工业机器人技术基础 课件第8章 工业机器人的工业应用

工业机器人与汽车制造业的发展1、为什么机器人在汽车制造业的应用最早最普遍2、工业机器人在汽车制造业中的应用1/91为什么机器人在汽车制造业的应用最早最普遍

在美国，超过60%的工业机器人用于汽车制造业，而全世界用于汽车工业的机器人也已经达到总用量的40%以上，在国内，汽车行业使用的机器人占据了半壁江山。作为一种高技术装备，机器人为什么在汽车制造业应用最早、最普遍呢？这与汽车制造业的特点不无关系。1.产量大（需求量大），生产密集2.产品一致性高，操作重复程度高

3.制造流程相对固定，适合生产线的制造形式

2/91为什么机器人在汽车制造业的应用最早最普遍

焊接和喷漆是最早应用机器人实现自动化的，随后，在装配、搬运、监测以及机器人零部件生产等方面都引进了机器人技术。

工业机器人推动了汽车行业的加速发展，主要体现在实现高产量，大幅提高汽车整车和零部件的质量和均一性，提高整车装配技术水平和质量，替代人工完成很多高强度高污染及恶劣环境的工作，节省人工和管理成本，实现生产和供应链信息化智能化，提升企业总体效益等等。相比其他行业，汽车业对产品质量、精度和组装的要求高，需要高质量、大规模生产并替代人工重复劳动。基于同样的原因，电子业应用机器人也非常普遍。同时，目前生物医药、食品等领域的工业机器人应用也越来越多。从这个层面来看，与其说是汽车领域最普遍和最成功地应用了工业机器人，倒不如说是汽车领域牵引了工业机器人技术的在其他领域的发展和应用。

3/92工业机器人在汽车制造业中的应用

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。

4/92工业机器人在汽车制造业中的应用搬运机器人

汽车车身钣金件一般使用多台压力机经多道冲压工序加工完成。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和下料的及时性。由于人工上下料此类工件劳动强度高、上料精度不好控制，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。

同时，搬运机器人可进行料垛的搬运和码垛拆垛工作。5/92工业机器人在汽车制造业中的应用焊接机器人

焊接车间是机器人使用最多的车间，对国内厂家来说，年产能20万辆的焊接车间，早期通常使用60-80台机器人，如奇瑞A3生产线62台机器人，江淮乘用车79台机器人。2014年后则大幅度提升，如江铃小蓝二期基地为60台（年产能10万辆），吉利宝鸡基地采用128台焊接机器人，广汽菲克广州则高达440台，长城徐水二期基地也是大约300台。国外比例更高，特斯拉Model3的年产能大约25万辆，使用大约420个焊接机器人。长安福特杭州厂产能为25万辆，使用503个日本川崎重工的机器人。宝马铁西工厂，年产能30万辆，使用685个工业机器人，一汽大众佛山厂年产能36万辆，使用842个焊接机器人，效率高达72JPH。广汽菲克的自动化率最高，达98%。6/92工业机器人在汽车制造业中的应用喷涂机器人

喷涂机器人在汽车制造业中可喷涂形态复杂的汽车工件，而且生产效率很高，多用于汽车车体的喷涂作业，如喷漆、喷釉等。

全球提供全套机器人喷涂系统的主要有德国DURR、瑞士ABB、日本Fanuc、法国SAMES和日本川崎。机器人喷涂系统主要包括机器人手臂、移动滑轨、高速静电旋杯、集中供调漆及其它辅助控制系统，基本上都是针对单一车型定制的。7/92工业机器人在汽车制造业中的应用AGV移动机器人

在汽车总装过程中，机器人的使用还并不是很多，主要设备有地面输送机、悬挂输送机、板式输送机、装调工具、检测设备、AGV等。

AGV也被称为无人搬运车，是一种由计算机控制，自带动力或动力转化装置，装备有电磁或光学等自动导引装置并能沿规定引导路径自动行驶的轮式移动运输工具，一般具有安全防护、移载（装卸）等功能。根据相关国家标准中的定义，AGV属于移动机器人的范畴，而非工业机器人，但由于其结构紧凑、运动路径灵活、自动化程度高、可靠性强等优势，被广泛应用与工业生产流程和物流运输中的物料搬运流转。8/9THANKS!9/9冲压工艺及生产线1、冲压工艺2、冲压生产线11/81冲压工艺

