机器人在提高全世界汽车厂的生产质量、可靠性与效率方面起着重要作用

机器人在汽车部门的销量从2009年的19,300部,上升到2013年的69,400部,中国、德国、美国和日本是主要购买地。事实上,一篇独立的行业资讯供应商Visiongain的报道显示,2014年汽车制造业的自动化与机器人使用的预计价值达到大约136.6亿美元。随着汽车工厂使用更多的机器人,对机器人的需求将在今后几年会持续增加。
 
大众公司甚至认为,机器人是德国渡过劳动力老龄化困境的救命稻草。劳动力老龄化是由于生育高峰期出生的劳动力,在2015年至2030年间将陆续退休,又缺乏年轻人接班而造成的。最近大众公司主管人力资源的董事会成员,Horst Neumann在《Sueddeutsche Zeitung》上发表文章称,那些由生育高峰期劳动力担任的工作,特别是单调且不符合人体工学的工作,将会由机器人接班。他说,大众公司的机器人在使用期限内,每小时的成本是5欧元(约合5.67美元,包括维修和能源消耗)。而雇佣劳动力的成本大约是每小时40欧元(包括工资、津贴和医疗保健费用)。
 
在这种思维趋势下,快速发展机器人技术也就顺理成章了。技术供应商们都在运用最新的产品,试图占有更多的市场份额。

 
反思生产车间
意大利柯马公司(Comau)绝对算是专家。举例来说,Comau Flex是一款标准化自动焊接方案,据说可以反思生产车间的布局。该方案能够综合各部门的特点,比如对钣金加工与物流部门、可以实现快速安装与生产启动。
 
Comau Flex利用菲亚特“世界级制造(WCM)”标准,以两个模块化系统—VersaPallet和VersaRoll为基础完成。前者以一个高速、滚动传送机为基础,使用滑轨来搬运底盘零部件,在装配过程结束后运送汽车车体。而VersaRoll是基于一个货架和一个东芝的传送机(叫做Antler),用于车辆侧墙的加工过程。把两种系统综合起来之后,模块化系统就能完成多种任务,如装配、电阻、电弧与激光焊接,以及喷漆。该方案可以用于加工铝和钢。在意大利梅尔菲,菲亚特克莱斯勒工厂制造的520辆吉普车就采用了这种系统。
 

NJ4-90i, Comau

Comau's NJ4-90i spot welding robot is claimed to be unique in featuring an integrated welding gun
Comau Flex控制室在Open RoboGate S工作站,这里有密集的小室,18个机器人能在这里随意混合生产6中不同的车身模型。Comau公司将这个机器人基地与一系列标准产品综合,比如焊枪、操纵夹具、输送带、视觉方案和卷边系统。最终的目标就是提供能够在同一个生产线上同时生产多种汽车模型的灵活方案。
 
能够体现Comau Flex集成方案的最好实例产品就是焊接机 — 柯马Comau NJ4-90i机器人上的集成焊枪 — 据说,这个机器人在世界上独一无二。Comau公司称,焊枪的重量比同类产品轻30公斤,而多亏了焊枪的轻量,能使机器人在电阻焊接应用上负载不超过100公斤。
 
在意大利,FCA公司在卡西诺(Cassino),波米利亚诺(Pomigliano)和梅尔菲(Melfi)的工厂已经安装了VersaRoll和Verpallet生产线;波米利亚诺工厂里有365台焊接机运行,梅尔菲有250台。梅尔菲工厂每53秒钟就能随机混合生产一辆汽车。
 
Comau Flex举例展示了一个充斥着产业最新发展的技术领域。如“机械视觉”,意思是机器人能够解决过去认为是不可能的工作,比如加工大小差别极其微小铸件,或者是一堆连杆。现在,机器人能够使用二维和三维摄像技术,对细微差异进行调整,或者对随机生产的零部件进行调整。

争分夺秒

舒乐公司(Schuler)最近引进新一代冲压自动化设备。公司的横杆机器人用来将零部件从一个冲压线运到另一个冲压线:一次从冲模里搬出4个零部件,在需要的地方改变方向,然后直接放到下一个冲模里。
 
新型Crossbar 4.0机器人每分钟能运送15个零部件,是目前为止最快的型号。这主要是因为驱动系统里装有两个发动机和一个变速器,还有就是机器人的重量,最大负载量(包括模具)保持在90公斤上。而且,由于能量管理系统能够集成能量回收,能源效率提高了20%。
 

Crossbar Robot 4.0, Schuler
而且在冲压线上,ABB公司已经引进IRB 6660FX机器人,据说这能提高中等串联式冲压线的生产力,比传统的六轴机器人高出25%。
 
将一个双重动作单元融进IRB 6660FX,创造适合新旧冲压线的机器人,能在线性路径上快速运送中等零部件。ABB称,这样就可以消除传统六轴机器人在旋转零部件180度时所产生的震动。




轻快的触碰
最近触觉感测领域的研究进展,也给机器人技术即时调整动作很大的发展空间。ABB集成力控制(Integrated Force Control)等技术,实现了紧密度容限特质的零部件组装,而不需要超精密、且昂贵的固定装置。据ABB公司称,具有集成力控制传感器的机器人,能够模仿人类的臂膀,精确地寻找位置,并安装零部件。之后还有一个力传感器的反馈,使得机器人能即时对周围环境进行反应,调整到适当路径和速度上。
 
