基于工業(yè)機(jī)器人的指尖陀螺組裝自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)研究

高 帆 金 燁

（川崎機(jī)器人（天津）有限公司，天津，300457）

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)外3C產(chǎn)品發(fā)展迅速，覆蓋面廣，品種繁多。國內(nèi)自主品牌如聯(lián)想、小米、OPPO、華為在世界3C領(lǐng)域所占份額日益增加，國外品牌如蘋果在國內(nèi)代工生產(chǎn)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，這都促使生產(chǎn)制造廠家加快生產(chǎn)線自動(dòng)化進(jìn)程。而工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化設(shè)備的明珠，在3C產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)過程中自然扮演著十分重要的角色[1]，如富士康等知名代工工廠為穩(wěn)固其市場份額，正在積極使用工業(yè)機(jī)器人，并組織公司內(nèi)外力量解決3C產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化發(fā)展難題，以期達(dá)到提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低人力成本等目的[2]。

3C產(chǎn)品從原材料生產(chǎn)到最后組裝完成的生產(chǎn)過程中，涉及零部件種類繁多、工藝方式多種多樣，自動(dòng)化生產(chǎn)線可增加產(chǎn)品生產(chǎn)的柔性和穩(wěn)定性[3]。本文選用指尖陀螺這一大眾化的消費(fèi)電子產(chǎn)品作為切入點(diǎn)，分析包括電路板切割、電氣元件插裝加焊錫、軸承壓入、精密裝配、打螺釘安裝、動(dòng)作和光感檢查等工藝流程，發(fā)現(xiàn)流程中存在的問題，采用工業(yè)機(jī)器人并結(jié)合一些世界前沿的軟件、硬件設(shè)備來實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的自動(dòng)化[4]。

1 生產(chǎn)線整體設(shè)計(jì)與工藝流程

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的LED發(fā)光指尖陀螺全自動(dòng)生產(chǎn)線，如圖1所示，包括依次固定在工作臺(tái)上的電路板切割機(jī)構(gòu)、自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)、下旋鈕與下蓋組裝機(jī)構(gòu)、軸承組裝與壓入機(jī)構(gòu)、上旋鈕與上蓋組裝機(jī)構(gòu)、自動(dòng)打螺絲機(jī)構(gòu)、成品檢測(cè)及碼垛裝箱機(jī)構(gòu)以及環(huán)形傳送帶。

本生產(chǎn)線中的機(jī)械手均為成熟機(jī)械手產(chǎn)品，對(duì)機(jī)械手末端安裝不同設(shè)備進(jìn)行陀螺的組裝工作。下面對(duì)電路板切割、電氣元件插裝加焊錫、軸承壓入、精密裝配、打螺釘安裝、動(dòng)作和光感檢查工藝流程進(jìn)行詳細(xì)分析，說明指尖陀螺自動(dòng)化生產(chǎn)線的運(yùn)行思路和技術(shù)路線。

圖1 指尖陀螺組裝生產(chǎn)線整體圖

1.1 電路板切割

傳統(tǒng)生產(chǎn)線中的切割機(jī)器存在不易編程、操作困難等問題。本設(shè)計(jì)開發(fā)了不同電路板的仿形軟件，把目標(biāo)電路板形狀的CAD模型導(dǎo)入軟件中，當(dāng)選取切割輪廓時(shí)，再把機(jī)器人、切割設(shè)備和電路板的位置都登錄到軟件中，即能自動(dòng)生成機(jī)器人動(dòng)作路徑程序，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行。

圖2 電路板切割結(jié)構(gòu)的立體圖

如圖2所示，電路板切割機(jī)構(gòu)包括第一單臂機(jī)械手和電路板放置臺(tái)，第一機(jī)械手的末端裝有激光切割機(jī)以及電路板吸盤，采用機(jī)器人結(jié)合外觀仿形和激光切割技術(shù)，對(duì)電路板機(jī)型切割分板，能夠使仿形準(zhǔn)確，切口光滑無毛刺，便于組裝。工作時(shí)，第一機(jī)械手上的電路板吸盤先將整塊電路板放置到電路板放置臺(tái)上，第一單臂機(jī)械手上的激光切割機(jī)對(duì)電路板放置臺(tái)上的整塊電路板進(jìn)行切割，然后第一單臂機(jī)械手再切換到電路板吸盤，電路板吸盤將切割后的單塊電路板傳送到下一工序。

