工業機器人在空調生產中的應用

張德付，吳晗，劉洋

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

工業機器人在飛機、汽車、電子產品制造領域已經實現了廣泛的應用，受技術的快速發展、勞動資源的稀缺、生產效率要求提高等因素的影響，全球工業機器人引來了高速的發展。盡管工業機器人在諸多領域中都有著廣泛的應用，但在家電制造領域中的應用程度還不高。在空調生產過程中，涉及到的零部件十分復雜，如上下料、焊接、裝配、搬運、噴涂等工序就有單件重量重、生產節拍快的特點，導致人工作業強度大、單調乏味，容易造成人工身體疲勞、產生厭倦情緒，影響產品的品質［1］。

工業機器人具有靈活性高、重復定位精度高、可連續不斷工作、可靠性高等優點，為了解決人力成本的問題，采用工業機器人代替人工進行簡單重復、高強度作業已經成為必然趨勢。

1 工業機器人控制系統

工業機器人屬于多自由度機器裝置，正常情況下工業機器人需要設定3至5個自由度，有部分復雜程度較高的機器人需要設計幾十個自由度。不同自由度都能有效組合成不同多變量控制系統，工業機器人在不同坐標中能對其手足狀態進行有效描述，對坐標進行合理變換與選擇，其中控制系統應用價值的發揮需要突出機構運動學與動力學應用價值。為了促使工業機器人在應用中能依照人的意志進行運行，要通過計算機對工業機器人進行合理控制，提升智能操作控制成效。通過非線性數學模型來具體描述工業機器人基本運行狀態與運動情況。不同模擬參數變化需要依照機器人運動路徑進行轉變，不同變量之間存在耦合作用。正常情況下，當前工業機器人能通過多種方法與路徑對其動作進行調節，使其規范化執行［2］。此外，高級別工業機器人需要建立完善的計算機信息庫，在人工智能基礎上對信息庫采取相應的控制操作。

機器人是自動執行各項操作的機器，當前工業領域中應用的工業機器人，在控制能力以及動力基礎上能夠完成不同操作，為機器人配置多自由度以及機械操作裝置。通過人為指揮能引導工業機器人進行作業，還能通過事先變成讓機器人自由作業。隨著各項技術不斷發展，工業機器人也經過了不同發展歷程，從可編程、示教再現再到具有數控和傳感功能、定位識別的工業機器人，現階段工業機器人行走能力以及各類環境適應能力在不斷增強。工業機器人主要是由主體、驅動系統、控制系統構成。在現代化工業發展中，工業機器人合理應用能加快工業生產效率，提高生產質量，代替人工進入到危險度較高的環境中進行作業。在工業機器人諸多功能中，運動控制以及示教再現較為突出，運動控制功能就是對工業機器人操作器速度等進行調控。示教再現就是控制系統通過不同措施將動作信息、動作順序、操作位置等傳遞給機器人。基于示教，工業機器人記憶系統會對示教過程進行合理記錄，在示教操作過程中，工業機器人能通過記憶存儲內容合理執行。在工業機器人機器控制應用中，各類狀態以及位置信息都在發生變化，此類變化對工作狀態都會產生直接影響。因此在工業機器人應用中要合理整合不同的動態化信息，進此類信息傳遞給主系統，促使主系統能掌握系統穩定運行狀態，結合具體情況擬定對應的發展對策［3］。機器人控制原理如圖1所示。

圖1 機器人控制原理圖

工業機器人控制系統組成部分較多，主要有示教盒、計算機、軸控制器、傳感器、連接口、輔助設備等，各類組成結構如圖1 所示。在機器人控制系統控制計算機中主要是由微處理器、微型計算機構成，控制計算機主要是起到綜合性指揮作用。示教盒通過串行通信方式和計算機保持信息交互，設有CPU 以及獨立式儲存單元，應用基本作用是對多項參數進行設定，在人機交互連接基礎上進行示教。傳感器應用中主要有觸覺傳感器、視覺與力覺傳感器，應用中基本作用是對不同信息進行檢測，能有效實現工業機器人控制。軸控制器應用價值較高，主要是工業機器人速速度以及不同操作環節進行有效控制。各類輔助設備控制主要是與工業機器人進行配合應用，是重要的輔助應用設備［4］。

