17、机器人在制造业中的应用探索

机器人在制造业中的应用探索

1. 引言

在制造业中，机器人的应用正变得越来越广泛。它们不仅提高了生产效率，还提升了产品质量，减少了人力成本和安全风险。本文将深入探讨机器人在焊接、汽车焊接、机械加工和表面处理等制造操作中的具体应用。

2. 焊接应用

2.1 弧焊工艺与自动化系统

弧焊是工业中用于连接金属的主要工艺之一，它需要灵活性和自适应控制。自动化焊接系统分为全自动和半自动两个级别。全自动系统结合了位置控制和自适应焊接工艺参数控制。一些系统还配备了焊缝跟踪器，用于自适应位置控制，以纠正编程焊缝路径中的偏差。在这样的系统中，焊枪前方的位置传感器会监测焊缝的位置，获取的位置信息用于驱动安装焊枪的滑块。然而，自适应过程控制更为困难，因为它需要实时测量熔深、焊道几何形状、熔敷率和焊接质量。

2.2 机器人弧焊系统的优势

机器人弧焊系统在安全性和生产率方面具有显著优势。焊接过程产生的烟雾、高温和辐射等环境条件对焊工构成潜在危害，而机器人可以在这样的环境中安全工作。此外，机器人弧焊系统通过将预定的最佳焊接参数存储在机器人控制器的焊接软件中，实现了更好的过程控制。机器人的可重复位置和速度确保了一致且高质量的焊接，并且焊接参数在不同零件之间具有可重复性。

2.3 ESAB 自动机器人弧焊系统

ESAB 自动机器人弧焊系统的核心是 IR66 工业机器人，它具有快速而精确的运动，可实现高产能的机器人生产。对于较大的工件，可以使用工作范围约为 IR66 两倍的 IR60 机器人。操作员通过控制面板确定机器人何时开始焊接下一个工件。处理单元是焊接站的重要组成部分，眩光屏幕为操作员在机器人焊接前一个工件时将下一个工件夹紧到夹具上提供了保护。不同类型的处理单元适用于不同的工作，图中所示的类型将夹具安装在可倾斜的转盘上，以方便操作。处理单元通常与机器人安装在同一基础板上，以确保稳定性和准确性。对于非常大的工件，可以使用带有轨道的焊接站，焊接送丝单元和焊丝盘随机器人在轨道上移动，而电源保持静止。该弧焊系统包括恒压整流器型固态电源、送丝单元、带有焊接导管组件的焊枪和焊接编程器。送丝单元还有一个缓冲臂。可选的焊接程序包括启动/停止、气体预冲洗、电极送进和喷嘴冲洗。通过将程序存储在磁带盒中，可以实现从一个焊接作业到另一个焊接作业的快速切换。

2.4 机器人焊接的生产率提升

机器人焊接已被证明可将生产率提高三倍。手动焊接的有效电弧时间为 20% 至 30%，而机器人焊接可将其提高到 75%，因为机器人工作快速且连续。所有机器人焊接的焊缝都是相同的，并且具有统一的高质量。控制焊接顺序更容易，以避免材料中的热应力问题。如果发生任何变形，通常每个工件的变形情况都是相同的。由于机器人程序可以随时重新运行，因此设置时间减少，从而加快了工作流程。使用带有分隔眩光屏幕的两个单元定位器，可以在机器人焊接一个工作台时加载另一个工作台。

2.5 机器人焊接流程

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    A[准备工件] --> B[设置机器人程序]
    B --> C[启动机器人焊接]
    C --> D[监测焊接过程]
    D --> E{是否完成焊接}
    E -- 是 --> F[停止机器人]
    E -- 否 --> C

3. 汽车焊接应用

3.1 汽车焊接的发展历程

机器人在汽车焊接领域已经应用了约 15 年，用于焊接完整的汽车车身总成和子装配部件。早期的应用主要是在固定位置的焊接夹具中进行离线子装配焊接。早期的焊接枪重量限制在 100 磅（45 公斤），后来的发展使得机器人在汽车焊接中能够使用更重的枪和更灵活的手腕位置，从而可以到达难以触及的区域。

