深度分析:小型装配机器人的技术应用方案

国际金属加工网 2016年11月01日

电子产品正在萎缩,产品更加定制化且生命周期越来越短。劳动力不足,用人成本上升。那么,制造商对此能做些什么呢?快来看看柔性自动化。机器人正变得更便宜、更小、更精确且更易使用。可选空间也在扩大:六轴、SCARA、Delta机器人或者新型双臂机器人 – 各有自己的优势。它们能够看见、感受到、抓取并充满信心地装配小零件。无论是在狭小的空间或洁净室,大的场所或中小型企业,在3C市场、化妆品、能源汽车或者生命科学领域,正越来越多地使用机器人装配小零件。例如,六轴机器人用于装配断路器的小零件。

【硬性自动化 VS. 柔性自动化】

硬性自动化或刚性自动化,包括设计用来完成特定的任务的设备,如数控铣床。柔性自动化充分利用被设计用来实现多任务的机器人,并且当需求改变时,适于赋予其新的用途。“投资回报率比任何类型的硬性自动化都要大得多,因为你可以创建一个新的工具,并把它作为机器人的末端装置,你所做的是完全不同的另一部分,”位于伊利诺伊州Vernon Hills的三菱电机自动化公司机器人技术产品经理Alex Bonaire说:“如果你有一个硬性自动化装置,它几乎只能做一件事,然后不得不更换它。”“如今产品更新非常频繁,每6个月就会推出一款新版电视或电话,”Bonaire说。“想想那些硬性自动化设备,你将不得不更换定期以支持新产品,这会非常昂贵。”我们看惯了汽车生产线上灵活的自动化机器人,到处移动大型部件、定位、焊接和给部件喷漆。其实,机器人也擅长小零件的装配。“许多人认为机器人用于那些令人讨厌的粗糙大零件,或者简单的拾放应用,从A点拿起零件,然后在B点放下,”Bonaire说。“但是,把非常错综复杂的东西放在一起才是机器人真正大放异彩的地方。”“如果你拿出你的手机看看,就会发现它是一个非常复杂的电子设备,”他继续说。“尽管一些装配是手工完成的,但设计越来越精细复杂,用手工装配是不合理的,甚至也许根本不可能实现。“有了机器人,就有了一个多功能的装配工具。所以,也许某天它把螺钉插入的电路板,并在第二天或者甚至在相同的工序中,执行检查操作或者某种类型的分配或精加工。它就是一把瑞士军刀。”

【应用:精确零件插件中的力传感】

一个由三菱提供的集成力传感器位于机器人臂和爪手之间,用于将接触器正确地插入到热继电器外壳中。该传感器基于在零件定位期间是否有阻力来提供力反馈给机器人。集成力传感器用于将接触器正确地插入到热继电器外壳中。“有了力传感器,它可以执行搜索以找出哪里的阻力较小,然后根据这些反馈,执行一次干净漂亮的插件动作而不破坏任何东西,” Bonaire解释说。“编程很简单,寻找一个阈值,一旦达到阈值就停止并尝试其他途径。程序只是循环再循环,直到达到阈值”。一旦接触器正确插入热继电器的壳体中,使用硬性自动化来改变热继电器主体的方向,使它垂直。然后第二个机器人介入,插入分隔不同触点的保护套或内盖。Bonaire说该插内盖动作也用到了二维视觉。

【应用:可变夹持装置伺服系统】

此应用演示中所使用的伺服爪手也是由三菱提供的,为的是便于即插即用。伺服爪手在小零件装配中更为常见,因为它们可以在不同的位置打开和关闭,可容纳不同大小和形状的零件。“除了可调节行程所带来的高度灵活性之外,伺服爪手在小零件装配中的另一个优势是它还允许调整所施加的握力量,因而可在不损坏零件的情况下处理小零件,”Bonaire说。“当你拿起一个很小的塑料片时,需要确保不会压碎它。”伺服爪手提供几乎无限范围的定位选项。臂端工具生产制造商,如SCHUNK、Applied Robotics和Robotiq也提供伺服夹持装置解决方案。三菱的伺服爪手并不是唯一的灵活解决方案。“那里有四组不同的爪手,” Bonaire说。 “夹具允许机器人的臂端工具根据所需要执行的任务互换爪手。它会夹起完成工作所需的合适工具。”

