當今汽車製造業中的機器人技術

工業機器人對於現代製造業來說至關重要，不僅可執行眾多功能，還可夥同其他形式的自動化協調任務。事實上，產值 1 兆美元的汽車業是第一個有能力大規模採用機器人的產業，而且也有能力精進機器人的相關技術。這也難怪，因為汽車是高度複雜的高價商品，因此工廠投資好幾年都不會回本也是情有可原。如今，絕大多數汽車製造中心都採用機器人技術。直到過去二十年，包裝、半導體生產和相對較新的自動化倉儲領域，才加速採用機器人技術與汽車業較勁。

圖 1：汽車業可能比其他任何產業更能刺激機器人技術的進步。(圖片來源：Getty Images)

在機器人本身和輔助的工業自動化設備中，具有電動馬達、液壓系統和流體動力系統；驅動機、控制、連網硬體、人機介面 (HMI) 和軟體系統；還有感測、回饋和安全元件。這些要素可執行預先編程的例行工作，且可隨時因應不斷變動的即時條件，因此可促進效率。此外，機器人工作單元也預計具備重新配置能力，以提供新的汽車品項，藉此迎合比以往更快速變化的消費者偏好。

釐清自動化和機器人技術的術語

牛津英語詞典將機器人定義為「能夠自動執行一連串複雜運動的機器，特別是具有可編程能力。」令人困惑的是，在這個定義下，從洗衣機到 CNC 機床都可涵蓋在內。即使 ISO 8373 標準將機器人定義為「自動控制、可重新編程、多用途的機械手臂，且可進行三軸以上方向的編程」，帶有垂直升降站的倉庫輸送帶也可算在內。然而，這類機器通常都不會被歸類為機器人。

要記住的實際差別在於，在固定位置上執行單一 [認清此明確定義] 用途的機器，通常就不會歸類為機器人，至少在工業界不算。舉例而言，儘管典型的銑床可以執行任意數量的複雜程式，對不同零件進行加工，但其設計目的是使用安裝在主軸上的旋轉刀片切割金屬，而且很有可能在整個使用壽命期間，都牢牢固定在同一個位置。

圖 2：在某些情況下，機器人和機器之間的區別在於自動化設計的樣貌。有些人將看似機械化人類手臂的關節臂歸類為機器人，並將自動化垂直座標排列的線性滑塊 (如用於小零件組裝和檢測的 CT4) 歸類為機器。(圖片來源：IAmerica Inc.)

有時，這些定義甚至也會彼此矛盾。例如，CNC 機床等自動化機器會越來越靈活，像是車銑複合機就可同時扮演銑床和車床的角色；許多此類機器也會使用接觸式探頭和雷射掃描器，對零件進行檢驗和測量任務。這種機床甚至可以配備用於執行積層製造。另一方面，所謂的靈活工業機器人通常是針對特定任務 (如油漆噴塗或焊接) 進行設計的特殊機型，並且很可能在其整個使用壽命中，都擺放在生產線上的同一個工作單元內。

最重要的是，在當今的汽車業中，人們對於歸類為機器人的自動化系統，確實經常會期望可展現高度靈活性，例如在具備重新配置能力下，可以執行每天不斷變化的運輸、分類、組裝、焊接和噴漆任務。這些工業機器人也有望重新搬動到工廠中的新區域，無論是重新部署成製造系統並進行重新配置，或是不斷在第七軸線性軌道上移動，以便在生產線上的工作單元陣列上服務。

用於汽車生產現場的機器人系列

汽車生產現場的機器人大致會依據機械結構進行分類，包括關節類型、連桿排列和自由度。

串聯機械手臂機器人就涵蓋大多數工業機器人。此設計系列中的設計具有線性鏈結串，且在一端有底座，另一端有末端效應器，且各鏈結間會有一個接點。這些包括關節機器人、選擇順應性關節機器手臂 (SCARA) 機器人，協作式六軸機器人，垂直座標型機器人 (主要由線性致動器組成) 以及圓柱座標型機器人 (較罕見)。

圖 3：協作機器人在第二級汽車供應商設施中越來越普遍，有利於達到自動化棧板堆疊。(圖片來源： Dobot)

平行機械手臂機器人在需要高剛性和操作速度的應用中表現出色。與關節手臂 (透過單列連桿懸掛在 3D 空間中) 相比，平行機械手臂由連桿陣列支撐或懸掛。範例包括 delta 和 Stuart 機器人。

活動機器人是輪式裝置，可在工廠和倉庫周圍搬運材料和存貨。可以當作自動堆高機，以取出、搬動並放置棧板在貨架上或廠區中。範例包括無人搬運車 (AGV) 和自主移動機器人 (AMR)。

汽車製造中的典型機器人應用

汽車製造設施中的典型機器人應用包括焊接、噴漆、組裝和材料搬運任務 (搬運一般汽車中多達 30,000 種不同的零件)。試想一些機器人子類別在這些應用中有何用途。

六軸關節臂機器人屬於串聯機械手臂，其中每個接點都是旋轉接點。最常見的配置是六軸機器人，其具備的自由度，可針對工作體積內的物體，以任意位置和方向進行擺放。這些是非常靈活的機器人，適用於無數的工業製程。事實上，六軸關節臂機器人是大多數人最常聯想到的工業機器人。

圖 4：高效能條碼讀取器可快速可靠地對一維和二維條碼解碼。有些安裝在機器人的末端效應器上，以支援電子和汽車零件以及子組件的零件揀選。(圖片來源：Omron Automation and Safety)