3.2 固定位置焊接的问题

在对固定定位的车身总成进行点焊的机器人焊接装置中，产品必须反复停止和定位。这种操作模式存在一些问题，例如如果生产线停止或焊枪在生产过程中卡住，机器人必须重新编程。此外，这种模式还存在低速运行和重复性差的缺点。

3.3 移动线跟踪的进展

近年来，移动线跟踪技术取得了进展。使用固定基座机器人跟踪移动线比索引线更昂贵且技术上更困难。采用移动基座机器人可以消除地板安装机器人的基座尺寸和扭矩要求问题。使用圆柱型机器人手臂可以在减少占地面积的同时实现高臂力。对于空间有限的应用，可以将紧凑型焊接机器人安装在高架配置中，这种安装方式在车身重新点焊线和车身侧面组装区域具有优势。

3.4 机器人在汽车焊接中的具体应用

3.4.1 卡车驾驶室焊接

机器人已成功应用于卡车驾驶室焊接自动化。焊接线由九个 6 轴运动机器人组成，允许焊接枪在任何高度定位。驾驶室制造区域分为六个独立部分：后门槛子装配、驾驶室底部门槛子装配、驾驶室底部线、侧板装配、门装配和驾驶室最终装配线。在底部门槛装配线中，两个机器人焊接厚钢部件（约 1/8 英寸或 3.2 毫米）。在后门槛子装配线中，一个机器人对固定在两站索引台上的钢后门槛进行点焊，并完成在门槛上点焊锚板的工作。另外六个机器人完成驾驶室底部的点焊。在侧板装配线上，四个机器人负责处理由连续高架输送机输送的左右侧板。驾驶室最终装配线有两个机器人，用于点焊驾驶室前窗开口、侧板、驾驶室前围和驾驶室内顶板及车顶。

3.4.2 车身结构焊接

大多数汽车装配厂使用传统的门线，这容易导致相同车身款式之间的尺寸变化。一种新的方法是将底部面板和两侧锁定在一个大型工装夹具中并进行定位焊接，以建立尺寸稳定的车身结构，这一过程由八个机器人完成。之后，轻微定位焊接的车身外壳移动到另外四个机器人处进行拾取点焊，然后进入 24 个机器人的重新点焊线。

3.4.3 后轴焊接

机器人焊接站已用于自动化后轴的生产。机器人使用单个焊枪在很短的周期内将后悬架、制动管和稳定器的安装点焊接到轴管上，并在完成的后轴组件上保持 ±0.008 英寸（±0.02 毫米）的位置精度。与传统的多焊枪专用焊接站不同，机器人可以轻松重新编程以适应轴设计的变化。

3.4.4 连续生产线焊接

在另一家汽车厂，带有跟踪选项的 6 轴工业机器人用于在汽车车身在装配线上不停移动时进行点焊。这通过使用与输送线机械连接并与机器人计算机控制电气接口的位置传感器来实现。反馈信号用于机器人控制，以连续零移先前教导的程序并补偿车身的移动，使机器人能够在任何线速度下正确放置焊点。如果生产线停止时间过长，机器人无法到达焊点，它会等待生产线启动并继续在中断处进行焊接。

3.4.5 车身内部点焊

在汽车车身内部进行点焊时，机器人可以垂直安装在横跨输送线的支架上。带有棱柱关节的极坐标型机器人可以将配备点焊枪的手臂伸入无顶的车身内，以比人工操作员更高的速度和精度完成车身内部所需的 44 个焊点的焊接。

3.4.6 汽车焊接生产线

一条汽车焊接线包含 27 个球形机器人。在第二个工位，传统的多点焊接夹具被取消，车身通过两侧和前后挡风玻璃顶部的摆动门系统进行对齐和夹紧，这些门提供了定心和夹紧点，确保七个执行定位焊接的机器人能够正确定位。接下来是一对重新点焊线，由八个水平机器人和两个垂直机器人组成。在车顶自动精确加载到车身后，一个垂直机器人进行定位焊接，另一个在滴水槽中进行点焊以固定位置。然后将连接板加载到自动传输机中，并由六个机器人进行点焊。最终的重新点焊站有五个机器人。

