2.东风崔厚学-汽车焊装的机器人自动化

汽车焊装机器人自动化

崔厚学

（东风汽车公司 科技工程部，湖北 武汉 430056）

摘要 以机器人自动化为代表的新一代智能制造，在全球产业中有加速发展的趋势，当今世界各工业强国纷纷抢占这一新产业制高点。我国汽车工业如何抓住这一历史性机遇，实现车身焊装的优质、高效、柔性化和智能制造？本文结合我国主流汽车公司车身焊装的实际情况，对此作一简要回顾和展望。 关键词 车身焊装；机器人；自动化

0 引言

目前，世界经济格局正经历新兴国家不断崛起，新兴产业加快发展的新形势。高盛公司首席经济师杰克-奥尼尔继2001年首次提出Brics金砖5国（巴西、俄罗斯、印度、中国、南非）概念后，2014年又提出Mint薄荷4国（墨西哥、印度尼西亚、尼尔利亚、土耳其）概念，预言这些后起国家在今后20~30年中将有希望成为新兴大国。汽车作为先进技术融入传统产业的典范，成为各大国竞相发展的重点方向。2008年底发端于美国雷曼兄弟公司倒闭，继而席卷全球的金融危机，严重侵蚀了世界实体经济，以美、日、西欧为代表的传统汽车市场连连下挫。得益于经济的持续增长和国家应对危机的政策措施，轿车逐步进入寻常百姓家，中国车市一枝独秀，汽车产销量持续增长，已连续五年稳居世界汽车产销第一。

世界汽车的发展大趋势25002000美国中国日本单位: 万辆15001000500012345678910111213德国法国韩国 图1 世界汽车市场的发展变化（2001~2013销量）

与此同时，全球制造业面临新的模式变革。美国率先提出“再工业化”高端制造发展战略，欧盟的 “新工业革命”发展战略，其核心都是以机器人为主导、信息技术为平台的新兴机器人制造模式。我国由于“人口红利”即将到期，劳动力供应增长面临刘易斯拐点，资源承载压力加大，劳动力成本和环境代价的攀升，继续以劳动力和资源密集的低成本制造模式难乎为继，推广以机器人为主导的智能制造模式成为我国制造业转型升级的必然选择。

1 当代工业机器人发展现状和前景展望

1.1背景

1.1.1工业机器人已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志

机器人是具有感觉、思维、决策和动作功能的智能机器，是20世纪的重大发明之一。机器人的技术水平关乎制造业的效率、成本与精度，关乎工业产品的质量一致性，已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。

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美国奇点大学教授沃德瓦（Vivek Wadhwa）在《华盛顿邮报》撰文提出“机器人+人工智能+数字制造技术=制造业革命”，他的观点总体上反映了发达国家的普遍共识，即试图通过大力发展以机器人为代表的智能装备，同时广泛运用以数字化为代表的先进制造模式，抢占新兴产业制高点，重新取得并维持在世界制造业的优势地位。 1.1.2国际

随着国际实体制造业迎来新的发展机遇，发达国家纷纷就以工业机器人为代表的自动化、信息化、智能化产业发展进行战略部署，力图抢占新兴产业制高点。

（一）美国2011年制定了“先进制造伙伴计划（AMP）”，通过实施“再工业化”战略，发展工业机器人以重振美国制造业，并凭借信息网络技术优势，投资开发旨在实现移动互联的新一代智能机器人。

（二）欧盟以德国为代表提出工业4.0战略，即以“智能制造”为主导的第四次工业革命。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统（Cyber-Physical System) 相结合的手段，将制造业向智能化转型。“工业4.0”项目主要分为两大主题，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

图2 德国“工业4.0”

（三）日本制定了机器人技术长期发展战略，将机器人产业作为“新产业发展战略”中7大重点扶持产业之一，加大投入力图巩固和扩大在这一领域的产业优势。

（四）韩国制定了“未来10大发动机计划”、“智能机器人基本计划”，2012年10月发布“机器人未来战略展望2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场方面。 1.1.3国内

我国经过改革开放三十多年的高速发展，经济增长进入新的换挡平台。依靠传统的单纯增加劳动力、资源、资金等投入拉动经济的增长模式已走到尽头，“人口红利”时代即将被“机器人红利”取代，资源、环境的承载能力接近极限，靠加大资金供应刺激经济增长而引起的CPI升高、经济发展涨滞等负面作用日渐凸显。打造中国经济升级版不能靠强刺激，必须走创新改革的新路。发展机器人产业是转方式、调结构的绝佳机会，稍纵即逝。

