手机外壳机器人打磨开发与应用

汤爱军，诸进才

（1.富士康科技集团，广东深圳 518110；2.广州铁路职业技术学院，广东广州 510430）

0 引言

打磨常作为产品最后表面处理工序之一，它关系到产品的最终外观和品质，是重要工序。打磨的良率和稳定性，也直接影响产品制造成本[1]。目前业界手机外壳打磨，多采用人工打磨，存在效率不高和良率低等问题。随着我国人口红利逐渐消失，人工成本不断上升，工人难招募，打磨自动化，是手机外壳制造企业急需解决的问题，也是企业自动化升级改造的迫切需求。

1 当前手机外壳打磨存在的问题

手机外壳采用人工打磨，对工人的打磨技术经验要求高。而手机通常是大批量生产，人工打磨自动化程度低，工人投入数量大。同时打磨存在粉尘、噪音和振动等，生产环境恶劣，劳动强度高，因此生产效率低，并易造成工人职业病，人员流失率高。更重要的是，由于人工打磨难以保证作业手法一致，所以产品品质一致性难以保证[2]。

对于批量打磨的产品，有些企业开发使用了专用打磨设备进行打磨作业，例如多轴打磨机床[3]。专用打磨设备生产效率较高，但成本投入也较大，产品开发及成本回收周期长，并且由于产品适应性较差，只适合特定产品大批量的打磨作业。当前手机产品更新换代快，且多是少量多样的柔性生产，所以专用打磨设备难以胜任。

2 机器人打磨的开发与应用

2.1 机器人自动打磨特点优势

机器人自动打磨，具有如下几个特点优势：（1）机器人具有“走轨迹+上下料”功能，可实现打磨全自动化，进一步减少作业人员；（2）提高产能，提升效率，降低成本；（3）产品品质一致性好，良率提升；（4）属于弹性自动化设备，柔性好，产品变化，设备可重复利用；（5）节省员工招募、培训、薪资、管理等成本。

2.2 机器人打磨系统开发流程

随着工业机器人的广泛应用，项目组通过不断摸索尝试，验证开发，成功开发了利用机器人这种自动化柔性设备代替人工，实现机器人自动打磨的生产系统。经过多款手机外壳机器人自动打磨项目开发，不断总结技术开发经验，制定了机器人打磨应用开发标准化流程，如图1所示。

图1 机器人打磨应用开发标准化流程

现场评估，即到现场详细了解制程及自动化需求信息，并初步评估自动化可行性。从“人、机、料、法、环”等多方面，详细了解产品材料、形状结构、前后制程、打磨部位、品质要求、所用打磨工具、耗材及手工作业工艺参数，CT（cycle time生产周期）等，以及客户对自动化开发详细需求、开发进程时间点等。

方案设计及优化，包括优选符合负载、工作范围及精度的机器人等，设计自动打磨整体方案，包括与机器人搭配的打磨设备、工具和耗材等，自动上下料，整线甚至整厂物流，安全防护等。并邀请生产单位检讨，修改完善方案，直到对方案达成共识。

上述机器人与打磨工具的搭配方式优选是重要评估项目。机器人自动打磨应用中，常用的搭配方式有两种，一是机器人夹持被加工工件贴近加工工具耗材，如砂带、抛光轮等，进行打磨抛光加工，另一种方法是机器人夹持打磨抛光加工工具贴近工件进行加工[4-5]。两种方式的优选依据是考虑产品尺寸大小重量，所用工具的大小重量，机器人负载，运动范围，以及产品打磨抛光部位，打磨轨迹，还有是否适合自动上下料，自动更换耗材等进行综合评估。对于小尺寸轻量产品，常采用机器人夹持产品，打磨调试比较灵活方便。而对于大尺寸重量大的产品，受限于机器人的工作范围和负载，通常采用机器人夹持工具的方式。

