎn)型，提升了企業(yè)的市場競爭力，同時降低了生產(chǎn)成本，展現(xiàn)了其在現(xiàn)代制造業(yè)中的重要價值［3］。

2.1.3 卡通機器人

卡通機器人在工業(yè)自動化中因其高精度和高負載能力而被廣泛應用?；诘芽栕鴺讼到y(tǒng)，其能夠在X、Y和Z軸上移動，適用于需要高精度和高重復性的任務。如表3所示，Nordson EFD的PROX系列卡通機器人在電子和生命科學領域表現(xiàn)突出，具備0.003 mm的重復精度和15 kg的最大負載能力，運動速度可達800 mm/s。Yamaha的NXY系列則具有0.02 mm的重復精度和最高40 kg的負載能力，臂展范圍從50～3 050 mm。該機器人的結(jié)構(gòu)簡單，由直線軸和高質(zhì)量的機械傳動組件組成，確保了其在高負載條件下的精確操作。

2.1.4 并聯(lián)機器人

并聯(lián)機器人的設計包括多個計算機控制的支撐臂，這些臂連接在一個共同的工作平臺上，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而提供了優(yōu)越的剛性和動態(tài)性能。根據(jù)表4可知，Omron Quattro并聯(lián)機器人具有±0.1 mm的精度和高達10 m/s的最大速度，以及15 kg的最大負載能力，表現(xiàn)出色。ABB的IRB 360并聯(lián)機器人則在電子裝配中廣泛應用，具有相同的精度和速度，最大負載為8 kg。并聯(lián)機器人在高速分揀、包裝和組裝等任務中表現(xiàn)優(yōu)異，其高加速度提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。并聯(lián)機器人的剛性和負載能力使其在復雜裝配任務中實現(xiàn)了精確和快速的操作，提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了人為誤差和生產(chǎn)成本。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)組件

2.2.1 傳感技術(shù)

傳感器通過檢測和反饋位置、速度、力和溫度等物理量的變化，實現(xiàn)機器人精準執(zhí)行復雜任務。光電傳感器利用光的反射或遮擋檢測物體位置和運動狀態(tài)，廣泛應用于物體檢測和識別。激光傳感器通過激光束測量距離和位置，具有高精度和快速響應能力，適用于高精度裝配和焊接。力矩傳感器檢測機器人末端執(zhí)行器的力和力矩，幫助實現(xiàn)精細操作和實時調(diào)整，提高裝配質(zhì)量和效率。多傳感器融合技術(shù)通過綜合激光雷達、攝像頭和毫米波雷達的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全面精確的環(huán)境感知與決策，確保高效安全的生產(chǎn)過程［4］。

2.2.2 控制系統(tǒng)

集成與自動化解決方案通過將多個機器人、設備和系統(tǒng)無縫結(jié)合，實現(xiàn)高度協(xié)同的生產(chǎn)環(huán)境。硬件集成包括機器人與傳送帶、加工設備和檢測儀器的物理連接，確保高效運轉(zhuǎn)。軟件集成通過統(tǒng)一的控制平臺，集中監(jiān)控和調(diào)度各設備。信息集成利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)，實時采集、分析和共享生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為決策提供支持。自動化系統(tǒng)依賴PLC和DCS進行協(xié)調(diào)，先進的控制算法如模型預測控制和自適應控制優(yōu)化生產(chǎn)過程。機器人過程自動化（RPA）減少人工干預，提高效率。

2.2.3 執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動器

電動執(zhí)行機構(gòu)通過電機、齒輪和滾珠絲杠等機制，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，提供高精度和快速響應能力。無刷直流電機（BLDC）因其高效率和良好的熱性能，廣泛應用于工業(yè)機器人，配合高精度編碼器實現(xiàn)亞毫米級別的定位精度。液壓執(zhí)行機構(gòu)則以其高功率密度和負載能力，適用于重型任務，通過液壓泵和液壓缸系統(tǒng)，實現(xiàn)高力矩輸出。氣動執(zhí)行機構(gòu)利用壓縮空氣驅(qū)動氣缸，適合輕型任務和高速操作。驅(qū)動器作為控制核心，集成矢量控制、伺服控制和模型預測控制等技術(shù)，確保機器人在復雜環(huán)境中的高效、穩(wěn)定和精確操作。

2.3 集成與自動化解決方案

集成與自動化解決方案主要通過將多個機器人、設備和系統(tǒng)無縫結(jié)合，形成高度協(xié)同的生產(chǎn)環(huán)境，實現(xiàn)硬件、軟件和信息的多層次協(xié)調(diào)。PLC和DCS在自動化系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用，利用先進的控制算法如模型預測控制和自適應控制，優(yōu)化生產(chǎn)過程。機器人過程自動化（RPA）通過執(zhí)行重復性任務，減少人工干預，提高效率。工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)進一步提升了系統(tǒng)的智能化水平，通過實時分析和建模，優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，提供智能決策支持。