【应用:随机抓取中的三维视觉】

这是位于日本的三菱公司生产工厂的一个用于断路器生产的类似小零件装配过程的实际应用。整个过程中采用了力传感、视觉和其他先进技术。“贴在机器人手臂上带有三菱徽标的灰色方块是三维视觉系统的一部分,”Bonaire解释说。“我们的系统是一个结构光三维系统,采用了二维相机,并投影一系列的图案来确定表面在哪里,所以那个箱子是个微型投影机。”一个2D视觉传感器校验零部件位置以便进行装配。他说,三维视觉功能取代了杯式给料器或振动给料器,或者任何用于分隔零件的传统类型给料系统。“你不必设计、加工和构建给料系统,”Bonaire说。“你基本上只需将零件呈现给机器人,不管什么方向,机器人都会发现它们。有了视觉,你可以用一个系统定位多个零件(而不是需要四到五个不同的杯式给料器馈线)。”

【应用:协同控制和防干扰】

俗话说,三个臭皮匠赛过诸葛亮,这句话也适用于机器人。协同控制,也称为协调运动。虽然这种技术已经存在了十年,Bonaire说由于应用的需求以及终端用户发现了其能力,他们正更为频繁地使用这一功能。“如果你知道你有能力获得两个机器人并让它们轻松地一起工作,那么这就可以改变你的整个设计,”他说。“与其让一个机器人先对某个零件做一些处理后将其放下,然后下一个机器人再将其拾起来做一些处理,协同运动更加有效。“你可以在机器人之间不碰零件,”Bonaire说。“你也可以选择一个零件,然后实时对其重定向,同时另一个机器人在该零件上执行其他任务。这就像用一个魔方,转一侧,而另只手转另一侧。您可以在更短的时间内做更多的事情。而且,如果某个零件太大,机器人们可以携手合作把它拾起来。”Bonaire说防干扰也有助于使装配过程更加高效。“传统上,你必须在机器人代码中编写某种类型的握手程序。机器人会在握手程序中说它在空间中的某个特定位置,然后将这些信息发送给相邻的机器人,以确保它们不会进入该工作区,”他解释说。“这会减慢速度,因为机器人会不停地等待。“有了这个防干扰功能,会通过建立一个机器人到下个机器人的参考而自动应对所有的事情,”他继续说。 “即使你可以用传统的编程做到这一点,那创建可以快速实现这样功能的代码也将是非常困难和耗时的。”有了防干扰技术,而不是等待一个机器人与另一个机器人通信,它们的行为更像是一台机器。一台有双臂的机器人会怎么样?专为消费电子行业而设计,具有和人类同事并排工作的独特外形与协作功能。这就是ABB的YuMi机器人。

【应用:无缝集成的一体化控制】

说到一体机,三菱的iQ平台不仅通过减少周期时间加快了装配过程,同时也缩短了项目交付周期。“我们是仅有的能够在PLC机架上直接控制机器人的公司,设备都来自同一制造商,” Bonaire说。“因为减少了花在来回通信上的时间,因而缩短了周期。你可以利用一条高速总线上的所有东西,也可使系统集成商和客户更快地进入工作状态,因为他们不必花时间搞清楚如何让机器人与不同的自动化硬件设备一起工作。无论I/ O、网络甚至是HMI屏幕,需要设置的地方很少。“除了写代码,还提供了梯形图选项来对机器人进行编程,”Bonaire补充说到。“你可以选择任何一种方式。”这就是柔性自动化的关键所在。有了机器人,你总会有选项。