1.2 電氣元件插裝加焊錫

在傳統(tǒng)生產(chǎn)線中，一些大型化、異形化的電氣元件需要人手工插入并固定焊錫，因此存在人身安全隱患和產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性差的問題。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專門的機(jī)器人柔性端拾器，并利用自動(dòng)溫控焊錫工具，配合雙臂機(jī)器人來完成電氣元件插裝加焊錫工作。

圖3 自動(dòng)焊接結(jié)構(gòu)的立體圖

如圖3所示，自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)包括第一雙臂機(jī)械手、移動(dòng)座和支撐平臺(tái)；第一雙臂機(jī)械的左手末端安裝有焊接機(jī)，右手末端安裝有芯片吸盤和成品電路板吸盤，移動(dòng)座底部與設(shè)置在支撐平臺(tái)上部的滑軌滑動(dòng)配合工作，移動(dòng)座上設(shè)有電路板支撐座；工作時(shí)，放置單塊電路板的移動(dòng)座滑動(dòng)到焊接機(jī)下端，芯片吸盤將芯片吸附后放置到單塊電路板上，焊接機(jī)進(jìn)行焊接，焊接完成后，轉(zhuǎn)換到成品電路板吸盤，將成品電路板吸附后傳送到下一工序。

1.3 軸承壓入

在傳統(tǒng)組裝生產(chǎn)線中，大量零部件需要進(jìn)行穩(wěn)定壓入作業(yè)，而人工作業(yè)只能依靠觸覺記憶來實(shí)現(xiàn)，很難保證產(chǎn)品作業(yè)的穩(wěn)定性。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)用力傳感器的專門工具來實(shí)現(xiàn)軸承壓入工作，由于對(duì)壓入力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而可保證壓入零件的高位置精度，降低產(chǎn)品不合格率。

圖4 軸承組裝與壓入機(jī)構(gòu)立體圖

如圖4所示，軸承組裝與壓入機(jī)構(gòu)包括軸承傳送帶、第三單臂機(jī)械手、壓桿、力回饋傳感器、連接板以及軸承夾爪；軸承傳送帶上方設(shè)有視覺傳感器，用于識(shí)別軸承位置，視覺傳感器下方設(shè)有照明燈，使軸承更清晰，便于視覺傳感器進(jìn)行識(shí)別；第三單臂機(jī)械手末端安裝連接板，連接板下方固定力回饋傳感器，力回饋傳感器下部固定壓桿，壓桿用于將軸承壓入到下蓋中，軸承夾爪安裝在連接板的一側(cè)；軸承夾爪一側(cè)設(shè)有預(yù)壓氣缸，預(yù)壓氣缸的活塞桿連接有壓板，壓板延伸到軸承夾爪的夾口上方。

工作時(shí)，軸承傳送帶將軸承傳送到視覺傳感器下方位置，視覺傳感器確定好軸承位置后，軸承夾爪對(duì)軸承進(jìn)行抓取并放置到上一步傳送過來的下蓋上，預(yù)壓氣缸啟動(dòng)通過壓板將軸承壓到下蓋的上部，第三單臂機(jī)械手轉(zhuǎn)換到正對(duì)于軸承的壓桿，向下壓入，由力回饋傳感器控制壓入力量。

1.4 精密裝配

在傳統(tǒng)組裝生產(chǎn)線中，用高精度機(jī)床、注塑機(jī)等制造出來的金屬或塑料零部件本身已達(dá)到精度要求，但由于手工裝配導(dǎo)致高精度零件不能實(shí)現(xiàn)高精度裝配。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合高精度電子產(chǎn)品元器件的高精度端拾器，加上機(jī)器人本身的高重復(fù)定位精度，能夠在抓取和安裝時(shí)都保證±0.03mm的裝配精度，讓產(chǎn)品從零件到成品都能保證其穩(wěn)定性和高精度性。

