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《制造业中的机器人、自动化和系统集成》—— 1.4 机器人应用的发展

简介: 机器人广泛应用于制造业以及娱乐产业。国际机器人联盟(IRF)在“World Robotics”(世界机器人)报告中指出,截至2012年年底,机器人的使用量已经超过100万台(IFR,2013)。

本节书摘来自华章出版社《制造业中的机器人、自动化和系统集成》一书中的第1章,第1.4节,作者[英] 麦克·威尔逊(Mike Wilson),更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

1.4 机器人应用的发展

机器人广泛应用于制造业以及娱乐产业。国际机器人联盟(IRF)在“World Robotics”(世界机器人)报告中指出,截至2012年年底,机器人的使用量已经超过100万台(IFR,2013)。其中,有接近一半的机器人应用于汽车工业,包括汽车零部件行业。其次是机器人应用的第二大板块,约18%的机器人应用在电气和电子工业。再次是塑料和化工行业,约占10%。金属和机械行业约占9%。汽车行业一直是机器人的最大用户,因此,汽车行业不仅影响机器人的发展,还影响机器人应用的发展。

1.4.1汽车工业

在汽车工业中,机器人最早被用于点焊,将各个冲压件拼焊成车身。机器人具有很好的重复性和灵活性,使大部分手工焊接工作站实现了自动化。机器人焊接发展源于手工焊接,因此,它们通常都包括将工件在焊接工作站之间移动的输送装置,而每一个焊接工作站则由多个操作焊枪的机器人组成,如图1-6所示。机器人点焊装备基于手工焊接包,包括外置的变压器和笨重的电缆,它们为焊枪提供电源。为了提供足够大的负载,早期的机器人均采用液压驱动,尽管它们很快就被电动伺服机器人所替代,因为电机驱动具有更好的性能和重复性。随着电机驱动机器人的负载能力的提升,变压器和焊枪集成在一起,从而不再需要那么多笨重的电缆。因为电缆磨损不像之前那么快了,所以这些技术的进步提高了机器人焊接的可靠性。

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最近,在焊接单元内,机器人被用来搬运工件,主要是搬运一些子部件,要么利用固定焊枪形式,要么其他机器人安装焊枪。这种方案提升了系统的柔性,也扩大了机器人的数量。这种新方法的驱动力是更短的汽车设计生命周期和同样的设备生成更多种不同的产品。
焊接12装备的技术和性能也得到了提升。例如,一些工厂采用了伺服驱动焊枪。这种焊枪完全由机器人控制。这种机器的好处是缩短了生产时间,因为焊钳的打开或关闭操作可以在机器人到达指定位置之前开始,焊钳开闭的大小也可由特定的焊接工序来控制。类似的操作,如自冲铆钉和螺柱焊接,在使用机器人后,大部分都实现了自动化焊接。除此之外,工业界对激光焊接表现出越来越高的兴趣。虽然机器人激光焊接成本较高,但是在某些情况下,性能和焊接质量更胜一筹。专门的激光焊接机器人被开发出来,提供激光焊接的整体解决方案,提升了可靠性和性能。
喷涂和车内密封是较早在汽车行业应用机器人的两个领域。由于喷涂车间的工作环境较差和追求涂装质量一致性,催生了机器人在喷涂行业的应用。喷涂作业最开始采用液压机器人,因为喷涂车间的气体和颗粒浓度很高,所以不允许使用电机。防爆型喷涂机器人的开发成功,解决了这个问题,从而快速提升了性能和喷涂机器人使用的便利性。早期的机器人采用示教编程,喷涂工人直接握住机器人手臂,拉动机器人走所需轨迹,大多数时候是边喷边走。机器人能够记录该轨迹并重复执行。这种编程方法的好处是可以实现路径的快速生成,但是限制了路径编辑和修改。因此,开发复杂的机器人程序就会费时费力。离线编程,利用一个包括机器人、喷涂工具和车身的仿真环境,成为更受欢迎的编程方法,并且行之有效,被广泛使用。
在典型的喷涂车间,许多其他自动化设备也用于喷涂,包括喷枪往复机和静电旋杯喷涂等。它们特别适用于在线体移动时,喷涂外表面。除了这些机器外,机器人通常被用于喷涂内表面,包括发动机舱、行李箱和车门等。为了到达这些区域,人们开发了与喷涂机器人协作的开启装置。伺服跟踪也允许机器人在整个喷涂车间跟随车身形状。
如今,机13器人汽车喷涂系统能够实现整体解决方案,对涂料和空气混合做全闭环系统。该方案允许在喷涂过程中调整喷涂参数,从而获得最佳效果。除此之外,颜色变换器也被集成到机器人手臂中,以减少颜色更换过程中的时间和涂料浪费。机器人还能够被安装更多的喷涂装备,包括空气喷涂、静电空气喷涂和静电喷涂杯等。每一种装备都有特定的好处,因此,对于某一特定的应用,机器人都能与最佳装备匹配。
车内密封原本是一项令人不愉快的工作,使用机器人后,就不是这样了。刚开始时,喷涂机器人因为便于编程而被使用。然而,标准机器人也可以完成喷涂作业。机器人用于接缝密封是因为我们需要把密封条准确地放置在车身的接缝位置。这就需要使用标准机器人,以便达到所需要的精度。人们利用视觉系统来确定车身的位置,使得密封系统能够适应车身的微小变化,在密封位置依然保持足够高的精度。后来,人们通过使用闭环流体控制来实现更精确的控制和随密封要求而改变输出,进一步提升了应用水平。粘接应用也快速地实现了,同样也是以粘接质量为驱动力。这些应用包括直接安装汽车玻璃、涂抹粘接剂然后将玻璃安装到车身上,还包括其他各种粘接应用,比如发动机罩内面板和外面板的装配等。
车身面板是在冲压车间生产的。面板也有可能是汽车原始设备制造商(OEM)或者他们的一级供应商生产的。机器人应用于冲压线已有多年,用于在不同的冲压机之间输送面板。这些机器人可以替代手工输送或者替代专用的“铁手”或其他输送装置。在某些领域中,冲压线发展得更加成熟,现有的大型冲压线自带搬运设备,利用机器人来进行上下料操作。然而,对于更多的传统冲压线,只是在冲压机之间使用机器人,仍然还有很大的自动化提升空间。
机器人在汽车总装中的应用要慢于车身车间的应用,这多半是因为所操作工件的难度和在车身内部作业的需要等因素。然而,现在许多应用都具备使用机器人实现自动化作业的潜力。公司在流程方面(例如,手工作业、半自动化或使用机器人的全自动化)的决策基于14成本因素而非技术障碍。
相似地,在发动机装配中一开始就使用的机器人并不多。装配操作通常都由专门的设备来完成,实现更大的产量和更高的刚性自动化。由于柔性需求的增加,机器人在现代化的发动机装配厂正在被大量地使用。除了常见的搬运操作和机床之间输送工件外,机器人应用还包括装配和去毛刺。

