高 帆 金 燁

（川崎機器人（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)模也不斷擴大，這都促使生產(chǎn)制造廠家加快生產(chǎn)線自動化進程。而工業(yè)機器人作為自動化設(shè)備的明珠，在3C產(chǎn)品自動化生產(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)過程中的自動化發(fā)展難題，以期達到提高生產(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電子產(chǎn)品作為切入點，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)機器人并結(jié)合一些世界前沿的軟件、硬件設(shè)備來實現(xiàn)整個流程的自動化[4]。

1 生產(chǎn)線整體設(shè)計與工藝流程

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

本生產(chǎn)線中的機械手均為成熟機械手產(chǎn)品，對機械手末端安裝不同設(shè)備進行陀螺的組裝工作。下面對電路板切割、電氣元件插裝加焊錫、軸承壓入、精密裝配、打螺釘安裝、動作和光感檢查工藝流程進行詳細分析，說明指尖陀螺自動化生產(chǎn)線的運行思路和技術(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)線中的切割機器存在不易編程、操作困難等問題。本設(shè)計開發(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，再把機器人、切割設(shè)備和電路板的位置都登錄到軟件中，即能自動生成機器人動作路徑程序，實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化運行。

圖2 電路板切割結(jié)構(gòu)的立體圖

如圖2所示，電路板切割機構(gòu)包括第一單臂機械手和電路板放置臺，第一機械手的末端裝有激光切割機以及電路板吸盤，采用機器人結(jié)合外觀仿形和激光切割技術(shù)，對電路板機型切割分板，能夠使仿形準(zhǔn)確，切口光滑無毛刺，便于組裝。工作時，第一機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上，第一單臂機械手上的激光切割機對電路板放置臺上的整塊電路板進行切割，然后第一單臂機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)計專門的機器人柔性端拾器，并利用自動溫控焊錫工具，配合雙臂機器人來完成電氣元件插裝加焊錫工作。

圖3 自動焊接結(jié)構(gòu)的立體圖

如圖3所示，自動焊接機構(gòu)包括第一雙臂機械手、移動座和支撐平臺；第一雙臂機械的左手末端安裝有焊接機，右手末端安裝有芯片吸盤和成品電路板吸盤，移動座底部與設(shè)置在支撐平臺上部的滑軌滑動配合工作，移動座上設(shè)有電路板支撐座；工作時，放置單塊電路板的移動座滑動到焊接機下端，芯片吸盤將芯片吸附后放置到單塊電路板上，焊接機進行焊接，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)計運用力傳感器的專門工具來實現(xiàn)軸承壓入工作，由于對壓入力進行實時監(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 軸承組裝與壓入機構(gòu)立體圖

如圖4所示，軸承組裝與壓入機構(gòu)包括軸承傳送帶、第三單臂機械手、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，便于視覺傳感器進行識別；第三單臂機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，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，軸承夾爪對軸承進行抓取并放置到上一步傳送過來的下蓋上，預(yù)壓氣缸啟動通過壓板將軸承壓到下蓋的上部，第三單臂機械手轉(zhuǎn)換到正對于軸承的壓桿，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，用高精度機床、注塑機等制造出來的金屬或塑料零部件本身已達到精度要求，但由于手工裝配導(dǎo)致高精度零件不能實現(xiàn)高精度裝配。本結(jié)構(gòu)設(shè)計配合高精度電子產(chǎn)品元器件的高精度端拾器，加上機器人本身的高重復(fù)定位精度，能夠在抓取和安裝時都保證±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構(gòu)立體圖

