工業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

工業機器人是高端智能裝備和高新技術的突出代表，對制造業的發展至關重要，是衡量一個國家制造業水平和核心競爭力的重要標志。目前，世界上主要發達國家均將機器人作為重點發展領域，以期增強本國在國際制造業中的競爭力。近年來，工業機器人的應用正向電子信息領域快速延伸。新型顯示、光伏新能源產業面臨著智能制造轉型升級，工業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，完成工業機器人創新應用及系統集成，實現裝備智能化升級等方面，工業機器人技術是強有力的助推器。

1 工業機器人應用典型案例

1.1 LED背光模組組裝面臨的生產問題

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

國內大部分LED背光模組制造企業處于勞動密集型狀態，背光模組的組裝流程處于人工或者半自動生產狀態，產品質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，導致產品質量穩定性差、良品率低，隨著人力成本的提高，也使生產成本大幅度增加。傳統的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，對生產車間也提出廠房面積要求，間接提高生產成本；三是LED背光模組型號繁多，采用X-Y模組，很難兼容過多產品型號，難以根據產品變化進行升級改造，只能重新設計專用生產設備。因此，自動化、柔性化、智能化LED背光模組組裝生產線，成為大部分企業的迫切需求，工業機器人成為解決問題的關鍵要素。

1.2 SCARA工業機器人在背光模組組裝設備中的應用

采用8個SCARA工業機器人取代X-Y模組，高效協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，最后經過壓合工序、下料工序把產品放在流水線上完成一個制程循環[2]。下頁圖2為LED背光模組工業機器人高效協同制造系統。

圖2 LED背光模組工業機器人高效協同制造系統

運用SCARA工業機器人高效協同制造系統，較傳統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%；二是設備協同工作效率更高，生產效率提高10%；三是設備穩定性提高，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機器人應用關鍵技術

工業機器人技術日趨成熟，已經在汽車、電子、半導體等行業得到了廣泛應用。整體來看，工業機器人技術具有以下幾個發展趨勢：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、可重構化發展，適用場景更加多元化；三是控制系統更加開放，向網絡化、集成化、柔性化發展，系統可靠性、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，更加適應數字化車間應用場景。這些發展趨勢也加速了工業機器人在電子專用設備領域的應用推廣。

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

2.1 工業機器人工位及路徑的規劃

機器人的路徑規劃，就是依據某個或某些優化準則，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到目標狀態的能避開障礙物的最優路徑。工業機器人工位及路徑規劃技術是發揮機器人效率與精度優勢的關鍵技術，是實際生產過程中首要面對的關鍵問題[3]。

2.2 多機器人協調控制系統

在新型顯示、光伏智能制造工業環境中，由于加工工藝及生產效率需求，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、節拍等信息不能共享，導致容易出現碰撞、動作緩慢、效率低下等現象，無法有效配合工作。針對此情況，研究開發多機器人協調控制系統，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，實現多臺機器人高效協同工作至關重要。

2.3 基于視覺引導的工業機器人搬送技術

傳統的工業機器人通過預先設定指令動作，在結構化指令環境中完成固定化工作，缺乏對產品和環境的適應性，這極大地限制了機器人的應用。隨著機器視覺技術的發展，將視覺引導技術應用于機器人的高精度搬送作業中，使得工業視覺機器人在高速高精度搬送作業中具有人工勞動力不可比擬的優勢[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域的限制，以及當設備操作人員進入該區域的應急處理及控制，是保證人員、設備等生產安全的關鍵技術。

2.5 工業機器人與電子專用設備的優化集成

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

3 結語

柔性化、集成化、智能化是電子專用設備未來發展的趨勢，擁有廣闊的技術和龐大的市場發展空間，工業機器人是智能制造的關鍵要素，能夠為生產企業降低人力成本、提高生產效率、提高產品質量，因此工業機器人相關技術的研究應用具有至關重要的經濟效益和社會效益。