3C行業(yè)中SCARA運用實踐及未來展望

■東莞技研新陽電子有限公司 （廣東東莞 523533） 華 偉

■東莞新友智能科技有限公司 （廣東東莞 523533） 劉 焱 張英軍

自2017年，在中國制造2025政策趨動下，各地政府陸續(xù)推出機器換人的鼓勵政策。3C行業(yè)各類工廠智能制造演進過程中，也積極采用機械手臂取代人手，來應對制造行業(yè)勞動力價格上漲和員工難招聘的情況。筆者團隊經(jīng)過近5年的各種嘗試和實踐，與機器人制造、機器人集成運用、使用單位團隊逐步形成一個共同認識：SCARA四輛機械手更加適合3C制造業(yè)。而且其在許多知名企業(yè)的手機、家電、PC機、筆記本電腦和服務器等生產(chǎn)線大量成功實踐，取得較好效益，并引起同行的注意。

本文從3C行業(yè)制造特點、SCARA適應3C行業(yè)制造特點的演進及未來發(fā)展趨勢、民間資本參與等三方面來綜合闡述SCARA在3C行業(yè)智能制造發(fā)展趨勢。

1. 3C行業(yè)制造特點

3C產(chǎn)品特點是每一兩年進行一次產(chǎn)品更新?lián)Q代。一年迭代周期已經(jīng)是基本無限接近制造周期、產(chǎn)品研發(fā)、制造投入與銷售回收成本、取得利潤的平衡點了。也正是這樣高效的更新?lián)Q代，讓中國的3C行業(yè)充滿無限活力，成為中國機電產(chǎn)品出口生力軍。近些年來，工業(yè)級產(chǎn)品更新速度也出現(xiàn)類似3C類產(chǎn)品的趨勢。下面以手機制造流程來說明3C行業(yè)制造特點，這些特點正是3C行業(yè)眾多EMS工廠選擇大批量采用SCARA的技術原因。

圖1 手機制造流程

（1）固化節(jié)拍時間 手機制造流程如圖1所示。對于手機總裝EMS工廠來說，最大設備投資是SMT設備，因此要最大化提高SMT生產(chǎn)線使用效率，而SMT生產(chǎn)線以瓶頸工位錫膏印刷機最快生產(chǎn)速度15s/pcs為基準來設定S M T生產(chǎn)線產(chǎn)能及設備配置。隨著精益制造的理念深入運用，EMS工廠最大化追求工程中半成品或者在制品數(shù)量最少化（俗稱零WIP在制品），裝配工廠形成以15s或15s的倍數(shù)作為每個工站節(jié)拍（Cycle time）的模式。

（2）頻繁換線 消費者對3C行業(yè)產(chǎn)品選擇多樣化的需求，直接給EMS廠家的課題是：同一代的同一系列產(chǎn)品有多種配置和型號，造成生產(chǎn)線一天之內需要數(shù)次更換生產(chǎn)機種。這種頻繁換線是E M S制造效率低下、浪費成本的主要因素。如何在實現(xiàn)隨心所欲滿足市場多樣化需求的同時，又能在最短時間實現(xiàn)換線成為機器換人推廣過程中的重要課題。

（3）兩年換一代 3C行業(yè)產(chǎn)品是創(chuàng)新創(chuàng)意集中地，各大品牌廠家為保持市場競爭力，形成兩年換一代，有些小家電達到一年換一代產(chǎn)品。這給EMS工廠帶來的課題是：投入到生產(chǎn)線上的機器換人的設備如何做到最大化適用各種產(chǎn)品功能和形態(tài)上的創(chuàng)意以及制造工藝上的進化，確保企業(yè)能以低成本、高品質制造優(yōu)勢，來滿足多樣化市場需求和可持續(xù)發(fā)展。

