手機(jī)外殼機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

湯愛軍，諸進(jìn)才

（1.富士康科技集團(tuán)，廣東 深圳 518110；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430）

拋光是產(chǎn)品制造最重要的工序之一，常作為產(chǎn)品最后表面處理工序之一，直接影響產(chǎn)品最終外觀和品質(zhì)。目前業(yè)界手機(jī)外殼常用輕質(zhì)鋁合金，該類產(chǎn)品的拋光當(dāng)前多采用手工作業(yè)，存在自動化程度低，產(chǎn)品品質(zhì)一致性差、良率低和效率不高等問題[1]。同時多采用干式拋光，原因是干式拋光耗材為固態(tài)蠟搭配拋光輪，成本低廉。并且干式拋光屬于熱加工，拋光輪搭配拋光蠟和產(chǎn)品之間的相互摩擦作業(yè)，產(chǎn)生局部的高壓高溫，更有利于產(chǎn)品表面材料的塑性流動和它們之間的化學(xué)作用，也就有利于高品質(zhì)表面的形成[2]。

這種人工干式拋光作業(yè)方式，不僅生產(chǎn)效率低，更嚴(yán)重的是存在三大安全隱患：（1）拋光產(chǎn)生粉塵、噪音和振動等，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度高，對工人存在職業(yè)病危害；（2）干式拋光產(chǎn)生的粉塵，是產(chǎn)品材料、拋光輪和拋光蠟的拋光粉塵混合物，主要成份是金屬、磨料、棉、毛和纖維等，這屬于易燃易爆粉塵。這類粉塵的堆積和揚(yáng)塵濃度達(dá)到一定程度，遇到火源的情況下，即可能會產(chǎn)生塵爆和二次爆炸。塵爆的后果會產(chǎn)生重大的生命財產(chǎn)損失，近十年發(fā)生多起重大傷亡塵爆事故，特別是2014年8月2日，昆山中榮金屬制品有限公司汽車輪轂車間發(fā)生爆炸，造成68人死亡，187人受傷就是個慘痛的教訓(xùn)[3]；（3）拋光壓力是影響品質(zhì)的重要影響因素，如果拋光壓力控制不好，甚至發(fā)生撞機(jī)，會導(dǎo)致產(chǎn)品損壞報廢，存在產(chǎn)品安全隱患[4]。上述三個隱患，是困擾手機(jī)制造企業(yè)的問題，也是企業(yè)生產(chǎn)自動化升級改造急需解決的問題。

1 機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)開發(fā)

針對手機(jī)外殼人工手工拋光存在的三個安全隱患，公司項目組經(jīng)過多個專案探索開發(fā)，最終開發(fā)出了以機(jī)器人搭配力控和水簾柜的機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)由六軸工業(yè)機(jī)器人、拋光機(jī)、力感、手爪、打蠟機(jī)、水簾柜、供料臺及機(jī)架等所組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)

1.1 機(jī)器人代替人工提高效率保證工人安全

針對人工拋光存在的職業(yè)病安全隱患，公司項目組開發(fā)了六軸工業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行拋光作業(yè)，如圖2所示。機(jī)器人把工人從惡劣的拋光環(huán)境、繁重的勞動強(qiáng)度中解放出來，遠(yuǎn)離職業(yè)病，保障工人的安全。

圖2 機(jī)器人拋光作業(yè)示意圖

機(jī)器人自動打磨拋光，相比人工手工作業(yè)，具有如下幾個特點(diǎn)優(yōu)勢：（1）機(jī)器人具有“走軌跡+上下料”功能，可實(shí)現(xiàn)打磨拋光全自動化，進(jìn)一步減少作業(yè)人員；（2）提高產(chǎn)能，提升效率，降低成本；（3）產(chǎn)品品質(zhì)一致性好，良率提升；（4）屬于彈性自動化設(shè)備，柔性好，產(chǎn)品變化，設(shè)備可重復(fù)利用；（5）節(jié)省員工招募、培訓(xùn)、薪資、管理等成本。機(jī)器人代替人工進(jìn)行打磨拋光，在各行業(yè)各產(chǎn)品陸續(xù)有開發(fā)導(dǎo)入，均有不錯的效果[5]。