3.5 汽车焊接应用对比

应用场景	传统方法	机器人焊接优势
固定位置焊接	需重复停止定位，易出现编程问题，速度慢、重复性差	可减少编程问题，提高速度和重复性
连续生产线焊接	难以实现不停线焊接	可通过跟踪技术实现不停线点焊
车身内部点焊	人工操作速度和精度低	机器人可提高速度和精度

4. 机械加工应用

4.1 加工操作类型与工具

机械加工操作包括对加工零件进行去毛刺、去除锻造和铸造零件分型线上的飞边，以及对飞机面板进行钻孔、仿形和铆接等。这些操作中使用的工具由气动或电动驱动，有些情况需要对工具进行自适应控制，并可应用力反馈。

4.2 去毛刺工艺与机器人应用

金属零件加工时经常会产生毛刺，手动去除毛刺是一项单调且昂贵的操作。在特殊应用中，可采用喷砂和爆炸冲击等方法进行去毛刺，但使用工业机器人是实现去毛刺过程自动化的经济方法。根据毛刺的产生方式，有多种不同类型的毛刺。加工毛刺由钻孔、铣削、磨削、冲压和切割等操作产生，压铸金属零件和一些模塑塑料零件的毛刺与加工毛刺相似，砂型铸造产生的多余材料通常比加工毛刺重得多。毛刺的大小、形状和脆性存在很大差异，因此机器人去毛刺装置对机器人的轮廓跟踪能力、重复性、速度、伺服稳定性和编程能力提出了很高要求。

4.3 机器人去毛刺的要求与工具

轮廓跟踪能力对于高精度地跟随任意轮廓以获得满意的去毛刺质量至关重要。极高的重复性对于保证机器人移动时无明显变化非常重要。在去毛刺操作中，通常需要根据轮廓的不同部分采用不同的速度。伺服稳定性确保伺服系统能够快速补偿由于毛刺大小不同而产生的变化负载。机器人应用中的去毛刺工具通常是旋转高速硬质金属工具。在需要深入尖锐角落的应用中，往复式工具是理想选择，也可使用带式砂光机。去毛刺工具的支撑也非常重要，必须采用适当阻尼的弹性安装。通过确保正确的接触点角度、路径方向和速度，可以获得良好的去毛刺质量和满意的循环时间。对于去小直径孔毛刺的可达性问题，可以使用小直径的旋转球形锉刀解决。

4.4 汽车行业的机器人去毛刺应用

在汽车行业，机器人用于对卡车和重型车辆中使用的铸铁制动调节器进行去毛刺。毛刺在零件内部由不同方向钻孔的交叉处产生。在一个机器人安装案例中，由于零件重量相对较轻，机器人可以自行处理零件。该应用中使用了两种去毛刺工具：旋转硬质金属工具和矩形往复式锉刀，后者特别用于到达轮廓上的尖锐角落。机器人在工具之间移动零件并进行操作，使工具能够以正确的速度非常精确地跟随要去毛刺的轮廓。

4.5 机器人去毛刺流程

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    A[准备待去毛刺零件] --> B[选择合适工具]
    B --> C[设置机器人参数]
    C --> D[启动机器人去毛刺]
    D --> E[检查去毛刺质量]
    E -- 合格 --> F[完成去毛刺]
    E -- 不合格 --> C

5. 表面处理应用

5.1 表面处理操作与机器人类型

表面处理操作包括喷涂油漆、染色剂、塑料粉末、塑料密封剂、隔音材料或类似材料。用于表面处理操作的机器人通常是连续路径、伺服控制的单元，具有多达六到七个自由度。液压驱动的机器人在这种挥发性环境中本质上是安全的。使用机器人进行喷涂表面处理具有节省材料和能源、质量一致、减少喷漆房维护以及将操作员从潜在危险环境中移除等优点。

5.2 喷涂工艺与机器人优势

传统的手动喷漆使用空气雾化喷枪，较新的方法包括无气喷涂、静电喷涂和粉末涂装。为了减少手动工作、提高喷涂质量和允许更高的生产率，已经引入了与这些发展相平行的自动机器。喷漆操作中对溶剂排放、人类健康和安全以及火灾危险存在高度关注，而机器人喷漆作为喷涂自动化的最终形式，消除了操作员长时间处于危险环境的需求。