汽车的整个车身在没有进行涂装以前可以说就是一堆钢材，它是由各种各样的冲压件焊接而成的，而每一个冲压件都是由钢板通过冲压机床冲压而成的。冲压工艺是一种金属加工方法，冲压设备对原料（板材、带材、管材及其他型材）施加压力，利用模具形状，使板料产生塑性变形或分离，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的冲压件。在进行冲压前，需要把钢板在切割机上切割出合适的大小，进行简单的冲孔、切边后，就会进入真正的冲压成形工序。12/81冲压工艺

冲压工序中的两大要素是：冲压机和模具。

一般冲压机有2000吨、1600吨、1000吨、800吨、500吨吨位的不同型号。不同工件对应不同的模具，把各种各样的模具装到冲压机上就可以冲出不同形状的工件，模具的质量也直接决定着工件的质量。冲压大多都是原料先经过清洗涂油，冲压成形，然后再经过冲孔、切边、翻边等等工序，最后形成所需要的工件。

13/82冲压生产线图示为典型冲压生产线的结构，主要包括冲压机、输送链、清洗涂油设备和工业机器人。工业机器人主要完成板料的拆垛以及多个冲压机间的上下料。经过质量检测环节之后，合格工件被码放保存。工件的码放有两种方式：人工拾料装箱和机器人搬运码垛。在给冲压机上料之前，需通过机器视觉系统对正工件位置，以保证冲压位置准确。14/82冲压生产线

在冲压生产线中，工业机器人的操作替代了工件线上各工位间的人工搬运，且相关工序之间不需要再设置半成品存放区，减少了半成品流转之间的磕碰率，使车间现场更加井然有序。15/82冲压生产线图示为完成冲压的工件被机器人从模具上取下，即将被搬运至下一工位。16/82冲压生产线图示为工人对下线冲压件进行人工检测。17/8THANKS!18/8工业机器人集成系统的组成1、集成系统组成1.1工装夹具1.2输送装置

2、集成系统型式20/81集成系统组成

工业机器人集成系统是工业机器人与协同单元（例如传感器、末端执行器、输送装置、工装夹具、机器人外部轴、安全保护装置等）配合，利用通信技术实现各单元间的信息传递和流程控制，将各个独立的小单元结合成的完整的、能够实现特定功能的系统。21/81.1工装夹具

工装工装即工艺装备，指制造过程中所用的各种工具的总称。包括刀具/夹具/模具/量具/检具/辅具/钳工工具等。工装为其通用简称。工装分为专用工装/通用工装/标准工装(类似于标准件)

。夹具是用以装夹工件(或引导刀具)的装置。夹具属于工装，工装包含夹具，属于从属关系。

夹具又称卡具，从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具，例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。图示为焊接夹具。22/81.1输送装置

输送装置是生产中应用于物料、产品输送的设备。在企业生产中最为常见的的输送装置有以下五种。1、皮带输送线：皮带输送线是我们常见的一种生产设备，应用范围也比较广泛，在食品、电子、包装、化工等行业都有应用。2、滚筒输送线：滚筒输送线又可分为无动力和动力两种输送形式，在包装行业应用广泛，同时也会在一些其他生产设备中用于辅助输送。

23/81.1输送装置3、链板输送线：链板输送线是以金属板为输送链，可以承载大宗、较重的物品，因此，链板输送线比较适合应用于重工业生产，如汽车制造、电视机生产等。4、网带输送线：网带输送线是以金属网为输送载体的流水线设备，常用于产品的烘干。5、悬挂输送线：悬挂输送线就是悬挂链输送线，以悬挂的方式完成产品的输送，常与链板输送线一起应用于汽车制造等行业。

