1、工业机器人在汽车制造业中的应用与发展可行性报告工业机器人在汽车制造业中的应用与发展可行性报告摘要： 2引言： 21.工业机器人概述 31.1什么是工业机器人 31.2工业机器人在国内外的发展历程 31.2.1国外工业机器人的发展史 31.2.2中国工业机器人的发展经历了三个阶段： 41.3.工业机器人在汽车产业中广泛应用的意义 41.3.1可以极大地提高劳动生产率 41.3.2可以实现劳动作业省力化 41.3.3可以提高企业的市场竞争力 51.3.4可以扩大就业机会，提高技术创新能力 52工业机器人在国内外的发展现状 52.1 国外工业机器人的发展现状 52.1.1 日本的工业机器人 62.1
2、.2 欧洲的工业机器人。 62.1.3北美的工业机器人。 62.2 中国工业机器人现状 73.工业机器人在汽车领域中的应用 731焊接作业。 73.1.1焊接机器人的定义 83.1.2焊接机器人的种类 83.1.3焊接机器人的特点 83.1.4焊接在汽车工业的应用 832组装作业。 93.2.1 装配机器人的定义 93.2.2装配机器人的组成 93.2.3装配机器人应用的意义 933喷涂作业。 103.3.1喷涂机器人的特点 103.3.2喷涂机器人的分类 103.3.3喷涂机器人的应用意义 1134搬运作业。 113.4.1搬运机器人的定义 113.4.2搬运机器人的应用领域 113.4.3
3、搬运机器人的影响 114.工业机器人的发展趋势 114.1 高级智能化 114.2结构一体化 124.3 应用广泛化 124.4 产品微型化 124.5 组件、构件通用化、标准化和模块化 124.6 高精度、高可靠性 125.结束语 13摘要：自工业革命以来，制造业迅猛发展，给社会带来巨大的进步，在国民经济中具有不可动摇的位置。尤其是工业机器人的出现，使得生产效率大幅度提高，而且节省大量的劳动力，随着汽车工业的迅猛发展，机器人在先进汽车制造中的重要性也越来越凸显，工业机器人在汽车工业成长中起重大作用。随着工业机器人的广泛应用，在汽车工业中使用的工业机器人数量也越来越多。资料显示，到2010年6
4、0%以上的工业机器人被应用到了汽车工业中，汽车生产效率不断提高，汽车工业有了突飞猛进的发展。使通过综合的分析了解，更好的认识工业机器人在汽车业中各个环节的应用，使得工业机器人能得到健康的发展。关键字：工业机器人；汽车业；应用；发展。引言：随着20世纪80年代汽车工业的蓬勃发展。工业机器人被广泛的应用到了汽车工业的各个环节中。现阶段全球至少一百八十万台工业机器人且每年新增加工业机器人的数量不低于九万三千台。以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展。汽车制造业属于技术、资金密集型产业，也是工业机器人应用最广泛的行业。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
5、械的喷涂及焊接。2000年开始，受国家宏观政策调控及居民消费水平提高的影响，我国汽车工业进入了一个高速增长期。面对这种局面，国际汽车巨头纷纷进入中国市场并与我国企业合资设厂或扩大原有生产规模，国内企业也纷纷转型或加大对汽车行业的投资，整个行业增产扩能增加了对工业机器人需求。据不完全统计，最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的，海关进出口增长数据与汽车行业增长数据具有较高的相关度。可知，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。1.工业机器人概述1.1工业机器人的定义20世纪中期，随着计算机、自动化技术和原子能技术的发展，现代机器人开始在美国得到研究和发展，使
6、工业机器人在工业生产中得以广泛使用。工业机器人是一种能自动控制、可重复编程多功能、多自由度的操作机。它们通常配有机械手、刀具或其它可装配的加工工具，能够搬运材料、工件，完成各种作业是一种柔性自动化设备。1.2工业机器人在国内外的发展历程1.2.1国外工业机器人的发展史现代工业机器人是在20世纪40年代开始发展起来的，从技术上说，工业机器人的发展过程可分为三代，第一代为示教再现型机器人，是美国Unination公司成功研制的，它具有记忆存储能力。（如图1）它主要由机器手控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息重复再现执行，控制功能简单。但系统却很庞大，操作起来比较复杂，精度和可靠性也不高，
