消費類電子產品生產線智能裝配自動機器人的分析與研究

李慧 劉占偉 孟永茂

摘 要：目前創維電子（內蒙古）有限公司液晶電視生產線上在進行電視機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，所以在電視機的整機生產線上，很多工人手拿電動螺絲刀來進行裝配。在人工成本急劇上升的當下，迫切需要一種自動化的電視機螺釘裝配設備來代替人工，以降低生產成本。論文研究了一種電視機自動化組裝系統及其自動化螺釘裝配設備，旨在通過自動化設備代替人工來降低生產成本，提高生產效率及產品質量。

關鍵詞：消費類電子產品；生產線；智能裝配機器人；產業化

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類電子產品和其他電子產品的生產制造基地，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制造企業的利潤正在被勞動成本的上漲淹沒，目前已到了企業所能接受的“臨界點”；與此同時，招工難，尤其是高技能的技術工人招工更難的現象，已持續了多年之久。勞動密集型生產制造企業改變現狀的途徑，自動化升級改造不僅能節約了大量的人力資源，還能提高生產效率和產品質量，并最終實現生產制造模式的科技轉型。例如：基于液晶電視自動化測試生產線是在生產過程中原料從開始經過輸送、組裝、測試等重要環節均無人工參與，實現智能生產線的真正自動化。

當前乃至今后一段相當長的時期內，強勁的市場需求將造就了自動化行業的黃金時代。液晶電視裝配機器人在自動化工業領域具有重要的研究的意義和廣闊的應用前景。

本論文研究以創維電子（內蒙古）有限公司液晶電視整機裝配設備為基礎，研究過程將在創維電子（內蒙古）有限公司液晶電視生產線上進行，研究成果將在創維電子（內蒙古）有限公司建立示范點，所以有關本論文研究都將以創維液晶電視生產線、創維液晶電視機整機為研究對象，推廣應用到所有工業智能裝備領域。該研究項目契合創維集團的“機器人戰略”和“信息化戰略”，結合研發與生產制造傳統工藝要求，首先在操作勞動強度及用工量較多工位完成液晶電視機裝配生產線的機器人自動化升級技術改造，從而減輕員工作業強度和增加作業效率，逐步實現勞動密集型產業向自動化控制轉型。本項目結合自動化設備及傳統工藝，進而實現產品的柔性生產，實現整個液晶電視裝配生產線進行全方位高度集成的自動化和智能化。

2 國內外相關技術現狀

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備，已發展成為柔性制造系統（FMS）自動化工廠（FA）計算機集成制造系統（CIMS）的自動化工具。廣泛采用工業機器人，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。

在國外，工業機器人技術日趨成熟，已經成為一種標準設備被工業界廣泛應用。從而相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業機器人公司，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，這些公司已經成為其所在地區的支柱性產業。國外專家預測，機器人產業是繼汽車、計算機之后出現的一種新的大型高技術產業。據聯合國歐洲經濟委員會（UNECE）和國際機器人聯合會（IFR）的統計，世界機器人市場前景看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產業一直保持著穩步增長的良好勢頭。

工業機器人在許多生產領域的使用實踐證明，它在提高生產自動化水平，提高勞動生產率和產品質量以及經濟效益，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注。

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

近十年以來，在“十五”、“十一五”攻關計劃和863計劃等科技計劃的支持下，我國有組織、有計劃地發展工業機器人產業，通過研制、生產、應用等多個層面的不斷探索，在技術攻關和設計水平上有了長足的進步。總的來看，已經掌握了工業機器人的設計、制造、應用過程中的多項關鍵技術，能夠生產出部分機器人關鍵元器件，開發出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業機器人。一些相關科研機構和企業已掌握了機器人軟件的設計和編程技術、運動學和軌跡規劃技術；弧焊、點焊及大型機器人自動生產線（工作站）與周邊配套設備的開發和制造技術等，某些關鍵技術已達到或接近了國際先進水平[1-9]。

3 主要的研究問題

當前，消費類電子產品生產線智能裝配機器人產業化研究主要面臨如下問題：

3.1 高速高精度工業機器人

機器人是柔性自動化裝配系統的核心設備，常見的結構類型有水平多關節型、直角坐標型、多關節型和圓柱坐標型等。面向液晶電視行業的裝配機器人要求較高的速度和較高的重復定位精度，同時滿足這兩個方面的需求對工業機器人的設計是個巨大的挑戰。

高速高精度工業機器人系統運行速度快，要求精度高，在正向、反向以及多轉向方面必須具有較少的損耗和誤差，現有的作業軌跡針對特定領域應用往往不能保證精度，這可能需要對機器人的作業軌跡進行重新的規劃，以滿足高精度要求。

3.2 視覺快速識別及定位

與其他工業機器人相比，彩電業內的工業機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，在彩電業內，機器人工作復合程度高，流程復雜，對環境敏感，因此自適應性和環境的適應性都有待提高。

論文研究了視覺和定位算法，能夠使得工業機器人，更加自動化的自適應的處理相關的焊接、組裝、搬運等問題，并在完成工作后對電視機進行成品的檢驗，以達到控制質量的目的。這些任務的完成，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，且現有的研究在機器視覺的應用方面具有一定的難度。

3.3 機器人操作力控制

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線應用中，機器人操作應具備力控制以提高系統的穩定性。

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

3.4 智能協同控制

目前，國外在全自動化生產線的生產和應用取得了長足的進步。然而，當前的機器人生產線，無法像人一樣不斷的對工藝進行有益的改進，機器人生產線是將已有的算法燒制到處理器中，靈活性和對環境的適應性都受到了極大的限制。

面向液晶電視裝配的自動化生產線不僅要強調先進制造技術，還要重視高素質員工和靈活的人機合作方式，重視發揮員工在制造過程中的主觀能動性才能適應快速變化的制造環境。目前己有的智能人機協同研究大多僅給出了人機之間的交互框架，在該理論框架下，人與機器協同工作，完成任務，然而，現有的研究主要形式是人配合機器，且協作方式以人和機器的點對點單一協作為主，無法對人機協作進行智能化的進化，現有研究集中在了人機協作的定性方面，對定量方面的研究較為不足。

3.5 自動化生產線的成組化和標準化

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

4 智能裝配機器人產業化研究和技術

4.1 主要方法及技術路線

本論文以實驗研究法、經驗總結法為主要研究方法，在整個研究的過程中，依據用戶提出的技術要求進行總體方案規劃，并請行業、企業專家對總體方案進行論證，以技術應用與推廣為目的，及時調整、豐富研究內容，在創維電子（內蒙古）有限公司建立技術應用實驗點和成果應用示范點，將研究成果應用并進行產業化推廣，其智能裝配機器人產業化技術路線如圖1所示。

4.2 工藝流程

5 結語

通過論文的研究，獲得的成果推廣至全國消費類電子產品生產領域，可以帶動相關產業的發展，提升相關產品的質量和產業層次，解決制造業智能裝備水平低的困境，提升電視制造業的創新能力傳統裝配方式，攻克彩電制造行業由于傳統固化的流水線作業模式，快速導入自動化機器人，并結合創維電子（內蒙古）有限公司先前的生產制造模式建立一套適合當前傳統固化流水線體自動化的推進方法，進一步促進生產制造向自動化生產線的科技轉型。

參考文獻：

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[4]https：//wenku.baidu.com/view/5142ed4ff7ec4afe04a1df8f.html.

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本文內容為呼和浩特市2017年度科技計劃項目（廳市產學研協同創新科技合作項目）【項目編號：產學研-2017-14】的研究成果。