工业机器人在汽车业中的应用与发展项目可行性研究报告Word文档格式.docx

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1.3.4可以扩大就业机会l、提高技术创新能力5

2．工业机器人在国内外的发展现状5

2.1国外工业机器人的发展现状5

2.1.1日本的工业机器人6

2.1.2欧洲的工业机器人.6

2.1.3北美的工业机器人.6

2.2中国工业机器人现状7

3.工业机器人在汽车领域中的应用7

3．1焊接作业.7

3.1.1焊接机器人的定义8

3.1.2焊接机器人的种类8

3.1.3焊接机器人的特点8

3.1.4焊接在汽车工业的应用8

3．2组装作业.9

3.2.1装配机器人的定义9

3.2.2装配机器人的组成9

3.2.3装配机器人应用的意义9

3．3喷涂作业.10

3.3.1喷涂机器人的特点10

3.3.2喷涂机器人的分类10

3.3.3喷涂机器人的应用意义11

3．4搬运作业.11

3.4.1搬运机器人的定义11

3.4.2搬运机器人的应用领域11

3.4.3搬运机器人的影响11

4.工业机器人的发展趋势11

4.1高级智能化11

4.2结构一体化12

4.3应用广泛化12

4.4产品微型化12

4.5组件、构件通用化、标准化和模块化12

4.6高精度、高可靠性12

5.结束语13

6.参考文献13

自工业革命以来l、制造业迅猛发展l、给社会带来巨大的进步l、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l、使得生产效率大幅度提高l、而且节省大量的劳动力l、随着汽车工业的迅猛发展l、机器人在先进汽车制造中的重要性也越来越凸显l、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l、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l、到2010年60%以上的工业机器人被应用到了汽车工业中l、汽车生产效率不断提高l、汽车工业有了突飞猛进的发展.使通过综合的分析了解l、更好的认识工业机器人在汽车业中各个环节的应用l、使得工业机器人能得到健康的发展.

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工业机器人；

汽车业；

应用；

发展.

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l、也是工业机器人应用最广泛的行业.在我国l、工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业l、主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接.

2000年开始l、受国家宏观政策调控及居民消费水平提高的影响l、我国汽车工业进入了一个高速增长期.面对这种局面l、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l、国内企业也纷纷转型或加大对汽车行业的投资l、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l、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l、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l、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l、随着计算机、自动化技术和原子能技术的发展l、现代机器人开始在美国得到研究和发展l、使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l、能够搬运材料、工件l、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l、从技术上说l、工业机器人的发展过程可分为三代l、

第一代为示教再现型机器人l、是美国Unination公司成功研制的l、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l、可按预先引导动作记录下信息重复再现执行l、控制功能简单.但系统却很庞大l、操作起来比较复杂l、精度和可靠性也不高l、因此机器人仅能完成一些简单的顺序作业l、机器人的维护量非常大l、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l、特别是随着微处理器的出现l、计算能力和存储能力的扩大l、使机器人能实现一些比较复杂的控制算法l、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l、使得机器人由过去的单台独立工作l、变成可以多台机器人同时作业l、甚至形成一条多台机器人组成的机器人生产线l、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l、以感觉为基础l、以人工智能为特征l、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l、在工作环境改变的情况下l、也能够成功地完成任务l、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.

我国研究机器人的起步晚l、大概在20世纪70年代l、经过30多年的探索l、我国的工业机器人自动化技术取得了长足的发展l、但是与世界发达国家相比l、还有不小的差距；

机器人应用工程起步也较晚l、应用领域窄l、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l、对工业机器人的需求日益增长l、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l、都存在很多问题.尤其在大负载工业机器人方面l、不仅产品长期大量依靠从国外引进l、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l、为了跟踪国际机器人技术的发展l、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l、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l、也就研究了150台左右l、而且大部分是作为演示用的l、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l、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l、北京自动化研究所研制的PJ型喷漆机器人（如图4）这是国内自行研制的第一台微型机电液伺服控制l、能示教再现l、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l、自动再现其轨迹运动再现重复精度±