5.3 喷漆机器人的编程与特点

喷漆机器人通常通过在示教盒上按按钮教导所需路径上的多个点来进行编程。一个点的信息包括喷枪位置和方向、喷漆开始和停止、喷漆速度和其他操作信号。机器人控制器根据教导的程序自动移动喷枪。与移动输送机同步的功能使喷漆机器人能够根据输送机速度信号自动对移动的工件进行喷漆。喷漆机器人能够跟随复杂的油漆轮廓，并到达其他自动化形式无法到达的腔体和凹槽。编程的喷涂序列将被重复，减少了废品率并提高了效率。

5.4 汽车行业的喷漆应用

大多数汽车喷漆使用传统的水平和往复式喷涂机，用于喷涂汽车的大面积区域。一些喷漆过程涉及下格栅和大灯区域、轮拱、车窗开口、下甲板区域、发动机和行李箱舱以及车门表面。机器人在这一应用中的潜力在于其能够在危险的喷涂环境中工作，并使设施以更低的能源需求运行。

5.5 具体喷漆案例

5.5.1 聚氨酯塑料保险杠喷漆

在一个安装案例中，对聚氨酯塑料保险杠的底漆和面漆喷涂操作已由 16 个伺服控制的机器人实现自动化。新的安装包括四条喷漆线，每条线有四个机器人。保险杠通过双悬挂单轨在循环中输送，机器人通过每个单轨上的脉冲发生器与单轨同步，脉冲发生器向机器人提供适当的信号。单轨的启动和停止自动控制喷枪的启动和停止。限位开关可作为传感器用于确定零件的存在和保险杠的样式。所使用的机器人具有连续路径能力，这对于精确的喷涂路径运动是必要的。机器人化喷涂可节省约 10% 的油漆，并且与人工操作员相比，通风要求降低。

5.5.2 皮卡车厢喷漆

在另一个安装案例中，两个 6 轴机器人对皮卡车厢的内表面进行喷涂。机器人被编程为在车厢以约 12.5 英尺/分钟（3.8 米/分钟）的线速度移动时喷涂地板、尾门、两侧和前面板。该安装可提供四种尺寸的皮卡车厢在 22 种不同颜色中的喷涂。为了适应汽车喷漆线上的不同车型，可以存储多个程序，并在机器人接收到特定车型的信号时立即选择合适的程序。速度拨盘可轻松更改喷漆速度以纠正不满意的喷漆质量。通用喷漆机器人允许安装任何喷漆枪，并可用于除喷漆之外的任务，如喷涂防腐油和密封化学品。

5.6 其他行业的表面处理应用

5.6.1 陶瓷行业

在陶瓷行业，由于工作条件极其不健康，需要使用机器人。操作员很难在喷涂浴缸内部搪瓷时站在搪瓷中，因此在卫生行业，这种应用是机器人最早使用的工作之一。另一个常见的应用是洗手盆和马桶台的上釉。在涂覆铸钢浴缸时，机器人将装满粉末搪瓷的网筛在预热的待涂覆表面上晃动，浴缸必须多次翻转以获得均匀的膜厚。

5.6.2 微波炉制造

在微波炉的制造中，虽然可以使用不锈钢腔体，但由于成本和消费者吸引力，具有出色外观和防腐保护的金属薄板箱更受欢迎。在机器人设置中，机器人将液体烘烤搪瓷喷涂在微波炉腔体内部。

5.7 Spine 喷涂系统应用

Spine 喷涂系统的一个应用示例是安装在生产线上的多机器人系统。生产线上运行着两种类型的车辆底盘，生产线穿过一个 4.8 米宽的喷漆房。控制柜和液压单元位于喷漆房外。两个机器人可以覆盖半个汽车底盘，在输送机速度高达 4.5 米/分钟时，在内外都能产生良好的效果。要覆盖整个底盘，需要四个机器人系统。对于 5 米/分钟或更高的速度，至少需要六个机器人，底盘两侧各三个。喷涂时喷枪的推荐速度为 0.6 至 1.0 米/秒，运输行程中可使用高达 1.5 米/秒的速度。生产线上设置了光学、气动、感应或其他类型的传感器。当系统在生产线条件下运行时，控制系统使用程序选择传感器识别要喷涂的对象，然后检索相关的机器人程序。通过同步传感器的帮助，输送带和控制系统实现同步，同步点是程序的起始点。位置传感器将输送带的速度和位置信息持续提供给控制系统。当输送带处于根据同步点计算出的正确位置时，程序启动执行命令，机器人开始工作。该系统的过程参数，如喷涂开/关、油漆流量和雾化压力等，存储在程序中并由计算机控制。该系统可以适应特定的安装，并通过过程参数功能完全控制诸如开门、颜色更换系统或其他外围系统等任务。

