汽车行业中机器人的发展态势 - 文章

汽车行业中机器人的发展态势

作者：美国新泽西大学制造工程学院 Paul G Ranky

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汽车行业中机器人的设计和应用集中在方法、工具和步骤上，机器人技术的不断发展让工厂的管理者们降低成本，同时加强质量和生产力。另外，特别是在美国，制造和装配系统、工厂安全和可靠、实时性能的评估和控制变得异常重要。因为，由汽车机器人停机所造成的损失每分钟可达5000～10000美元，有的甚至高达20000美元。

为了满足实际生产中的各种需求，对于机器人工作站和生产线，人们也必须给予更多的关注。根据对美国Rockwell自动化公司、GM汽车公司的观察分析，这些需求从高到低可以总结为以下几点：

□ 通过在机器人、焊接手臂和安全网络中建立单个数据交换网络连接，来减少机器人以及机器人的周边线束和相关成本。这将会带来连接到仪器、工作站控制器并接入服务器的接线数量大量减少，让设计师们看到成本的降低和生产率的增加。例如，图1展示了一个联网的机器人汽车焊接生产系统结构图，这是带有一个生产线和工作站层面的解决方案，并且联网的传感器满足了图中下方列出的大部分需求。正如图中所示，最高等级的网络需求由车身车间的以太网络来满足，它连接了各种有效地运行数字工厂所必要的系统管理和生产工具。这一级下面是线级，它指的是一系列的机器人工作站或者归入线的工作台，如在汽车组装厂中的一条机器人焊接生产线。这条线可以由Line ControlNet或者Ethernet来控制。使用哪种协议来控制取决于速度和服务的需求。在工作站中，考虑到伺服机器人控制器和周边设备、材料传递、零件抓取和其他的控制、传感和可视化通讯等需求，我们找到了ControlLogix-linked Cell ControlNet以及DeviceNet网络。重要的是，这种结构的好处在于ControlLogix的路径建立了新系统，为现有的工作站和线创造了附加值，并且其他的更改相对简单。

图1 联网的机器人汽车焊接生产系统结构图

□ 由于满足了实时性、机器人分散过程数据的收集以及机器人周边设备以及焊接手臂的需求，质量和生产率将会得到提高。例如，通过在控制器和传感器以及其他数据收集仪器之间使用ControlNet和DeviceNet协议，各种联网的仪器都可以使用Ethernet这种更快、更低级的网络。

□ 实时性保证了机器人过程数据、系统健康检查以及网络通讯可以运行（包括周期运行时间、空闲时间、堵塞状态、夹取和自动工具状态等）。这将减少成本，增加安全性，提高生产率。由传感器控制的零件追溯和建立的日程表支持了网络，并且满足了由客户命令驱动的商业模式，还可以在生产过程中接受指令。在需要的时间内以及动态变化的市场环境中，它提供了一种能够进行实时性能评估和带有整体式传感器反馈过程的控制模式，另外还有为操作员和管理者提供的由实时传感器驱动的计算机识别，特别是3D。例如，非接触式测量固体或者液体的超声波传感器能够很好地满足这一需求。超声波传感器适用于许多的应用场合，其中典型的工业应用包括汽车、物流、包装和食品处理。

□ 网络中的机器人、机器人工作站和工作台的编程和配置控制，这会减少成本、增加产量。

□ 引入柔性化制造/组装/焊接系统来降低成本、提高质量和生产率。

□ 通过动态平衡、实时、精益安排和增加并行处理的数量，缩短生产周期。

□ 解除耦合的输送系统，能够提升柔性和生产率，带来更为简单的维修。

□ 安全保护系统保证机器人工作站/台/线不会因为外部或者偶然事故而停机。

□ 高级生产力工具的使用，从概念到产品和生产过程的集成，包括CAD到车间级集成工具、机器人程序发生器、实时性质量保证工具、实时性性能评估和控制工具等变得更好。

从上面列出的需求中可以看出，为了保证汽车机器人系统在高效率下运行，我们需要实时的控制以及网络化的数字工厂。其中性能分析和机器人工作站/台/线管理基于实时性数据，资源的配置基于动态的客户需求，人和机器都被授权根据需求来修改动作计划。图2为工作中的机械手。

图2 工作中的机械手

降本的同时提高安全性、质量和生产力

如上所述，实时性质量的保证、过程监视、工作场地的安全是终端用户最关心的问题。因此汽车和其他重点的制造商们必须引入整体安全计划，作为他们为整个质量管理而努力的一部分。这里将介绍一些新型的汽车生产中专为各种实时性质量保证、过程监视和安全目的而设计的传感器。

□ 防熔渣传感器

汽车机器人焊接的环境对于附近的传感器来说是最恶劣的。AB公司的871P Weld Field Immune（WFI）VersaCube系列的最新版本的传感器就是为适应这种恶劣的焊接环境而设计的。令这些新产品脱颖而出的是它创新的焊接熔渣防护外壳，可以防止焊接飞溅的熔渣聚集和附着在仪器表面上。还有其它的一些相关问题，包括物理伤害或者将内部零件“熔穿”。

一个非常方便的安装底座使得WFI VersaCube 产品易于安装和维修。拥有正常的I/O输出，以及对所有金属相同的探测距离，无外壳式WFI VersaCube还拥有35mm探测距离，超过了工业标准的25mm。

□ 压力、温度和流量开关

AB公司的836E、837E和839E产品的压力、温度和流量开关，分别由于新零件的出现而适用于恶劣的工业环境中。它们都是固态条件下的传感器，完全替代了现有生产线上的机电式压力和温度开关。所有的型号都是304不锈钢制成，带304不锈钢外壳和4位LCD显示器。全部压力传感器的测量范围都是从真空至5800 psi（1psi=6.89kPa）；流量传感器能够测量液体从0～300 cm/s，气体0～3000 cm/s；单个的温度模块的测量范围从-50～+150℃。每一个产品都是PNP双开关输出，带有可编程的起始原点，通过内置的编程按钮或者Windows系统的配置软件都可以方便地设定。

未来的趋势

未来系统将更加依靠安全PES（PLC）、网络和集成式仪器来达到降低成本和提高性能的目标。应该引起注意的是，几乎每一个汽车机器人控制仪器都受到了安全规范的冲击（例如，驱动、行动控制系统和仪表、I/O、PLC、网络、操作系统、传感器等）。这是由于集成式的安全解决方案是增效降本的关键。未来，在技术方面，传感器及其网络使用的更加智能的感应传送器会带来新的、实时性控制的、分散式安全和质量意识的趋势。正如SMG（国际对象管理集团）所定义的那样，智能传感器（ST）可能由一个集成式单元硬件或者软件仪器构成，该仪器由一个传感器或者执行器单元、一个微型控制器、通信控制器以及用来信号调节、校正、诊断和通讯的软件构成。ST通过界面将服务传递给客户。对ST界面的定义为公用对象请求代管者体系结构（Common Object Request Broker Architecture），在集散控制系统方面提供了访问实时性服务的界面、诊断和管理界面、配置和设计界面的能力。通过对各种不同的传感器界面进行标准化，这种描述让I/O编程变得更加简单，并且降低了分散式车用机器人和其他任务的控制系统的成本。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/14/2006)


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