消費(fèi)類電子產(chǎn)品生產(chǎn)線智能裝配自動機(jī)器人的分析與研究

李慧 劉占偉 孟永茂

摘 要：目前創(chuàng)維電子（內(nèi)蒙古）有限公司液晶電視生產(chǎn)線上在進(jìn)行電視機(jī)后蓋及其它零部件的組裝上均由人工組裝，各零件之間用螺釘緊固連接，所以在電視機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)線上，很多工人手拿電動螺絲刀來進(jìn)行裝配。在人工成本急劇上升的當(dāng)下，迫切需要一種自動化的電視機(jī)螺釘裝配設(shè)備來代替人工，以降低生產(chǎn)成本。論文研究了一種電視機(jī)自動化組裝系統(tǒng)及其自動化螺釘裝配設(shè)備，旨在通過自動化設(shè)備代替人工來降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)類電子產(chǎn)品；生產(chǎn)線；智能裝配機(jī)器人；產(chǎn)業(yè)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.141

1 研究背景

我國是全世界重要的消費(fèi)類電子產(chǎn)品和其他電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造基地，更是“世界工廠”。由于勞動成本的顯著上升，大部分勞動密集型生產(chǎn)制造企業(yè)的利潤正在被勞動成本的上漲淹沒，目前已到了企業(yè)所能接受的“臨界點(diǎn)”；與此同時，招工難，尤其是高技能的技術(shù)工人招工更難的現(xiàn)象，已持續(xù)了多年之久。勞動密集型生產(chǎn)制造企業(yè)改變現(xiàn)狀的途徑，自動化升級改造不僅能節(jié)約了大量的人力資源，還能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并最終實現(xiàn)生產(chǎn)制造模式的科技轉(zhuǎn)型。例如：基于液晶電視自動化測試生產(chǎn)線是在生產(chǎn)過程中原料從開始經(jīng)過輸送、組裝、測試等重要環(huán)節(jié)均無人工參與，實現(xiàn)智能生產(chǎn)線的真正自動化。

當(dāng)前乃至今后一段相當(dāng)長的時期內(nèi)，強(qiáng)勁的市場需求將造就了自動化行業(yè)的黃金時代。液晶電視裝配機(jī)器人在自動化工業(yè)領(lǐng)域具有重要的研究的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

本論文研究以創(chuàng)維電子（內(nèi)蒙古）有限公司液晶電視整機(jī)裝配設(shè)備為基礎(chǔ)，研究過程將在創(chuàng)維電子（內(nèi)蒙古）有限公司液晶電視生產(chǎn)線上進(jìn)行，研究成果將在創(chuàng)維電子（內(nèi)蒙古）有限公司建立示范點(diǎn)，所以有關(guān)本論文研究都將以創(chuàng)維液晶電視生產(chǎn)線、創(chuàng)維液晶電視機(jī)整機(jī)為研究對象，推廣應(yīng)用到所有工業(yè)智能裝備領(lǐng)域。該研究項目契合創(chuàng)維集團(tuán)的“機(jī)器人戰(zhàn)略”和“信息化戰(zhàn)略”，結(jié)合研發(fā)與生產(chǎn)制造傳統(tǒng)工藝要求，首先在操作勞動強(qiáng)度及用工量較多工位完成液晶電視機(jī)裝配生產(chǎn)線的機(jī)器人自動化升級技術(shù)改造，從而減輕員工作業(yè)強(qiáng)度和增加作業(yè)效率，逐步實現(xiàn)勞動密集型產(chǎn)業(yè)向自動化控制轉(zhuǎn)型。本項目結(jié)合自動化設(shè)備及傳統(tǒng)工藝，進(jìn)而實現(xiàn)產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)，實現(xiàn)整個液晶電視裝配生產(chǎn)線進(jìn)行全方位高度集成的自動化和智能化。

2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備，已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）自動化工廠（FA）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。

在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。國外專家預(yù)測，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（UNECE）和國際機(jī)器人聯(lián)合會（IFR）的統(tǒng)計，世界機(jī)器人市場前景看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。

工業(yè)機(jī)器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國和社會各層人士的廣泛關(guān)注。

