工業(yè)機器人在汽車行業(yè)機械加工中的應用前景分析

李洋　齊曉震　馬勇　蘭霜

摘 要：在世界經(jīng)濟一體化的背景下，國內(nèi)外汽車行業(yè)之間的競爭日趨加劇，工業(yè)機器人已被廣泛地應用于汽車制造領域。特別是在汽車行業(yè)高速發(fā)展的今天，自動控制技術已經(jīng)廣泛應用于各個領域，工業(yè)機器人利用自己的動態(tài)控制系統(tǒng)，利用人工智能技術實現(xiàn)了機械加工的自動化、柔性化，取代了人工的手工工作，保證了質(zhì)量和產(chǎn)量。基于此，本文從汽車行業(yè)機械加工中的工業(yè)機器人實際應用及目前存在的問題入手，全面分析了工業(yè)機器人在未來汽車行業(yè)機械加工中的應用前景發(fā)展，以供為汽車行業(yè)從業(yè)者提供參考意見。

關鍵詞：工業(yè)機器人 人工智能技術 機械加工 汽車行業(yè) 應用前景

1 引文

工工業(yè)機器人是一種被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中的多個關節(jié)機械臂或多個自由度機械設備，具有一定的自動化，能夠根據(jù)其本身的能量和控制能力，完成多種工業(yè)加工與制造的功能[1]。它不但可以推動我國汽車產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，而且可以使整個生產(chǎn)過程得到優(yōu)化，從而使企業(yè)的生產(chǎn)設備、工藝水平得到提高。工業(yè)機器人在汽車制造中的應用，可以有效地改善汽車制造過程中的人工差錯，降低人工勞動強度，從而改善汽車制造的總體質(zhì)量。

2 基于工業(yè)機器人的汽車行業(yè)機械加工技術研究現(xiàn)狀

資料顯示，目前在汽車工業(yè)的機械加工中，72%的工作由工業(yè)機器人完成，其中：15%用于材料處理，22%用于銑面，3%用于鉆孔，3%用于鑄造，15%用于上料和卸料，14%用于復雜工作，如研磨、拋光、激光刻印等。以上數(shù)據(jù)顯示了工業(yè)機器人在汽車工業(yè)中的廣泛應用，未來幾年，工業(yè)機器人的市場需求仍將持續(xù)快速增長，年均復合增長率達到20%左右，工業(yè)機器人將會在汽車領域中迅速發(fā)展并大放異彩[2]。

汽車業(yè)的發(fā)展程度，是一個國家整體科技水平的體現(xiàn)，而汽車業(yè)的發(fā)展，必然會帶動其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了在日益激烈的市場中站穩(wěn)腳跟，汽車制造業(yè)的其他中上游制造公司，都會選擇工業(yè)機器人，以提高產(chǎn)品的品質(zhì)。如表1為發(fā)動機制造過程工業(yè)機器人使用情況。

3 汽車行業(yè)機械加工中工業(yè)機器人存在的主要問題

3.1 國產(chǎn)機器人的關鍵部件國產(chǎn)化程度不高

核心部件依然是國內(nèi)機器人發(fā)展的最大障礙。在工業(yè)機器人中，核心部件是制約其發(fā)展與應用的重要因素，其中：減速器、伺服系統(tǒng)、控制器是工業(yè)機器人的三大關鍵部件，它們在工業(yè)機器人的制造成本中占據(jù)了35%、25%和10%的比重。雖然近幾年來，我國核心部件的國產(chǎn)化程度逐漸提高，但其利潤水平和性能的提高依然受到了極大的限制，使得國內(nèi)絕大多數(shù)的國產(chǎn)設備廠商都在虧損。在國外品牌不斷降價的同時，國內(nèi)品牌的競爭也越來越激烈。其中：

1）伺服馬達：高端、大功率、高性能的伺服馬達市場仍然由國外廠商壟斷，但近幾年我國技術水平不斷提高，中小型伺服馬達已全部國產(chǎn)化，例如深圳飛特、北京智達等。

2）減速機：國內(nèi)的減速機研究起步較晚，在轉速、傳動精度、穩(wěn)定性等方面尚有差距。目前，我國已基本實現(xiàn)了低負載諧波減速器的國產(chǎn)化，但大負載減速器仍依賴進口[3]。