2. SCARA在3C行業(yè)運用演進

面對龐大的市場需求，經(jīng)過近10年來，中國各大EMS工廠技術人員和機器人公司、機器人集成商、各相關專業(yè)廠商的努力，逐步開發(fā)出適應3C行業(yè)制造需求的技術方案，并在實踐過程中取得良好效果。下面以筆者團隊參與過的一些項目中的幾個典型案例，集中說明SCARA在3C行業(yè)內技術演進和完善過程。SCARA相關技術路線演進趨勢，如圖2所示。

（1）Cycle time最短化趨勢 目前市場占有率比較高的品牌SCARA標稱的標準Cycle time大約在0.37～0.50s。但是這個數(shù)值在實際活動中僅能作為參考，很少有工程師將廠商提供的標準Cycle time作為設計輸入的依據(jù)。在實踐活動中，SCARA以最高速度進行啟動、停止過程中，SCARA的負載給SCARA本體帶來顫動，需要大約0.5～0.8s才能穩(wěn)定在±0.02mm之內。對于3C行業(yè)，精度是必須要充分考慮的因素。在這種條件下，SCARA完成一個重復精度在±0.02m m運動時，工程師必須要考慮給1.5～2.0s的時間。因此生產(chǎn)線Cycle time為15s時，一個SCARA工站大約可以完成五六個動作（減去產(chǎn)品進出工站的移動時間3s）。而一位熟練的作業(yè)員完成一個500m m范圍動作時間大約需要1.5s。二者從時間來比較，SCARA略勝一籌。但是1s左右的時間用來消除顫動，很大程度上影響SCARA能效最大化發(fā)揮，還需進一步壓縮Cycle time。SCARA顫動圖如圖3所示。

很多S C A R A機器人廠商采取各種方法來壓縮SCARA的實際Cycle time時間，比如：①提高伺服電動機轉速：同等功率情況下，將伺服電動機的最高轉速調整到7 000r/min以上，或者部分關節(jié)軸直接采購直驅電動機。②提高SCARA本體剛性而采用更大直徑的減速機和絲杠，更小減速比。如SCARA更多采用φ20mm、φ25mm，減速比30、50的減速機，φ 20mm花鍵絲杠作為第三、第四軸的配置等。③采用特殊的驅動器算法，讓驅動電流能隨負載和位置變化做出跟隨響應，讓SCARA停得更穩(wěn)，以消除顫動。

圖2 SCARA相關技術路線演進趨勢

圖3 SCARA顫動

（2）通用性最大化的解決方案 通用性一定要從使用者、系統(tǒng)集成運用的維度來入手化解3C行業(yè)產(chǎn)品快速迭代與產(chǎn)線投資最少化沖突。筆者團隊采取硬件機構標準化、軟件架構智能化兩個措施來解決。

1）硬件機構標準化。圖4是SCARA比較常見的運用示意圖。由機架及傳送機構、SCARA本體、SCARA工具端、控制系統(tǒng)四部分組成。

由于3 C 行業(yè)的工藝特點，我們將機架及傳送機構的有效工作范圍尺寸標準化為：L350mm×W400mm、L510mm×W590mm 、L750m m×W610m m 三種，分別對應SCARA臂長500m m、600mm、800mm。工具端的法蘭也同樣標準化為能滿足工藝需求的尺寸，這樣最大化提高SCARA設備的通用性。圖5、圖6是給出的一些實例。

2）軟件架構智能化。筆者團隊積累SCARA運用各種實踐經(jīng)驗提出如圖7所示的軟件架構圖，針對3C行業(yè)工藝特點，以SCARA應用為基礎，從低層PLC代碼到系統(tǒng)集成企業(yè)云，逐步構成面向智能制造的軟件開發(fā)、應用平臺，形成一個企業(yè)軟件標準化、智能化平臺，同時為企業(yè)技術積累沉淀、人才培育、技術升級提供一個統(tǒng)一溝通交流的平臺。

構建這個軟件平臺最基本的工作之一就是做好軟件功能模塊的定義和劃分，確保軟件接口形式標準化、接口種類多樣化、運用程序圖形化。團隊經(jīng)過大量生產(chǎn)實踐項目、工程師們耐心仔細分析和解析現(xiàn)實場景，逐漸打造出不同功能模塊，可方便拼接成適合具體項目的軟件，如圖8所示。