2 工業機器人上下料方案設計

上下料機器人主要應用于空調外機底盤、柜內機后板和電機定子鐵芯繞線等工序。之前一直是采用人工上下料方式，以外機底盤上線為例：具體操作為員工雙手握住底盤組件兩端，將其擺放在工藝板上，裝壓縮機側朝向工藝板流動方向后端，并完成拔掉底盤上螺栓保護套操作，放入回收箱。該崗位的員工每天需要重復完成彎腰、轉身、搬運動作上千次，勞動強度較大，且長時間作業易出現員工疲勞、效率降低及工作積極性下降等不良情況。同時底盤、后板上線作為總裝生產線第一道工序，生產工藝水平落后，嚴重制約了所有生產工序的自動化發展［5］。人工上線料圖如圖2所示。

圖2 人工上下料圖

構建機器人自動上下料系統，主要由工業機器人、末端夾具、視覺系統、自動輸送線及工控機組成，是一個信息化、智能化、柔性化的系統。該系統能通過更換末端夾具可以快速適用不同型號的空調生產，展現了該系統的高度柔性化。采用視覺系統對產品進行檢測，避免了人工檢測誤差，提高了產品品質及產品一致性［6］。機器人上下料圖如圖3所示。

圖3 機器人上下料圖

本方案主要是采用工業機器人設備進行自動上下料作業，其工藝要求是將工件準確無誤的放入生產線中上料，作業完成之后再進行下料。本方案的工業機器人具有負載大，作業速度快，重復定位精度高，可以快速完成工件的上下料作業的優點；工控機能夠實現工件上下料作業信息化，視覺檢測系統可以檢測工件的外形尺寸及外表面缺陷等質量問題，再配合數據庫系統，可以隨時跟蹤產品質量問題，使得每個產品都具有可追溯性；配合使用工控軟件，管理人員可以在辦公室內隨時監測產品上下料情況以及產品質量問題，大大提高了空調生產的信息化程度。

3 工業機器人裝配方案設計

本項目中的裝配機器人主要用于空調電器盒和微晶板的自動組裝。目前電器盒和微晶板組裝采用人工的生產方式，由于生產節拍快、生產效率較低、產品質量不穩定，需要通過使用工業機器人來提高生產效率，提升自動化程度，提升產品質量，實現減員增效。

通過購買一批先進的裝配、涂膠、碼垛等機器人，由自動化設備研究院和制造部對機器人進行二次開發，構建一套機器人自動裝配系統。以微晶板自動組裝為例：采用氣缸、電缸等氣動、電動原件，由結構設計員完成機械傳動部件、從動部件的設計，由電控人員實現各位環節的循環動作、自動報錯、自動計數等控制功能，實現其機器人自動上料，再經過皮帶線輸送，由每個工位上的機器人完成打硅酮膠、熱熔膠和自動組裝。本方案的機器人擬采用ABB公司的六軸機器人。

圖4 現場裝配圖

本項目的實施，重點在于將工業機器人在空調生產中的上下料、焊接、裝配工序上應用，取代人工，解決之前存在的人員需求量大、勞動作業強度高、產品質量可靠性不高的問題，達到減少用工人數、提高生產效率、保證產品質量的目的。

4 結論

工業機器人雖然在投資回報周期方面會比較長，但是，由此帶來的生產模式的轉變會徹底改變空調的整個生產模式，大量節省人力，降低企業人工成本的投入。另外，由此帶來的物料的變更，引發上游單位無論是工藝還是設備方面的變化，以滿足自動化生產的需要，帶動整個行業向前發展和升級換代，這種間接的社會效益是無法估量的。

機器人在空調生產線的應用，為推進我國機器人的研發和創造提供了絕好的應用平臺，為沉淀機器人應用技術積累了寶貴的經驗。為在制造業全面推進應用機器人開創了新的應用視角。隨著后續機器人的廣泛成功應用，將全面帶動國內機器人生產及家電產業的飛速發展，為全面提升我國機器人的制造和應用水平奠定堅實的基礎。

隨著工業機器人生產線的驗證和推廣，節省的人力可以通過學習更高級別崗位技能知識，從事高附加值、高技能要求的技術崗位，提升員工的技能和綜合素質，讓員工具備更強的社會競爭力，推動人力資源向更高層次發展和提升，從而提升整體國民素質，以滿足從中國制造向中國創造的轉變需要。