3）控制器：在關鍵芯片和核心算法方面，國內(nèi)控制器仍主要依靠國外技術。

4）傳感器：它是智能系統(tǒng)中必不可少的基本設備。目前，我國的高端傳感器市場依然處于國外的壟斷地位，而在我國，其應用領域仍然是以低端的傳感器為主，其產(chǎn)品的品質(zhì)與穩(wěn)定性還需進一步提高。

5）智能化技術：隨著人工智能、機器視覺等智能化技術的飛速發(fā)展，智能化技術與工業(yè)機器人的融合是不可避免的，但在某些關鍵技術上，卻被國外所壟斷。

3.2 市場競爭激烈，平均售價不斷下跌，國內(nèi)品牌利潤下滑

自2020年起，以四大工業(yè)機器人為代表的國外工業(yè)機器人公司紛紛在中國擴大了產(chǎn)能，世界范圍內(nèi)的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)開始逐漸向中國內(nèi)地轉移，增強了我國發(fā)展機器人的國際競爭力，同時，世界范圍內(nèi)的工業(yè)機器人的價格也在持續(xù)下跌。在整個工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)鏈中，整體加工企業(yè)的利潤率在10%到20%之間。由于國產(chǎn)自主品牌的核心部件國產(chǎn)化水平仍然很低，而工業(yè)機器人的價格也在不斷下滑，使得產(chǎn)品的盈虧平衡銷量不斷上升，從而影響到國產(chǎn)品牌的利潤。

3.3 中高級技術人員相對匱乏，注重科研而忽視實際工作

工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)是一個技術密集的產(chǎn)業(yè)，它需要具備一定的專業(yè)知識和技能。在關鍵零部件和機械加工方面，國內(nèi)擁有核心技術的技術研發(fā)人員和有豐富經(jīng)驗的組裝工人比較欠缺；而在系統(tǒng)集成方面，由于缺少跨學科的專門人才，如現(xiàn)場調(diào)試、維護操作和運營管理等實用型人才的培養(yǎng)還很薄弱。過去單一依靠專業(yè)院校的專業(yè)人才培養(yǎng)模式已經(jīng)很難適應中國未來產(chǎn)業(yè)的需要，需要政府、企業(yè)、教育機構、第三方組織等各方力量共同努力[4]。

3.4 實體經(jīng)濟面臨下行壓力，降低了對自動化的要求

在新的經(jīng)濟循環(huán)體系中，特別是受2019年新冠肺炎疫情的影響，由于全球經(jīng)濟增長乏力，國內(nèi)汽車行業(yè)智能制造的發(fā)展持續(xù)低迷，由于中小企業(yè)的發(fā)展前景不樂觀，影響到了汽車業(yè)和一般工業(yè)企業(yè)的固定資產(chǎn)投資，從而降低了對自動化設備的資金需求。

4 汽車行業(yè)機械加工中對工業(yè)機器人的發(fā)展建議

4.1 增強仿生功能和系統(tǒng)集成化

隨著智能化時代的到來，大型的自動化設備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作，在減少生產(chǎn)風險的前提下，提高生產(chǎn)效率，減少企業(yè)的風險，這就是工業(yè)機器人的作用。在多個高技術領域的結合下，工業(yè)機器人將會得到更好的發(fā)展，同時也會降低汽車生產(chǎn)成本。在我們國家的工業(yè)生產(chǎn)中，機器人一般都是模仿人類的手臂，再加上智能的控制和信息處理，從而達到自動操作的目的。

隨著智能制造時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，工業(yè)機器人在信息化、人工智能等領域的應用，其仿生性能得到了極大的提高，而工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)，將會在軟硬件層面上進行集成，使其計算能力得到極大的提升，使其能夠更好地投入到生產(chǎn)中去。在未來，無論從程序設計、開發(fā)、外觀設計等方面，工業(yè)機器人都會以更好的性能應用于汽車行業(yè)。

4.2 提高自動化一體化程度，減少成本

在智能控制中，工業(yè)機器人并不是一個單獨的個體，它必須與各個生產(chǎn)裝置協(xié)同工作。所以在智能制造的時代，整個汽車生產(chǎn)系統(tǒng)應該根據(jù)不同的生產(chǎn)目標，進行合理的規(guī)劃和布局，協(xié)調(diào)運輸設備、數(shù)控機床和工業(yè)機器人的工作，以便對生產(chǎn)流程進行科學的規(guī)劃。在智能化的今天，工業(yè)機器人將會越來越趨向于高水平的自動化集成，并建立標準化的控制體系，并在軟件和硬件上進行模塊化的開發(fā)，使整個生產(chǎn)體系具有良好的兼容性。而工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)則需要具備精確的信息處理能力，能夠正確地理解和轉換上位機的特定的控制信息，并將其轉換成實際的操作，在接收到特定的操作命令后，由運動馬達和各功能關節(jié)的高效協(xié)作來完成所需的操作[5]。

