手機外殼機器人打磨開發與應用

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）

0 引言

打磨常作為產品最后表面處理工序之一，它關系到產品的最終外觀和品質，是重要工序。打磨的良率和穩定性，也直接影響產品制造成本[1]。目前業界手機外殼打磨，多采用人工打磨，存在效率不高和良率低等問題。隨著我國人口紅利逐漸消失，人工成本不斷上升，工人難招募，打磨自動化，是手機外殼制造企業急需解決的問題，也是企業自動化升級改造的迫切需求。

1 當前手機外殼打磨存在的問題

手機外殼采用人工打磨，對工人的打磨技術經驗要求高。而手機通常是大批量生產，人工打磨自動化程度低，工人投入數量大。同時打磨存在粉塵、噪音和振動等，生產環境惡劣，勞動強度高，因此生產效率低，并易造成工人職業病，人員流失率高。更重要的是，由于人工打磨難以保證作業手法一致，所以產品品質一致性難以保證[2]。

對于批量打磨的產品，有些企業開發使用了專用打磨設備進行打磨作業，例如多軸打磨機床[3]。專用打磨設備生產效率較高，但成本投入也較大，產品開發及成本回收周期長，并且由于產品適應性較差，只適合特定產品大批量的打磨作業。當前手機產品更新換代快，且多是少量多樣的柔性生產，所以專用打磨設備難以勝任。

2 機器人打磨的開發與應用

2.1 機器人自動打磨特點優勢

機器人自動打磨，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。

2.2 機器人打磨系統開發流程

隨著工業機器人的廣泛應用，項目組通過不斷摸索嘗試，驗證開發，成功開發了利用機器人這種自動化柔性設備代替人工，實現機器人自動打磨的生產系統。經過多款手機外殼機器人自動打磨項目開發，不斷總結技術開發經驗，制定了機器人打磨應用開發標準化流程，如圖1所示。

圖1 機器人打磨應用開發標準化流程

現場評估，即到現場詳細了解制程及自動化需求信息，并初步評估自動化可行性。從“人、機、料、法、環”等多方面，詳細了解產品材料、形狀結構、前后制程、打磨部位、品質要求、所用打磨工具、耗材及手工作業工藝參數，CT（cycle time生產周期）等，以及客戶對自動化開發詳細需求、開發進程時間點等。

方案設計及優化，包括優選符合負載、工作范圍及精度的機器人等，設計自動打磨整體方案，包括與機器人搭配的打磨設備、工具和耗材等，自動上下料，整線甚至整廠物流，安全防護等。并邀請生產單位檢討，修改完善方案，直到對方案達成共識。

上述機器人與打磨工具的搭配方式優選是重要評估項目。機器人自動打磨應用中，常用的搭配方式有兩種，一是機器人夾持被加工工件貼近加工工具耗材，如砂帶、拋光輪等，進行打磨拋光加工，另一種方法是機器人夾持打磨拋光加工工具貼近工件進行加工[4-5]。兩種方式的優選依據是考慮產品尺寸大小重量，所用工具的大小重量，機器人負載，運動范圍，以及產品打磨拋光部位，打磨軌跡，還有是否適合自動上下料，自動更換耗材等進行綜合評估。對于小尺寸輕量產品，常采用機器人夾持產品，打磨調試比較靈活方便。而對于大尺寸重量大的產品，受限于機器人的工作范圍和負載，通常采用機器人夾持工具的方式。

接下來是驗證單元的制作及打磨DOE（Design Of Ex?periments實驗設計）實驗驗證。機器人打磨拋光類項目開發，與機器人最大應用搬運類應用開發，最大的區別就在于多了此環節，也是最關鍵的環節。因為機器人搬運類項目，只要選定的機器人負載、工作范圍及精度能達到項目應用需求，項目功能性達成就基本沒什么問題，但打磨拋光類項目開發的核心是打磨品質良率能否達成客戶要求，而品質良率的影響因素又有很多，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[6]。

通過一系列的打磨單因素和正交DOE實驗[7]，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，達成客戶產能需求，最后進行標準化。

在打磨驗證單元完成品質和良率驗證確認后即進行打磨自動線的設計開發，并發包制作。物料到付后，線體組裝調試，出貨生產現場安裝調試，生產驗證。待生產驗證通過后，即可交付生產使用。

最后是批量應用推廣，包括自動化線體的復制，還有同類產品生產自動化的應用推廣，實現開發效益最大化。

3 一款手機外殼機器人打磨的開發與應用

3.1 打磨自動化需求

圖2所示為一款某品牌手機外殼，其材質為不銹鋼沖壓件，由于內表面有激光焊接彈片，所以會在外表面形成一些焊點凸包。打磨要求是用砂帶打磨去除焊點，同時還要保證面形輪廓精度不變，為后制程拋光做準備。

圖2 某款手機外殼

自動化導入前，由于人工手持產品在砂帶機上進行打磨，存在工人勞動強度大、手工作業手法不規范統一、產品品質一致性差、品質不穩定、工作效率低（CT=65 s）、產品良率低（平均僅85%）等缺陷。

3.2 機器人打磨自動化系統設計

在充分了解產品制程信息后，開發團隊進行分析研討，不斷優化方案，并設計發包了機器人簡易驗證單元，結合手工作業經驗，進行了大量的DOE實驗驗證，總結出了適用于機器人自動化打磨的因素和水平。

設計開發了如圖3所示的機器人打磨單元，其由一臺六軸機器人，產品裝夾治具，砂帶機，打蠟裝置，上下料架，安裝機架和安全防護網等組成。用物流線串聯12個打磨單元，組成一條機器人打磨自動線，如圖4所示。

3.3 打磨軌跡優化

打磨動作軌跡優化，主要通過模仿人打磨動作，結合機器人及砂帶機的實際情況進行邊試驗邊優化，目標是保證打磨部位適當，寬度約為超過焊點區域1 mm，焊點有效去除，而又不會產生深線紋和棱邊。

根據Preston方程可知，每一加工點的材料去除率與打磨壓力及相對速度成正比，這就要求打磨軌跡要光順均勻，打磨壓力和速度保持一致。因此，理想的動作軌跡為，如圖5所示，產品打磨面輪廓上的點連續等速V通過理想打磨接觸點O，同時在Y方向左右擺動，如圖6所示，這可有效防止深線紋的產生。

圖3 機器人打磨單元

圖4 機器人打磨自動線

圖5 打磨軌跡示意圖

圖6 打磨擺動動作示意

3.4 應用推廣效益

該產品機器人打磨自動線已順利開發并導入生產應用。改善前人工打磨線如圖7所示，改善后機器人打磨自動線如圖8所示。打磨自動線，相比人工線，白晚班節省20人，效率提升49.2%（CT由65 s降至33 s），經濟效益顯著。

圖7 人工打磨線

圖8 機器人自動打磨線

4 結語

通過手機外殼打磨實際生產自動化項目開發，總結提出機器人打磨應用開發流程。經實踐論證，行之有效，并已經標準化該流程。該流程能指導同類機器人打磨拋光類自動化項目開發順利開展，對機器人的其他應用開發也具有借鑒意義。隨著更多打磨拋光類項目應用開發，今后該流程將繼續不斷優化完善。