【应用:生命科学中的机器人装配】

随着北美机器人市场在2015年的上半年创造了新记录,由自动化集成商们直接看到需求也是意料之中的。“过去10年中,我们已经看到至少有80%的应用都涉及到某种形式的机器人,无论是单个还是多个机器人,”位于加利福尼亚州Simi Valley的 Dynamic Automation 公司的所有人和总裁Marc Freedman说。“而在过去的5年里,增长几乎是指数级的。在生命科学行业我们的主要工作已经完成,剩下的大部分是装配,都是些通常可以拿在手中的组件。”SCARA机器人用于医疗设备的装配和包装,包括玻璃瓶。在维修和清洗过程中,有保护罩保护不锈钢夹具、传感器和线路。Dynamic Automation成立于1986年,是DENSO Robotics、FANUC和St?ubli公司的首选集成商,还与其他领先的机器人供应商合作。集成商还服务于能源、航空航天和汽车行业。”“现在我的工厂里有15个不同型号的机器人。既有装配妊娠检测试剂盒的Delta机器人,也有重达165公斤、用于在汽车应用中移动齿轮的六轴机器人。”Freedman说客户正找上门来要求用机器人。“举个例子,我们正在制造的妊娠检测试剂盒装配机是第五代产品。之前的四代产品没有用到任何机器人。快了好几倍,与我们正使用的技术完全不同。我们应该在这个水平。他们是一家非常具有前瞻性的公司,不断地鞭策着我们。”“在生命科学领域,我们可能正在卷管并为其连接一个端接头,或者我们可以正在构建一个非常复杂的测试以在非洲检测艾|滋|病,”Freedman说。“每天都不同,那么每个应用也是不同的。速率可以从每分钟30份到每分钟300份。从历史角度来看,对我们来说,已经使用了很多SCARA机器人。”

【SCARAS VS. 六轴机器人】

SCARA,即选择顺应性装配机器手臂,是一种通常用于小零件装配的四轴机器人,擅长高速拾放。SCARA机器人通常比六轴机器人更便宜,轴更少,电机也少,零件数量也少,但不如它们的垂直关节式表亲那样灵巧。归功于其更强的灵巧性和应用灵活性,六轴机器人正在小零件装配应用领域逐渐普及。(本文展示了Delta机器人在小零件装配领域也表现的不错。)“随着六轴机器人变得更小也更具有成本效益,在可以的时候我们也一直在更多地使用这种机器人,”Freedman说。“我们的客户希望能和其他人一样具有实时改变的能力。考虑到未来,他们希望拥有那样的多功能性。”但有时空间也是一个限制因素。Freedman说对他的典型客户群来说机器人的占地空间非常重要。“我们一个机架、一个桌架或几个组合起来的桌架上建造小隔室,”他解释说。 “空间和景观以及把一切都放在一个小空间的能力是非常重要的。我们的很多设备都进入了洁净室。“我们客户心目中最重要的事情是洁净室里的空间成本,”Freedman说。“洁净室空间要花很多钱去维护,如,暖通空调的需求和全部的清洗需求,所以他们非常在意空间的大小。我们一直在努力缩小所有的空间,正努力推动所有的机器人厂商缩减其平台尺寸。”

【应用:在洁净室空间里】

Dynamic Automation的一种洁净室应用包括机器人装配重组装置,对患者和护理人员来说该装置可使血友病因子疗法更容易且更迅速。重组套件由Baxter制造(部门剥离后现在变成了Baxalta),有助于迅速将药物给到患者体内来辅助血液的凝固。“这是一个由三种主要组件构成的三部件装配:药品、设备本身和一个药水瓶,” Freedman解释说。“药物需要与水混合,然后注射,所以这种装置自动以适当的比例混合水和药物。做的非常迅速,非常简单。“很高兴我们可以做这样为社会增加价值的事情。我们已经做了一些类似的应用,例如,为参与比尔和梅林达?盖茨基金会资助的世界健康项目的公司提供一些非常复杂的装配设备。“一些客户用来追踪我们所做的与我们的目标如何相关的衡量标准是我们挽救了多少生命或者将要挽救多少生命,而不是我们每月生产了多少份。这是一个完全不同的观点。”尽管如此,当挽救生命时,产量仍然重要。三台DENSO HS系列SCARA机器人被选中用于该应用,因为它们转速高,能够适应每小时1800份的机器速度。“准确度始终是我们的一个挑战,”Freedman说:“对这些可能仅需调整正负千分之一英寸的应用或进入到微米领域来说,需要真正精确的机器人。对于我们的具体应用,我们发现SCARA机器人比同等大小的六轴臂更精确。“装配配件时不影响密封和产品的完整性是非常重要的。当人们打开套件时,它必须是无菌的。装置的一侧有个药瓶,另一侧也有一个药瓶,有一个非常尖锐的设备将刺穿小瓶。装配过程中需要非常接近那个装置,但需要确保不会捅破它。我们使用伺服执行器来做这一切并用力反馈来确认。”