5.8 胶合、填缝应用

胶合、填缝和嵌缝是机器人具有应用潜力的另一个领域。在汽车行业，例如车身填缝是一项常规程序。在批量生产线中，过去使用特殊的固定程序机器，但在许多应用中，机器人化胶合成为了一种实用的替代方案。例如，在热交换器的组装或汽车发动机的密封中，涂覆粘合剂是制造过程中的重要阶段。一个工业机器人在汽车零件上涂覆粘合剂的系统包括伺服控制的机器人、软管装置、枪架、涂覆枪和调节设备以及将粘合剂输送到分配枪的泵设备。胶合过程的倒置配置需要更少的空间，因为机器人安装在零件上方而不是旁边。

5.9 表面处理应用总结

应用行业	应用场景	机器人优势
汽车行业	保险杠、车厢、车身喷漆	节省油漆、提高质量、减少通风需求
陶瓷行业	浴缸、洗手盆上釉	改善工作环境、提高效率
微波炉制造	腔体喷涂	保证外观和防腐效果
汽车行业	车身胶合、填缝	提高精度、节省空间

6. 结论

机器人在制造业的各个领域都展现出了巨大的应用潜力。在焊接、汽车焊接、机械加工和表面处理等操作中，机器人不仅提高了生产效率和产品质量，还改善了工作环境，减少了人力成本和安全风险。随着技术的不断发展，机器人的应用将更加广泛和深入，为制造业带来更多的创新和变革。未来，我们可以期待机器人在更多复杂任务和特殊环境中的应用，进一步推动制造业的智能化和自动化发展。

7. 机器人应用的综合效益分析

7.1 经济效益

• 生产效率提升 ：从前面的介绍可知，机器人在焊接、加工和表面处理等环节都显著提高了生产效率。例如，机器人弧焊能将有效电弧时间从手动焊接的 20% - 30%提高到 75%；汽车焊接中机器人可实现不停线点焊，加快了生产节奏；表面处理中机器人喷涂能自动对移动工件进行喷漆，提高了喷涂效率。
• 成本降低 ：
  • 人力成本 ：减少了人工操作，降低了人力成本。如在危险的喷漆环境中，机器人替代人工，避免了人工长时间处于危险环境的成本和风险。
  • 材料成本 ：机器人喷涂可节省约 10%的油漆，降低了材料消耗。
  • 设备维护成本 ：虽然机器人设备前期投入较大，但长期来看，其稳定性和可重复性减少了设备故障和维修次数，降低了维护成本。

7.2 质量效益

• 一致性提高 ：机器人操作具有高度的重复性，能够保证产品质量的一致性。例如，机器人焊接的焊缝质量均匀，每个工件的焊接效果相同；机器人去毛刺能精确地按照设定参数进行操作，保证去毛刺质量的稳定。
• 精度提升 ：在汽车焊接中，机器人能保持 ±0.008 英寸（±0.02 毫米）的位置精度；在机械加工中，机器人的轮廓跟踪能力和高精度定位确保了加工精度。

7.3 社会效益

• 安全保障 ：将工人从危险的工作环境中解放出来，如焊接的高温、辐射，喷漆的溶剂排放和火灾危险等，保障了工人的身体健康和生命安全。
• 环保效益 ：机器人喷涂减少了溶剂排放，降低了对环境的污染；在一些加工过程中，也能更精准地控制材料使用，减少废料产生。

7.4 机器人应用效益对比表

效益类型	传统方式	机器人应用优势
经济效益	生产效率低、人力成本高、材料浪费大	提高生产效率、降低人力和材料成本
质量效益	质量不稳定、精度低	保证质量一致性、提高精度
社会效益	工作环境危险、环境污染大	保障工人安全、减少环境污染