24/82集成系统型式

根据生产的组织形式不同，工业机器人集成系统大致可分为工作站和生产线两类。

工作站通常指的是包含一台或多台机器人的，在某一固定的空间区域内可以完成指定工序动作的集成系统设备。

25/82集成系统型式

生产线大多是由输送装置将一组制造设备或工作站按照工艺顺序联结起来的流动式集成系统设备，能够自动顺序完成产品全部或部分制造过程。26/8THANKS!27/8机器人外部轴机器人外部轴

当仅靠机器人的动作范围还达不到使用要求的位姿时，可以考虑通过增加辅助设备来配合机器人联动，以达到所要求的位姿，这些辅助设备就叫做外部轴。滑轨是最常见的外部轴，可线性扩展工业机器人本体的工作范围；焊接工艺中常使用的变位机也可作为机器人的外部轴使用，实现复杂焊接。29/4机器人外部轴

在为工业机器人扩展外部轴时，需要先将其配置到工业机器人控制系统中（目前主流品牌工业机器人都配有外部轴扩展的硬件/软件接口），才能使用机器人示教器对本体轴和外部轴同时编程进行联控。30/4机器人外部轴

在机器人应用领域，滑轨除了作为外部轴使用，还有另外一种依靠PLC控制的使用形式。这种形式也可以扩展工业机器人的工作范围，与外部轴形式的区别在于无法与机器人本体轴联动，滑轨带动机器人滑动时需要保证机器人处于安全位姿（滑动过程中不会出现碰撞）。31/4THANKS!32/4认识AGV1、自动导引车（AGV）2、AGV的工作原理及组成3、AGV的引导方式4、AGV的定位方法34/161自动导引车（AGV）

自动导引车(AutomatedGuidedVehicle，简称AGV)是一种以电池为动力，装有非接触式导向装置的无人驾驶自动运输车。其主要功能是：在计算机控制下，通过复杂的路径将物料按一定的停位精度输送到指定的位置上。从20世纪50年代中期，Barret公司设计出无人驾驶卡车，也就是AGV的最早雏形。到70年代，AGV作为生产组成部分进入了生产系统，AGV广泛应用于汽车制造、机械、电子、钢铁、化工、医药、印刷、仓储、运输业和商业上。近年来，自动化技术呈现加速发展的趋势，国内自动化立体仓库和自动化柔性装配线进入发展与普及阶段。其中，在自动仓库与生产车间之间，各工位之间，各段输送线之间，AGV起了无可替代的重要作用，与传统的传送辊道或传送带相比，AGV输送路线具有施工简单、路径灵活，不占用空间、较好的移动性、柔性等优点。

35/161自动导引车（AGV）36/162AGV的工作原理及组成

AGV以可充电蓄电池为动力来源，装备电磁感应传感器，沿固定的、铺设在地板上的电流轨道进行移动，通过上位组态软件、PLC和铺设在地面的地标信息，实施启动、停止、拐弯等动作。AGV的结构主要包含：车体、感应装置、动力装置、驱动装置、转向装置、导引装置、移载机构、控制系统等。1、车体车体主要包含车架、车身箱体等机械承载结构或防撞结构。车架通常为焊接钢架结构，用于安装和固定驱动装置、转向装置以及识别路径的感应装置。2、动力装置动力装置为AGV上驱动电机及通信设备等所有用电设备供电，包括蓄电池（目前常见的AGV为电力驱动）及充电系统。

37/162AGV的工作原理及组成

3、驱动装置驱动装置是驱动AGV运行，可合理控制速度和制动的系统，包括电机、驱动器、减速机、制动器、车轮等部件，与电动汽车的驱动系统类似。驱动方式可以分为：单轮驱动（单向运动）、差速驱动（双向运动）和全驱动（横向、纵向、斜向及回转运动）。4、转向装置转向装置控制AGV行进方向。对应三种驱动方式，转向装置分为以下三种型式。(1)铰轴转向型车体的前部有一个转向驱动车轮，后部为两个自由转动轮，车体由前轮驱动实现向前单向行驶。其结构简单、成本低，但定位精度不高。38/162AGV的工作原理及组成

