工业机器人在汽车制造业中的应用

工业机器人在汽车制造业中的应用工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。工业机器人已成为柔性制造系统（FMS）、工厂自动化（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动工具。我国工业机器人是从20世纪80年代开始起步，经过二十年余年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿以上。工业机器人50%以上用在汽车领域，当前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。目前，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔，现已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救援等各种非制造行业。但汽车工业仍是工业机器人的主要应用领域。据了解，美国60%的工业机器人用于汽车生产；全世界用于汽车工业的工业机器人已经达到总用量的37%，用于汽车零部件的工业机器人约占24%。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术以及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据统计，近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。焊接机器人在汽车制造业中发挥着不可替代的作用，焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。目前，焊接工业机器人在一汽、上汽、沈阳中顺、金杯通用、重庆长安、湖南长丰等整车制造企业广泛应用，据统计每辆汽车车身上，大约有3000～4000个电阻点焊焊点，电阻点焊技术的应用实现了汽车车身制造的量产化与自动化。多年来，我国汽车零部件生产一直是手工焊、专机焊占据焊接生产的主导地位，劳动强度大，作业环境恶劣，焊接质量不易保证，而且生产的柔性也很差，无法适应现代汽车生产的需要。近年来由于焊接机器人的大量应用，提高了零部件生产的自动化水平及生产效率，同时使生产更具有柔性，焊接质量也得到了保证。近年来，焊接机器人在大连华克、上海华克、上海龙马神、南京新迪、长春佛吉亚、上海汇众等零部件及配件生产企业也有着典型的应用。工业机器人（简称IR）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。工业机器人在汽车生产中的主要应用有：点焊，弧焊，铆接，涂胶，喷涂等。在汽车零部件的生产中广泛采用了点焊、凸焊、缝焊、对焊及电弧焊等焊接工艺。例如：横梁总成托架点焊，传动轴平衡片凸焊，汽车燃油箱缝焊，汽车轮圈连续闪光对焊，汽车转向臂、消声器、净化器壳体的电弧焊等。随着我国汽车工业的发展和对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供了一个良好的机会。预计国内企业对焊接机器人的需求量将以30%以上的速度增长。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性。而采用焊接机器人的汽车生产企业在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展，也必将为汽车产业的发展带来新的生机。以下是几种汽车制造行业中普片应用的几种机器人一、搬运机器人在汽车制造业中应用汽车桥箱类零件具有精度高、加工工序多、形状复杂、重量重的特点，为提高其加工精度及生产效率，各重型汽车生产厂家纷纷采用数控加工中心来加工此类零部件。而在使用数控加工中心加工工件时，要求工件在工作台上具有非常高的定位精度，且需要保证每次上料的一致性。由於人工上料此类的工件具有劳动强度高、上料精度不好控制等缺点，现在正逐步被工业机器人或专机进行上下料所取代。工业机器人具有重复定位精度高，可靠性高，生产柔性化，自动化程度高等突出的优势：与人工相比，能够大幅度提高生产效率和产品质量；与专机相比，具有可实现生产的柔性化，投资规模小等特点。机器人智能化自动搬运系统作为减速器壳体加工的重要生产环节，虽然已经在国内重型汽车厂内取得成功的应用，但依然尚未普及。在国家经济建设飞速发展的进程中，重型载重汽车的生产能力及生产力水平亟待有一个质的飞跃，而工业机器人即是提升生产力水平的强力推进器。如图所示为机器人自动柔性搬运系统的现场布局。该系统包括1台FANUCR-2000iB/165F机器人，1个机器人手爪，1个长11m的行走轴，2台上下料滑台，FANUCiRVision2DV视觉系统，FANUCiRVision3DL视觉系统，5台抽检滑台，电气控制系统。该系统使用1台机器人完成服务5台机床进行上下料的作业。图1机器人自动柔性搬运系统的现场布局在此系统中，1台FANUCR-2000iB/165F机器人被安装於行走轴上，能够实现整个系统的上下料动作。基於机器人专用手爪单元开发的手爪，非常适用於工件一致性较差的使用情况，并有较高的定位精度和抓持稳定性。在长度为11m的行走轴导轨上安装一台工业机器人，最大运动速度为1.5米/秒，使用FANUC伺服电机驱动，具有重复定位精度高、响应速度快、运行平稳、可靠等特点。此外，还专门设计了防尘罩，保护导轨、直线轴承以及齿条等运动部件，有效提高了可靠性和使用寿命。在实际应用中，导轨安装於两条生产线机床的中心线上，所安装的工业机器人运动范围完全覆盖5台机床以及上下料滑台区域。从而实现了1台机器人服务5台机床进行上下料作业。2台上下料滑台，每个上面有4个托盘，每个托盘分别可以存放一个工件。以实现待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在该系统中，由於使用了视觉技术，因此上下料滑台无需工件的定位装置。