7、因此机器人仅能完成一些简单的顺序作业，机器人的维护量非常大，寿命也不长。 图1.世界上第一台机器人第二代为感觉型机器人,包括力觉、触觉、触觉、视觉等,它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力。随着微电子技术的发展，特别是随着微处理器的出现，计算能力和存储能力的扩大，使机器人能实现一些比较复杂的控制算法，因此大大提高了机器人的控制精度和作业能力。此外由于机器人的通讯能力的增强，使得机器人由过去的单台独立工作，变成可以多台机器人同时作业，甚至形成一条多台机器人组成的机器人生产线，大大拓展了机器人的应用领域。图2是一条点焊机器人组成的汽车焊接生产线。第三代为智能型机器人，以感觉为基础，以人工智能为特征
8、，具有逻辑判断和局部自主功能的机器人。它具有感知和理解外部环境的能力，在工作环境改变的情况下，也能够成功地完成任务，它尚处于实验研究阶段。图3为GE公司生产的智能安装机器人。 1.2.2中国工业机器人的发展经历了三个阶段：我国研究机器人的起步晚，大概在20世纪70年代，经过30多年的探索，我国的工业机器人自动化技术取得了长足的发展，但是与世界发达国家相比，还有不小的差距；机器人应用工程起步也较晚，应用领域窄，生产线系统技术落后。随着我国制造业尤其是汽车行业的发展，对工业机器人的需求日益增长，工业机器人的拥有量远远不能满足需求量。尤其是基础零部件和元器件生产和制造、机器人可靠性以及成本等问题，都
9、存在很多问题。尤其在大负载工业机器人方面，不仅产品长期大量依靠从国外引进，在维护、更新改造方面对国外的依赖也相当严重。第一阶段是20世纪70年代，为了跟踪国际机器人技术的发展，当时北京自动化研究所和沈阳自动化研究所相继开展了机器人技术的研究工作，但是由于种种原因机器人技术的研究及应用推广在我国十分缓慢。直到90年代初，也就研究了150台左右，而且大部分是作为演示用的，不能再生产实践中发挥作用。第二阶段是国家863计划把机器人技术作为重要的攻关内容，国家教委和国家自然科学基金委员会也都相继资助了一批有关机器人的研究项目。国内自行研制的工业机器人当中，北京自动化研究所研制的PJ型喷漆机器人（如图4
10、）这是国内自行研制的第一台微型机电液伺服控制，能示教再现，具有五个自由度的关节式机器人可实现手把手连续轨迹示教，自动再现其轨迹运动再现重复精度（实测达）它能适应复杂形面多品种喷漆自动化生产的要求，它被应用在北京吉普汽车有限公司车身喷漆生产线上，经一年使用并与引进的挪威型喷漆机器人比较证明：型机器人的应用效果已达国外八十年代同类机器人水平，它的应用提高了喷漆质量和工作效率，并节省涂料，深受工人欢迎。型机器人比机器人存储容量大，可适应多品种不同速度喷涂需要，与自动线的同步频率范围宽，能在左右工作，其价格仅为国外同类型机器人的三分之一。第三阶段是进入21世纪，中国的工业机器人发展进入了一个崭新的阶段
11、，其中最大的特点是以企业为主体，以市场为导向、赢利为目标的机器人产业开发群体正在形成。随着全球经济的一体化发展，世界制造中心向中国转移的趋势，中国工业机器人的产业会快速的发展起来，特别重要的是研制单位必须和需求紧密结合，让机器人走进工厂，实现真正的产业化。哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所所研制的120公斤点焊机器人（图5）应用于一汽红旗车身焊装生产线，该机器人具有工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点。机器人设计结构紧凑，外观宜人，运动平稳快捷，大大地提高了点焊作业的生产率。 图4. PJ型喷漆机器人 图5. 120公斤点焊机器人 1.3.工业机器人在汽车产业中广泛应用的意义随着世界经济的发
12、展和经济全球化，国内外的市场竞争将日趋激烈，企业必须走工业全面自动化的道路。机器人的出现，正是顺应了工业自动化新阶段柔性化的社会需要，是社会经济发达的必然产物。机器人的产业化及其广泛应用，必将为社会带来巨大的经济效益，把人类从繁重的体力劳动和有害环境中解放出来。应用机器人可对社会产生如下的积极影响：1.3.1可以极大地提高劳动生产率使用机器人可以提高各行业的自动化水平，它能代替人从事单调、笨重或危险的工作，且不知疲倦，能极大地提高劳动生产率。如在零件加工过程中采用机器人装卸工件，比人工装卸节省工时，生产率提高。1.3.2可以实现劳动作业省力化人类发明机器人的最初目的是为了用其代替人从事有害、危
