工业机器人在焊接自动化中的应用

利用工业机器人实现焊接过程自动化

摘要

由于数字技术的进步，机器人技术每年都在不断发展，导致工业机器人应用日益广泛。我们目前正处于第四次工业革命，即德国人所称的“工业4.0”。第四次技术革命的实施依赖于一系列新的创新技术成果，其中大多数应用于机器人技术。生产过程自动化，包括焊接过程的自动化，必须包含工业机器人。本文展示了工业机器人在全球各大洲以及四个主要国家——中国、日本、北美洲和德国的应用情况。对2010–2016年期间全球以及亚洲/澳大利亚、欧洲和美洲大陆在焊接过程中工业机器人的年度占比进行了分析。众所周知，工业机器人在汽车行业中的应用最为广泛，因此本文也描绘了同期其在汽车行业中的应用趋势，以及到2016年在所有工业领域中的占比。工业机器人最广泛应用于两种焊接工艺：弧焊和点焊，因此本文对2010–2016年期间这两种焊接工艺中工业机器人的应用情况进行了分析。同时，对四个国家——中国、日本、美国和德国的汽车年产量及其在焊接过程中机器人的使用情况进行了对比分析。本文还包含了该领域未来工业机器人应用的分析与可能性。

关键词 ：工业 · 工艺 · 机器人 · 焊接 · 弧焊 · 点焊 应用

1 引言

任何行业分支的制造过程如果没有工业机器人的应用都是不可想象的。工业领域的自动化进程始于20世纪60年代，当时引入了工业机器人，并一直持续至今。当时应用第一代工业机器人实现生产过程自动化的过程是积极的，因为它们取代了人类完成困难且危险的工作。然而这是一种刚性且非柔性的自动化，因为在同一制造过程中若要启动另一种产品的生产，就必须对每台机器人及其夹具进行重新编程，并更换工具等，这反过来导致了长时间的生产延误并增加了额外的生产成本。我们还必须指出这样一个事实：出于保护参与生产过程的工人安全的考虑，工业机器人通常被围栏封闭起来。随着生产过程的持续自动化以及对灵活性的需求增加，再加上生产线不断变化的要求，工业机器人的功能变得越来越复杂和严苛，同时工业机器人的使用呈现出增长趋势。在灵活性、精度、安全性 和操作简便性方面，工业机器人每天都在取得技术进步。中小企业将开始采用柔性自动化，以在市场上保持竞争力。目前工业机器人应用最广泛的领域仍然是汽车行业中的焊接过程，但其他行业在扩大工业机器人使用方面也毫不逊色。工业机器人非常适合那些对人类而言困难、不利甚至危害健康的工作，特别是焊接作业。它们被用于被认为是单调的重复性工作，以及需要高质量和高生产率的产品生产，例如汽车行业。各种工业机器人被专门设计用于特定类型的任务。在工业中应用机器人系统也体现了工作的人性化，任何行业中的焊接过程就是最好的例子 [1–14, 22–24, 29–35]。工业机器人被用于弧焊、点焊、激光焊接、钎焊及其他类型的焊接。本文分析了全球范围内工业机器人的使用情况，按大洲划分，以及在汽车工业最具代表性的四个国家中的使用情况，即车辆产量最多的四个国家。此外，还展示了工业机器人在两种焊接工艺中的应用趋势：弧焊和点焊，因为这两种焊接工艺是工业机器人最主要的应用领域。在生产过程的转型方面，我们指的是对其现代化改造，以实现智能生产过程。这一过程离不开新一代的工业机器人和服务机器人。新一代机器人必须具备智能化和自主性，即能够做出独立决策，并与人和机器进行通信。这类工业和服务机器人的应用将提高制造过程的可靠性，缩短成品的制造时间，并实现任务执行中的适应性和精度，超越人类能力的极限。

2 工业机器人的表示

为了描述工业机器人在全球生产过程中的应用情况，用于统计分析的数据来自国际机器人联合会（IFR）、联合国欧洲经济委员会（UNECE）和经济合作与发展组织（OECD）[15–25, 29]，如图1所示。

