工業(yè)機(jī)器人在電子專用設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用探討

郭晉竹，孫 清

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024；2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，山西 太原 030006）

引言

工業(yè)機(jī)器人是高端智能裝備和高新技術(shù)的突出代表，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志。目前，世界上主要發(fā)達(dá)國(guó)家均將機(jī)器人作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，以期增強(qiáng)本國(guó)在國(guó)際制造業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用正向電子信息領(lǐng)域快速延伸。新型顯示、光伏新能源產(chǎn)業(yè)面臨著智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)機(jī)器人成為新型顯示及光伏新能源電子專用設(shè)備智能化升級(jí)的關(guān)鍵，尤其在切割、壓焊、上下料、涂膠、背光、貼附等電子專用設(shè)備，完成工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新應(yīng)用及系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)裝備智能化升級(jí)等方面，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是強(qiáng)有力的助推器。

1 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用典型案例

1.1 LED背光模組組裝面臨的生產(chǎn)問(wèn)題

LED背光模組是LCD顯示屏手機(jī)關(guān)鍵部件，主要由膠架、導(dǎo)光板、LED燈條、反射片、PET、擴(kuò)散膜、增光膜、遮光膜等組成。如圖1所示，在LED背光模組的生產(chǎn)過(guò)程中，需要將擴(kuò)散1、增光1、增光2、擴(kuò)散2、遮光等5層不同功能的薄膜按順序準(zhǔn)確疊合到由膠架、導(dǎo)光板、LED燈條、反射片、PET組成的半成品上[1]。

圖1 LED背光模組示意圖

國(guó)內(nèi)大部分LED背光模組制造企業(yè)處于勞動(dòng)密集型狀態(tài)，背光模組的組裝流程處于人工或者半自動(dòng)生產(chǎn)狀態(tài)，產(chǎn)品質(zhì)量很大程度上依賴操作工人的熟練程度，而且工人的流動(dòng)性較大，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、良品率低，隨著人力成本的提高，也使生產(chǎn)成本大幅度增加。傳統(tǒng)的LED背光模組專用設(shè)備組裝機(jī)構(gòu)基本采用X-Y絲杠模組搭建，主要存在幾個(gè)問(wèn)題：一是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)的故障率疊加，設(shè)備整體嫁動(dòng)率低；二是X-Y模組只能執(zhí)行一個(gè)方向的直線式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柔性化程度低，設(shè)備空間設(shè)計(jì)受到制約，導(dǎo)致設(shè)備整體占用空間較大，對(duì)生產(chǎn)車間也提出廠房面積要求，間接提高生產(chǎn)成本；三是LED背光模組型號(hào)繁多，采用X-Y模組，很難兼容過(guò)多產(chǎn)品型號(hào)，難以根據(jù)產(chǎn)品變化進(jìn)行升級(jí)改造，只能重新設(shè)計(jì)專用生產(chǎn)設(shè)備。因此，自動(dòng)化、柔性化、智能化LED背光模組組裝生產(chǎn)線，成為大部分企業(yè)的迫切需求，工業(yè)機(jī)器人成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵要素。

1.2 SCARA工業(yè)機(jī)器人在背光模組組裝設(shè)備中的應(yīng)用

采用8個(gè)SCARA工業(yè)機(jī)器人取代X-Y模組，高效協(xié)同完成八工位轉(zhuǎn)盤式組裝流程。八工位轉(zhuǎn)盤順時(shí)針自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)不同工位的機(jī)器人依次完成BLU自動(dòng)上料、半成品圖像采集、擴(kuò)散膜1疊合、增光膜1疊合、增光膜2疊合、遮光膜疊合、遮光膜壓合/下料夾取工序。壓合好的背光單元通過(guò)下料皮帶被送出。SCARA工業(yè)機(jī)器人將膜片吸附后移動(dòng)到CCD上，對(duì)膜片進(jìn)行兩次圖像采集、四個(gè)角精確定位后進(jìn)行疊合；依次完成擴(kuò)散膜、增光膜1、增光膜2和遮光膜疊合工序，最后經(jīng)過(guò)壓合工序、下料工序把產(chǎn)品放在流水線上完成一個(gè)制程循環(huán)[2]。下頁(yè)圖2為L(zhǎng)ED背光模組工業(yè)機(jī)器人高效協(xié)同制造系統(tǒng)。

圖2 LED背光模組工業(yè)機(jī)器人高效協(xié)同制造系統(tǒng)