接下来是验证单元的制作及打磨DOE（Design Of Ex⁃periments实验设计）实验验证。机器人打磨抛光类项目开发，与机器人最大应用搬运类应用开发，最大的区别就在于多了此环节，也是最关键的环节。因为机器人搬运类项目，只要选定的机器人负载、工作范围及精度能达到项目应用需求，项目功能性达成就基本没什么问题，但打磨抛光类项目开发的核心是打磨品质良率能否达成客户要求，而品质良率的影响因素又有很多，如产品材料、来料品质、打磨轨迹、速度、压力、时间、工具、耗材、品质检验标准等等[6]。

通过一系列的打磨单因素和正交DOE实验[7]，不断总结出各因素的影响规律，找出关键因素，得出品质和良率最优的关键因素水平组合，并优化打磨CT，达成客户产能需求，最后进行标准化。

在打磨验证单元完成品质和良率验证确认后即进行打磨自动线的设计开发，并发包制作。物料到付后，线体组装调试，出货生产现场安装调试，生产验证。待生产验证通过后，即可交付生产使用。

最后是批量应用推广，包括自动化线体的复制，还有同类产品生产自动化的应用推广，实现开发效益最大化。

3 一款手机外壳机器人打磨的开发与应用

3.1 打磨自动化需求

图2所示为一款某品牌手机外壳，其材质为不锈钢冲压件，由于内表面有激光焊接弹片，所以会在外表面形成一些焊点凸包。打磨要求是用砂带打磨去除焊点，同时还要保证面形轮廓精度不变，为后制程抛光做准备。

图2 某款手机外壳

自动化导入前，由于人工手持产品在砂带机上进行打磨，存在工人劳动强度大、手工作业手法不规范统一、产品品质一致性差、品质不稳定、工作效率低（CT=65 s）、产品良率低（平均仅85%）等缺陷。

3.2 机器人打磨自动化系统设计

在充分了解产品制程信息后，开发团队进行分析研讨，不断优化方案，并设计发包了机器人简易验证单元，结合手工作业经验，进行了大量的DOE实验验证，总结出了适用于机器人自动化打磨的因素和水平。

设计开发了如图3所示的机器人打磨单元，其由一台六轴机器人，产品装夹治具，砂带机，打蜡装置，上下料架，安装机架和安全防护网等组成。用物流线串联12个打磨单元，组成一条机器人打磨自动线，如图4所示。

3.3 打磨轨迹优化

打磨动作轨迹优化，主要通过模仿人打磨动作，结合机器人及砂带机的实际情况进行边试验边优化，目标是保证打磨部位适当，宽度约为超过焊点区域1 mm，焊点有效去除，而又不会产生深线纹和棱边。

根据Preston方程可知，每一加工点的材料去除率与打磨压力及相对速度成正比，这就要求打磨轨迹要光顺均匀，打磨压力和速度保持一致。因此，理想的动作轨迹为，如图5所示，产品打磨面轮廓上的点连续等速V通过理想打磨接触点O，同时在Y方向左右摆动，如图6所示，这可有效防止深线纹的产生。

图3 机器人打磨单元

图4 机器人打磨自动线

图5 打磨轨迹示意图

图6 打磨摆动动作示意

3.4 应用推广效益

该产品机器人打磨自动线已顺利开发并导入生产应用。改善前人工打磨线如图7所示，改善后机器人打磨自动线如图8所示。打磨自动线，相比人工线，白晚班节省20人，效率提升49.2%（CT由65 s降至33 s），经济效益显着。

图7 人工打磨线

图8 机器人自动打磨线

4 结语

通过手机外壳打磨实际生产自动化项目开发，总结提出机器人打磨应用开发流程。经实践论证，行之有效，并已经标准化该流程。该流程能指导同类机器人打磨抛光类自动化项目开发顺利开展，对机器人的其他应用开发也具有借鉴意义。随着更多打磨抛光类项目应用开发，今后该流程将继续不断优化完善。