工业机器人在电子专用设备领域的应用探讨

2021-07-28郭晋竹

机械管理开发 2021年6期

郭晋竹，孙清

（1.中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024；2.北方自动控制技术研究所，山西太原 030006）

引言

工业机器人是高端智能装备和高新技术的突出代表，对制造业的发展至关重要，是衡量一个国家制造业水平和核心竞争力的重要标志。目前，世界上主要发达国家均将机器人作为重点发展领域，以期增强本国在国际制造业中的竞争力。近年来，工业机器人的应用正向电子信息领域快速延伸。新型显示、光伏新能源产业面临着智能制造转型升级，工业机器人成为新型显示及光伏新能源电子专用设备智能化升级的关键，尤其在切割、压焊、上下料、涂胶、背光、贴附等电子专用设备，完成工业机器人创新应用及系统集成，实现装备智能化升级等方面，工业机器人技术是强有力的助推器。

1 工业机器人应用典型案例

1.1 LED背光模组组装面临的生产问题

LED背光模组是LCD显示屏手机关键部件，主要由胶架、导光板、LED灯条、反射片、PET、扩散膜、增光膜、遮光膜等组成。如图1所示，在LED背光模组的生产过程中，需要将扩散1、增光1、增光2、扩散2、遮光等5层不同功能的薄膜按顺序准确叠合到由胶架、导光板、LED灯条、反射片、PET组成的半成品上[1]。

图1 LED背光模组示意图

国内大部分LED背光模组制造企业处于劳动密集型状态，背光模组的组装流程处于人工或者半自动生产状态，产品质量很大程度上依赖操作工人的熟练程度，而且工人的流动性较大，导致产品质量稳定性差、良品率低，随着人力成本的提高，也使生产成本大幅度增加。传统的LED背光模组专用设备组装机构基本采用X-Y丝杠模组搭建，主要存在几个问题：一是机械结构复杂，导致不同结构的故障率叠加，设备整体嫁动率低；二是X-Y模组只能执行一个方向的直线式往复运动，柔性化程度低，设备空间设计受到制约，导致设备整体占用空间较大，对生产车间也提出厂房面积要求，间接提高生产成本；三是LED背光模组型号繁多，采用X-Y模组，很难兼容过多产品型号，难以根据产品变化进行升级改造，只能重新设计专用生产设备。因此，自动化、柔性化、智能化LED背光模组组装生产线，成为大部分企业的迫切需求，工业机器人成为解决问题的关键要素。

1.2 SCARA工业机器人在背光模组组装设备中的应用

采用8个SCARA工业机器人取代X-Y模组，高效协同完成八工位转盘式组装流程。八工位转盘顺时针自动旋转，通过不同工位的机器人依次完成BLU自动上料、半成品图像采集、扩散膜1叠合、增光膜1叠合、增光膜2叠合、遮光膜叠合、遮光膜压合/下料夹取工序。压合好的背光单元通过下料皮带被送出。SCARA工业机器人将膜片吸附后移动到CCD上，对膜片进行两次图像采集、四个角精确定位后进行叠合；依次完成扩散膜、增光膜1、增光膜2和遮光膜叠合工序，最后经过压合工序、下料工序把产品放在流水线上完成一个制程循环[2]。下页图2为LED背光模组工业机器人高效协同制造系统。

图2 LED背光模组工业机器人高效协同制造系统

运用SCARA工业机器人高效协同制造系统，较传统X-Y模组式设备，各项指标得到提升：一是设备机械运动结构简化紧凑，减少了16个模组使用量，设备空间缩小20%；二是设备协同工作效率更高，生产效率提高10%；三是设备稳定性提高，良品率提高10%，人力成本和来料成本降低。

2 电子专用设备领域工业机器人应用关键技术

工业机器人技术日趋成熟，已经在汽车、电子、半导体等行业得到了广泛应用。整体来看，工业机器人技术具有以下几个发展趋势：一是性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、易操作、易维修），单机价格不断下降；二是机械结构向模块化、可重构化发展，适用场景更加多元化；三是控制系统更加开放，向网络化、集成化、柔性化发展，系统可靠性、易操作性和可维修性得到大幅提高；四是位置、速度、视觉、力觉等新型传感器的应用与多传感器融合，自感知、自适应、自调整等智能化能力提升；五是远程操作及人机交互控制功能更加丰富，更加适应数字化车间应用场景。这些发展趋势也加速了工业机器人在电子专用设备领域的应用推广。

工业机器人技术在电子专用设备领域的应用，只有紧密结合行业特点、工艺技术要求、生产成本控制等，深入了解客户的实际需求，对关键技术进行研究及探索，才能充分发挥工业机器人的技术与成本优势。工业机器人应用的关键技术主要包括以下几个方面：

2.1 工业机器人工位及路径的规划

机器人的路径规划，就是依据某个或某些优化准则，如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等，在其工作空间中找到一条从起始状态到目标状态的能避开障碍物的最优路径。工业机器人工位及路径规划技术是发挥机器人效率与精度优势的关键技术，是实际生产过程中首要面对的关键问题[3]。

2.2 多机器人协调控制系统

在新型显示、光伏智能制造工业环境中，由于加工工艺及生产效率需求，很多设备需要多个机器人配合完成特定工作，传统的各机器人单独控制方法，机器人之间不能相互通信，各自位置、姿势、节拍等信息不能共享，导致容易出现碰撞、动作缓慢、效率低下等现象，无法有效配合工作。针对此情况，研究开发多机器人协调控制系统，将对机器人的控制放在一个平台中，使多个机器人同时快速运动，实现多台机器人高效协同工作至关重要。

2.3 基于视觉引导的工业机器人搬送技术

传统的工业机器人通过预先设定指令动作，在结构化指令环境中完成固定化工作，缺乏对产品和环境的适应性，这极大地限制了机器人的应用。随着机器视觉技术的发展，将视觉引导技术应用于机器人的高精度搬送作业中，使得工业视觉机器人在高速高精度搬送作业中具有人工劳动力不可比拟的优势[4]。

2.4 机器人故障诊断及安全维护

通过采集各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术，同时对机器人工作区域的限制，以及当设备操作人员进入该区域的应急处理及控制，是保证人员、设备等生产安全的关键技术。

2.5 工业机器人与电子专用设备的优化集成

新型显示、光伏新能源电子专用设备，具有对生产精度、生产效率、洁净等级要求高等特点，传统的生产设备采用的上下料、搬送、组装等软硬件系统存在结构繁琐、控制复杂、设计调试维护周期长等缺点，工业机器人为电子专用设备的开发提供了全新的选择，做好工业机器人与电子专用设备的优化集成，最大限度发挥工业机器人的优势。