隨著工業(yè)制造的智能化，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術的引入，將會對工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而達到滿足各種生產(chǎn)、加工任務的要求，并且只需要通過控制模塊的功能轉換命令，就可以在多個場景之間進行靈活切換，而不需要專門設計適合于特定場景的機器人，大大降低了生產(chǎn)和維護費用。

4.3 開發(fā)人機交互為基礎的經(jīng)濟型工業(yè)機器人

在智能制造時代，新一代的工業(yè)機器人，將會根據(jù)相應的算法，根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)，利用軟件對環(huán)境和視頻進行處理，通過高性能的軟件運算，達到人機交互的目的。同時，在光學測量方面，工業(yè)機器人也可以實現(xiàn)更多的智能化，它可以精確地對汽車等相關部件進行精確的檢測。根據(jù)工業(yè)機器人在操作中收集到的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)周圍的環(huán)境和控制處理器的內(nèi)部判斷，對這些數(shù)據(jù)進行智能處理。

在工業(yè)機器人的不斷改進下，工業(yè)生產(chǎn)中許多環(huán)節(jié)的控制功能將被整合到控制器中，通過網(wǎng)絡連接的信息和數(shù)據(jù)的高效整合，從而達到對工業(yè)機器人進行智能操作和服務的目的。在此基礎上，視覺影像、機器擬人化、機器學習等與人工智能有關的技術也將被進一步開發(fā)和運用，使機器能夠在某種程度上取代人類的決策和判斷，提高其安全性和可靠性。在技術創(chuàng)新過程中，采用新材料來減少機械臂的重量和載荷，采用計算機模擬等方法對其進行優(yōu)化，提高機器人的總體柔性。

5 工業(yè)機器人在汽車行業(yè)機械加工中的應用前景

目前，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人主要用于解決傳統(tǒng)的生產(chǎn)效率問題，其特征是工作于靜態(tài)、結構和確定性的無人環(huán)境中，并按一定的時間順序進行重復的工作，具有空間相對隔離、非接觸、預編程或演示控制、外部安全保證等特征。

未來基于工業(yè)機器人的汽車行業(yè)發(fā)展趨勢會隨著制造業(yè)自身的升級與變革而改變，小批量、多品種、短周期、個性化將成為其發(fā)展的重要特征。所以，下一代的工業(yè)機器人，將會與人類的生產(chǎn)、生活環(huán)境融為一體，與人類的優(yōu)勢互補，互相幫助，最終形成一種可以改變工作方式的機器人[6]。

1）智能化：智能化是未來汽車工業(yè)中最重要的發(fā)展方向，隨著信息技術與人工智能技術的融合，機器人具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行等特性，能夠?qū)χ圃爝^程進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)適時調(diào)整制造參數(shù)、在線檢測、裝備企業(yè)維護等功能，將大幅提升制造效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

2）柔性化：隨著“C2B”模式的發(fā)展，工業(yè)機器人的應用領域不斷擴大，汽車產(chǎn)業(yè)更加重視產(chǎn)品的定制化，同時也在朝著柔性化的方向發(fā)展。

6 結論

隨著機器人技術的不斷發(fā)展及智能制造裝備的強大，為了提升被加工零件的效率與加工精度的穩(wěn)定性，機器人會被廣泛應用于機械加工自動線中，工業(yè)機器人在汽車生產(chǎn)中的應用會越來越多，在質(zhì)量、效率、數(shù)量、安全方面都會有著很大的提高，特別是在信息技術的引進下，基于工業(yè)機器人的汽車生產(chǎn)越來越趨向于智能化，在生產(chǎn)中所暴露的相關問題也會增多。在未來的智能制造時代，工業(yè)機器人將會有更好的綜合和模擬能力，從而在人機交互的基礎上，實現(xiàn)更多的經(jīng)濟型工業(yè)機器人，使其朝著智能化的方向發(fā)展，對工業(yè)機器人的研究與優(yōu)化將會為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供廣闊的空間。

參考文獻：

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