13、险、艰苦、单调的工作，改善人的劳动条件。机器人可以不知疲倦地代替人进行搬运、上下料、堆垛、采矿、化工操作等作业，不仅可使人免除重体力劳动，还可免受有害物质的侵害，减少人员伤亡，实现作业省力化。随着机器人的发展，它还能不断地拓宽人类的活动领域，使人类可以进入到过去想进入而无法进入的地方，如太空、海底等。1.3.3可以提高企业的市场竞争力因为机器人具有高度的准确性、可靠性和一致性，因此，工业利用机器人作业，不但产品质量高而稳定，且能有效地降低库存（甚至零库存），从而降低成本；机器人能通宵达旦地工作，生产率极高，再加上机器人具有可编程功能和工作多样性的特点，因而能适应需求多变的市场。日本之所以能成为
14、世界头号汽车生产大国，其电子工业产品之所以能行销世界，都是与日本大量采用机器人生产分不开的。1.3.4可以扩大就业机会，提高技术创新能力机器人工业产业化和广泛应用，不仅可以使体力劳动和熟练工种减少，脑力劳动增加，而且新的工种增多。因此，机器人部分代替了人的工作后，不但不会造成失业，反而能扩大就业机会。据统计报导，在20 世纪80年代几年中，日本的制造业因应用机器人虽使焊工减少了4.9%，机床操作工减少了2.3%，但电子计算机操作员却增加了4.5%，穿孔机操作员增加了4.6%，软件技术员增加了10.2%，电气技术员增加了7.5%，机器技术员增加了7.0%，社会就业率呈上升趋势。人类社会最宝贵的资
15、源之一就是人的创造力，劳力密集型的产业不能充分发挥人力资源的创造潜力。只有充分利用机器人或自动化程度高的机器人代替人，就可以使人类更多地从事创造性研究工作，最大地发挥人的创造力，加快技术创新速度，促进社会发展。2工业机器人在国内外的发展现状2.1 国外工业机器人的发展现状 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。现阶段，世界上生产工业机器人较多、技术水平较高的地区有：日本、欧洲、北美。其中，日本和欧
16、洲的产品无论从数量还是种类都占据了主导地位。2.1.1 日本的工业机器人日本在1967年从美国引进第一台机器人,1976年以后，随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加，日本当时劳动力显著不足，工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎，使其日本工业机器人得到快速发展,现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。如FANUC P-50i是新一代的涂装机器人，是一款紧凑型机器人，针对一般工业喷涂而设计，也适用于晶体涂覆、遮蔽涂覆和涂胶。此六轴涂装机器人是FANUC涂装机器人系列产品中的第九代产品，设计用途就是要在危险的涂装环境中操作。川崎公司生产的多功能机器人，川崎
17、公司ZX165U机器人进行汽车车门焊接。它可以在复杂的环境中，依然可以灵巧而准确的把焊枪移动到需要焊接的部位，并且不会和工件发生任何不必要的接触。并且通过运用强大的信号控制，多台机器人可以相互配合，完成大规模的流水线作业。 2.1.2 欧洲的工业机器人。德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年,但战争所导致的劳动力短缺,国民的技术水平较高等社会环境,却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，在德国规定,对于一些危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动。这为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机器人技术的发展。目前,德国工业机器人的总数占世界第二位,仅次于日本
18、。 德国KUKA是欧洲最大的工业机器人生产商，图8为该公司生产的智能机器手，拥有交流伺服电机驱动六轴空间，绝对位置检测分解器，六轴都装有制动器，七米长电缆连接机器人及控制器。重复定位精度+/-0.12毫米，机器人适应局部辐射温度：250，可以在10s/min智能控制，自由翻转、喷涂、取件装卸、码垛、给汤、后续处理、焊接等无所不能。瑞典ABB机器人公司生产的一种革命性的新型IRB 5500喷涂机器人（图9）于2006年中期推出，它将汽车喷漆车间占地面积减少了一半，所需机器人数量从4个减少到2个，从而使喷漆车间的能源成本和二氧化碳排放量也降低一半。对世界汽车市场产生了巨大影响，大大降低了全球汽车制
19、造厂的能源成本。 受益于这种新型技术的大型汽车制造商有阿斯顿马丁、奥迪、宝马、戴姆勒、福特、本田、尼桑、标致雪铁龙和铃木。 图8.智能机器手 图9.IRB 5500喷涂机器人 2.1.3北美的工业机器人。美国是机器人的诞生地,早在1961年，美国的Consolided Control Corp 和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展，美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。主要以美国的各科研机构和几大汽车公司的研发为主。截止2004年1月，美国制造业中每1万雇员配置63台工业机器人。美国FANUC Robotics公司公开展示了