圖5 環(huán)形傳送帶和旋鈕與蓋組裝機(jī)構(gòu)立體圖

如圖5所示，環(huán)形傳送帶用于對(duì)陀螺的循環(huán)傳送，環(huán)形傳送帶為兩排，靠近外側(cè)的一排用于運(yùn)送空的陀螺移動(dòng)托盤，內(nèi)側(cè)的一排陀螺移動(dòng)托盤用于對(duì)指尖陀螺進(jìn)行移動(dòng)裝配。下旋鈕與下蓋組裝機(jī)構(gòu)包括下蓋料盤、下旋鈕托盤和第二單臂機(jī)械手，第二單臂機(jī)械手的末端安裝有下旋鈕機(jī)械爪和下蓋吸盤。下旋鈕機(jī)械爪和下蓋吸盤能夠相互轉(zhuǎn)換，先通過下旋鈕機(jī)械爪抓取一個(gè)下旋鈕放置到陀螺移動(dòng)托盤中心槽內(nèi)，再通過下蓋吸盤吸取一個(gè)下蓋放置到陀螺移動(dòng)托盤上，成品電路板吸盤將成品電路板放置到下蓋上，完成下旋鈕和下蓋的組裝。上旋鈕與上蓋組裝機(jī)構(gòu)包括上蓋料盤、上旋鈕托盤和第四單臂機(jī)械手，第四單臂機(jī)械手的末端安裝有上旋鈕機(jī)械爪和上蓋吸盤。通過本機(jī)構(gòu)用于組裝上旋鈕和上蓋，該結(jié)構(gòu)與下旋鈕與下蓋組裝機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理類似，只不過在上旋鈕機(jī)械爪處增加一個(gè)壓緊氣缸，壓氣缸的結(jié)構(gòu)與圖4中的預(yù)壓緊氣缸結(jié)構(gòu)相同，夾緊好上旋鈕后，通過壓緊氣缸壓緊上旋鈕。

1.5 打螺釘安裝

在產(chǎn)品組裝流程中，涉及大量的打螺釘組裝工作，傳統(tǒng)生產(chǎn)線中為適應(yīng)快速切換的多種類產(chǎn)品，生產(chǎn)流水線上一半以上工人都在用手持式螺釘機(jī)作業(yè)。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用具備扭力控制功能的自動(dòng)螺絲機(jī)裝載于機(jī)器人手臂上，利用機(jī)器人可編程性解決同時(shí)對(duì)應(yīng)多種產(chǎn)品多打螺釘?shù)膯栴}，扭力控制解決螺釘緊固力一致性的問題，從而使得生產(chǎn)過程提升產(chǎn)品質(zhì)量并降低人工成本。

如圖6所示，自動(dòng)打螺絲機(jī)構(gòu)包括第五單臂機(jī)械手和自動(dòng)螺絲機(jī)，上蓋和下蓋組裝完成后，通過自動(dòng)螺絲機(jī)把螺絲打入到上蓋與下蓋內(nèi)將二者固定。

圖6 自動(dòng)打螺絲機(jī)立體圖

1.6 動(dòng)作和光感檢查

產(chǎn)品組裝完成后，工廠需要對(duì)其按鈕、觸屏等可動(dòng)部位做動(dòng)作檢查，傳統(tǒng)生產(chǎn)線只有少量產(chǎn)品檢查能用專機(jī)來對(duì)應(yīng)，效率低下、適應(yīng)性差且設(shè)備成本高昂。另外，工廠還需要對(duì)產(chǎn)品LED、屏幕等發(fā)光部件做發(fā)光檢查，目前這一流程依然主要依靠人工目視檢查，光感度完全依靠肉眼判別，其標(biāo)準(zhǔn)性、一致性都達(dá)不到要求。

對(duì)于上述動(dòng)作檢查，本設(shè)計(jì)采用雙臂機(jī)器人搭載專門夾具的方式，解決指尖陀螺動(dòng)作檢查自動(dòng)化難題。機(jī)器人兩只手臂互相配合動(dòng)作，擬人化動(dòng)作讓陀螺的按鈕和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作在產(chǎn)品出廠前得到充分驗(yàn)證；這一方案對(duì)于3C產(chǎn)品的按鈕和觸屏動(dòng)作檢查具有借鑒意義，雙臂機(jī)器人配合專門夾具和工具，可以完成與人完全相同的工作動(dòng)作，并且能夠快速完成多次檢測(cè)。而對(duì)于光感設(shè)計(jì)則采用雙臂機(jī)器人與光電檢測(cè)傳感器配合的方式，完成發(fā)光元件性能檢測(cè)工作。機(jī)器人雙手臂配合觸碰按鈕并讓陀螺旋轉(zhuǎn)后陀螺LED開始發(fā)光，光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)到LED光源后判定產(chǎn)品合格。