FANUCiRVision2D视觉系统由一个安装於手爪上的2D摄像头完成视觉数据采集。该视觉系统作为待加工工件准确抓取的定位方式，省去通常为满足机器人的准确抓取而必须采用的机械预定位夹具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地实现多产品混合生产。而FANUCiRVision3DL视觉系统由一个安装於地面上的3DLaserSensor完成视觉数据采集。该视觉系统解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。由於待加工工件为毛坯件，机器人抓取工件後，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。该技术可以自动补偿位置变化，实现高精度上料。5台抽检滑台分别针对一台机床，以实现随时对该机床加工工件质量的检测。电气控制系统运用人机界面对整个机器人自动柔性搬运系统的运行状态进行监控。采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工业现场总线实现系统中实时和非实时数据的传输，具有高度可靠性和可维护性。安全设备采用门开关作为机器人工作区域的安全防护，完全做到人机隔离，确保系统在自动运行中的人员安全。该套设备的应用极大地提高了产品的质量稳定性，节省了大批人工，提高了企业的自动化水平，减少了企业的劳动力成本支出，提高了产品的巿场竞争力。系统流程如图2所示。图2机器人自动柔性搬运系统流程图2D视觉技术：无夹具定位工件的自动柔性搬运机器人对无定位工件的自动柔性搬运系统的工作原理，就是利用高清晰摄像头（vision系统）实现对无定位工件的准确位置判断，在机器人收到信号後，机器人装上为工件定制的专用手爪可靠的抓取工件，在与机床进行通讯得到上料请求後，最终完成机床的上下料。在各种机械加工行业中该系统应用广泛。使用机器人对无夹具定位工件的自动柔性搬运系统可以使生产流水线更加简单易於维护，并大幅度降低工人的劳动强度，效率和柔性又比较高。该系统结构简单，安全文明，并且无污染，能在各种机械加工场合进行应用，满足了高效率、低能耗的生产要求。FANUCiRVision2DV视觉系统主要是通过视觉系统软件设置，建立视觉画面上的点位与机器人位置相对应关系。对工件进行视觉成像，与已标定的工件进行比较，得出偏差值，即机器人抓放位置的补偿值，实现机器人自动抓放。该技术实现了机器人在无夹具定位工件情况下的自动柔性搬运。在该上下料系统中，待加工工件形状复杂，用夹具进行定位非常复杂，也不利於以後同类新产品的扩展。应用FANUCiRVision2DV视觉系统後，待加工工件只需放置於上下料滑台无定位装置的托盘上，实际情况为待加工工件可以在托盘上移动正负2厘米以及旋转正负30度。这样大大减少了在上下料滑台上的设计工作，保证了系统的扩展功能。FANUCiRVision2DV视觉系统的原理是，选一个待加工工件作为初始工件，通过2DV视觉软件对该工件在摄像头中的画面点位与机器人示教点位的关系进行标定，同时完成初始工件的特征标定。示教完成的抓取程序为初始工件初始位置的抓取位置，此时工件抓取偏差值为零。当工件平移或者旋转後，位置与初始工件的位置发生变化。通过2DV软件，机器人能够计算出位置变化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。机器人把该偏差值存入位置寄存器[PR]中。此时机器人可以通过把偏差值[PR]补偿到初始抓取位置来实现工件的抓取。2DV视觉系统操作流程如图3。图32DV视觉系统操作流程在该上下料的应用中只有一种工件，当有多种工件时，2DV视觉系统可以根据不同的工件进行多次特征标定，实现多种工件之间的切换调用。大大提高了系统的可扩展性，柔性度高。3D视觉定位技术助力机器人准确上料3D视觉定位技术应用於机器人上料至机床。摄像头安装固定在3DL视觉支架上。该技术解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。由於工件为毛坯件，机器人抓取工件後，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。对於此，在没有3DL视觉系统的情况下，机器人是无法实现对工件的准确上料。其原理是：选一个毛坯件作为初始工件，通过3DL视觉软件对该工件在摄像头中的画面点位与机器人示教点位的关系进行标定，同时完成初始工件的特征标定。示教完成的上料程序为初始工件初始位置的上料位置，此时工件上料偏差值为零。当抓取其它毛坯件後，定位孔位置以及工件的平面度发生变化。通过3DL软件，机器人能够计算出位置变化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。机器人把该偏差值存入位置寄存器[PR]中。此时机器人可以通过把偏差值[PR]补偿到初始上料位置来实现工件的上料。2DV是通过摄像头计算平面变化量，3DL是通过摄像头和激光综合计算空间变化量。实际上3DL是2DV与激光技术的综合应用，该技术大大增加了系统设计的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件设计时。软浮动功能：补偿机器人手爪在抓取工件时产生的位置偏差软浮动功能（SoftFloat）应用於工件抓取和机器人机床上、下料步骤。该项目中，机器人手爪抓取处於待加工工件位置在毛坯面，各个毛坯件抓取位置与定位孔位置都有差异。毛坯面与定位孔位置的变化会引起一系列的问题，这包括：工件在托盘内，机器人抓取後，由於毛坯面带来的偏差就会导致工件在手爪抓取时产生移动，偏差大的时候会与托盘之间产生摩擦；机器人从机床下料时，由於毛坯面带来的偏差，导致手抓不能完全贴合毛坯面，即使强硬贴合上，在工件脱离定位销时会有严重