在國內(nèi)，在降低制造成本，解決用工嚴(yán)重不足等口號的呼喊下，近年來機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在全世界范圍內(nèi)興起。中國作為世界工廠，面臨的形勢更是尤為的嚴(yán)重。有數(shù)據(jù)顯示中國每年工業(yè)機(jī)器人的裝機(jī)量約占全球的1/8，僅次于日本、韓國，預(yù)計2015年中國的裝機(jī)量會超過這兩個國家，成為世界上使用工業(yè)機(jī)器人最多的國家。自2009年以來，中國機(jī)器人市場持續(xù)快速增長，工業(yè)機(jī)器人年均增長速度超過40%。

近十年以來，在“十五”、“十一五”攻關(guān)計劃和863計劃等科技計劃的支持下，我國有組織、有計劃地發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，通過研制、生產(chǎn)、應(yīng)用等多個層面的不斷探索，在技術(shù)攻關(guān)和設(shè)計水平上有了長足的進(jìn)步?？偟膩砜矗呀?jīng)掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計、制造、應(yīng)用過程中的多項關(guān)鍵技術(shù)，能夠生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、碼垛、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了機(jī)器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點(diǎn)焊及大型機(jī)器人自動生產(chǎn)線（工作站）與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制造技術(shù)等，某些關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到或接近了國際先進(jìn)水平[1-9]。

3 主要的研究問題

當(dāng)前，消費(fèi)類電子產(chǎn)品生產(chǎn)線智能裝配機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化研究主要面臨如下問題：

3.1 高速高精度工業(yè)機(jī)器人

機(jī)器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，常見的結(jié)構(gòu)類型有水平多關(guān)節(jié)型、直角坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和圓柱坐標(biāo)型等。面向液晶電視行業(yè)的裝配機(jī)器人要求較高的速度和較高的重復(fù)定位精度，同時滿足這兩個方面的需求對工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計是個巨大的挑戰(zhàn)。

高速高精度工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行速度快，要求精度高，在正向、反向以及多轉(zhuǎn)向方面必須具有較少的損耗和誤差，現(xiàn)有的作業(yè)軌跡針對特定領(lǐng)域應(yīng)用往往不能保證精度，這可能需要對機(jī)器人的作業(yè)軌跡進(jìn)行重新的規(guī)劃，以滿足高精度要求。

3.2 視覺快速識別及定位

與其他工業(yè)機(jī)器人相比，彩電業(yè)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人需要在視覺處理方面有更高的精度和敏感性。這是因為，在彩電業(yè)內(nèi)，機(jī)器人工作復(fù)合程度高，流程復(fù)雜，對環(huán)境敏感，因此自適應(yīng)性和環(huán)境的適應(yīng)性都有待提高。

論文研究了視覺和定位算法，能夠使得工業(yè)機(jī)器人，更加自動化的自適應(yīng)的處理相關(guān)的焊接、組裝、搬運(yùn)等問題，并在完成工作后對電視機(jī)進(jìn)行成品的檢驗，以達(dá)到控制質(zhì)量的目的。這些任務(wù)的完成，要依靠硬件和軟件能力的提升，然而這些硬件和軟件具有高昂的價格，且現(xiàn)有的研究在機(jī)器視覺的應(yīng)用方面具有一定的難度。

3.3 機(jī)器人操作力控制

雖然視覺識別和定位具有極高的精度、裝配機(jī)器人通常都具有極高的定位精度和一定的操作柔順性，但是在面向液晶電視的快速精密自動化裝配生產(chǎn)線應(yīng)用中，機(jī)器人操作應(yīng)具備力控制以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

裝配機(jī)器人屬于接觸式作業(yè)，單純的位置控制已不能勝任，例如機(jī)器人位置末端的微小偏差會帶來較強(qiáng)的末端作用力，這對機(jī)器人末端造成較大的壓力，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器人末端不匹配的問題或者末端不貼合的問題。 機(jī)器人對外部世界的感知和理解，是當(dāng)前研究的主要難點(diǎn)，這包括機(jī)器人對外部環(huán)境的信息采集、分析和理解。機(jī)器人對外界信息采集，由模糊感知變成機(jī)器人可以理解的數(shù)字信息，這種采集和變換是當(dāng)前研究的難點(diǎn)問題。當(dāng)信息變成數(shù)字信息后，機(jī)器人如何去理解這種較為復(fù)雜的信息，這部分算法也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

