工業(yè)機器人在電子專用設備領域的應用探討

郭晉竹，孫 清

（1.中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024；2.北方自動控制技術研究所，山西 太原 030006）

引言

工業(yè)機器人是高端智能裝備和高新技術的突出代表，對制造業(yè)的發(fā)展至關重要，是衡量一個國家制造業(yè)水平和核心競爭力的重要標志。目前，世界上主要發(fā)達國家均將機器人作為重點發(fā)展領域，以期增強本國在國際制造業(yè)中的競爭力。近年來，工業(yè)機器人的應用正向電子信息領域快速延伸。新型顯示、光伏新能源產(chǎn)業(yè)面臨著智能制造轉型升級，工業(yè)機器人成為新型顯示及光伏新能源電子專用設備智能化升級的關鍵，尤其在切割、壓焊、上下料、涂膠、背光、貼附等電子專用設備，完成工業(yè)機器人創(chuàng)新應用及系統(tǒng)集成，實現(xiàn)裝備智能化升級等方面，工業(yè)機器人技術是強有力的助推器。

1 工業(yè)機器人應用典型案例

1.1 LED背光模組組裝面臨的生產(chǎn)問題

LED背光模組是LCD顯示屏手機關鍵部件，主要由膠架、導光板、LED燈條、反射片、PET、擴散膜、增光膜、遮光膜等組成。如圖1所示，在LED背光模組的生產(chǎn)過程中，需要將擴散1、增光1、增光2、擴散2、遮光等5層不同功能的薄膜按順序準確疊合到由膠架、導光板、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

國內(nèi)大部分LED背光模組制造企業(yè)處于勞動密集型狀態(tài)，背光模組的組裝流程處于人工或者半自動生產(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，而且工人的流動性較大，導致產(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背光模組專用設備組裝機構基本采用X-Y絲杠模組搭建，主要存在幾個問題：一是機械結構復雜，導致不同結構的故障率疊加，設備整體嫁動率低；二是X-Y模組只能執(zhí)行一個方向的直線式往復運動，柔性化程度低，設備空間設計受到制約，導致設備整體占用空間較大，對生產(chǎn)車間也提出廠房面積要求，間接提高生產(chǎn)成本；三是LED背光模組型號繁多，采用X-Y模組，很難兼容過多產(chǎn)品型號，難以根據(jù)產(chǎn)品變化進行升級改造，只能重新設計專用生產(chǎn)設備。因此，自動化、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)機器人成為解決問題的關鍵要素。

1.2 SCARA工業(yè)機器人在背光模組組裝設備中的應用

采用8個SCARA工業(yè)機器人取代X-Y模組，高效協(xié)同完成八工位轉盤式組裝流程。八工位轉盤順時針自動旋轉，通過不同工位的機器人依次完成BLU自動上料、半成品圖像采集、擴散膜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下料皮帶被送出。SCARA工業(yè)機器人將膜片吸附后移動到CCD上，對膜片進行兩次圖像采集、四個角精確定位后進行疊合；依次完成擴散膜、增光膜1、增光膜2和遮光膜疊合工序，最后經(jīng)過壓合工序、下料工序把產(chǎn)品放在流水線上完成一個制程循環(huán)[2]。下頁圖2為LED背光模組工業(yè)機器人高效協(xié)同制造系統(tǒng)。

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

運用SCARA工業(yè)機器人高效協(xié)同制造系統(tǒng)，較傳統(tǒng)X-Y模組式設備，各項指標得到提升：一是設備機械運動結構簡化緊湊，減少了16個模組使用量，設備空間縮小20%；二是設備協(xié)同工作效率更高，生產(chǎn)效率提高10%；三是設備穩(wěn)定性提高，良品率提高10%，人力成本和來料成本降低。

2 電子專用設備領域工業(yè)機器人應用關鍵技術

工業(yè)機器人技術日趨成熟，已經(jīng)在汽車、電子、半導體等行業(yè)得到了廣泛應用。整體來看，工業(yè)機器人技術具有以下幾個發(fā)展趨勢：一是性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、易操作、易維修），單機價格不斷下降；二是機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展，適用場景更加多元化；三是控制系統(tǒng)更加開放，向網(wǎng)絡化、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、力覺等新型傳感器的應用與多傳感器融合，自感知、自適應、自調(diào)整等智能化能力提升；五是遠程操作及人機交互控制功能更加豐富，更加適應數(shù)字化車間應用場景。這些發(fā)展趨勢也加速了工業(yè)機器人在電子專用設備領域的應用推廣。

工業(yè)機器人技術在電子專用設備領域的應用，只有緊密結合行業(yè)特點、工藝技術要求、生產(chǎn)成本控制等，深入了解客戶的實際需求，對關鍵技術進行研究及探索，才能充分發(fā)揮工業(yè)機器人的技術與成本優(yōu)勢。工業(yè)機器人應用的關鍵技術主要包括以下幾個方面：

2.1 工業(yè)機器人工位及路徑的規(guī)劃

機器人的路徑規(guī)劃，就是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準則，如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等，在其工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的能避開障礙物的最優(yōu)路徑。工業(yè)機器人工位及路徑規(guī)劃技術是發(fā)揮機器人效率與精度優(yōu)勢的關鍵技術，是實際生產(chǎn)過程中首要面對的關鍵問題[3]。

2.2 多機器人協(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，很多設備需要多個機器人配合完成特定工作，傳統(tǒng)的各機器人單獨控制方法，機器人之間不能相互通信，各自位置、姿勢、節(jié)拍等信息不能共享，導致容易出現(xiàn)碰撞、動作緩慢、效率低下等現(xiàn)象，無法有效配合工作。針對此情況，研究開發(fā)多機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將對機器人的控制放在一個平臺中，使多個機器人同時快速運動，實現(xiàn)多臺機器人高效協(xié)同工作至關重要。

2.3 基于視覺引導的工業(yè)機器人搬送技術

傳統(tǒng)的工業(yè)機器人通過預先設定指令動作，在結構化指令環(huán)境中完成固定化工作，缺乏對產(chǎn)品和環(huán)境的適應性，這極大地限制了機器人的應用。隨著機器視覺技術的發(fā)展，將視覺引導技術應用于機器人的高精度搬送作業(yè)中，使得工業(yè)視覺機器人在高速高精度搬送作業(yè)中具有人工勞動力不可比擬的優(yōu)勢[4]。

2.4 機器人故障診斷及安全維護

通過采集各種信息，對機器人故障進行診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術，同時對機器人工作區(qū)域的限制，以及當設備操作人員進入該區(qū)域的應急處理及控制，是保證人員、設備等生產(chǎn)安全的關鍵技術。

2.5 工業(yè)機器人與電子專用設備的優(yōu)化集成

新型顯示、光伏新能源電子專用設備，具有對生產(chǎn)精度、生產(chǎn)效率、潔凈等級要求高等特點，傳統(tǒng)的生產(chǎn)設備采用的上下料、搬送、組裝等軟硬件系統(tǒng)存在結構繁瑣、控制復雜、設計調(diào)試維護周期長等缺點，工業(yè)機器人為電子專用設備的開發(fā)提供了全新的選擇，做好工業(yè)機器人與電子專用設備的優(yōu)化集成，最大限度發(fā)揮工業(yè)機器人的優(yōu)勢。

3 結語

柔性化、集成化、智能化是電子專用設備未來發(fā)展的趨勢，擁有廣闊的技術和龐大的市場發(fā)展空間，工業(yè)機器人是智能制造的關鍵要素，能夠為生產(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)機器人相關技術的研究應用具有至關重要的經(jīng)濟效益和社會效益。