運(yùn)用SCARA工業(yè)機(jī)器人高效協(xié)同制造系統(tǒng)，較傳統(tǒng)X-Y模組式設(shè)備，各項(xiàng)指標(biāo)得到提升：一是設(shè)備機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化緊湊，減少了16個(gè)模組使用量，設(shè)備空間縮小20%；二是設(shè)備協(xié)同工作效率更高，生產(chǎn)效率提高10%；三是設(shè)備穩(wěn)定性提高，良品率提高10%，人力成本和來(lái)料成本降低。

2 電子專用設(shè)備領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)在汽車、電子、半導(dǎo)體等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。整體來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)具有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：一是性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、易操作、易維修），單機(jī)價(jià)格不斷下降；二是機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展，適用場(chǎng)景更加多元化；三是控制系統(tǒng)更加開放，向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化發(fā)展，系統(tǒng)可靠性、易操作性和可維修性得到大幅提高；四是位置、速度、視覺(jué)、力覺(jué)等新型傳感器的應(yīng)用與多傳感器融合，自感知、自適應(yīng)、自調(diào)整等智能化能力提升；五是遠(yuǎn)程操作及人機(jī)交互控制功能更加豐富，更加適應(yīng)數(shù)字化車間應(yīng)用場(chǎng)景。這些發(fā)展趨勢(shì)也加速了工業(yè)機(jī)器人在電子專用設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在電子專用設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，只有緊密結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)、工藝技術(shù)要求、生產(chǎn)成本控制等，深入了解客戶的實(shí)際需求，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究及探索，才能充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)與成本優(yōu)勢(shì)。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

2.1 工業(yè)機(jī)器人工位及路徑的規(guī)劃

機(jī)器人的路徑規(guī)劃，就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則，如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等，在其工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的能避開障礙物的最優(yōu)路徑。工業(yè)機(jī)器人工位及路徑規(guī)劃技術(shù)是發(fā)揮機(jī)器人效率與精度優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中首要面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。

2.2 多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

在新型顯示、光伏智能制造工業(yè)環(huán)境中，由于加工工藝及生產(chǎn)效率需求，很多設(shè)備需要多個(gè)機(jī)器人配合完成特定工作，傳統(tǒng)的各機(jī)器人單獨(dú)控制方法，機(jī)器人之間不能相互通信，各自位置、姿勢(shì)、節(jié)拍等信息不能共享，導(dǎo)致容易出現(xiàn)碰撞、動(dòng)作緩慢、效率低下等現(xiàn)象，無(wú)法有效配合工作。針對(duì)此情況，研究開發(fā)多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將對(duì)機(jī)器人的控制放在一個(gè)平臺(tái)中，使多個(gè)機(jī)器人同時(shí)快速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人高效協(xié)同工作至關(guān)重要。

2.3 基于視覺(jué)引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人搬送技術(shù)

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人通過(guò)預(yù)先設(shè)定指令動(dòng)作，在結(jié)構(gòu)化指令環(huán)境中完成固定化工作，缺乏對(duì)產(chǎn)品和環(huán)境的適應(yīng)性，這極大地限制了機(jī)器人的應(yīng)用。隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，將視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人的高精度搬送作業(yè)中，使得工業(yè)視覺(jué)機(jī)器人在高速高精度搬送作業(yè)中具有人工勞動(dòng)力不可比擬的優(yōu)勢(shì)[4]。

2.4 機(jī)器人故障診斷及安全維護(hù)

通過(guò)采集各種信息，對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)對(duì)機(jī)器人工作區(qū)域的限制，以及當(dāng)設(shè)備操作人員進(jìn)入該區(qū)域的應(yīng)急處理及控制，是保證人員、設(shè)備等生產(chǎn)安全的關(guān)鍵技術(shù)。

2.5 工業(yè)機(jī)器人與電子專用設(shè)備的優(yōu)化集成

新型顯示、光伏新能源電子專用設(shè)備，具有對(duì)生產(chǎn)精度、生產(chǎn)效率、潔凈等級(jí)要求高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備采用的上下料、搬送、組裝等軟硬件系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)繁瑣、控制復(fù)雜、設(shè)計(jì)調(diào)試維護(hù)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，工業(yè)機(jī)器人為電子專用設(shè)備的開發(fā)提供了全新的選擇，做好工業(yè)機(jī)器人與電子專用設(shè)備的優(yōu)化集成，最大限度發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

柔性化、集成化、智能化是電子專用設(shè)備未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，擁有廣闊的技術(shù)和龐大的市場(chǎng)發(fā)展空間，工業(yè)機(jī)器人是智能制造的關(guān)鍵要素，能夠?yàn)樯a(chǎn)企業(yè)降低人力成本、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究應(yīng)用具有至關(guān)重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。