２．５ｍｍ（实测达±

１．８ｍｍ）它能适应复杂形面多品种喷漆自动化生产的要求l、它被应用在北京吉普汽车有限公司车身喷漆生产线上l、经一年使用并与引进的挪威ＴＲＡＬＬＦＡ－４００型喷漆机器人比较证明：

ＰＪ－１型机器人的应用效果已达国外八十年代同类机器人水平l、它的应用提高了喷漆质量和工作效率l、并节省涂料l、深受工人欢迎.ＰＪ－１型机器人比ＴＲＡＬＬＦＡ－４００机器人存储容量大l、可适应多品种不同速度喷涂需要l、与自动线的同步频率范围宽l、能在０℃左右工作l、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l、中国的工业机器人发展进入了一个崭新的阶段l、其中最大的特点是以企业为主体l、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l、世界制造中心向中国转移的趋势l、中国工业机器人的产业会快速的发展起来l、特别重要的是研制单位必须和需求紧密结合l、让机器人走进工厂l、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l、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l、外观宜人l、运动平稳快捷l、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

随着世界经济的发展和经济全球化l、国内外的市场竞争将日趋激烈l、企业必须走工业全面自动化的道路.机器人的出现l、正是顺应了工业自动化新阶段——柔性化的社会需要l、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l、必将为社会带来巨大的经济效益l、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l、它能代替人从事单调、笨重或危险的工作l、且不知疲倦l、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l、比人工装卸节省工时l、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、危险、艰苦、单调的工作l、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l、不仅可使人免除重体力劳动l、还可免受有害物质的侵害l、减少人员伤亡l、实现作业省力化.随着机器人的发展l、它还能不断地拓宽人类的活动领域l、使人类可以进入到过去想进入而无法进入的地方l、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l、因此l、工业利用机器人作业l、不但产品质量高而稳定l、且能有效地降低库存（甚至零库存）l、从而降低成本；

机器人能通宵达旦地工作l、生产率极高l、再加上机器人具有可编程功能和工作多样性的特点l、因而能适应需求多变的市场.日本之所以能成为世界头号汽车生产大国l、其电子工业产品之所以能行销世界l、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l、提高技术创新能力

机器人工业产业化和广泛应用l、不仅可以使体力劳动和熟练工种减少l、脑力劳动增加l、而且新的工种增多.因此l、机器人部分代替了人的工作后l、不但不会造成失业l、反而能扩大就业机会.据统计报导l、在20世纪80年代几年中l、日本的制造业因应用机器人虽使焊工减少了4.9%l、机床操作工减少了2.3%l、但电子计算机操作员却增加了4.5%l、穿孔机操作员增加了4.6%l、软件技术员增加了10.2%l、电气技术员增加了7.5%l、机器技术员增加了7.0%l、社会就业率呈上升趋势.

人类社会最宝贵的资源之一就是人的创造力l、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l、就可以使人类更多地从事创造性研究工作l、最大地发挥人的创造力l、加快技术创新速度l、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l、技术附加值很高l、应用范围很广l、作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业l、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l、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l、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l、日本和欧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l、随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加l、日本当时劳动力显著不足l、工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎l、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l、素有“机器人王国”之称.

如FANUCP-50i是新一代的涂装机器人l、是一款紧凑型机器人l、针对一般工业喷涂而设计l、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l、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l、川崎公司ZX165U机器人进行汽车车门焊接.它可以在复杂的环境中l、依然可以灵巧而准确的把焊枪移动到需要焊接的部位l、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l、多台机器人可以相互配合l、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l、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.