1.2 水簾柜方案杜絕塵爆保障工業(yè)安全

大量鋁粉塵（粒徑≤75μm）遇潮濕或水蒸氣能自燃，因此，干燥易燃易爆粉塵堆積是塵爆的隱患因素之一。當(dāng)前拋光企業(yè)主要采用抽風(fēng)系統(tǒng)把粉塵抽進(jìn)濕式除塵塔進(jìn)行處理，該方法存在粉塵日積月累后在管道內(nèi)堆積的風(fēng)險，依據(jù)國家安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求企業(yè)提高管道風(fēng)速至23 m/s以上，并定期清理，保證粉塵堆積厚度小于安全厚度1 mm，這對抽風(fēng)系統(tǒng)提出較高的功率要求，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)管理成本也會隨之增加[6，7]。為了確保拋光安全，設(shè)計開發(fā)了安全拋光水簾柜如圖3所示。

圖3 安全拋光水簾柜

安全水簾柜的原理是通過水循環(huán)系統(tǒng)，讓水簾柜左右和前后壁形成薄水幕，而底部是大水槽，儲存一定深度的水。機(jī)器人、拋光機(jī)、打蠟機(jī)等拋光設(shè)備安裝于其中，拋光過程產(chǎn)生的粉塵，將沉落于大水槽或四側(cè)壁上，被水幕沖刷到大水槽內(nèi)，成為濕式安全粉塵，最終進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，被過濾定期清理掉，從而杜絕掉干式粉塵堆積的風(fēng)險。

拋光由于持續(xù)產(chǎn)生熱，容易致使封閉的水簾柜內(nèi)溫度升高至40℃以上。高溫也是塵爆的隱患因素之一，也不適于人工上下料，設(shè)備操作和維護(hù)保養(yǎng)。經(jīng)過分析檢討，項目組提出在水簾柜頂部安裝定制工業(yè)空調(diào)，設(shè)定合適的溫度和濕度分別為28℃和75%，如超限則報警停機(jī)，該方案能實(shí)現(xiàn)自動檢測和控制水簾柜內(nèi)溫度和濕度。

同時在水簾柜內(nèi)安裝懸掛自爆貯壓式干粉滅火器和粉塵濃度檢測儀，設(shè)定粉塵質(zhì)量濃度安全閥值為4 mg/m3（按照本公司標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)遠(yuǎn)小于鎂鋁粉塵塵爆濃度下限40 g/m3）。并要求水簾柜內(nèi)所有電器組件、功能模組、設(shè)計選型均符合國家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，必須等電位連接并接地，接地電阻小于100Ω，不產(chǎn)生靜電和電火花。

設(shè)計的水簾柜能自動檢測控制粉塵濃度和溫度，把干式粉塵變成濕式粉塵過濾處理，并按國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計保護(hù)措施，有效杜絕塵爆風(fēng)險。

1.3 力控系統(tǒng)提高品質(zhì)保證產(chǎn)品安全

根據(jù)Preston方程可知，每一加工點(diǎn)的材料去除率與拋光壓力及相對速度成正比，拋光壓力是產(chǎn)品拋光品質(zhì)和效率的重要影響因素之一[8]。人工手工拋光，可憑人手的感覺控制拋光壓力，但不均勻，無法做到精準(zhǔn)控制。有些自動拋光設(shè)備，也因技術(shù)難題和節(jié)省成本，沒有安裝力控裝置，僅依靠實(shí)驗驗證得出的軌跡和經(jīng)驗值，進(jìn)行定期自動補(bǔ)償，但這種補(bǔ)償是開環(huán)的，無法回饋補(bǔ)償是否達(dá)到要求，這也就存在產(chǎn)品品質(zhì)甚至產(chǎn)品報廢的隱患。

針對上述問題，項目組設(shè)計開發(fā)了與機(jī)器人搭配的力控裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人拋光壓力的自動檢測和控制，使每個產(chǎn)品拋光過程壓力變化基本一致，保持在合理水平范圍，確保產(chǎn)品安全。