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1.2工业机器人产业内涵及产业链

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备，一般由执行系统、驱动系统、控制系统三个部分组成。工业机器人产业链由零部件企业、本体企业、系统集成商、代理商、终端客户构成。

图3 工业机器人产业链

1.3世界工业机器人产业发展

工业机器人产业发展和推广应用具有广阔的前景和难得的机遇。据国际机器人联合会(IFR)统计数据，2008-2012年，全球新装工业机器人年均增速约为9%。2013年全球共新装工业机器人16.8万台，比2012年增长5.6%。全球工业机器人的销售产值超过85亿美元。如果包括软件、外围设备和系统工程的成本，实际的工业机器人销售总额将为机器人销售额的3倍，超过255亿美元。

据麦肯锡预计，到2025年约5%-15%的制造业工人将被工业机器人取代，全球工业机器人保有量将达到1500~2500万台，年均增速25%-30%，每年产生6千亿美元到1.2万亿美元的经济效益。

图4 世界工业机器人增长趋势

全球范围内，汽车及零部件、电力电子等行业对于工业机器人的需求增长速度最快。在区域分布上，随着亚洲地区制造业的发展，各项产业对于工业机器人的需求量增加，使得工业机器人市场逐渐由欧美地区转移到亚洲地区，中国将成为工业机器人的最大需求市场。

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图5 工业机器人应用领域

1.3.1发达国家工业机器人发展模式

美国模式：整体研发设计与对外采购机器人本体相结合，重在系统开发与应用。2013年3月美国发布了《机器人技术路线图：从互联网到机器人》，强调机器人技术在卫生保健服务领域的重要作用及其在创造新市场、新就业岗位和改善人们生活等服务领域的潜力，机器人应用已进入新阶段。

德国模式：一揽子“交钥匙工程”。即机器人本体的生产和用户所需要的系统设计制造全由一家机器人厂商完成，典型机器人企业如库卡。同时欧盟表示将尽快制定出欧盟机器人技术、特别是家庭服务机器人技术的研发路线图与时间进度表。

日本模式：产业链整体推进。即以机器人本体、关键零部件研发和生产为核心（典型企业如安川电机、发那科），由子公司或系统集成商设计制造各行业所需要的机器人成套系统。日本计划于2013年在神奈川县、茨城县建立“机器人特区”，投资10亿日元，推动看护机器人、救灾机器人等服务机器人的研发及应用。

韩国模式：采购与设计、集成相结合。机器人企业通过进口关键零部件，自行设计、制造配套外围设备，如现代重工、三星电子等。韩国于2010年提出“服务机器人发展战略”，计划通过开创新市场缩小与发达国家的差距。2012年出台机器人发展十年计划，目标是实现每个家庭一台机器人。

1.3.2全球工业机器人产业格局及发展特点

（一）德国KUKA（库卡）公司 2011年产值： 6.16 亿欧元，世界领先的工业机器

人供应厂家之一，提供全系列机器人系统，涵盖所有类型和负载等级，工业机器人年产量超过1万台，至今已在全球安装了15万台工业机器人。在华独资公司1家（上海）。

（二）日本FANUC（发那科）产值规模：2008年40亿美元，FANUC 2008年全球子公司达72家，提供高可靠性的机器人、机器人自动化工程。在华合资公司11家（上海、广州、深圳、天津、武汉等）； YASKAWA（安川）特点：焊接、装配、喷漆、搬运等机器人，并一直引领着全球产业用机器人市场，莫截止2011年3月，累计出售台数已突破23万台。在华合资公司4家（北京、上海、广州、成都）。

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（三）瑞典ABB公司 2012年产值规模：全球390亿美元，中国市场52亿美元，全球领先的工业机器人供应商，提供机器人产品，模块化制造单元及服务。在世界范围内安装了超过20万台机器人，业务遍布全球100多个国家。在华36家企业（北京、上海、天津、香港等）。

（四）意大利COMAU（柯马）公司在13个国家拥有24个运营中心，全球杰出的工业机器人提供商之一，具有优秀的机器人技术和集成解决方案，未来2年将生产4000～5000台机器人。在华独资公司4家（上海、昆山、重庆、深圳）。