【应用:用于精细装配的力反馈和视觉】

称重传感器装配力监测使用力传感器来跟踪整个装配过程,以确保不会超过允许的最大力。“玻璃药瓶非常具有挑战性,”Freedman解释道。“每一个玻璃药瓶都有完全不同的尺寸特性。爪手是专为洁净室环境而设计的,尺寸公差非常明确。它们从药瓶瓶颈的每一侧进入。需要确保不会划伤或挤压药瓶,但要准确地抓住它,提供强大且足够安全握力,这样当以全速快速移动时药瓶也不会改变。”SCARA机器人为集中式光伏设备装配零部件。正如在许多Dynamic Automation的设备中所做的那样,视觉技术在该医疗设备装配中扮演着不可或缺的作用。“很多时候,这种产品所使用的托盘是一次性的,因为客户不希望花很多钱在它们身上。它们是模制零件,所以公差对我们来说太大,因而不能假设药瓶都在爪手抓取的预期位置。这就是为什么我们使用一个视觉系统来定位产品(在本案例中是药瓶)。“在这种情况下,DENSO和康耐视通信越多,技术越透明且更对用户友好,不只是对集成商,对客户也是如此,对业界也越好” Freedman说。“我会说我们的机器人应用,50%以上都集成了视觉功能,而且这种趋势还在增长。”视觉与机器人自动化相结合,通常用于检查。在这段视频中,看看灵活的装配机器人、先进的视觉能力和专业的集成是如何改善机器周期时间的。太阳能光伏装配。视觉在聚光型太阳能(CPV)装置装配机械中也扮演着重要的角色。Freedman说,DENSO HS系列SCARA机器人由于其高精度装配、集成了康耐视视觉导引并且占地小,并选用于该应用。“最初,我们曾考虑过为该应用建造定制的笛卡尔式机器人,” Freedman说,“但经过详细的成本分析,使用现成的SCARA机器人不仅可以省钱,还能够以较小的占地需求提供更多的灵活性。”SCARA机器人对集中式光伏设备进行焊接和点胶。装配组件包括顶部带有高度聚光太阳能光伏电池的散热器,电池所用的技术也用在太空中。电池的顶端是一个玻璃放大镜,用来聚集太阳光到电池上。装配线是为CPV制造商Emcore建造的,全部装配线包括三台共计长30英尺的机器,每台都带有回转分度盘板,总共用了12台 SCARA机器人。机器人提供粘合剂来粘合电池和玻璃放大镜片。视觉导引被用来精确地将玻璃放大镜放置到太阳能光伏电池上,用于粘接。电线被剥离、压制,然后焊接到基底上。盖子铆接在电线上。“有很多冲突控制编程是必须发生的,”Freedman说。“有时有多达三个机器人同时工作在相同区域中,因为它们都是被严格定位的。”小零件装配并不是在镇上唯一的游戏。Freedman说,随着西海岸公司将目光投向汽车行业,他们越来越多地参与机器人汽车应用。“我们正在处理更大的组件,这涉及到更多的机器人安全问题,”他说。“我们加入RIA的一个原因是因为我们想与这些不断变化的安全需求保持一致。而我们的客户要求我们知道这些事情。我们一直致力于与我们的客户合作,并努力去教育他们。我们的许多从事生命科学的客户使用机器人的时间不长。他们才刚刚开始参与进来。”

【应用:中小型企业的小零件装配】

和生命科学行业一样,中小型企业开始认识到机器人自动化的竞争优势。对于许多这样的公司来说,小零件装配是他们特长,他们需要另一个能够理解他们需求的机器人企业。“我们真正地专注于小型自动化,”位于伊利诺伊州Elk Grove Village 的TM Robotics 公司执行副总裁Ryan Guthrie。“我们最大的机器人臂长只有1.2米。”TM Robotics是东芝机械的合作伙伴。该公司推广和销售东芝机器人,并与亚洲之外的系统集成商合作。“我们专注于小零件、活塞和按钮,”Guthrie解释说。“我们专注于所有聚在一起形成更大配件的所有小元素。小零件装配就是当地的制造业,也就是你的小型家庭店铺。正是这些中小型企业在使用中小型机器人。”Guthrie描述了用于领先的欧洲汽车电器配件制造商的小零件装配应用。正在进行的应用包括汽车内饰按钮的装配。“无论是调整你的宝马车的温度或者调整你的法拉利车的镜子,如果它是你在车中按下的按钮,那么他们可能就在装配它。”