3 工業(yè)機器人在汽車智能生產(chǎn)中的應用

3.1 車身裝配

在車身裝配環(huán)節(jié)中，點焊機器人實現(xiàn)了每分鐘數(shù)百次的焊接操作，確保焊點均勻牢固；激光焊接機器人則憑借高精度和低熱變形優(yōu)勢，廣泛應用于車身薄板和復雜結(jié)構(gòu)的連接。密封膠涂敷機器人通過精確控制膠槍移動軌跡和速度，確保密封膠均勻涂布，提高防水防塵效果。螺栓安裝機器人利用高精度力矩控制系統(tǒng)，確保每個螺栓扭力一致，保障車身結(jié)構(gòu)的安全性和耐用性。借助先進的視覺傳感器和實時監(jiān)控系統(tǒng)，機器人在裝配過程中能自動檢測和校正偏差，提高裝配精度。

3.2 涂裝作業(yè)

涂裝機器人利用多軸運動系統(tǒng)和精密控制技術(shù)，實現(xiàn)車身表面涂層的均勻覆蓋。采用靜電噴涂技術(shù)，高壓靜電場使油漆顆粒均勻吸附在車身表面，減少漆料浪費和環(huán)境污染。高精度噴涂系統(tǒng)和先進傳感器在涂裝過程中實時監(jiān)控和調(diào)整噴涂參數(shù)，確保涂層厚度均勻。視覺識別技術(shù)使機器人能自動檢測車身的復雜形狀和輪廓，優(yōu)化噴涂路徑，避免漏噴和過噴現(xiàn)象。涂裝機器人的自動化操作減少了人為干預，保證了每輛車的涂裝質(zhì)量一致性和外觀美觀性。為確保生產(chǎn)環(huán)境的安全，涂裝機器人在密閉噴涂室內(nèi)工作，配備廢氣處理系統(tǒng)和防爆裝置，減少有害物質(zhì)排放，保護工人健康。

3.3 動力系統(tǒng)組裝

動力系統(tǒng)組裝涉及發(fā)動機、變速箱和驅(qū)動軸等關(guān)鍵部件，需要極高的精度和一致性。通過多軸聯(lián)動和先進的運動控制技術(shù)，工業(yè)機器人實現(xiàn)了對各部件的精確定位和裝配。機器人利用高精度力矩傳感器和視覺識別系統(tǒng)，精確控制螺栓的扭力和位置，確保緊固力均勻一致，并實時檢測校正部件的位置和角度，防止裝配錯誤。在變速箱裝配中，自動化裝配線實現(xiàn)了齒輪、軸承和密封件的精準裝配。自動化控制系統(tǒng)實時監(jiān)測裝配過程中的各項參數(shù)，如裝配力和位置誤差，及時調(diào)整策略，提高裝配質(zhì)量和效率。機器人焊接系統(tǒng)利用激光和電弧焊技術(shù)，確保焊接接頭的強度和質(zhì)量。自動膠合系統(tǒng)通過精確控制膠槍的移動軌跡和速度，確保密封膠的均勻涂布，提升密封性能。

3.4 內(nèi)飾安裝

內(nèi)飾安裝包括座椅、儀表板、門板、地毯和頂棚等多個部件的裝配，其操作要求極高的精度和一致性。機器人利用視覺識別系統(tǒng)和力矩控制技術(shù)，實現(xiàn)內(nèi)飾部件的精準定位和安裝。在座椅安裝過程中，機器人通過視覺系統(tǒng)識別座椅位置，并進行精確調(diào)整，確保座椅與車身的完美對接。力矩控制技術(shù)確保每個固定螺栓的扭矩一致，避免過緊或過松的情況，保障安裝的穩(wěn)定性和安全性。儀表板的安裝同樣需要高精度，機器人通過編程設定的路徑和速度，將儀表板精確安裝到指定位置，確保每個連接點都準確無誤。門板和地毯安裝中，機器人利用真空吸附和自動夾持技術(shù)，準確抓取和放置部件，減少人為操作帶來的誤差。頂棚安裝涉及高空作業(yè)，機器人通過靈活的多軸聯(lián)動系統(tǒng)，實現(xiàn)頂棚的平穩(wěn)安裝，提高作業(yè)的安全性和效率。

3.5 質(zhì)量控制與檢測

通過高精度檢測設備和先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，機器人實現(xiàn)了對產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性的保障。視覺檢測系統(tǒng)利用高分辨率相機和圖像處理算法，快速識別表面缺陷、形狀誤差和裝配錯位，生成詳細檢測報告。激光測量技術(shù)通過高速掃描車身表面，生成三維點云數(shù)據(jù)，與CAD模型進行比對，精確測量尺寸誤差和形變。超聲波技術(shù)通過發(fā)射和接收超聲波，檢測焊接點、粘接部位和復合材料內(nèi)部的空隙和裂紋。通過與MES和ERP系統(tǒng)的集成，機器人實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實時上傳和分析，生成質(zhì)量報告和統(tǒng)計分析，提高檢測精度和效率，降低人工成本和錯誤率，確保每輛汽車出廠前經(jīng)過嚴格質(zhì)量檢驗，滿足高標準質(zhì)量要求。

4 結(jié)語

工業(yè)機器人在汽車智能生產(chǎn)中的應用提升了各環(huán)節(jié)的效率和質(zhì)量，具體體現(xiàn)在車身裝配、涂裝作業(yè)、動力系統(tǒng)組裝、內(nèi)飾安裝及質(zhì)量控制與檢測等方面。未來應集成人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)流程，推動汽車制造業(yè)向更高效、更智能的方向發(fā)展。

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作者簡介：

肖瀟，男，1988年生，講師，研究方向為機電一體化技術(shù)。