2009年至2016年期间，全球工业机器人年度水平数量持续增长，如图1（a）所示，尽管在2012年记录到数量有所下降。2008年初，全球发生了经济和工业危机。全球工业机器人数量反映了其每年的保有情况，2009年最低时仅为60,011台工业机器人。可以看出，全球工业机器人数量逐年增长，到2016年已上升至25.9万台工业机器人。这一增长趋势的原因众多，包括企业为提升市场竞争力而在生产过程中引入自动化，从而推动了工业机器人的应用。其他原因还包括机器人技术的发展、第四次数字革命使机器人在生产过程中的使用更加简便，以及工业机器人价格的下降等。为了准确描述全球工业机器人的实际分布情况，有必要按大洲对其年度和总体水平进行分析，如图2[15–29]所示。

工业机器人在年度水平上的分布趋势，如图2.a所示，表明亚洲/澳大利亚在工业生产过程中工业机器人的应用方面位居第一。从2010–2016年期间，我们看到工业机器人在生产过程中的应用逐年持续增加，到2016年达到约191,000台工业机器人数量。欧洲位居第二，呈现出增长趋势，但与亚洲/澳大利亚不同的是，其每年的增长幅度较小。到2016年，其数值达到约56,000工业机器人数量，与亚洲/澳大利亚相比几乎少了四倍。美洲位居第三，呈轻微增长趋势，2016年使用的工业机器人数量约为41,000台，同年相比亚洲/澳大利亚约少五倍。从各大洲工业机器人的总体保有量来看，图2.b显示，三大洲均呈现增长趋势。其中亚洲/澳大利亚增长最为显著，位居第一，2016年的保有量达到约100万台工业机器人。欧洲的增长趋势较缓，2016年达到约46万台，而美洲同年约为30万台工业机器人。从总体保有量来看，欧洲和美洲之间的差距远小于其与亚洲/澳大利亚在年度水平上的差距。需要注意的是，本分析未包含非洲大陆，因其保有量极小，无法与其他三个大洲相比较。我们对全球范围内工业机器人应用最广泛的四个发达国家的工业机器人保有量进行了分析。这些国家工业机器人的发展趋势如图3[15–21]所示。

已选择四个国家：中国、日本、美国和德国，因为日本、美国和德国是全球最发达的国家之一，而中国通过实施名为“中国制造2025”的政府战略，旨在到2025年成为全球技术最先进的国家之一。选择这些国家进行分析的另一个原因是，这些国家生产了全球数量最多的车辆，而车辆制造领域正是工业机器人应用最广泛的领域。根据图3可以得出结论，在生产过程中工业机器人的应用数量方面，中国位居第一，并且每年呈增长趋势。从2010年到2016年期间，中国的工业机器人应用数量增加了六倍，到2016年约应用了87,000台机器人，是日本的两倍，几乎是美国的三倍，德国的四倍，这证实了中国在工业生产方面的战略已取得积极成果。工业机器人应用数量位居第二的是日本，其应用数量略有增长，达到38,586台机器人2016年的工业机器人数量。第三位是美国，近年来工业机器人的使用呈现出类似的上升趋势，2016年达到约31,400台机器人单位。第四位是德国，过去几年的趋势保持稳定，2016年达到了约20,000台工业机器人单位。工业机器人被安装在那些能够保护工人健康、协助完成繁重且单调任务并提高精度的工作岗位上。第一类任务包括所有焊接工艺，因为这些工艺对健康有害，并且在汽车行业中广泛应用，而汽车行业的焊接过程自动化程度较高[22–28]。基于这些原因，我们开展了工业机器人在焊接工艺中应用情况的分析。

3 使用工业机器人实现焊接生产过程的自动化

焊接工艺：点焊、弧焊、激光焊接和钎焊属于对工人有害的工艺，因为这些工艺会产生有害气体，可能损害工人的健康。此外，这些工作枯燥、困难且单调，应尽量避免由人工操作。除特定无法应用机器人的任务外，应当使用工业机器人来替代人工。为了真实反映全球范围内这些工作的自动化状况，我们需要对工业机器人在焊接过程中的应用情况进行分析。工业机器人在焊接过程中的应用情况如图4所示。有关工业机器人应用趋势的统计数据来自国际机器人联合会（IFR）、联合国欧洲经济委员会（UNECE）以及经济合作与发展组织（OECD）[3, 4, 15–21]。