德国KUKA是欧洲最大的工业机器人生产商l、图8为该公司生产的智能机器手l、拥有交流伺服电机驱动六轴空间l、绝对位置检测分解器l、六轴都装有制动器l、七米长电缆连接机器人及控制器.重复定位精度+/-0.12毫米l、机器人适应局部辐射温度：

250℃l、可以在10s/min智能控制l、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IRB5500喷涂机器人（图9）于2006年中期推出l、它将汽车喷漆车间占地面积减少了一半l、所需机器人数量从4个减少到2个l、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l、大大降低了全球汽车制造厂的能源成本.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.IRB5500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l、美国的ConsolidedControlCorp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l、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l、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l、美国制造业中每1万雇员配置63台工业机器人.美国FANUCRobotics公司公开展示了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/1200l、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l、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l、中国工业机器人拥有量超过10000台l、约占全球总数的0.6%.目前l、与制造业大国地位不符的是l、中国的工业机器人应用数量仍然偏少l、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l、众多的熟练工人和低廉的工资l、以及促进就业的政策l、导致了企业升级生产设备、提高制造自动化水平动力不足l、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l、所有的国际汽车巨头纷纷投资遍布中国的工厂l、因此l、需要更先进的生产设备和系统l、以扩大生产l、提高效率l、降低成本.

2000年l、由国家提高消费水平宏观调控l、中国汽车行业进入快速增长期.面对这种情况l、国际汽车巨头纷纷进入中国市场l、并在中国设立合资工厂或扩大生产l、转化或国内企业现有的规模也增加了汽车行业的投资l、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l、近年来l、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l、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）l、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l、高速大负载运动平稳性控制的技术难点l、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l、已经焊接几万套汽车车身部件.实践证明l、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l、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l、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％l、码垛、检测、研磨抛光和激光加工等复杂作业占14％.而从行业看l、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l、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l、年增幅达到50%左右l、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：

3．1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l、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l、焊接机器人不断向智能化方向发展l、完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制l、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l、也必将为汽车产业的发展带来新的生机.相信l、在不久的将来l、通过我们的共同努力l、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l、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l、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l、具有三个或更多可编程的轴l、并能将焊接工具按要求送到预定空间位置l、按要求轨迹及速度移动焊接工具的机器.用于工业自动化领域.为了适应不同的用途l、机器人最后一个轴的机械接口l、通常是一个连接法兰l、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l、使之能进行焊接l、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l、随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展l、自动弧焊机器人,从60年代开始用于生产以来l、其技术已日益成熟l、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l、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l、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l、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l、且很难保证质量.焊接机器人可以克服恶劣的工作环境l、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l、在工业中应用的历史并不长l、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l、是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人l、主要用于工业自动化领域l、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l、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l、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l、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l、汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接l、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）l、用它来焊接车体各个零件.焊接机器人同时作业l、共同对车体进行焊接l、从而缩短了整个焊接生产线长度l、提高了生产效率.图16.一汽丰田的焊接生产线

3．2组装作业.

3.2.1装配机器人的定义

装配机器人是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l、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l、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l、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l、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PUMA机器人（最早出现于1978年l、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l、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l、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l、且小配件越来越多l、人工安装已经很难满足生产需求.用于装配作业的机器人l、在小到车门、仪表盘、前后挡板、车灯、电池、座椅的安装l、大到发动机的装配等l、发挥了越来越重要的作用l、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

3．3喷涂作业.

喷涂机器人又叫喷漆机器人（spraypaintingrobot）l、是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人l、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l、多采用5或6自由度关节式结构l、手臂有较大的运动空间l、并可做复杂的轨迹运动l、其腕部一般有2～3个自由度l、可灵活运动.较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕l、既可向各个方向弯曲l、又可转动l、其动作类似人的手腕l、能方便地通过较小的孔伸入工件内部l、喷涂其内表面.主要是用于车体外表面的漆皮的喷涂l、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l、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l、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l、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l、可离线编程l、大大的缩短现场调试时间

（4）设备利用率高l、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l、