基于機器人的3C產品柔性生產線電氣系統設計

岳鵬飛

摘 要：通過在3C產品中引入機器人的使用可以增強生產線的通用性和適應能力。本文主要針對典型的3C產品給出生產線的總體設計方案，包括硬件與軟件設計以及系統模型，并且有針對性的進行了相關測試。通過測試結果進行分析來看，生產線效率和設備的利用率得到了大幅度的提高。該項技術具有很好的發(fā)展和研究前景和空間。

關鍵詞：機器人 柔性生產線 3C產品

1 引言

進入21世紀將迎來第四次工業(yè)革命，而與以往不同的是第四次工業(yè)革命是信息技術的變革，隨著第四次工業(yè)革命的到來“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”等已經成為社會廣泛關注的的熱門話題[1]。在未來的很長一段時間里工業(yè)發(fā)展速度將更加的趨于智能化和信息化，智能制造已經成為大勢所趨。而且隨著快速的發(fā)展和進步，產品的更新換代速度也將越來越快，隨之而來的需要生產線的不斷更新，與此同時會很大程度增加企業(yè)成本。那么柔性的生產線也就應運而生，柔性生產線可以更好地提高設備的利用效率，根據陳品生產需求進行適應性的調整和變化[2]。在工業(yè)生產過程中通過機器人替代高度重復的單一的人工操作，或者代替人工在惡劣環(huán)境中進行工作，將機器人與柔性生產線進行結合可以更好的提高生產效率。本文將主要針對基于機器人的應用柔性生產線的設計。

2 3C產品和柔性生產線簡介

2.1 3C產品

3C是計算機類（computer）、通信類（communicantion）和消費類（consumer）的簡稱，是現代工業(yè)和信息化發(fā)展的產物。這個行業(yè)具有跟新換代快、設計性強等主要特點。通產3C產品是易于操作并且使用的家用型電器產品，在傳統的家用電器中融入信息化智能化的因素，使其更加便捷智能。

2.2 柔性生產線

現代市場經濟下，定制化、多樣化的需求越來越多，為了更好地滿足消費者的不同需求，傳統的大規(guī)模的批量的無差別的生產模式已經無法適應現在的生產需求。為了滿足高質量生產和頻繁的生產線調整，柔性生產性成為大勢所趨。通常柔性生產線包括自動化系統、物流運輸系統、信息處理系統和軟件系統四個部分。柔性生產線與傳統的 生產線相比主要具有利用效率更高、生產更加穩(wěn)定、生產產品質量更好、根據需求調整更加靈活等優(yōu)點。在未來的生產領域，尤其是發(fā)展變化速度快的3C產品生產領域具有非常廣闊的發(fā)展前景。

3 3C產品柔性生產線總體方案

（1）柔性生產線的設計主要是為了滿足多品類產品的小批量的生產需求，本文設計的系統主要是圍繞手機、鼠標的生產裝配開展。這兩種產品的生產主要流程和環(huán)節(jié)如下：

①手機生產裝配流程：底殼的打磨—鍵盤的安裝—屏幕的安裝—手機上蓋的安裝—手機裝合—包裝盒加蓋。

②鼠標生產裝配流程：鼠標底殼的打磨—電池的安裝—鼠標上蓋的安裝—接收器的安裝—鼠標裝合—包裝盒加蓋。

（2）系統總體設計方案。經過對以上兩種非常典型的3C產品的勝場裝配流程的分析，經過總結發(fā)現六個共性的流程，分別是初期的打磨，前期、中期、后期的裝配過程，產品的裝盒以及包裝盒的加蓋。

基于以上的分析，本系統的設計主要包含7個部分分別是6個子單元和1個中央信息集成控制系統。根據以上工藝流程的分析，每個子單元分別對應一個生產流程，每個子單元既可以獨立工作也可以系統配合共同完成工作指令。中央信息集成控制系統也采用TCP/IP協議實現各個子系統與控制系統之間的互通互聯[3]。

4 系統運行原理

4.1 子單元設備組成

該系統的6個子單元主要承擔裝配功能，因此在硬件需求方面差異性不大，基本組成元器件幾乎相同?，F在以其中的初期打磨單元為例詳細說明其中的設備組成和功能。

初期打磨單元由工業(yè)機器人、機器人快換工具、立體倉庫、皮帶輸送機、單元PLC電氣控制系統、伺服旋轉變位機與夾具等部分組成。在該單元中的機器人主要采用結構堅固系統可靠工作范圍廣泛的六軸串聯機器人，該類型機器人在焊接、搬運和應用程序的運用方面技術已經相當成熟[4]。

在該系統中機器人快換接頭裝置主要采用可以同時夾持多種不同工具的氣立可滑軌氣缸驅動。快換工具使機器人的應用更具柔性，增強了生產線自動化程序[5]。

這一單元中采用三橫三縱9個倉儲位置用于放置工件。在每個倉位上都裝有精確的定位裝置放置裝配過程中出現錯誤現象。為了獲得更加科學合理的放置位置在每一個單元都配備一套伺服旋轉變機位[6]。旋轉變?yōu)闄C靠交流電驅動，并且在旋轉平臺上安裝氣動的夾具并通過傳感器控制旋轉的角度范圍。