从图4中可以看出，2010–2016年期间，全球焊接工艺中工业机器人的应用呈增长趋势，尽管2012年略有波动。2016年，约有65,000台工业机器人数量应用于焊接工艺。与同年全球工业机器人的总使用量相比，可以看出，在焊接工艺中的占比为25%，占全球所有生产过程中所用工业机器人的四分之一。在焊接工艺中工业机器人应用方面，亚洲/澳大利亚位居第一，且每年呈增长趋势。2016年，亚洲/澳大利亚约使用了41,400台工业机器人数量，占全球焊接工艺中工业机器人总量的三分之二。在2010年至2016年期间，亚洲/澳大利亚大陆在焊接工艺中的机器人应用增加了23,000台机器人单元，即接近100%的增长。美洲和欧洲大陆在焊接工艺中的工业机器人应用则远远落后，而非洲大陆由于与其他三大洲相比其应用可忽略不计，因此未纳入本分析。北美洲在焊接工艺中的工业机器人应用可视为每年保持稳定，2016年约为13,154台工业机器人数量。欧洲大陆的情况略有不同，2010年和2011年的工业机器人应用高于之后五年。可以说，其应用在年度之间保持稳定（2012–2016年期间），2016年约为8,186台机器人单元。因此，我们可以得出结论：与各大洲工业机器人应用的整体趋势（如图2所示）以及各国工业机器人的应用情况（如图3所示）相比，焊接工艺中工业机器人的应用趋势是可以预期的。得出这一结论的原因在于，位于亚洲/澳大利亚大陆的中国是全球工业机器人应用最多的国家，并且在未来几年内仍呈增长趋势。汽车行业安装的工业机器人数量较多，其中焊接工艺的应用占比较高 [29–35]。为了真实反映工业机器人在汽车行业中的应用趋势以及有多少工业机器人被安装于焊接生产过程，我们对2010–2016年期间该行业中的应用情况进行了分析，如图5[15–21]所示。

工业机器人在汽车行业中的应用趋势逐年增长，同时伴随着工业机器人在焊接工艺中应用趋势的增长。如果我们比较图5中的前两条曲线，我们得出结论，每年汽车行业所拥有的工业机器人数量约占全球所有其他生产过程中工业机器人总量的40%。2016年，汽车行业使用了约103,323台机器人，显示出非常高的占比水平；而在同年，用于焊接工艺的机器人数量约为65,000台，占全球其他工艺中使用的工业机器人总数的25%。我们可以分析2016年各行业中工业机器人的数量分布情况。

图6(a) 显示了工业机器人在各工业领域中占比的准确示意图，其中展示了2016年工业机器人在各行业中的百分比。我们得出结论：2016年汽车行业以约39%的工业机器人使用率位居第一，这一结论合理；其次是电子/电气行业，约占34%；金属工业约占11%；塑料和橡胶行业（即化工）约占7%；最后是食品行业，约占3%的工业机器人数量。图6(b) 显示了2016年汽车行业中焊接工艺所使用的工业机器人占该行业工业机器人总量（约103,323台机器人）的比例。值得注意的是，汽车行业中有63%的工业机器人用于焊接工艺，而其余37%则用于汽车行业的其他生产过程。汽车行业的生产过程中，用于制造车身产品的工艺主要采用以下焊接方法：弧焊、点焊和激光焊接。前两种工艺在汽车车身生产中占据主导地位，因此本文重点分析了工业机器人在这两种工艺中的应用情况。迄今为止，由于工业机器人在激光焊接中的应用远少于另外两种工艺，因此尚未对激光焊接中工业机器人的应用情况进行分析。

2010–2016年期间，全球弧焊工艺和点焊工艺中工业机器人年度占比情况如图7所示。根据上图可知，工业机器人在点焊工艺中的应用呈增长趋势，尤其是在2014–2016年期间增长显著，且该焊接过程中机器人的应用远多于弧焊工艺。2016年，全球焊接过程中的工业机器人数量达到约34,056台。当我们分析了工业机器人在弧焊工艺中的应用情况，可以看出，与点焊工艺相比，机器人的占比相对较小。2016年，全球该焊接工艺中工业机器人的数量约为2,415台。为了获得工业机器人在全球所有焊接工艺中占比的比率，我们分析了2016年工业机器人的百分比，如图8所示。