目前另一个趋势是协作机器人,即与人类近距离工作,而不需要看守。尽管大多数汽车工厂都向这个方向推进,但是最新的发展显示,这还需继续发展改进。比如,Kuka轻型7轴LBR iiwa(智能工业性作业助手)。它的特点是具有感知能力,比如,在所有的轴上都按有碰撞监测器和集成关节力矩传感器以确保安全。快速教导和简易的操作员控制器,从人体工学来说是极大地挑战,比如,完成插入汽车车体插头,或在狭窄的内部空间固定螺钉等动作。这是一个密集型系统。据Kuka公司称,这是唯一具有10公斤以上净载重量的轻型机器人,最高载重量可达到14公斤。
 
Kuka Roboter公司产品部经理Christian Felkel说,“我们要掀起新的机器人革命。我们首先要让LBR iiwa解放工人,摆脱人体工学设计糟糕的工作环境。然后,我们要创造全新的装配理念,最后我们想要在机器人和人类之间建立某种协作关系。”
 
这个领域另一个既得利益者是汽车供应商Universal Robots公司。去年晚些时候,公司将第三代UR5、UR10机械手臂公布于众。公司称,这些机器人拥有8个可调性安全承载功能,是世界上唯一能够适应每个特殊应用中先进安全设置的机器人。UR5和UR10机械手臂(净载重量分别为5公斤和10公斤)上,也安装了真正的绝对编码器。与其他许多工业机器人不同,这些机器人的动力并不是电池,因此消除了重新启动机器人的需要,能自动启动,并且很容易与其他系统兼容。
 
Universal Robots公司首席技术官Esben Østergaard说,新专利安全理念,就是机械手臂的逻辑发展:“当有人进入机器人工作室时,机器人能够以低速模式操作,当人离开之后又恢复到全速模式。为了实现在常速和低速模式之间的转化,新专利安全系统要监控8个功能:关节位置和速度;TCP(传输控制协议)位置;定位;速度与力;以及机器人的动量和动力。这些设置只能在一个密码保护区里进行变动。”
 


“人机互动能将需要重复性和精确度的劳动能力,与思考和解决问题的能力综合起来”
– Esben Østergaard, Universal Robots


当然对“安全机器人”,并没有什么行业标准定义。轻量化,并能以减速模式作业当然很有帮助,但是情理更占上风。Østergaard说,“我们Universal Robots公司非常严肃地讨论过这个问题。如果我们使用没有额外安全设备的机器人,那绝对要事先进行风险评估。UR5、UR10型机器人主要是用于没有看守的操作,因为机器人是以合作模式部署的,这是通过一个限力功能实现的。”2010年,丹麦技术机构(DTI)证实,由于使用了限力功能,机器人只要遇到60至87N的外部力量,就会立刻停下来。

UR5, Universal Robots
Østergaard说,“人机互动能将需要重复性和精确度的劳动能力,与思考和解决问题的能力综合起来。在Universal Robots公司,我们正在努力使新的机器人应用变为现实,但是用户必须是团队中的思考者,才能保证真正的安全。”
 
大众集团萨尔茨基特发动机厂,是首批使用Universal Robots公司机器人的工厂。在这里,一部轻型UR5机器人被安装在气缸盖装配部门,负责输送精巧的电热塞。由于上面的集成安全模式,这个6轴机械手臂能够在没有看守的情况下,与人类直接互动。这种机器人的特点是有一个协作的钳子,由系统集成商Faude公司开发。机器人小心地拿起精巧的电热塞,安到很难触碰到的钻孔里。然后由一个操作员负责将电热塞拧紧。


 对速度的需求
如果说在人机装配操作上,安全是第一重要的话,那在焊接线上速度就是最重要的了。Yaskawa公司日前揭晓了新型高速MS165和MS210机器人,比之前用于点焊的ES系列机器人快20%。Yaskawa公司Sigma-5电机技术使用起亚弹簧,以及轻量减负设计,可以在汽车车身周围进行较为密集的机器人操作,也可以在较小的工作间里进行一级应用。MS系列还包括新型MS100和MS80WII机器人型号,是为了更好地利用轻型MFDC(中频直流)焊枪而设计的。Yaskawa公司称,这种紧凑型机械臂要比传统的机器人快30%。
 
在焊接操作上,Cloos公司还介绍了Qirox一体化系列紧凑型机器人系统。Qirox一体化的意思是将工件定位器、机器人和机器人定位器合为一体(在一个底盘上安装联合)。这样就可以完成快速而高效益安装,因为这里并不需要精密调整,而系统的电器和机械方面都是安装好的。据Cloos公司称,一体化能够无障碍执行,因为可以达到更好的焊接部位。除此之外,标准设计可以让个体随时扩张和收缩。
 
不管应用情况如何,似乎有人在某个地方正在开发一种新型机器人,让操作变得更快、更精确、更灵活、更安全。出于这种考虑,眼光独到的汽车制造工程师们必须紧跟最新发展动向,才能保持竞争优势。

电气性能

EV comic, TeslaTesla commissioned an artist to depict its EV manufacturing process as a comic
电动车制造商Tesla加利福尼亚菲蒙市的工厂,在2014年共制造了大约35,000辆汽车。到今年年末为止,生产将会扩大50%。这要得益于最近引进的机器人。
 
设备升级带来最大的变化体现在总组装上,因为公司已经替换了大量的高架钢铁和机械结构,这样机器人就能举起并操纵整个汽车,这不仅提高了精确度,还节省了空间。在不久的将来,新型机器人将会安装汽车电池组了,把人类从高劳动负荷操作中解脱出来,减少安装时间,从原来的4分钟降到2分钟。
 
为了庆祝这种质的转变,Tesla公司将一名画家请到工厂来,以卡通漫画的形式描绘制造过程,印在机器人工作间的玻璃屏墙上。

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