（3）換模時間最短化 在實際生產(chǎn)活動過程中，換模存在以下兩種操作過程。

1）第一次在智能生產(chǎn)線生產(chǎn)，需要啟動NPI流程，編制設備工藝程序，制作特定工冶模具等，再按流程作業(yè)。

2）已經(jīng)完成NPI流程，已經(jīng)有經(jīng)過驗證的設備工藝程序和特定工冶模具，按生產(chǎn)指令要求，更換指定工藝程序和工冶模具，完成生產(chǎn)換型活動。

圖4 SCARA運用示意之涂膠工站

圖5 SCARA運用示意之某品牌空調PCBA生產(chǎn)線

圖6 SCARA運用示意之某品牌手機測試工站

圖7 SCARA運用軟件架構

在實踐過程中這兩種情形都要充分進行考慮。1）的解決方案核心點就是建立成離線編程和仿真系統(tǒng)，這方面市場都有較成熟的軟件平臺，充分利用好這些成熟軟件就能很好地解決這類問題。對于2），充分利用硬件標準化、軟件智能化的優(yōu)勢，做到由MES系統(tǒng)引導智能生產(chǎn)線無縫換模。其動作流程是：通過產(chǎn)品ID掃碼觸發(fā)，掃碼完成后，智能工站系統(tǒng)獲取完整、準確的數(shù)據(jù)信息，再向企業(yè)的MES發(fā)送相關數(shù)據(jù)；企業(yè)MES將生產(chǎn)指令下發(fā)后，由智能工站系統(tǒng)解析，再將指令分類傳輸?shù)礁髟O備執(zhí)行，如圖9所示。如果在沒有二維碼、條碼、RFID的情況下，采用CMOS相機從產(chǎn)品外觀上識別型號也能取得很好的效果。

圖8 SCARA運用軟件模塊示意

圖9 智能工站系統(tǒng)快速換型示意

（4）維護成本最小化 綜上所述，以SCARA工作站組成如此復雜的生產(chǎn)線，在使用單位來看需要較多高技能人員進行維護和支持。帶來兩個直接問題：一是這些人才從哪里獲得；二是人力成本有無增加。

投入一個成本約16萬元應用SCARA的智能工站替代兩名作業(yè)員（薪酬6萬元/年·人），同時配套一個智能設備技術員（薪酬9萬元/年·人）確保智能設備正確使用。實踐中呈現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)如圖10所示：隨著智能設備臺數(shù)增加，成本回收年數(shù)會控制在兩年以內。

在5年以內投資回報率高達100%，這也引吸了民間小資本的關注，近一兩年在華南地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)智能設備租賃商業(yè)形態(tài)。

圖10 智能工站投入與成本回收關系

熟練智能設備應用人才是普及SCARA推廣的關鍵因素，政府、高校、企業(yè)都非常重視這類人才的培育工作。筆者團隊陸續(xù)與一兩家職業(yè)技能、普通高等教育院校開展一些合作，派駐專業(yè)的技術人員編制實驗教材、提供實驗設備，協(xié)助院校老師開展學生的實踐活動，引發(fā)學生興趣，加快學生對智能制造設備的理解，快速掌握基本維護、調整技能，為SCARA推廣應用準備人力資源，也為使用單位能夠低成本使用起SCARA應用設備打下基礎。

3. 結語

3C行業(yè)制造流程的特殊需求點與SCARA機器人天生具有的技術特性十分匹配，這是SCARA機器人在3C行業(yè)制造過程自動化、智能化中占有優(yōu)勢的關鍵因素。隨著使用企業(yè)、機器人制造商、機器人運用集成及相關技術開發(fā)企業(yè)不斷努力提高性能指標、降低成本，相信在不久的將來，3C行業(yè)將出現(xiàn)大批量機器人。