【应用:更灵活、占地面积更小】

这些客户也就几年前才开始使用机器人,之前一直使用硬性自动化设备装配车用按钮,Guthrie解释说。“在传统汽车生产中,装配生产线可能有15或20个工位,每个工位完成一个特定的任务。工位1放置按钮,工位2把按钮按下去,工位3把贴花放上,工位4把第二个按钮放上,这就是多步骤工艺。

【应用:多功能机器人末端执行器完成电机装配应用中的多个任务】

“与用这些不同的线性执行器、气动元件和液压元件来试图打造定制机器不同,” Guthrie继续说到,“我们的客户将我们的一台微型SCARA机器人标准化,然后在每个工位只改变臂端工具。他们能够用一台机器人实现多任务。他们没用14或15个工位,只用了围成一圈的8个工位(每个工位一台机器人),而非直线排列,因此占地面积更小。“整体上来工位更少,但仍然可以应对不同按钮控制台的复杂性,”他补充道。 “一旦他们完成了特定的产品线,他们重新装备机械臂,准备好生产下一批产品。”TM Robotics的客户正使用东芝TH180四轴机器人处理该应用。“我们称之为具有180mm臂长和2kg有效载荷的微SCARA机器人,”Guthrie解释说。“它被选中是因为其整体尺寸小。他们正试图在非常紧凑的空间内进行很多装配工作,没有足够的空间放置装配中常用的传统小SCARA机器人。他们在车间有个角落。因此,这样的小尺寸机器人以及小尺寸控制器,使得整体尺寸非常小。能够在约6英尺长、6英尺宽和6英尺高的空间中放下8台机器人。”

【应用:多功能爪手】

臂端的智能工具有助于以较少的资源完成更多的工作。设备少,占地面积小,每个机器人完成更多的任务。在汽车按钮应用中,TM Robotics充分利用双任务爪手,或本案例中的三任务爪手。“一个工位可能涉及插入按钮后面的小橡胶膜,然后把塑料按钮安在上面,他们必须对三个按钮做同样的处理,” Guthrie解释说。“他们可以用一台机器人做多个拾放操作,因为可在机器人上放置多个爪手。它能够到三种不同杯式给料器中拾取零件A、零件B和零件C,并把它们一起拿到工位上。”这个汽车装配演示单元有一台配有多功能工具的机器人,该工具包括能够执行多个任务的三个不同工具组件。Guthrie说,在硬性自动化中可能需要三或四台单独的机器。

【应用:重新整备和复用】

灵活的机器人装配的关键优势是能够重新整备你的机器人,成本只是硬性自动化中更换整个机器成本的一小部分。再次引用汽车按钮应用例子,Guthrie解释了自己的客户如何跟上汽车行业中车型的快速变化。“通过用机器人更换硬性自动化设备,一旦项目完成,可以对机器人进行完整的重新整备,而不必重新设计所有移动部件。所要做的可能是改变一个爪手的手指,或者在改变机器人的程序。因此,机器人不是从左边来的话,也许会从右边来,或者拾取两个而不是一个零件来进行装配。“机器人自动化使他们能够灵活地处理所有不同的零件,无论是处理一些高档车的特殊材料,或标准的福特福克斯音响控制,以及两者之间的一切。机器人为他们提供了这种灵活性。”他说,产品生命周期的转换大约是18个月。他的客户通常也是按这个时间间隔重新整备他们的机械臂。“他们能够利用来自首个产品线的相同资金投入实现全新的产品线。因此,从整体上降低了成本。”“在大多数情况下,他们使用标准的现成气动执行器,无论是平行爪手或三爪卡盘风格的爪手,”Guthrie说。“因为他们有自行设计能力,能够为他们的每个产品定制设计的爪手。当一组产品完成后,对重新整备应用进行审视,你谈论的是选择价值几百美元的材料还是选择花费成千上万的美元(以取代过时的硬性自动化设备)。“往往只是去掉两三个螺丝和手指,换上新的就行。”

