有关人机协作机器人在汽车总装行业中的应用

王仡琨 楚玉国

摘要：随着工业4.0的发展，协作机器人的出现使机器人走出防护栏成为了可能。目前，此项技术水平正处于起步及发展阶段，部分基本功能可成熟应用。通过列举人机协作项目案例，对协作机器人在工业4.0的环境下，总装工厂应用前沿科技现状进行阐述和分析，总结其应用现状及存在的技术问题，并提出其可能的解决方案及发展趋势。

关键词：汽车；总装工厂；人机协作；工业4.0

中图分类号：X701

文献标识码：A

引言

总装工艺是将车身、发动机、变速器、仪表板、车灯、车门等构成整辆车的各零件装配起来生产出整车的过程。在汽车生产四大工艺中，总装是最终控制产品质量的最后一道工序，把控着车辆出厂前最后关卡，所以总装工艺能力很大程度地决定了产品车的质量和性能。当下的各大总装工艺均以人工为主，随着人口红利消失，劳动力成本持续上升，传统制造业逐渐从劳动密集型转向技术密集型[2]。与此同时，第四次工业革命——工业4.0，带来了人机协作的概念，即人与机器人协同工作，这正迎合了总装工厂对机器人的需求。但经过主机厂与装备供应商进行探讨、研发及项目实施并量产，协作机器人在融入实际生产过程中存在的问题也显现出来。为此，各协作机器人厂家应根据实际应用过程中得到的经验以及主机厂的需求不断调整产品布局并优化改进产品性能，使人机协作技术更为成熟。

1汽车总装工厂生产线概况及其对协作机器人的需求

目前，主流汽车的总装工厂为流水线生产，经过涂装工艺的车身需要以一定的方式与线体之间进行定位并跟随线体运行，从而完成装配，车身与线体之间的定位方式由于装配工艺的需求，通常分为三种：（1）车身由涂装工厂传送到总装工厂，分别安装于车身的纵梁和尾端两个PaintBar跟随车身来到总装，由工艺定位孔定位于Skid板上的安装架上并进行中心定位。（2）在车身完成一定阶段的装配工作后，改为吊具运输方式，空中吊具通过4个定位工艺孔对车身进行定位，根据吊装质量的不同，在合装之前采用轻载吊具，在合装之后采用重载吊具。（3）在完成车轮安装之后，车辆便可以被放置于地面之上，此时车辆的装配已基本结束，所以此后车辆被放置在ManRider传送带上进行运输。

汽车总装工艺的大部分工作由于其复杂的环境及任务因素，基本属于劳动密集型工艺，制造缺陷绝大多数来源于人为失误，工业系统中人因工程学条件欠缺不仅损害作业人员的职业健康还直接影响生产效率和产品质量。带有多传感器的机器人工作站可以完成复杂动作，用以代替人工操作，但是基于工厂安全要求，普通工业机器人必须安装护栏，与操作者隔离，保证员工安全。协作机器人的目的是将机器人的性能与人的能力结合起来，人有很好的解决不精确运动的能力，机器人具有高精度，动力和耐力。机器人与人的结合作业所组成的工作系统可同时具有高精度、动力、耐力和处理不确定因素的能力。

2人机协作在工厂的应用

玻璃涂胶是总装工艺中非常重要的环节，其涂胶的质量会影响汽车座舱的密封性能和玻璃的粘接姿态，所以为了得到良好的胶形，大部分主机厂会选择机器人涂胶。如图1所示为总装线后挡风玻璃机器人涂胶工作站，基于工厂安全的需求，该工作站的全部设备需由护栏包围，此区域禁止操作人员进出，占地面积非常大，由于总装线体造价十分高昂，大量占用线旁空间而只完成单一工作是对资源的浪费。而使用协作机器人来完成涂胶工作，操作者就可以在其工作区域活动，而不会产生安全问题，如图2所示协作机器人三角窗涂胶工作站，操作者可以进入到工作站中，在IIWA机器人执行涂胶动作的同时放置需要涂胶的新零件并取走已经完成涂胶的玻璃，其他操作者在有需要的情况也可以进入此工作空间。