事實上，大型六軸機器人經常用於汽車車架焊接和車身面板的點焊。與人工作法相比，機器人能在 3D 空間中精確地追蹤焊縫路徑而不會停止，同時因應焊珠因環境條件的不同而不斷變化的參數。

圖 5：這些六軸機器人是大多數人最常聯想到的工業機器人。(圖片來源： Kuka)

此外，六軸關節臂機器人可在第七軸系統上運作，對汽車面板主體進行底漆、噴漆、清漆和其他密封流程。這種安排可達到完美一致的結果，會如此可靠，有一部分是因為，這些流程是在隔離良好的噴房中進行，可有效避免外部環境顆粒的污染。六軸機器人也可依循最佳化編程的噴塗路徑，以達到完美的表面處理，甚至還可將過度噴塗的情況、油漆和密封劑的浪費降至最低。更重要的是，車廠人員就再也不用暴露在與某些噴塗材料相關的有害蒸氣中。

圖 6：SIMATIC Robot Integrator 應用程式可簡化機器人整合到自動化環境中的作業，能適應眾多供應商的機器人參數以及各種應用的幾何形狀和安裝要求；可擴充的高效能 SIMATIC S7 控制器，就結合上述所有設置，不僅有整合式 I/O，還有多種通訊選項，可達到靈活的設計採用。(圖片來源：Siemens)

選擇順應性關節機器手臂 (SCARA) 機器人具有兩個旋轉接點，其平行轉動軸可垂直方向運轉，可在單一運動平面上達到 X-Y 軸定位。更具有第三個線性軸，能達到 Z 軸 (向上和向下) 方向運動。SCARA 是相對較低成本的選擇，在受限空間中表現出色，甚至可比同等的垂直座標型機器人更快移動。難怪 SCARA 機器人用於生產汽車電子和電氣系統，包括氣候控制、行動裝置連線、影音元件、娛樂和導航系統。在這些應用中，SCARA 最常用於執行精確的材料搬運和組裝任務，以便生產這些系統。

垂直座標型機器人具有至少三個線性軸，可互相堆疊以執行 X、Y 和 Z 軸方向的運動。事實上，第二級汽車供應商所採用的一些垂直座標型機器人就以 CNC 機床、3D 列印機和座標測量機 (CMM) 的形式來驗證最終產品的品質和一致性。如果將這些機器計算在內，垂直座標型機器人可輕鬆成為業界內最常見的工業機器人形式。但如前所述，垂直座標型機器通常只有在用於涉及工件而非工具的操作時才會稱為機器人，例如組裝、拾放與推棧等作業。

汽車業所用的另一種垂直座標型機器人型式則是自動化高架起重機。這些機器人在鎖緊與接合流程中不可或缺，因為此時需要在僅部分完成的汽車組件上接觸其底盤。

新型機器人在汽車製造中的應用

圓柱座標型機器人是緊湊且經濟實惠的機器人，可提供三軸定位，底座有一個旋轉接頭，另有兩個線性軸可達到高度和手臂伸展。特別適用於汽車子組件的機器維護、包裝和堆棧。

協作式六軸機器人 (協作機器人) 如之前所述，與較大的工業用機器人一樣都採用基本連桿結構，但在每個接點處則採用極其緊湊和整合的馬達式驅動機，且通常採用減速馬達或直驅選項。在汽車應用中，這些機器人要負責的任務包括焊接支架、載座和複雜幾何形狀的副車架。優點包括高精度和可重複性。

三角式機器人有三個機臂，可透過底座的旋轉接點致動，通常安裝在天花板上達到懸吊配置。每個機臂都有一個平行四邊形，且在末端裝有萬向接點，以便這些平行四邊形都連接到末端效應器。這可讓三角式機器人達到三個平移自由度，且末端效應器永遠不會相對於底座旋轉。三角式機器人可以達到極高的加速度，因此在涉及小型汽車緊固件和電氣元件的拾放操作，以及其他揀選與搬運作業時，可發揮高效率。

史都華平台 (也稱為六足機器人) 由一個三角形底座和三角形末端效應器組成，且由八面體中的六個線性致動器連接。因此可達到六自由度和極其堅固的結構。然而，以此結構的尺寸來說，其運動範圍相對有限。史都華平台可用於運動模擬、活動式精密加工、起重機運動補償，以及在精密的物理和光學測試例程中進行高速振動補償，包括用於驗證車輛懸吊設計的測試。

無人搬運車 (AGV) 會遵循地板上繪製的線條、地板上的電線或其他引導信標所標定的設定路線。AGV 通常具有一定程度的智慧，因此可停止和啟動，以避免彼此之間以及與人類的碰撞。非常適合在汽車生產設施中進行材料運輸任務。

自主移動機器人 (AMR) 不需要固定的路線，且能做出比 AGV 更複雜的決策。這種機器人在車廠不斷擴大的倉庫中特別有用，通常會使用雷射掃描器和物體識別演算法來感知其所在環境，進而達到自由導航。偵測到潛在碰撞時，AMR 可以簡單地改變路線並繞過障礙物，而不像 AGV 會停下來等待。基於此適應性，AMR 在汽車工廠的裝卸平台上更具生產力與靈活性。

結論

在過去的 30 年裡，汽車業在機器人領域中激起大規模創新，隨著電動車 (EV) 市場的蓬勃發展，這個趨勢將繼續下去。產業也開始從新型人工智慧和機器視覺適應技術受惠，得以增強各種用途的機器人設備。