如圖5所示，環(huán)形傳送帶用于對陀螺的循環(huán)傳送，環(huán)形傳送帶為兩排，靠近外側(cè)的一排用于運送空的陀螺移動托盤，內(nèi)側(cè)的一排陀螺移動托盤用于對指尖陀螺進行移動裝配。下旋鈕與下蓋組裝機構(gòu)包括下蓋料盤、下旋鈕托盤和第二單臂機械手，第二單臂機械手的末端安裝有下旋鈕機械爪和下蓋吸盤。下旋鈕機械爪和下蓋吸盤能夠相互轉(zhuǎn)換，先通過下旋鈕機械爪抓取一個下旋鈕放置到陀螺移動托盤中心槽內(nèi)，再通過下蓋吸盤吸取一個下蓋放置到陀螺移動托盤上，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構(gòu)包括上蓋料盤、上旋鈕托盤和第四單臂機械手，第四單臂機械手的末端安裝有上旋鈕機械爪和上蓋吸盤。通過本機構(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構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理類似，只不過在上旋鈕機械爪處增加一個壓緊氣缸，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作業(yè)。本結(jié)構(gòu)設(shè)計采用具備扭力控制功能的自動螺絲機裝載于機器人手臂上，利用機器人可編程性解決同時對應(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，自動打螺絲機構(gòu)包括第五單臂機械手和自動螺絲機，上蓋和下蓋組裝完成后，通過自動螺絲機把螺絲打入到上蓋與下蓋內(nèi)將二者固定。

圖6 自動打螺絲機立體圖

1.6 動作和光感檢查

產(chǎn)品組裝完成后，工廠需要對其按鈕、觸屏等可動部位做動作檢查，傳統(tǒng)生產(chǎn)線只有少量產(chǎn)品檢查能用專機來對應(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、一致性都達不到要求。

對于上述動作檢查，本設(shè)計采用雙臂機器人搭載專門夾具的方式，解決指尖陀螺動作檢查自動化難題。機器人兩只手臂互相配合動作，擬人化動作讓陀螺的按鈕和旋轉(zhuǎn)動作在產(chǎn)品出廠前得到充分驗證；這一方案對于3C產(chǎn)品的按鈕和觸屏動作檢查具有借鑒意義，雙臂機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作，并且能夠快速完成多次檢測。而對于光感設(shè)計則采用雙臂機器人與光電檢測傳感器配合的方式，完成發(fā)光元件性能檢測工作。機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，光電檢測傳感器檢測到LED光源后判定產(chǎn)品合格。

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

圖7 成品檢測及碼垛裝箱機構(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)并使用機器人軌跡自動生成軟件，種類繁多的電路板切割工作變得易操作，只要選擇動作范圍合適的機器人，就能柔性化地處理所有需要切割的電路板，實現(xiàn)產(chǎn)品線的快速更換。

此外，機器人動作精度高、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器人同時完成插裝和焊錫兩項工作，是機器人自動化向智能制造進化的一個標(biāo)志性設(shè)計。這種設(shè)計不僅具備與人相當(dāng)?shù)乃俣群腿嵝裕€具有超越人工的穩(wěn)定性，可為其他類似自動化生產(chǎn)線提供寶貴的借鑒經(jīng)驗。

2.3 軸承壓入

本設(shè)計在零部件壓入過程中采用力傳感器是裝配生產(chǎn)線自動化、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)控數(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，讓自動化進程更加暢通無阻。

2.5 打螺釘安裝

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

2.6 動作和光感檢查

3C產(chǎn)品具有高頻率被人使用的特征，因此其動作檢查工藝用近似人工的自動化方案來解決，本自動化方案充分體現(xiàn)人機結(jié)合、人機一體的自動化理念，可在各種電子產(chǎn)品生產(chǎn)線上被大量復(fù)制。

這種機器人和傳感器配合進行檢測的生產(chǎn)方式，自動完成發(fā)光元件是否正常的檢測工作，在各個電子產(chǎn)品生產(chǎn)線上都具備推廣價值。

3 結(jié)語

本文設(shè)計開發(fā)的LED發(fā)光指尖陀螺全自動生產(chǎn)線，針對傳統(tǒng)生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的問題和痛點，將工業(yè)機器人應(yīng)用到自動化生產(chǎn)線中，再配合端拾器和傳感器等智能化設(shè)備的使用，實現(xiàn)生產(chǎn)線智能化、自動化運行。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，工業(yè)機器人技術(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，而且對保障工人人身安全、減輕工作強度、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，工業(yè)機器人的應(yīng)用也必將更加廣泛。