【应用:用于精度的视觉】

Guthrie说,检查是在装配过程中的关键一步。小隔室采用机器视觉保证零件质量和公差得到满足。“这些都是人们在车上看到的闪亮旋钮和按钮,所以他们希望确保没有任何瑕疵。每个零件在离开装配机之前都经过全面的检查。”他说,在公差特别紧的情况下,客户也使用视觉来验证零件的放置。即使一个零件在夹具中被略微弯曲,机器人也可以实时调整其坐标。Guthrie的机器人可以达到亚毫米精度,完胜任何人类。“以车里可在晴天降下车窗玻璃的按钮为例。你触摸到的按钮实际并不接触车窗的升降机电路。通常之间有一个保护电路的柱塞。该柱塞约为铅笔笔尖大小。在这种特定的应用中,机器人将在5秒内到6-8个这样的柱塞放进一个配件中。“一个训练有素的装配技术人员也许能够在短时间内跟上机器人,但在整个转换过程中都跟上这样的速度,在本例中是贯穿三个转换,对人来说是不可能的,”Guthrie说。“在很多情况下,机器人在每个工位工作不到5秒,所以它们推出成吨的零件。机器人24/7运行,要做到这样,你必须是一个机器人(双关语意)。”

【快速投资回报率】

Guthrie说,在安装第一台机器人之前,应用的投资回报是显而易见的。“每隔18个月,只要有新产品面世,他们基本上就必须重新设计一个完整的机器。硬性自动化的组件真的很难回收。“凡是有机器人自动化的地方,他们就可以把机器人从1号底座上拿下来,然后放到2号底座上,这就完成了,”Guthrie继续说。“直接成本可能会比较多,但它是一次性成本。当一种产品改变后,这些机器人为自己买单。然后,它们能够继续生产零部件,以达到进一步降低成本的目的。“如今你的工程设计时间也少了很多,也没有为每个产品设计全部的定制元素,所以它有助于降低生产的总成本。“Guthrie说他的客户很惊讶地发现机器人编程没有他们所担心的那样复杂。“他们实际上已经在非常短的时间内令人难以置信地熟练掌握了机器,使得他们能够真正使用机器人的全部功能。我认为我们的两天培训课程就可以让他们立即开始工作。“他们对无需维护即可保持机器人运行也很开心,”Guthrie补充说。 “与硬性自动化相比,采用机器人后,他们的预防性维护计划变得更加简单了。”

【应用:洁净一致的装配】

机器人装配在容易发生污染的工艺中呈现出新的重要性,例如在个人护理耗材市场。在另一个TM机器人应用中,机器人代替了化妆品行业中的手工组装。TM Robotics一位法国客户睫毛膏产品的多个装配工艺,使用SCARA机器人和智能传输系统在各工位组装管子、刷子和盖子并码垛/卸垛。Guthrie说,机器人自动化在该应用中的一个最大优点是可重复性。“这是一个以前由手动完成的工艺。在这种情况下,总会有出现人为错误的机会,无论是把一件产品放反了或上下颠倒,或注意力不集中导致缺了一件。当他们试图每小时处理这么多的零件时,人出现分心是不可避免。但机器人不会分心。”清洁是是个人护理行业的另一重要优势。SCARA机器人应用在化妆品行业的睫毛膏管组装。“人类不一定是地球上最卫生的生物,”Guthrie说。“我们打喷嚏、咳嗽。随着电子技术的进步以及内部元件的卓越品质,机器人是非常干净的机器。它们非常适用于食品、药品和医疗行业,在这些行业中,清洁是必须的。”在任何小零件装配应用中,机器人无法独自做到这一点。视觉和其他多种传感器、软件和臂端工具使其成为可能。甚至硬性自动化也在整体解决方案中发挥作用。“机器人是多个子系统中的一员,这些子系统结合在一起构成自动化系统,”Guthrie说。“就它们自身来说,每个单独的组件无法完成这么多的工作,但当一起工作并与机器人和杯式给料器、爪手系统、输送系统和分度器配对时,你就能够组装起这部可以完成令人惊叹工作的复杂机器。”视觉与机器人自动化相结合,通常用于检查。在这段视频中,看看灵活的装配机器人、先进的视觉能力和专业的集成是如何改善机器周期时间的。


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