全球汽车生产趋势（图9.a）呈逐年增长态势，2016年共生产车辆 94,997,000台。对全球车辆产量最高的国家（图9.b），即中国、美国、日本和德国（这些国家因工业机器人应用比例最高而被选中，见图3）的汽车生产情况进行分析后发现，中国是全球汽车生产的领导者，2016年产量约为 28,431,000台。中国在工业机器人应用方面也位居全球第一。美国在全球汽车生产中排名第二，年产量持续增长，2016年达到18,293,000台。日本的汽车生产位居第三，年产量保持增长，2016年达13,237,000台。根据图3可知，日本在工业机器人保有量上排名全球第二，美国位列第三；但在汽车生产方面排名则相反。其原因是日本在电子和电气行业中安装的工业机器人数量多于汽车行业。德国在全球汽车生产中排名第四，产量持续稳定，2016年约生产了6,062,000台车辆。如前所述，工业机器人主要应用于两种焊接工艺，即弧焊和点焊工艺。为了了解工业机器人在这两种焊接工艺中的全球分布情况，我们对其在各大洲的分布进行了分析，如图10[15–21]所示。

对各大洲弧焊领域工业机器人数量分布的分析（图10.a）表明，亚洲/澳大利亚在全球处于领先地位，且呈持续增长趋势。2016年，亚洲/澳大利亚应用的工业机器人数量约为16,805台，是同年欧洲或北美洲使用机器人数量的四倍左右。位居第二的是欧洲，其数量远低于亚洲/澳大利亚，且年增长趋势较为缓慢，2016年达到4,349台工业机器人。北美洲排名第三，年增长率同样较为平缓，2016年达到4,074台工业机器人。与弧焊相比，点焊过程中工业机器人数量的分布情况有所不同，如图10（b）所示。我们可以看到2016年，亚洲/澳大利亚工业机器人应用的年度增长趋势突显，达到约20,621台工业机器人数量，相对于其他国家而言，在工业机器人和汽车生产方面均处于极高水平。这一现象是中国科技发展战略“中国制造2025”的结果。北美洲位居第二，在点焊工艺中工业机器人的应用持续增加，2016年达到约8,932台工业机器人数量，是弧焊工艺的两倍。欧洲排名第三，其在点焊工艺中工业机器人的应用呈下降趋势，2016年仅为1,564台工业机器人数量。造成欧洲点焊工艺中工业机器人应用减少的原因多种多样，其中之一是汽车企业正在将生产过程转移至欧洲以外地区。中国、美国、日本和德国在弧焊和点焊工艺中工业机器人的应用情况如图11[8–21]所示。

如图11(a)所示，中国在2010–2016年期间弧焊工艺中使用工业机器人的趋势持续增长，但在最近两年相比2014年有所下降。2016年，中国的工业机器人数量达到8.088台。与中国的工业机器人应用规模相比，美国的规模要小得多，位居第二，呈轻微上升趋势，2016年达到3.948台工业机器人，约为同年中国的二分之一。日本排名第三，趋势与美国基本相同，2016年达到3.687台工业机器人。在弧焊工艺中工业机器人的应用数量方面，德国排名第四，其在2010–2016年期间的趋势几乎保持不变，2016年为1.157台。工业机器人在点焊工艺中的应用趋势与弧焊工艺中的趋势不同，如图11(b)所示。截至2013年，各国工业机器人应用的顺序依次为：美国、中国、日本，最后是德国。自2013年起，中国在点焊工艺中机器人应用方面位居第一，在2010–2016年期间呈持续增长趋势，到2016年中国工业机器人的应用数量达到10.772台工业机器人，比同年弧焊工艺中多使用了近2,500台。美国以逐年递增的趋势位居第二，2016年达到8.362台机器人，是弧焊工艺中应用数量的两倍。日本排名第三，年度应用趋势略有波动，2016年在点焊工艺中约为2.854台工业机器人。德国排名最后，在2010年和2011年曾位居第一。德国工业机器人的应用数量自2011年起开始下降，到2016年约为673台工业机器人。2010年和2011年，德国在点焊工艺中工业机器人应用趋势方面位居第一，但在过去五年中该趋势持续下降，到2016年达到最低值。这一趋势存在多种原因[28–35]。其中一个原因是德国的汽车制造商和汽车供应商正越来越多地投资于电动汽车和混合动力汽车；另一个原因是汽车企业正在全球其他国家组织生产等。