設(shè)計開發(fā)的機(jī)器人力控控制架構(gòu)如圖4所示，力傳感器安裝于機(jī)器人第六軸，直接檢測和控制機(jī)器人拋光壓力（拋光軌跡曲線法向量合成力F）。機(jī)器人的工控機(jī)與力感控制器通過Ether CAT（實(shí)時以太網(wǎng)）通信進(jìn)行控制。Ether CAT相比最常用簡單的串口（RS232、RS485），實(shí)時性更好，速度快；而相對于模擬量輸出，既保持了模擬量的實(shí)時高速，還不存在模擬量輸出的最大問題，即受干擾問題，具有抗干擾性好。

圖4 機(jī)器人力控控制架構(gòu)

設(shè)計的閉環(huán)控制過程力控系統(tǒng)原理如圖5所示，屬于機(jī)器人的主動柔順控制[9]。機(jī)器人拋光軌跡上的點(diǎn)位，由理想軌跡相應(yīng)的參考位置點(diǎn)r，結(jié)合力控反饋的電壓與理想拋光壓力對應(yīng)的電壓值之間的差值ΔV，轉(zhuǎn)化為位置補(bǔ)償值y，通過PID智能控制算法，控制機(jī)器人走補(bǔ)償后的實(shí)際軌跡，使它實(shí)際運(yùn)行軌跡過程中的拋光壓力，控制在理想拋光壓力的上下限范圍內(nèi)。

圖5 力控系統(tǒng)原理圖

理想的拋光壓力變化曲線，是通過實(shí)驗驗證優(yōu)化得到的，達(dá)成客戶品質(zhì)良率和效率的拋光軌跡所對應(yīng)拋光壓力變化曲線。由于影響機(jī)器人拋光品質(zhì)的因素有很多，如產(chǎn)品材料、來料品質(zhì)、打磨軌跡、速度、壓力、時間、工具、耗材、品質(zhì)檢驗標(biāo)準(zhǔn)等等。通過一系列的打磨單因素和正交DOE（Design Of Experiments實(shí)驗設(shè)計）實(shí)驗，項目組不斷總結(jié)出各因素的影響規(guī)律，找出關(guān)鍵因素，得出品質(zhì)和良率最優(yōu)的關(guān)鍵因素水平組合，并優(yōu)化打磨CT（cycle time生產(chǎn)周期），達(dá)成客戶產(chǎn)能需求，最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，此時標(biāo)準(zhǔn)化的拋光軌跡所對應(yīng)的拋光壓力變化曲線，即是理想的拋光壓力變化曲線。調(diào)整壓力上下限范圍，確保產(chǎn)品品質(zhì)良率在可接受范圍，得出拋光壓力上下限控制線。

2 應(yīng)用推廣效益

開發(fā)的手機(jī)外殼機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)，通過了富士康科技集團(tuán)安全處的安全認(rèn)證，也得到了幾大客戶的認(rèn)可，已在多款產(chǎn)品上成功應(yīng)用。如圖6為某款手機(jī)外殼機(jī)器人拋光系統(tǒng)，該自動化安全拋光系統(tǒng)節(jié)省了大量的人工，把工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來，保障工人的安全，杜絕了塵爆風(fēng)險，保障了生產(chǎn)工業(yè)安全。力控的使用，保障了產(chǎn)品的安全，也提升了產(chǎn)品優(yōu)良率，產(chǎn)生了良好的有形經(jīng)濟(jì)效益和無形經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 某款手機(jī)外殼機(jī)器人拋光系統(tǒng)

3 結(jié)束語

針對當(dāng)前手機(jī)外殼人工拋光存在的三個安全隱患，設(shè)計開發(fā)了機(jī)器人安全拋光系統(tǒng)，既保留了干式拋光低成本優(yōu)勢，又保證了工人安全，生產(chǎn)工業(yè)安全和產(chǎn)品安全。經(jīng)多個項目應(yīng)用推廣，得到多個客戶的認(rèn)可，證明該系統(tǒng)有明顯的有形經(jīng)濟(jì)效益和無形經(jīng)濟(jì)效益。隨著更多打磨拋光類項目的應(yīng)用開發(fā)，今后該套安全系統(tǒng)將繼續(xù)優(yōu)化完善和應(yīng)用推廣。

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