图1传统机器人玻璃涂胶

图2协作机器人涂胶

协作机器人不仅能节省围栏空间，而且还可以与操作者进行合作，完成操作，MINI汽车的前防撞梁为铆接结构，其组装在动力系统分装线的线旁完成。其由多个动作来完成，如果全部由人工完成，操作者需要反复拾取和放置拉铆枪，在规定节拍时间内无法完成一个防撞梁的组装，且频繁拾取重物会危害人体健康，严重的会产生职业病。而此工作中的一些复杂的工件摆放动作如果由机器人来完成，其成本非常高，所以在工厂不断地重视员工关怀以及人机工程学下，应用工业4.0背景下的人机协作技术开发的人机协作零件组装工作站被应用于线旁来完成防撞梁的组装工作。在此工作站中，操作者完成轻质零件的拾取及放置工作，工作站中的视觉系统定位组装零件的铆钉放置位置，协作机器人在获得铆钉位置后，携带拉铆枪完成拉铆工作。

3协作机器人在总装工厂的应用

目前产能最高的单体工厂，生产速度高达64辆/小时，其得益于大量的人机协作技术应用。天线罩涂胶大多位于主线的线旁，如采用传统机器人涂胶，则需要配合防护网使用，占用很大的线旁面积，且由于防护网阻隔了线旁空间，对线体的整体布局规划非常不利。因此，天线罩涂胶大多采用人工操作，但此工艺操作需要胶型准确，而人工操作并不会像机器人操作那样具有高度的精准性。如果胶形不准，可能会导致胶合时胶水溢出，或产生漏水，这可能影响产品车的质量。因此采用无需围栏的人机协作机器人在线旁完成涂胶工作，是最佳的解决方案。采用人机协作机器人IIWA进行涂胶工作，此涂胶工位结构紧凑，且可以由操作者快速完成天线罩的放置及拾取工作，相比于传功工业机器人涂胶，加快了工作节拍，并节省了加装护栏等设备的成本。同样人机协作机器人也使无防护栏的快速在线检测成为了可能。在仪表分装线，采用UR协作机器人进行在线质量检测，即不影响仪表板的正常通行及生产节拍，又不会阻碍操作者正常的线旁同行。在不对生产线带来任何负担的情况下，高效、高精度地进行质量检测，从而确保产品车的质量与客户的乘坐体验。

4协作机器人技术的发展趋势

（1）操作者的运动路线随机性大，简单逻辑很难完成准确识别，如使用复杂逻辑，会降低机器人的可靠性，而工业机器人的可靠性是目前最重要的评价指标。尤其在总装生产线，任何一台在线机器人的故障，都有可能导致整个主线的停止，进而给企业带来较大的利益损失，据不完全统计，传统工业机器人每年的故障次数约在1~2次。（2）协作机器人的部分安全逻辑会在非标设备安装到现场时进行设置，目前现有的协作机器人的安全逻辑控制较为简单，如新型安全系统的编辑非常复杂，会大幅度增加其集成的成本。（3）新型安全传感器的成本控制，目前，已有公司就此展开研究，并形成实际产品，但没有通过安全认证。未来，随着科技的进步和产品的不断成熟，协作机器人将会向传统工业机器人的性能方向发展，并且更加智能化，但其永远无法取代人类对模糊逻辑的处理及判断，人与协作机器人会朝着协同工作的方向发展。

结束语

随着制造业工艺要求的提升，人机协作机器人将会具有越来越广泛的应用前景。协作机器人研发公司应根据市场及潜在需求调整战略布局及研发方向，以使其产品符合实际日益增长的生产需求。

参考文献

[1]程灿明.汽车总装工艺技术浅析[J].内燃机与配件,2019(15):41-42.

[2]陈平,蒋佳桉,谭志强,等.汽车总装工艺技术应用趋势与研究[J].汽车实用技术,2016(3):156-160.

[3]铁隆正.“工业4.0”环境下的人机协作机器人[J].电器工业,2015(08):68-69.