《制造業中的機器人、自動化和系統內建》—— 1.4 機器人應用的發展

機器人廣泛應用于制造業以及娛樂産業。國際機器人聯盟（irf）在“world robotics”（世界機器人）報告中指出，截至2012年年底，機器人的使用量已經超過100萬台（ifr,2013）。其中，有接近一半的機器人應用于汽車工業，包括汽車零部件行業。其次是機器人應用的第二大闆塊，約18%的機器人應用在電氣和電子工業。再次是塑膠和化工行業，約占10%。金屬和機械行業約占9%。汽車行業一直是機器人的最大使用者，是以，汽車行業不僅影響機器人的發展，還影響機器人應用的發展。

在汽車工業中，機器人最早被用于點焊，将各個沖壓件拼焊成車身。機器人具有很好的重複性和靈活性，使大部分手工焊接工作站實作了自動化。機器人焊接發展源于手工焊接，是以，它們通常都包括将工件在焊接工作站之間移動的輸送裝置，而每一個焊接工作站則由多個操作焊槍的機器人組成，如圖1-6所示。機器人點焊裝備基于手工焊接包，包括外置的變壓器和笨重的電纜，它們為焊槍提供電源。為了提供足夠大的負載，早期的機器人均采用液壓驅動，盡管它們很快就被電動伺服機器人所替代，因為電機驅動具有更好的性能和重複性。随着電機驅動機器人的負載能力的提升，變壓器和焊槍內建在一起，進而不再需要那麼多笨重的電纜。因為電纜磨損不像之前那麼快了，是以這些技術的進步提高了機器人焊接的可靠性。

最近，在焊接單元内，機器人被用來搬運工件，主要是搬運一些子部件，要麼利用固定焊槍形式，要麼其他機器人安裝焊槍。這種方案提升了系統的柔性，也擴大了機器人的數量。這種新方法的驅動力是更短的汽車設計生命周期和同樣的裝置生成更多種不同的産品。

焊接12裝備的技術和性能也得到了提升。例如，一些工廠采用了伺服驅動焊槍。這種焊槍完全由機器人控制。這種機器的好處是縮短了生産時間，因為焊鉗的打開或關閉操作可以在機器人到達指定位置之前開始，焊鉗開閉的大小也可由特定的焊接工序來控制。類似的操作，如自沖鉚釘和螺柱焊接，在使用機器人後，大部分都實作了自動化焊接。除此之外，工業界對雷射焊接表現出越來越高的興趣。雖然機器人雷射焊接成本較高，但是在某些情況下，性能和焊接品質更勝一籌。專門的雷射焊接機器人被開發出來，提供雷射焊接的整體解決方案，提升了可靠性和性能。

噴塗和車内密封是較早在汽車行業應用機器人的兩個領域。由于噴塗工廠中的房間的工作環境較差和追求塗裝品質一緻性，催生了機器人在噴塗行業的應用。噴塗作業最開始采用液壓機器人，因為噴塗工廠中的房間的氣體和顆粒濃度很高，是以不允許使用電機。防爆型噴塗機器人的開發成功，解決了這個問題，進而快速提升了性能和噴塗機器人使用的便利性。早期的機器人采用示教程式設計，噴塗勞工直接握住機器人手臂，拉動機器人走所需軌迹，大多數時候是邊噴邊走。機器人能夠記錄該軌迹并重複執行。這種程式設計方法的好處是可以實作路徑的快速生成，但是限制了路徑編輯和修改。是以，開發複雜的機器人程式就會費時費力。離線程式設計，利用一個包括機器人、噴塗工具和車身的仿真環境，成為更受歡迎的程式設計方法，并且行之有效，被廣泛使用。

在典型的噴塗工廠中的房間，許多其他自動化裝置也用于噴塗，包括噴槍往複機和靜電旋杯噴塗等。它們特别适用于線上體移動時，噴塗外表面。除了這些機器外，機器人通常被用于噴塗内表面，包括發動機艙、行李箱和車門等。為了到達這些區域，人們開發了與噴塗機器人協作的開啟裝置。伺服跟蹤也允許機器人在整個噴塗工廠中的房間跟随車身形狀。

如今，機13器人汽車噴塗系統能夠實作整體解決方案，對塗料和空氣混合做全閉環系統。該方案允許在噴塗過程中調整噴塗參數，進而獲得最佳效果。除此之外，顔色變換器也被內建到機器人手臂中，以減少顔色更換過程中的時間和塗料浪費。機器人還能夠被安裝更多的噴塗裝備，包括空氣噴塗、靜電空氣噴塗和靜電噴塗杯等。每一種裝備都有特定的好處，是以，對于某一特定的應用，機器人都能與最佳裝備比對。