20、其最新研制的世界上最强大的工业机器人。这部有史以来最为庞大的机器人名为M-2000iA/1200， 图10. M-2000iA/1200 一次能够举起1200公斤的重物并将其平移1.25米的距离，主要应用于玻璃工业、铸造工业、建筑材料工业及汽车工业。人工智能系统可使机器人在各种环境下完成工作。2.2 中国工业机器人现状2010年，中国工业机器人拥有量超过10000台，约占全球总数的0.6%。目前，与制造业大国地位不符的是，中国的工业机器人应用数量仍然偏少，且主要依赖从日本、瑞典、德国、意大利、美国进口。中国长期实施的劳动密集型生产模式，众多的熟练工人和低廉的工资，以及促进就业的政策，导致了企业
21、升级生产设备、提高制造自动化水平动力不足，以及工业机器人应用数量少的现状。由于中国巨大的汽车市场，所有的国际汽车巨头纷纷投资遍布中国的工厂，因此，需要更先进的生产设备和系统，以扩大生产，提高效率，降低成本。2000年，由国家提高消费水平宏观调控，中国汽车行业进入快速增长期。面对这种情况，国际汽车巨头纷纷进入中国市场，并在中国设立合资工厂或扩大生产，转化或国内企业现有的规模也增加了汽车行业的投资，该行业可以增加产量工业机器人的需求扩大。据不完全统计，近年来，国内厂家生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业，海关进出口增长数据和汽车行业增长数据具有较高的相关性。由哈尔滨工业大学和奇瑞汽车有限股份
22、公司联合开发的国内首台自主研制的大负载点焊机器人“QH-165点焊机器人”（如图11），从技术上突破了高速、大负载工业机器人的机械系统优化设计，高速大负载运动平稳性控制的技术难点，实现了良好的人机交互操作。该机器人在奇瑞公司焊接生产线应用近一年，已经焊接几万套汽车车身部件。实践证明，焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，大大提高了点焊作业的生产率。图11.QH-165点焊机器人3.工业机器人在汽车领域中的应用资料显示，当前在各行业中工业机器人的使用百分比分别是：弧焊占16、点焊占15、物料搬运占13、装配占22、喷漆占3、铸造占3、冲压占3、上料卸料占15，码垛、检
23、测、研磨抛光和激光加工等复杂作业占14。而从行业看，工业机器人在汽车工业中的使用比例高达61。以上数据充分表明，工业机器人在汽车工业中的广泛应用。未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50%左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。 图12.汽车业中工业机器人的使用百分比从工业机器人在汽车工业中所负责的工艺主要有以下几个环节：31焊接作业。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
24、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。相信，在不久的将来，通过我们的共同努力，国内汽车行业的焊接技术会逐步缩短与国外先进焊装技术水平的差距，迎接WTO带给汽车工业的机遇和挑战。3.1.1焊接机器人的定义焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，并能将焊接工具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动焊接工具的机器
25、。用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。3.1.2焊接机器人的种类焊接机器人按照使用类型分为弧焊机器人、激光焊接机器人、点焊机器人等。3.1.3焊接机器人的特点：焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动弧焊机器人, 从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点： 1）稳定和提高焊接质量； 2）提高劳动生产率； 3）改善工人劳动强度，