8. 机器人应用面临的挑战与解决方案

8.1 编程与调试难度

• 挑战 ：机器人的编程需要专业知识和技能，对于复杂的任务，编程和调试过程耗时较长，且需要专业人员操作。例如，汽车焊接中不同车型的焊接程序需要重新编程，对编程人员的要求较高。
• 解决方案 ：
  • 开发更简单的编程界面 ：采用图形化编程、示教编程等方式，降低编程难度，使普通操作人员也能进行简单的编程和调整。
  • 建立程序库 ：将常见的任务和操作编程存储在程序库中，在需要时可以直接调用和修改，减少编程时间。

8.2 适应性问题

• 挑战 ：生产过程中产品的种类和规格可能会发生变化，机器人需要具备良好的适应性。例如，在汽车制造中，不同车型的尺寸、形状和焊接要求不同，机器人需要能够快速适应这些变化。
• 解决方案 ：
  • 模块化设计 ：机器人采用模块化结构，便于更换不同的工具和夹具，以适应不同的任务需求。
  • 智能传感器与算法 ：配备智能传感器，实时感知工作环境和工件的变化，通过算法自动调整机器人的操作参数。

8.3 成本问题

• 挑战 ：机器人设备的采购、安装和维护成本较高，对于一些中小企业来说，投资机器人系统存在一定的经济压力。
• 解决方案 ：
  • 租赁模式 ：推广机器人租赁服务，企业可以根据生产需求租赁机器人，降低前期投资成本。
  • 政府扶持 ：政府可以出台相关政策，给予企业购买机器人设备的补贴和税收优惠，减轻企业负担。

8.4 挑战与解决方案流程图

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    A[编程与调试难度] --> B[开发简单编程界面]
    A --> C[建立程序库]
    D[适应性问题] --> E[模块化设计]
    D --> F[智能传感器与算法]
    G[成本问题] --> H[租赁模式]
    G --> I[政府扶持]

9. 机器人应用的未来发展趋势

9.1 智能化发展

• 自主决策能力 ：未来的机器人将具备更强的自主决策能力，能够根据实时感知的信息自动调整操作策略。例如，在焊接过程中，机器人可以根据焊缝的实际情况自动调整焊接参数。
• 学习能力 ：机器人将具备学习能力，通过机器学习和深度学习算法，不断优化自身的操作技能和效率。

9.2 协作化发展

• 人机协作 ：机器人将与人类更加紧密地协作，实现人机优势互补。例如，在一些复杂的装配任务中，机器人负责重复性和高精度的操作，人类负责灵活决策和处理异常情况。
• 机器人间协作 ：多个机器人之间可以实现协作，共同完成复杂的任务。例如，在汽车焊接生产线中，多个机器人可以协同工作，提高焊接效率和质量。

9.3 小型化与轻量化发展

• 适应更多场景 ：小型化和轻量化的机器人可以在更狭小的空间内工作，适用于更多的生产场景。例如，在电子设备制造中，小型机器人可以进行精密的组装和焊接操作。

9.4 集成化发展

• 系统集成 ：机器人将与其他生产设备和系统进行更紧密的集成，实现整个生产过程的自动化和智能化。例如，机器人与输送线、检测设备等集成，实现从原材料到成品的一站式生产。

9.5 未来发展趋势列表

1. 智能化：自主决策、学习能力增强
2. 协作化：人机协作、机器人间协作
3. 小型化与轻量化：适应更多场景
4. 集成化：与其他设备和系统紧密集成

10. 总结与展望

10.1 总结

机器人在制造业中的应用已经取得了显著的成效，在焊接、汽车焊接、机械加工和表面处理等领域，机器人提高了生产效率、产品质量，改善了工作环境，降低了成本和风险。虽然目前机器人应用面临着编程难度、适应性和成本等挑战，但通过相应的解决方案可以逐步克服。

10.2 展望

未来，随着智能化、协作化、小型化和集成化等发展趋势的推进，机器人将在制造业中发挥更加重要的作用。它们将能够应对更复杂的任务和多变的生产需求，进一步推动制造业向智能化和自动化方向发展。同时，机器人的应用也将拓展到更多的行业和领域，为整个工业界带来新的变革和机遇。我们期待着机器人技术不断创新，为人类创造更加美好的生产和生活环境。