4 结论

基于全球范围内对使用工业机器人实现焊接生产过程自动化的分析，以及汽车生产量最大的国家的情况，我们可以得出以下结论：

• 全球在生产过程自动化中应用工业机器人的趋势在年度水平和总体水平上持续增长，因此到2016年年度水平达到约25.9万台工业机器人数量，而总体水平则达到约180万台工业机器人数量，如图1（a）和（b）所示。
• 根据图2可以看出，以工业机器人数量为指标的全球各大洲生产过程自动化的趋势，在2010–2016年期间逐年增长。第一位是亚洲/澳大利亚，其次是美洲，最后是欧洲。然而，当考虑已安装工业机器人总体水平上的生产过程自动化趋势时，顺序略有不同。第一位仍然是亚洲/澳大利亚，其次是欧洲，最后是美洲。亚洲/澳大利亚地区的生产过程自动化程度远高于欧洲和美洲。
• 关于四个主要国家在生产过程自动化中工业机器人的应用情况，我们可以得出结论：其趋势持续增长，中国位居首位，其次是日本、美国和德国。与其他三个国家相比，中国遥遥领先，仅2016年就安装了约82,000台工业机器人数量，相当于其他三个国家的总和。
• 全球焊接生产过程自动化的趋势逐年上升，亚洲/澳大利亚居首位，如图4所示。美洲位居第二，欧洲紧随其后。我们必须指出，2016年全球在焊接过程中使用的机器人数量约为65,000台，其中三分之二与亚洲/澳大利亚相关。
• 全球工业机器人应用最广泛、使用最多的领域是汽车行业，特别是汽车行业的焊接工艺，如图5所示。
• 关于2016年生产过程的自动化，我们可以看到汽车行业位居首位，占全球工业机器人总量的39%，其次是电气/电子行业占34%，金属工业占11%，橡胶和塑料行业占7%，最后是食品行业占3%。
• 工业机器人数量最多的应用领域是弧焊和点焊的生产过程，如图7所示。其中点焊居首位，其次是弧焊，两者均显示出工业机器人应用比例的增长趋势。
• 对图8的分析表明，2016年点焊工艺中工业机器人的应用比例为52%，其次是弧焊占39%，钎焊工艺占4%，最后是激光焊接占1%。
• 鉴于焊接工艺的自动化主要应用于汽车行业，因此对全球以及工业机器人应用最多的四个国家——中国、美国、日本和德国的汽车生产情况进行了分析，如图9所示。汽车生产的趋势呈增长态势。过去六年中，中国汽车生产量位居全球第一，在工业自动化过程中安装的工业机器人数量也位居全球首位。第二位是美国，随后是日本和德国。
• 根据各大洲在弧焊工艺自动化中工业机器人应用情况的分析，亚洲/澳大利亚位居第一，其次是欧洲和北美洲。在点焊自动化过程中，亚洲/澳大利亚同样位居第一，其次是北美洲，而欧洲则呈现下降趋势，如图10所示。
• 图11展示了2010–2016年间中国、北美洲、日本和德国在弧焊和点焊两种焊接工艺自动化中工业机器人年度占比的趋势。从该图可以看出，中国位居首位，与其他三个国家不同。此外，还表明德国在点焊中工业机器人的占比呈下降趋势。
• 最后，我们可以得出结论：在所有制造过程中，焊接生产过程自动化的趋势在未来将不断加强。这一结论源于当前全球正处于第四次工业革命，即德国人所称的“工业4.0”。将其应用于生产过程以及机器人技术本身，将催生新一代的工业机器人，能够与人类和机器安全协同工作，而无需设置隔离围栏。机器人将通过学习过程获得或适应新技能，并利用大量数据和集体学习，成为更智能的机器人，实现简化应用。持续质量改进需要复杂的高科技机器人系统。机器人通过承担危险、繁重和肮脏的工作，提升工作质量，而这些工作对人类而言是不可能或不安全的。