(2)差速转向型车体的中部有两个驱动轮，前后部各有一组自由转动轮。通过控制中部两个轮的速度比可实现车体的转向（如图所示当两轮速度关系为V1>V2时，车体沿底视视角的逆时针转向），切换驱动装置的输出转向可实现向前后双向行驶。这种方式结构简单，定位精度较高。(3)全轮转向型车体的前后部各有两个驱动和转向一体化车轮，可实现沿纵向、横向、斜向和回转方向的灵活行驶（图示实现斜向行驶），但控制算法比较复杂。39/162AGV的工作原理及组成

5、引导装置导引装置的作用就是为AGV“导航”，主要包括电磁导引、直接坐标导引、光学导引、磁带导引、激光导引、惯性导引、GPS导引、图像识别导引等方式，根据路径是否固定又可以分为预定路径方式和非预定路径方式。6、移载机构移载机构用于物料的装卸，安装于车体之上。常见的AGV装卸方式可分为被动装卸和主动装卸两种。7、控制系统控制系统包含上位调度系统、地面控制系统和车载控制系统，这种控制系统的层次与我们常使用的软件叫车服务系统十分相似，用户通过软件发送用车需求（上位调度），软件通过GPS识别最优车辆并派遣（地面控制），车辆根据导航到达用户指定位置（车载控制）。40/163AGV的引导方式所谓AGV导引方式是指决定其运行方向和路径的方式。它不同于前面所说的一般通信。常用的导引方式分两大类：车外预定路径方式和非预定路径方式。

车外预定路径导引方式是指在行驶的路径上设置导引用的信息媒介物，AGV通过检测出它的信息而得到导向的导引方式，如电磁导引、光学导引、磁带导引(又称磁性导引)等。非预定路径(自由路径)导引方式其一是指在AGV上储存着布局上的尺寸坐标，通过识别车体当前方位来自主地决定行驶路径的导引方式，又称车上软件一编程路径方式；其二是指激光导引。41/163AGV的引导方式磁带导引1)反射式导向。这种引导方式是在地面上连续铺设一条用发光材料制作的带子，或者用发光涂料涂抹在规定的运行路线上，在车辆的底部装有检测反射光传感器，通过偏差测定装置到驱动转向电机来不断调整车辆前进的方向。2)磁性式导向。是在地面上连续铺设一条金属磁带，而在车辆上装有磁性传感器，检测磁带的磁场，通过磁场偏差测定控制驱动转向电机来调整车辆行驶方向。

42/163AGV的引导方式电磁感应导引电磁感应引导是目前AGV采用最广泛的一种导引方式。一般需要在地面开槽埋设电缆，接通低压、低频信号，在电线周围产生磁场。车上需安装有两个感应线圈，并使其分别位于此导引线的两侧。导向线中电流约为200～300mA，频率为2kHz～35kHz。，当高频电流流经导线时，导线周围产生电磁场，AGV上左右对称安装有两个电磁感应器，它们所接收的电磁信号的强度差异可以反映AGV偏离路径的程度。43/163AGV的引导方式视觉导引视觉引导是在所经路径上断续地设有若干引导标志或反射板，小车据此自动识别和判断路径。引导的标志除条形码外，还可用圆形、方形、箭头等图形。视觉引导式AGV是正在快速发展和成熟的AGV，该种AGV上装有CCD摄像机和传感器，在车载计算机中设置有AGV行驶路径周围环境图像数据库。AGV行驶过程中，摄像机动态获取车辆周围环境图像信息并与图像数据库进行比较，从而确定当前位置并对下一步行驶做出决策。44/163AGV的引导方式激光引导该种AGV上安装有可旋转的激光扫描器，在运行路径沿途的墙壁或支柱上安装有高反光性反射板的激光定位标志，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接受由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机计算出车辆当前的位置以及运动的方向，通过和内置的数字地图进行对比来校正方位，从而实现自动搬运。依据同样的引导原理，若将激光扫描器更换为红外发射器、或超声波发射器，则激光引导式AGV可以变为红外引导式AGV和超声波引导式AGV。45/163AGV的定位方法为了保证定位的精度与可靠性