手機外殼機器人拋光安全系統開發與應用

湯愛軍，諸進才

（1.富士康科技集團，廣東 深圳 518110；2.廣州鐵路職業技術學院，廣東 廣州 510430）

拋光是產品制造最重要的工序之一，常作為產品最后表面處理工序之一，直接影響產品最終外觀和品質。目前業界手機外殼常用輕質鋁合金，該類產品的拋光當前多采用手工作業，存在自動化程度低，產品品質一致性差、良率低和效率不高等問題[1]。同時多采用干式拋光，原因是干式拋光耗材為固態蠟搭配拋光輪，成本低廉。并且干式拋光屬于熱加工，拋光輪搭配拋光蠟和產品之間的相互摩擦作業，產生局部的高壓高溫，更有利于產品表面材料的塑性流動和它們之間的化學作用，也就有利于高品質表面的形成[2]。

這種人工干式拋光作業方式，不僅生產效率低，更嚴重的是存在三大安全隱患：（1）拋光產生粉塵、噪音和振動等，生產環境惡劣，勞動強度高，對工人存在職業病危害；（2）干式拋光產生的粉塵，是產品材料、拋光輪和拋光蠟的拋光粉塵混合物，主要成份是金屬、磨料、棉、毛和纖維等，這屬于易燃易爆粉塵。這類粉塵的堆積和揚塵濃度達到一定程度，遇到火源的情況下，即可能會產生塵爆和二次爆炸。塵爆的后果會產生重大的生命財產損失，近十年發生多起重大傷亡塵爆事故，特別是2014年8月2日，昆山中榮金屬制品有限公司汽車輪轂車間發生爆炸，造成68人死亡，187人受傷就是個慘痛的教訓[3]；（3）拋光壓力是影響品質的重要影響因素，如果拋光壓力控制不好，甚至發生撞機，會導致產品損壞報廢，存在產品安全隱患[4]。上述三個隱患，是困擾手機制造企業的問題，也是企業生產自動化升級改造急需解決的問題。

1 機器人拋光安全系統開發

針對手機外殼人工手工拋光存在的三個安全隱患，公司項目組經過多個專案探索開發，最終開發出了以機器人搭配力控和水簾柜的機器人拋光安全系統。該系統由六軸工業機器人、拋光機、力感、手爪、打蠟機、水簾柜、供料臺及機架等所組成，如圖1所示。

圖1 機器人拋光安全系統

1.1 機器人代替人工提高效率保證工人安全

針對人工拋光存在的職業病安全隱患，公司項目組開發了六軸工業機器人代替人工進行拋光作業，如圖2所示。機器人把工人從惡劣的拋光環境、繁重的勞動強度中解放出來，遠離職業病，保障工人的安全。

圖2 機器人拋光作業示意圖

機器人自動打磨拋光，相比人工手工作業，具有如下幾個特點優勢：（1）機器人具有“走軌跡+上下料”功能，可實現打磨拋光全自動化，進一步減少作業人員；（2）提高產能，提升效率，降低成本；（3）產品品質一致性好，良率提升；（4）屬于彈性自動化設備，柔性好，產品變化，設備可重復利用；（5）節省員工招募、培訓、薪資、管理等成本。機器人代替人工進行打磨拋光，在各行業各產品陸續有開發導入，均有不錯的效果[5]。

1.2 水簾柜方案杜絕塵爆保障工業安全

大量鋁粉塵（粒徑≤75μm）遇潮濕或水蒸氣能自燃，因此，干燥易燃易爆粉塵堆積是塵爆的隱患因素之一。當前拋光企業主要采用抽風系統把粉塵抽進濕式除塵塔進行處理，該方法存在粉塵日積月累后在管道內堆積的風險，依據國家安全相關標準，要求企業提高管道風速至23 m/s以上，并定期清理，保證粉塵堆積厚度小于安全厚度1 mm，這對抽風系統提出較高的功率要求，設備維護保養管理成本也會隨之增加[6，7]。為了確保拋光安全，設計開發了安全拋光水簾柜如圖3所示。

圖3 安全拋光水簾柜

安全水簾柜的原理是通過水循環系統，讓水簾柜左右和前后壁形成薄水幕，而底部是大水槽，儲存一定深度的水。機器人、拋光機、打蠟機等拋光設備安裝于其中，拋光過程產生的粉塵，將沉落于大水槽或四側壁上，被水幕沖刷到大水槽內，成為濕式安全粉塵，最終進入水循環系統，被過濾定期清理掉，從而杜絕掉干式粉塵堆積的風險。

拋光由于持續產生熱，容易致使封閉的水簾柜內溫度升高至40℃以上。高溫也是塵爆的隱患因素之一，也不適于人工上下料，設備操作和維護保養。經過分析檢討，項目組提出在水簾柜頂部安裝定制工業空調，設定合適的溫度和濕度分別為28℃和75%，如超限則報警停機，該方案能實現自動檢測和控制水簾柜內溫度和濕度。

同時在水簾柜內安裝懸掛自爆貯壓式干粉滅火器和粉塵濃度檢測儀，設定粉塵質量濃度安全閥值為4 mg/m3（按照本公司標準應遠小于鎂鋁粉塵塵爆濃度下限40 g/m3）。并要求水簾柜內所有電器組件、功能模組、設計選型均符合國家相關安全標準，必須等電位連接并接地，接地電阻小于100Ω，不產生靜電和電火花。