图6 工业机器人产业现状

表1 世界知名工业机器人企业产品

2 我国工业机器人产业现状与存在问题

2.1我国工业机器人产业现状 已形成环渤海、长三角、珠三角和中西部四大产业集聚区。

（一）环渤海

产业集聚区：哈尔滨经济技术开发区机器人产业园区、沈阳浑南智慧产业园、沈抚新城机器人产业基地、天津滨海新区、唐山国家高新区、青岛国际机器人产业园；

代表性企业：沈阳新松、哈尔滨博实、北京华巍中兴、北京九思易自动化软件、唐山开元机器人系统、山东帅克机械制造、大连贤科机器人技术有限公司；

研究机构：中国科学院沈阳自动化研究所、机械科学研究总院、国家机械局北京自动化所；

特点：科研实力强，产品以AGV、焊接机器人、装配机器人为主。

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（二）长三角

产业集聚：上海、昆山机器人产业园、常州武进高新区机器人及智能装备产业园； 代表企业：沈阳新松（上海）公司、上海沃迪自动化装备公司、昆山华恒焊接股份有限公司、南京埃斯顿机器人公司、浙江万丰科技开发有限公司、上海机电一体工程有限公司；

研究机构：上海交大、上海大学、上海电气中央研究院；

长三角行业需求量大，外资、合资企业多，系统集成商发达，市场优势明显。 （三）珠三角

产业集聚：广州机器人产业园；

代表企业：广州数控、广州瑞松、广州万世德、深圳固高科技、深圳新松、深圳福士； 研究机构：中国科学院深圳先进技术研究院、广州机械科学研究院； 主要面向珠三角，市场应用空间大，控制系统占有优势。 （四）中西部

产业集聚：重庆两江机器人产业园、芜湖机器人产业园、武汉东湖高新区；

代表企业：安徽埃夫特智能装备有限公司、安徽巨一自动化装备有限公司、华创（山东潍坊帅克机械子公司）、北京华巍（重庆）分公司、武汉奋进电力技术有限公司、长沙长泰机器人有限公司、宁夏巨能机器人系统有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司；

研究机构：重庆中科院。

表2 中国机器人代表性企业发展模式比较 公司 沈阳新松

成 立 2000年

主要产品 工业机器人、洁净机器人、移动机器人、军用机器人和服务机器人等

1997年进入

工业码垛机器人、粉粒料生产线和后处理自动称重、包装码垛成套设备

广州数控

2007年

搬运机器人、码垛机器人

发展特点

依托自动化所科研力量，以控制器和算法研究为核心，关键部件国外采购，在AGV、汽车总装、物流等系统集成具有竞争力 依托哈工大科研力量，面

2012年产量（值） 约2000台13.2亿元，工业机器人4.1亿、物流仓储成套设备4.1亿、自动化装备与监测系统4.3亿、交通自动化系统0.67亿 7.6亿元。粉粒料全自动包

哈博实

向石化、化工自动化需求，装码垛成套设备4.6亿、合以系统集成为核心，在码成橡胶后处理成套设备 垛机器人及成套设备方面具有核心竞争力 机床控制系统研究为核心，具备伺服电机生产能力，面向机床行业应用，自主低成本优势

1.8亿、产品服务及其他1.2亿

0.5亿元（500台，每台约13万元）

安徽埃夫特

2007年

工业机器人，成套物流输送设备装备生产线及非标设备

与哈工大技术合作仿制发那科起家，主要是系统集成，部件外购，面向奇瑞应用，拓展到卫浴等行业

2-3亿元（800台）

现代重工 1985年进入

汽车装配机器人、LCD搬运机器人 与那智不二越技术合作，3亿美元（5000台） 依托现代集团汽车产业推广应用，主要是系统集成，关键部件全球采购

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2.2我国工业机器人产业存在问题

（一）市场需求快速增长，严重依赖国外品牌

随着劳动力、土地等要素成本的上升，近三年中国对工业机器人的需求快速增长。我国自2012年成为全球第二大工业机器人市场，2013年中国新增工业机器人数量达2.7万台，比2012年增长17.4%，预计到2017年左右将成为全球最大的机器人需求国。

以每万名工人中拥有工业机器人的数量衡量，我国有很大的市场需求空间。国际机器人联合会数据显示，中国2011年的这一数字是21台，国际平均水平是55台，其中美国是135，德国是251，日本是339，韩国是347。

2012年我国新增工业机器人中近70%依赖国外进口，外资品牌占90%以上。我国机器人产业发展具有广阔的增长空间。

（二）产业化取得初步进展，但应用程度较低

近年来我国工业机器人进入了初步产业化阶段，涌现出新松、广数、博实自动化、埃夫特、华恒焊接、沃迪、青岛软控等近60余家从事工业机器人生产的企业。

本土生产的工业机器人在精度、速度等方面不如进口的同类产品，因此这些产品产业化应用程度较低，多数处于几十台的规模。由于工业机器人缺乏品牌认知度，在应用市场被外资品牌挤出，造成产业化进程难以推进的困境。