26、可在有害环境下工作； 4）降低了对工人操作技术的要求； 5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。 3.1.4焊接在汽车工业的应用 随着汽车制造技术的发展，焊接工艺被广泛的使用。据统计每辆汽车的车身上约有4000个焊接点。手工焊接容易损害工人健康，且很难保证质量。焊接机器人可以克服恶劣的工作环境，大幅度提高焊接速度和质量。焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术，在工业中应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。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
27、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。焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。焊接机器人目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。丰田公司已决定将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。一汽丰田公司引进的点焊机器人流水线（如图16），用它来焊接车体各个零件。焊接机器人同时作业，共同对车体进行焊接，从而缩短了整个焊接生产线长度，提高了生产效率。 图16.一汽丰田的焊接生产线 32组装作业。3.2.1 装配机器人的定义装配机器人是
28、工业生产中用于装配生产线对零件或部件进行装配的工业机器人。它属于高、精、尖的机电一体化产品，它是集光学、机械、微电子、自动控制和通讯技术为一体的高科技产品，具有很高的功能和附加值。3.2.2装配机器人的组成装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手即 PU
29、MA 机器人（最早出现于1978年，工业机器人的祖始）和平面双关节型机器人即SCARA机器人两种类型。3.2.3装配机器人应用的意义与一般工业机器人相比，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点，主要用于各种电器的制造行业。现阶段汽车上要求安装的精度和速度也越来越高，且小配件越来越多，人工安装已经很难满足生产需求。用于装配作业的机器人，在小到车门、仪表盘、前后挡板、车灯、电池、座椅的安装，大到发动机的装配等，发挥了越来越重要的作用，大大提高了汽车装配的效率。图16为汽车厂内的装配机器人正在装配汽车的各个部件。图17.汽车厂内的装配机器人正在装配汽车的各个部件33喷
30、涂作业。喷涂机器人又叫喷漆机器人（spray painting robot）， 是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集团）发明。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。主要是用于车体外表面的漆皮的喷涂，这个对于车体的整车效果影响很大。3.3.1喷涂机器人的特点喷漆机器人是可进行自动
31、喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。随着国内汽车生产向着大规模、高质量和低成本的方向发展，传统的手工喷涂已经无法满足大多数整车厂车身涂装的要求，因此喷涂机器人技术在整车涂装领域的运用越来越广泛。 喷涂机器人的优点：图18.喷涂机器人在喷涂车间的工作（1） 柔性大，工作范围大（2） 能提高喷涂质量和材料的使用率（3） 易于操作和维护，可离线编程，大大的缩短现场调试时间（4） 设备利用率高，喷涂机器人的利用率可达90%95%。3.3.2喷涂机器人的分类喷涂机器人分为液压喷涂机器人和电动喷涂机器人。最早的喷涂机器人一般为液压驱动方式，它由本体、控制柜、液压系统组成。液压喷涂机器人的结构为六轴多关节型，工作空间大，腰回转采用液压马达驱动，手臂采用油缸驱动，手部采用柔性用腕结构，能喷涂形态复杂的工件并具有很高的生产效率。电动喷涂机器人一般也有六个轴，但工作空间大。在设计手臂时注意了减轻重量和简化结构，结果降低了惯性负荷，提高了高速动作的轨迹精度。3.3.3喷涂机器人的应用意义在汽车领域大量应用了机器人是因为喷漆工序中雾状漆料对人体危害严重，且喷漆环境各方面条件都很差。另外还可以提高产品质量和产品的产量，降低成本。随着国内汽车生产向着大规模、高质量和低成本的方向发展，传统的手工喷涂已经无法满足大多数整车厂车身涂装的要求，因此喷涂机器人