3.4 智能協(xié)同控制

目前，國外在全自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)和應(yīng)用取得了長足的進(jìn)步。然而，當(dāng)前的機(jī)器人生產(chǎn)線，無法像人一樣不斷的對工藝進(jìn)行有益的改進(jìn)，機(jī)器人生產(chǎn)線是將已有的算法燒制到處理器中，靈活性和對環(huán)境的適應(yīng)性都受到了極大的限制。

面向液晶電視裝配的自動化生產(chǎn)線不僅要強(qiáng)調(diào)先進(jìn)制造技術(shù)，還要重視高素質(zhì)員工和靈活的人機(jī)合作方式，重視發(fā)揮員工在制造過程中的主觀能動性才能適應(yīng)快速變化的制造環(huán)境。目前己有的智能人機(jī)協(xié)同研究大多僅給出了人機(jī)之間的交互框架，在該理論框架下，人與機(jī)器協(xié)同工作，完成任務(wù)，然而，現(xiàn)有的研究主要形式是人配合機(jī)器，且協(xié)作方式以人和機(jī)器的點(diǎn)對點(diǎn)單一協(xié)作為主，無法對人機(jī)協(xié)作進(jìn)行智能化的進(jìn)化，現(xiàn)有研究集中在了人機(jī)協(xié)作的定性方面，對定量方面的研究較為不足。

3.5 自動化生產(chǎn)線的成組化和標(biāo)準(zhǔn)化

自動化生產(chǎn)線的成組化和標(biāo)準(zhǔn)化，不是簡單完成某個或某些生產(chǎn)工序的自動化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，而是將產(chǎn)品制造的整個生產(chǎn)線進(jìn)行全方位的高度集成的成組化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和制造，大幅度縮短了產(chǎn)線的設(shè)計與制造周期，同時保證產(chǎn)線的精密快速的生產(chǎn)特點(diǎn)和特色。由于采用了成組的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計模塊，在產(chǎn)品更新?lián)Q代時，可通過標(biāo)準(zhǔn)模塊的更換及回收等手段，也大幅度降低了自動化生產(chǎn)線的更新成本，避免了原有整個生產(chǎn)線的閑置和浪費(fèi)。

4 智能裝配機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化研究和技術(shù)

4.1 主要方法及技術(shù)路線

本論文以實驗研究法、經(jīng)驗總結(jié)法為主要研究方法，在整個研究的過程中，依據(jù)用戶提出的技術(shù)要求進(jìn)行總體方案規(guī)劃，并請行業(yè)、企業(yè)專家對總體方案進(jìn)行論證，以技術(shù)應(yīng)用與推廣為目的，及時調(diào)整、豐富研究內(nèi)容，在創(chuàng)維電子（內(nèi)蒙古）有限公司建立技術(shù)應(yīng)用實驗點(diǎn)和成果應(yīng)用示范點(diǎn)，將研究成果應(yīng)用并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣，其智能裝配機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線如圖1所示。

4.2 工藝流程

5 結(jié)語

通過論文的研究，獲得的成果推廣至全國消費(fèi)類電子產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域，可以帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)層次，解決制造業(yè)智能裝備水平低的困境，提升電視制造業(yè)的創(chuàng)新能力傳統(tǒng)裝配方式，攻克彩電制造行業(yè)由于傳統(tǒng)固化的流水線作業(yè)模式，快速導(dǎo)入自動化機(jī)器人，并結(jié)合創(chuàng)維電子（內(nèi)蒙古）有限公司先前的生產(chǎn)制造模式建立一套適合當(dāng)前傳統(tǒng)固化流水線體自動化的推進(jìn)方法，進(jìn)一步促進(jìn)生產(chǎn)制造向自動化生產(chǎn)線的科技轉(zhuǎn)型。

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本文內(nèi)容為呼和浩特市2017年度科技計劃項目（廳市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新科技合作項目）【項目編號：產(chǎn)學(xué)研-2017-14】的研究成果。