（三）掌握了一些先进技术，但整体技术水平仍然较低

我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，一些产品的技术水平已达到国际先进水平。

然而，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外90年代中期的水平，处于一种单件小批量的生产状态，产品的性价比较低。

（四）关键核心部件严重依赖进口，产品成本居高不下

我国工业机器人相关零部件无论从质量、产品系列，还是批量化供给方面，都与国外存在较大的差距，在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显。其中，高精度交流伺服电机方面，国外品牌约占市场份额的80%，精密减速器主要来源于日本帝人、Harmonic谐波减速机公司。

3 汽车焊装机器人自动化

3.1国内外汽车焊装机器人自动化

目前国外主要汽车公司的车身焊装自动化率已达到95%以上，甚至实现无人化车身焊装。国内主流整车厂车身焊装自动化率普遍超过50%。

车身焊装自动化的推进层次及条件：

（一）必须使用机器人的工位：如高危工位、可达性不好的部位、为保证质量和换型，必须采用机器人；

（二）能显著提高效率的工位：如集中操作工位、后续焊工位，优先使用机器人； （三）其他一般性操作工位：如点定、成形工位，上件、操作、取件组合工位，随着人工费的逐年增加，逐步导入机器人。

3.2车身焊装机器人自动化技术经济分析

通过计算导入机器人的一次性投资，和使用人工的后期成本的动态比较，来分析计算导入车身焊装机器人自动化的技术经济型。分析前提条件如下：

直接人工成本：按年均增长9%计算；

机器人价格趋势：联合国欧洲经济委员会(UNECE)统计机器人价格每年约下降5%； 据行业统计，车身焊装机器人效率为人工1.25倍；

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投资收益率按14%，维修费用每年按原值2%取值。

初步分析表明：机器人焊接一般2～3年即可达到成本收益平衡点。

乘用车人工 乘用车机器人

商用车人工 商用车机器人

微型车人工 微型车机器人

图7 机器人焊接与人工焊接的技术经济分析

3.3机器人在车身焊装中的应用（某公司整车厂焊装自动化演变）

表3 机器人在车身焊装中的应用

能力，万辆/年 生产车型 投产时间 点焊机器人 自动电焊机 弧焊机器人 螺柱焊机器人 合计（台） 自动化率（%） 15 1 2005.09 14 4 0 0 18 27 3 2006.12 51 16 0 0 67 36 4 2008.10 85 28 6 2 121 24 4 2012.02 230 8 238 12 2 2014 200多台 90以上 15 20 40 80 现代汽车焊装的显著特点就是：总量大、品种多、单个品种批量减少、车型更新换代速度不断加快。为满足用户对安全、舒适、节能、环保和低成本的要求，现代车身焊装必须不断探索采用新工艺、新技术、新材料，以实现优质、高效、柔性化和低成本制造的总目标。

现代车身焊装发展的这些特点，特别适合应用各种机器人：如焊接机器人（点焊、弧焊、螺柱焊、冲铆连接等）、滚边机器人、涂胶机器人和各种搬运机器人。国外有报道：大众在欧洲的工厂已实现无人化的焊装车间，整个焊装工艺流程完全由机器人实现。

国内焊装机器人应用，从探索机器人点焊开始，向弧焊、螺柱焊、冲铆连接、滚边、涂胶和搬送运输发展，机器人应用比例不断提升，从不足10%上升到90%以上。

3. 4机器人技术在开启件滚边上的应用

包边是一种将零件上冲压产生的翻边折弯压平，使开启件的内、外板连接在一起的装配工艺。

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传统包边工艺通过电动或液力压机和翻边模的配合来实现，设备专用性强，投资大，成本高。机器人滚压包边主要包括机器人、滚压头和凹模三个部分，通过机器人驱动滚压头，在滚轮的滚动过程中将作用力施加在外板的折边上，使其变形最终成型。根据外板的折边角度，一般需要三次滚压。变换车型时，只需要更换凹模，机器人和滚轮均可以重复使用。

表4 传统包边与机器人滚边 包边特性 包边质量 设备复杂程度 设备可维修性 调 整 工艺柔性 包边压力 工艺投资 适用范围 专机 好 高 要求高 复杂 多专用设备 确定后不可调 高 中、小批量 压机+模具 好 较高 较高 较复杂 压机通用模具专用 可调 较高 长时期、大批量 机器人滚边 好 较低 要求较低 较简单 通用设备 分段编程可调 较低 多品种、柔性化