設計的水簾柜能自動檢測控制粉塵濃度和溫度，把干式粉塵變成濕式粉塵過濾處理，并按國家標準設計保護措施，有效杜絕塵爆風險。

1.3 力控系統提高品質保證產品安全

根據Preston方程可知，每一加工點的材料去除率與拋光壓力及相對速度成正比，拋光壓力是產品拋光品質和效率的重要影響因素之一[8]。人工手工拋光，可憑人手的感覺控制拋光壓力，但不均勻，無法做到精準控制。有些自動拋光設備，也因技術難題和節省成本，沒有安裝力控裝置，僅依靠實驗驗證得出的軌跡和經驗值，進行定期自動補償，但這種補償是開環的，無法回饋補償是否達到要求，這也就存在產品品質甚至產品報廢的隱患。

針對上述問題，項目組設計開發了與機器人搭配的力控裝置，實現機器人拋光壓力的自動檢測和控制，使每個產品拋光過程壓力變化基本一致，保持在合理水平范圍，確保產品安全。

設計開發的機器人力控控制架構如圖4所示，力傳感器安裝于機器人第六軸，直接檢測和控制機器人拋光壓力（拋光軌跡曲線法向量合成力F）。機器人的工控機與力感控制器通過Ether CAT（實時以太網）通信進行控制。Ether CAT相比最常用簡單的串口（RS232、RS485），實時性更好，速度快；而相對于模擬量輸出，既保持了模擬量的實時高速，還不存在模擬量輸出的最大問題，即受干擾問題，具有抗干擾性好。

圖4 機器人力控控制架構

設計的閉環控制過程力控系統原理如圖5所示，屬于機器人的主動柔順控制[9]。機器人拋光軌跡上的點位，由理想軌跡相應的參考位置點r，結合力控反饋的電壓與理想拋光壓力對應的電壓值之間的差值ΔV，轉化為位置補償值y，通過PID智能控制算法，控制機器人走補償后的實際軌跡，使它實際運行軌跡過程中的拋光壓力，控制在理想拋光壓力的上下限范圍內。

圖5 力控系統原理圖

理想的拋光壓力變化曲線，是通過實驗驗證優化得到的，達成客戶品質良率和效率的拋光軌跡所對應拋光壓力變化曲線。由于影響機器人拋光品質的因素有很多，如產品材料、來料品質、打磨軌跡、速度、壓力、時間、工具、耗材、品質檢驗標準等等。通過一系列的打磨單因素和正交DOE（Design Of Experiments實驗設計）實驗，項目組不斷總結出各因素的影響規律，找出關鍵因素，得出品質和良率最優的關鍵因素水平組合，并優化打磨CT（cycle time生產周期），達成客戶產能需求，最后進行標準化，此時標準化的拋光軌跡所對應的拋光壓力變化曲線，即是理想的拋光壓力變化曲線。調整壓力上下限范圍，確保產品品質良率在可接受范圍，得出拋光壓力上下限控制線。

2 應用推廣效益

開發的手機外殼機器人拋光安全系統符合國家安全標準，通過了富士康科技集團安全處的安全認證，也得到了幾大客戶的認可，已在多款產品上成功應用。如圖6為某款手機外殼機器人拋光系統，該自動化安全拋光系統節省了大量的人工，把工人從惡劣的工作環境中解放出來，保障工人的安全，杜絕了塵爆風險，保障了生產工業安全。力控的使用，保障了產品的安全，也提升了產品優良率，產生了良好的有形經濟效益和無形經濟效益。

圖6 某款手機外殼機器人拋光系統

3 結束語

針對當前手機外殼人工拋光存在的三個安全隱患，設計開發了機器人安全拋光系統，既保留了干式拋光低成本優勢，又保證了工人安全，生產工業安全和產品安全。經多個項目應用推廣，得到多個客戶的認可，證明該系統有明顯的有形經濟效益和無形經濟效益。隨著更多打磨拋光類項目的應用開發，今后該套安全系統將繼續優化完善和應用推廣。

[1]劉廣保，趙吉賓，田鳳杰.基于力控制的機器人研拋工藝研究[J].制造技術與機床，2015（2）：119-130.

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[3]楊 玲.鋁粉塵爆炸典型案例分析及安全對策[J].云南化工，2017（6）：126-128.

[4]杜 月.機器人輔助拋光系統末端拋光工具的優化設計與軌跡規劃[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[5]賈時成，孫英飛.國產工業機器人打磨系統設計[J].中國新技術新品，2014（4）：149-150.

[6]AQ4273-2016粉塵爆炸危險場所用除塵系統安全技術規范[S].北京：煤炭工業出版社，2017.

[7]AQ4272-2016鋁鎂制品機械加工粉塵防爆安全技術規范[S].北京：煤炭工業出版社，2017.

[8]Preston FW.The theory and design of plate glass polishing[J].Journal of the Society of Glass Technology,1927（11）：214-256.

[9]殷躍紅，尉忠信，朱劍英.機器人柔順控制研究[J].機器人，1998（3）：232-240.