車内密封原本是一項令人不愉快的工作，使用機器人後，就不是這樣了。剛開始時，噴塗機器人因為便于程式設計而被使用。然而，标準機器人也可以完成噴塗作業。機器人用于接縫密封是因為我們需要把密封條準确地放置在車身的接縫位置。這就需要使用标準機器人，以便達到所需要的精度。人們利用視覺系統來确定車身的位置，使得密封系統能夠适應車身的微小變化，在密封位置依然保持足夠高的精度。後來，人們通過使用閉環流體控制來實作更精确的控制和随密封要求而改變輸出，進一步提升了應用水準。粘接應用也快速地實作了，同樣也是以粘接品質為驅動力。這些應用包括直接安裝汽車玻璃、塗抹粘接劑然後将玻璃安裝到車身上，還包括其他各種粘接應用，比如發動機罩内面闆和外面闆的裝配等。

車身面闆是在沖壓工廠中的房間生産的。面闆也有可能是汽車原始裝置制造商（oem）或者他們的一級供應商生産的。機器人應用于沖壓線已有多年，用于在不同的沖壓機之間輸送面闆。這些機器人可以替代手工輸送或者替代專用的“鐵手”或其他輸送裝置。在某些領域中，沖壓線發展得更加成熟，現有的大型沖壓線自帶搬運裝置，利用機器人來進行上下料操作。然而，對于更多的傳統沖壓線，隻是在沖壓機之間使用機器人，仍然還有很大的自動化提升空間。

機器人在汽車總裝中的應用要慢于車身工廠中的房間的應用，這多半是因為所操作工件的難度和在車身内部作業的需要等因素。然而，現在許多應用都具備使用機器人實作自動化作業的潛力。公司在流程方面（例如，手工作業、半自動化或使用機器人的全自動化）的決策基于14成本因素而非技術障礙。

相似地，在發動機裝配中一開始就使用的機器人并不多。裝配操作通常都由專門的裝置來完成，實作更大的産量和更高的剛性自動化。由于柔性需求的增加，機器人在現代化的發動機裝配廠正在被大量地使用。除了常見的搬運操作和機床之間輸送工件外，機器人應用還包括裝配和去毛刺。

汽車零部件行業緊跟汽車工業，使用了大量的機器人。它們使用機器人技術作為提升品質和生産柔性的手段，以滿足使用者的需求。由于所生産的工件差别很大，機器人在不同行業的應用也千差萬别。在大多數情況下，機器人工作站是獨立的，而不是作為另一個更大自動化系統的部件，因為生産一個完整的元件隻需要較少的操作。這些應用大概可以分成幾類：塑膠、金屬加工、電氣和電子，以及裝配。

車輛上有大量的塑膠工件，包括内飾件（如儀表盤）和外飾件（如保險杠、門把手和擾流闆等）。在這些工件的生産過程中，機器人被用于注塑機下料、清理、水切割、裝配（包括粘接和焊接）和噴塗。

金屬加工應用包括生産車身的子部件，以及其他一些大型工件，如排氣系統等。在車身子部件方面，如懸挂系統，機器人應用包括壓機上下料，以及點焊和弧焊。弧焊是機器人在排氣系統制造中的主要應用領域，用于組裝排氣系統的各個工件，如排氣管、法蘭、安裝支架、消音器和催化轉化器。需要指出的是汽車零部件的弧焊作業主要是在零部件供應商處完成而不是在總裝廠。

許多機械工件裝配在一起才能變成汽車的動力部件。這些機器人應用包括機床上下料、磨削、去毛刺和其他金屬抛光應用。類似地，車燈、空調單元、電子和其他車内子部件由多種機器人來完15成裝配和測試。

近些年，電氣和電子行業見證了機器人使用量的大幅增長。許多專用機器被使用，例如用于制作印刷電路闆的機器。然而，機器人被用于印刷電路闆的上下料、測試、裝配更大元件，以及許多其他應用領域。電子行業機器人快速增長的主要動力是消費電子産品的産量增加，比如手機和平闆電腦等。電子行業的機器人主要應用在亞洲。

食品工業一直被認為是機器人應用的一個主要潛在增長點，主要是因為這個行業包括了大量的手工操作。然後，這個行業還沒有大量使用機器人，我們仍面臨着許多挑戰。首先，這個行業的人工費用低于其他行業（比如汽車行業），使得自動化的經濟性不高。其次，産品往往是有機物，難以操作。除此之外，産品在尺寸和外形上也不均勻。還有衛生管理規定，特别是那些操作裸露食物的規定，也對自動化裝置提出了特殊要求，比如沖洗，會增加裝置成本。最終的目的是建立一個全自動化的食品工廠，能提供更好的衛生條件，因為這樣可去除最大的污染源——操作人員。

ifr的一項分析資料是制造工業中的機器人密度，或者叫作每1萬名員工的機器人的台數。圖1-7展示了機器人使用量最大的幾個國家的汽車行業和其他工業領域的機器人密度對比。該圖證明全世界範圍内機器人的巨大潛力。如果非汽車行業應用的機器人達到汽車行業這麼高的比例，将使得機器人安裝台數大幅增加。即使在汽車行業，仍然存在許多潛在的新的機器人應用領域，特别是在機器人還未曾應用到的修邊和總裝配等操作。在開發中國家，特别是在中國、巴西和印度，機器人的增長潛力巨大。随着當地消費者需求和影響的增長，這些國家将會産生旺盛的需求，進而推動工業界提供更多的産品，反過來就會使用更多的機器人。