3. 5 机器人在多品种柔性化车身焊装线的应用

车身焊装柔性化包括传送线柔性、夹具柔性和焊接设备的柔性。现代汽车的车型发展，更新换代速度越来越快，车型换代的时间间隔从几十年到十几年，现在是三、五年甚至更短。焊接机器人和自动传送技术的广泛应用，为车身焊装实现柔性化提供了前提条件；作为车型更新的关键技术——多品种混流柔性成型机，为新车的快速换型提供了现实可能。 多品种柔性混流焊装线关键技术包括车身成型技术、输送方式和控制技术等，目前国内主流汽车厂流行的典型车身成型方式，无不以大量采用焊装机器人为技术前提。

（1）ABB Flex Framer柔性成型技术

（2）COMAU Open Gate 柔性成型技术 （3）KUKA Framing 柔性成型技术 （4）EDAG Geo Tack柔性成型技术 （5）MAZDA地面夹具库柔性成型技术 （6）PCI Body Flexor柔性成型技术 （7）本田工机EG GW柔性焊装线

（8）悦达起亚HYUNDAI INDUSTRIAL“四面体”柔性成型技术

4发展我国工业机器人产业的对策和建议

（一）加强规划引导，制定推进计划

制定具体推进计划，明确产业发展目标、路径，重点突破的关键技术和产品。加强服务机器人技术储备与前瞻布局。

（二）立足市场需求，明确发展路径

以系统集成与行业应用为突破口，先期定位非标产品。确立“市场为王”战略。以应用为导向，深耕细分行业应用，与工业生产、制造企业紧密合作，了解企业所需，为其提供一体化解决方案，瞄准需求广泛的行业，对尚未充分开发的实行重点突破。本土企业短期内实现关键技术及零部件突破有一定难度，而在系统集成、售后维护保养方面具有一定的优势，更需要联合上下游产业，结合优势资源，形成规模化集团企业，壮大规模，以规模带动工业机

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器人的标准化、模块化。同时应制定中长期发展规划，加强关键零部件的研发，降低产品成本，实现规模化应用。

（三）加大政策支持，提升创新能力

（1）加强与国家相关部委对接，积极争取相关专项资金（如工信部智能制造装备专项、重大技术装备进口免税政策等），地方给予企业等额配套； （2）探索新的财政支持模式，设立工业机器人产业投资基金，以后补助方式进行项目招标，支持工业机器人全生命周期可靠性和制造工艺技术研究，伺服电机、减速器等机器人关键零部件研发与产业化应用。

（3）整合现有创新资源，引导生产企业、用户企业、系统集成商、科研机构建立产业创新发展联盟，加强协同攻关；积极搭建设计研发、检测、试验验证、认证认可等共性技术服务平台，并加以财税支持。

（四）培育龙头企业，形成产业集聚

以机器人整机企业和系统集成商为主体，培育若干家龙头企业，带动工业机器人产业链的形成和提高工业机器人产品创新能力，带动机器人零部件企业的发展，产业规模化生产。同时依托龙头企业，在现有开发区设立“工业机器人产业园”，完善产业链条，发展创新型中小企业，推进机器人产业集群化发展。

（五）营造良好环境，强化招商引智

积极营造良好产业环境，吸引国内外知名机器人（如现代重工等）企业进行产业布局。引进国内外领军人才或团队，鼓励本地企业与国外知名研究机构、大企业加强交流合作，形成开放创新发展的良好氛围。

5 结论

（1）随着新车型更新换代加快和精益生产的要求，先进焊装技术应用于中国汽车工业的速度不断加快，以机器人自动化为代表的焊装智能制造，将成为中国汽车焊装的发展亮点；

（2）国产机器人产业面临外有压力、内有动力的双重夹击，唯有加速奋起，才能担负起支撑中国汽车工业脊梁的重任；

（3）国产机器人焊接装备产业具有光明的前景。

参考文献

[1]中国汽车工程学会制造分会焊接学组论文集. 2010年8月，广州 从化. [2]电焊机.成都电焊机研究所.2010年第5期.

[3]焊接手册.机械工业出版社.2008年1月第3版.

[4]中国汽车工业年鉴，2012~2013版.中国汽车技术研究中心,中国汽车工业协会. [5]湖北省推进工业机器人产业发展座谈会 会议资料，2014年5月.

作者简介

崔厚学 男，1964年10月生，湖北省武汉市人，焊接专业博士，研究员

级高级工程师，东风汽车公司科技工程部制造规划处焊接专业规划师，长期从事汽车焊装规划、工艺设计、现生产质量管理及新技术导入等工作。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s61d.html