如圖7所示，成品檢測(cè)及碼垛裝箱機(jī)構(gòu)包括第二雙臂機(jī)械手和碼垛箱，通過第二雙臂機(jī)械手進(jìn)行模擬人工的轉(zhuǎn)動(dòng)，再進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完成后另一機(jī)械手將合格品放入到碼垛箱內(nèi)。

圖7 成品檢測(cè)及碼垛裝箱機(jī)構(gòu)立體圖

2 效果及應(yīng)用前景

2.1 電路板切割

由于開發(fā)并使用機(jī)器人軌跡自動(dòng)生成軟件，種類繁多的電路板切割工作變得易操作，只要選擇動(dòng)作范圍合適的機(jī)器人，就能柔性化地處理所有需要切割的電路板，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品線的快速更換。

此外，機(jī)器人動(dòng)作精度高、一致性好，不僅可以幫助工廠減少人員和設(shè)備成本，又可以保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

2.2 電氣元件插裝加焊錫

用完全擬人化的雙臂機(jī)器人同時(shí)完成插裝和焊錫兩項(xiàng)工作，是機(jī)器人自動(dòng)化向智能制造進(jìn)化的一個(gè)標(biāo)志性設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)不僅具備與人相當(dāng)?shù)乃俣群腿嵝?，還具有超越人工的穩(wěn)定性，可為其他類似自動(dòng)化生產(chǎn)線提供寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2.3 軸承壓入

本設(shè)計(jì)在零部件壓入過程中采用力傳感器是裝配生產(chǎn)線自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化和智能化的一次嘗試。高精度產(chǎn)品需要穩(wěn)定的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每一次裝配提供的壓力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都能夠匯總到生產(chǎn)信息當(dāng)中，為產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控和新產(chǎn)品的工藝標(biāo)準(zhǔn)留下珍貴依據(jù)。

2.4 精密裝配

本文高精度端拾器的成功設(shè)計(jì)和使用，為3C產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線提供優(yōu)選設(shè)備，讓自動(dòng)化進(jìn)程更加暢通無阻。

2.5 打螺釘安裝

通過機(jī)器人加扭力控制螺釘機(jī)的配合，這在3C產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線最耗費(fèi)人工的打螺釘環(huán)節(jié)中，完美呈現(xiàn)替代人工的自動(dòng)化生產(chǎn)方式，這為該類生產(chǎn)線的自動(dòng)化和電子產(chǎn)品裝配的整體省人化提供了范本。

2.6 動(dòng)作和光感檢查

3C產(chǎn)品具有高頻率被人使用的特征，因此其動(dòng)作檢查工藝用近似人工的自動(dòng)化方案來解決，本自動(dòng)化方案充分體現(xiàn)人機(jī)結(jié)合、人機(jī)一體的自動(dòng)化理念，可在各種電子產(chǎn)品生產(chǎn)線上被大量復(fù)制。

這種機(jī)器人和傳感器配合進(jìn)行檢測(cè)的生產(chǎn)方式，自動(dòng)完成發(fā)光元件是否正常的檢測(cè)工作，在各個(gè)電子產(chǎn)品生產(chǎn)線上都具備推廣價(jià)值。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的LED發(fā)光指尖陀螺全自動(dòng)生產(chǎn)線，針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的問題和痛點(diǎn)，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到自動(dòng)化生產(chǎn)線中，再配合端拾器和傳感器等智能化設(shè)備的使用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線智能化、自動(dòng)化運(yùn)行。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線中，這不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障工人人身安全、減輕工作強(qiáng)度、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。工業(yè)機(jī)器人取代人工生產(chǎn)已經(jīng)成為未來生產(chǎn)線的必然趨勢(shì)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也必將更加廣泛。