1.4.2汽车零部件

汽车零部件行业紧跟汽车工业,使用了大量的机器人。它们使用机器人技术作为提升质量和生产柔性的手段,以满足用户的需求。由于所生产的工件差别很大,机器人在不同行业的应用也千差万别。在大多数情况下,机器人工作站是独立的,而不是作为另一个更大自动化系统的部件,因为生产一个完整的组件只需要较少的操作。这些应用大概可以分成几类:塑料、金属加工、电气和电子,以及装配。
车辆上有大量的塑料工件,包括内饰件(如仪表盘)和外饰件(如保险杠、门把手和扰流板等)。在这些工件的生产过程中,机器人被用于注塑机下料、清理、水切割、装配(包括粘接和焊接)和喷涂。
金属加工应用包括生产车身的子部件,以及其他一些大型工件,如排气系统等。在车身子部件方面,如悬挂系统,机器人应用包括压机上下料,以及点焊和弧焊。弧焊是机器人在排气系统制造中的主要应用领域,用于组装排气系统的各个工件,如排气管、法兰、安装支架、消音器和催化转化器。需要指出的是汽车零部件的弧焊作业主要是在零部件供应商处完成而不是在总装厂。
许多机械工件装配在一起才能变成汽车的动力部件。这些机器人应用包括机床上下料、磨削、去毛刺和其他金属抛光应用。类似地,车灯、空调单元、电子和其他车内子部件由多种机器人来完15成装配和测试。

1.4.3其他领域

近些年,电气和电子行业见证了机器人使用量的大幅增长。许多专用机器被使用,例如用于制作印刷电路板的机器。然而,机器人被用于印刷电路板的上下料、测试、装配更大组件,以及许多其他应用领域。电子行业机器人快速增长的主要动力是消费电子产品的产量增加,比如手机和平板电脑等。电子行业的机器人主要应用在亚洲。
食品工业一直被认为是机器人应用的一个主要潜在增长点,主要是因为这个行业包括了大量的手工操作。然后,这个行业还没有大量使用机器人,我们仍面临着许多挑战。首先,这个行业的人工费用低于其他行业(比如汽车行业),使得自动化的经济性不高。其次,产品往往是有机物,难以操作。除此之外,产品在尺寸和外形上也不均匀。还有卫生管理规定,特别是那些操作裸露食物的规定,也对自动化设备提出了特殊要求,比如冲洗,会增加设备成本。最终的目的是建立一个全自动化的食品工厂,能提供更好的卫生条件,因为这样可去除最大的污染源——操作人员。

1.4.4未来的增长点

IFR的一项分析数据是制造工业中的机器人密度,或者叫作每1万名员工的机器人的台数。图1-7展示了机器人使用量最大的几个国家的汽车行业和其他工业领域的机器人密度对比。该图证明全世界范围内机器人的巨大潜力。如果非汽车行业应用的机器人达到汽车行业这么高的比例,将使得机器人安装台数大幅增加。即使在汽车行业,仍然存在许多潜在的新的机器人应用领域,特别是在机器人还未曾应用到的修边和总装配等操作。在发展中国家,特别是在中国、巴西和印度,机器人的增长潜力巨大。随着当地消费者需求和影响的增长,这些国家将会产生旺盛的需求,从而推动工业界提供更多的产品,反过来就会使用更多的机器人。

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