系統中的各個單元之間的工件的傳送運輸通過期待實現，在該系統中共需要3條皮帶輸送機，分別位于1單元和2單元之間，3單元和4單元之間，5單元和6單元之間。合格單元的控制通過電視控制柜和電氣控制系統之間的密切配合實現。

4.2 子單元運行流程

在具備硬件條件的基礎上，各單元之間通過協同配合共同完成產品的各項裝配任務。下面以手機的裝配過程為例，具體操作流程如下：

4.2.1 初期打磨

機器人手臂通過快換工具裝置移動到儲存?zhèn)}庫內拿取手機底殼，通過精確的定位系統將手機底殼放在指定的旋轉變?yōu)閮取Ｅc此同時機器人更換末端工具為打磨工具，在變?yōu)闄C的密切配合下完成手機底殼的打磨工序。完成打磨后，變位機回歸原始位置，機器人在快換工具庫將現有打磨工具更換為吸取裝置，從而將打磨好的手機底殼吸取后放置到傳送帶上，傳送至下一工位。

4.2.2 前期裝配

手機底殼在傳送帶上到達指定工位，機器人吸盤末端吸取手機底座放置在旋轉變位機內，完成吸取工作的機器人變更為涂膠末端，準備粘合工作。同樣通過變?yōu)闄C的旋轉配合使機器人快去完成涂膠工作，機器人再次快去變換末端工具為吸盤，吸取手機鍵盤于變位機處，完成手機鍵盤與手機底座的粘合裝配。這是機器人再次變換末端工具為吸盤，吸取粘合后的手機底座放置下一工位的變位機處。

4.2.3 中期裝配

經過前期裝配的手機底殼放置在變位機上，隨變位機的轉動到達指定位置，隨之需要機器人將末端工具切換為涂膠工具，變位機通過旋轉配合機器人手臂完成涂膠工作。這時機器人末端工具進行快去的轉換，變?yōu)閹ё呶P的工具從而將手機屏幕從倉儲中吸出，通過精確的定位裝置將手機屏幕準確無誤的放置在變位機上并完成與手機底座的安裝工作。然后，根據需要機器人吸取已經裝配完成的手機底殼及屏幕放置在傳送帶處，隨著傳送帶的運轉運輸至下一工位，為后期的裝配工作做好準備。

4.2.4 后期裝配

安裝完成的手機底座隨傳送帶的轉動來到后期裝配工位，位于傳送帶上的手機底座在機器人手臂吸盤的作用下被吸取到變?yōu)闄C上準備下一步操作。隨之機器人末端自然快換工具吸取倉庫內的手機按鍵也放置在變位機上。然后切換機器人末端工具為涂膠快換工具，在變位機配合下完成鍵盤的粘合工作。最后切換機器人末端快換工具為吸盤，吸取倉庫內的手機上蓋放置在變位機上進行與手機底座的合體安裝工作。

4.2.5 成品裝盒

機器人直接抓取存儲倉庫內的成品包裝盒放置到變位器上同時將安裝完成的手機也放置到變?yōu)闄C上，并通過機器人末端的抓取工具將手機放到包裝盒內。包裝完畢的手機通過機器人末端吸盤放置到傳送帶上，隨傳送帶運送到下一工位。

4.2.6 成品盒加蓋

機器人手臂將傳送帶運送來的成品盒直接夾取放置在變?yōu)槠魃?，然后機器人末端切換吸盤快換工具吸取成品盒與位于變?yōu)槠魃系某善泛型瓿杉由w工作。最后工具復位，并將變位器上的成品盒轉移到存儲倉內進行入庫管理，整個裝配過程到此結束。

鼠標的生產操作流程與手機幾乎一致，在這里不在詳細說明。

5 系統測試效果

本次測試分別在單機模式和聯機模式兩種模式下進行。

5.1 單機測試

通過示教盒和觸摸屏的功能實現對單機工作的監(jiān)控從而完成單機模式的測試。觸摸屏主要分成兩個部分，一部分為主畫面另一部分為主畫面。子畫面的主要功能是系統檢測報警畫面的呈現，工作人員可以通過子畫面獲得傳送帶和變位機等單元的監(jiān)測信息。

5.2 聯機測試

聯機測試相較于單機測試更為復雜，需要更為充分的準備工作并且需要6個子單元和中央信息集成處理系統的共同參與密切配合才能夠完成。首先必須具備測試所需的所有元器件并且擺放在指定的位置，所有的子單元都處于初始化復位狀態(tài)，等待指令的觸發(fā)。

參考文獻：

[1]田馨.“中國制造2025”重大戰(zhàn)略的新形勢與現實路徑研究[J].改革與戰(zhàn)略，2017，33（03）：57-60.

[2]鄭金來，王德權，熊昌秀，等.箱體類零件敏捷柔性生產線的設計[J].組合機床與自動化加工技術，2016，9：132-134.

[3]侯雨雷，王嫦美，楊彥東，等.基于ABB機器人的沖壓線上下料系統構建及其實驗[J].制造技術與機床，2014，9：77-81.

[4]東海.基于S7-1200 PLC的Modbus-TCP通信應用 [J].科技創(chuàng)新與應用，2016，29：58.

[5]劉飛佚，佃松宜，向國菲，等.機器人與獨立變位機 的協同控制研究與實現[J].電氣傳動，2016，46（3）：62-72.

[6]熊雋.基于智能制造生產線的工業(yè)機器人應用[J].機床與液壓，2018，46（21）：91-94.