工业机器人在空调生产中的应用

张德付，吴晗，刘洋

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

工业机器人在飞机、汽车、电子产品制造领域已经实现了广泛的应用，受技术的快速发展、劳动资源的稀缺、生产效率要求提高等因素的影响，全球工业机器人引来了高速的发展。尽管工业机器人在诸多领域中都有着广泛的应用，但在家电制造领域中的应用程度还不高。在空调生产过程中，涉及到的零部件十分复杂，如上下料、焊接、装配、搬运、喷涂等工序就有单件重量重、生产节拍快的特点，导致人工作业强度大、单调乏味，容易造成人工身体疲劳、产生厌倦情绪，影响产品的品质［1］。

工业机器人具有灵活性高、重复定位精度高、可连续不断工作、可靠性高等优点，为了解决人力成本的问题，采用工业机器人代替人工进行简单重复、高强度作业已经成为必然趋势。

1 工业机器人控制系统

工业机器人属于多自由度机器装置，正常情况下工业机器人需要设定3至5个自由度，有部分复杂程度较高的机器人需要设计几十个自由度。不同自由度都能有效组合成不同多变量控制系统，工业机器人在不同坐标中能对其手足状态进行有效描述，对坐标进行合理变换与选择，其中控制系统应用价值的发挥需要突出机构运动学与动力学应用价值。为了促使工业机器人在应用中能依照人的意志进行运行，要通过计算机对工业机器人进行合理控制，提升智能操作控制成效。通过非线性数学模型来具体描述工业机器人基本运行状态与运动情况。不同模拟参数变化需要依照机器人运动路径进行转变，不同变量之间存在耦合作用。正常情况下，当前工业机器人能通过多种方法与路径对其动作进行调节，使其规范化执行［2］。此外，高级别工业机器人需要建立完善的计算机信息库，在人工智能基础上对信息库采取相应的控制操作。

机器人是自动执行各项操作的机器，当前工业领域中应用的工业机器人，在控制能力以及动力基础上能够完成不同操作，为机器人配置多自由度以及机械操作装置。通过人为指挥能引导工业机器人进行作业，还能通过事先变成让机器人自由作业。随着各项技术不断发展，工业机器人也经过了不同发展历程，从可编程、示教再现再到具有数控和传感功能、定位识别的工业机器人，现阶段工业机器人行走能力以及各类环境适应能力在不断增强。工业机器人主要是由主体、驱动系统、控制系统构成。在现代化工业发展中，工业机器人合理应用能加快工业生产效率，提高生产质量，代替人工进入到危险度较高的环境中进行作业。在工业机器人诸多功能中，运动控制以及示教再现较为突出，运动控制功能就是对工业机器人操作器速度等进行调控。示教再现就是控制系统通过不同措施将动作信息、动作顺序、操作位置等传递给机器人。基于示教，工业机器人记忆系统会对示教过程进行合理记录，在示教操作过程中，工业机器人能通过记忆存储内容合理执行。在工业机器人机器控制应用中，各类状态以及位置信息都在发生变化，此类变化对工作状态都会产生直接影响。因此在工业机器人应用中要合理整合不同的动态化信息，进此类信息传递给主系统，促使主系统能掌握系统稳定运行状态，结合具体情况拟定对应的发展对策［3］。机器人控制原理如图1所示。

图1 机器人控制原理图

工业机器人控制系统组成部分较多，主要有示教盒、计算机、轴控制器、传感器、连接口、辅助设备等，各类组成结构如图1 所示。在机器人控制系统控制计算机中主要是由微处理器、微型计算机构成，控制计算机主要是起到综合性指挥作用。示教盒通过串行通信方式和计算机保持信息交互，设有CPU 以及独立式储存单元，应用基本作用是对多项参数进行设定，在人机交互连接基础上进行示教。传感器应用中主要有触觉传感器、视觉与力觉传感器，应用中基本作用是对不同信息进行检测，能有效实现工业机器人控制。轴控制器应用价值较高，主要是工业机器人速速度以及不同操作环节进行有效控制。各类辅助设备控制主要是与工业机器人进行配合应用，是重要的辅助应用设备［4］。

2 工业机器人上下料方案设计

上下料机器人主要应用于空调外机底盘、柜内机后板和电机定子铁芯绕线等工序。之前一直是采用人工上下料方式，以外机底盘上线为例：具体操作为员工双手握住底盘组件两端，将其摆放在工艺板上，装压缩机侧朝向工艺板流动方向后端，并完成拔掉底盘上螺栓保护套操作，放入回收箱。该岗位的员工每天需要重复完成弯腰、转身、搬运动作上千次，劳动强度较大，且长时间作业易出现员工疲劳、效率降低及工作积极性下降等不良情况。同时底盘、后板上线作为总装生产线第一道工序，生产工艺水平落后，严重制约了所有生产工序的自动化发展［5］。人工上线料图如图2所示。

图2 人工上下料图

构建机器人自动上下料系统，主要由工业机器人、末端夹具、视觉系统、自动输送线及工控机组成，是一个信息化、智能化、柔性化的系统。该系统能通过更换末端夹具可以快速适用不同型号的空调生产，展现了该系统的高度柔性化。采用视觉系统对产品进行检测，避免了人工检测误差，提高了产品品质及产品一致性［6］。机器人上下料图如图3所示。

图3 机器人上下料图

本方案主要是采用工业机器人设备进行自动上下料作业，其工艺要求是将工件准确无误的放入生产线中上料，作业完成之后再进行下料。本方案的工业机器人具有负载大，作业速度快，重复定位精度高，可以快速完成工件的上下料作业的优点；工控机能够实现工件上下料作业信息化，视觉检测系统可以检测工件的外形尺寸及外表面缺陷等质量问题，再配合数据库系统，可以随时跟踪产品质量问题，使得每个产品都具有可追溯性；配合使用工控软件，管理人员可以在办公室内随时监测产品上下料情况以及产品质量问题，大大提高了空调生产的信息化程度。

3 工业机器人装配方案设计

本项目中的装配机器人主要用于空调电器盒和微晶板的自动组装。目前电器盒和微晶板组装采用人工的生产方式，由于生产节拍快、生产效率较低、产品质量不稳定，需要通过使用工业机器人来提高生产效率，提升自动化程度，提升产品质量，实现减员增效。

通过购买一批先进的装配、涂胶、码垛等机器人，由自动化设备研究院和制造部对机器人进行二次开发，构建一套机器人自动装配系统。以微晶板自动组装为例：采用气缸、电缸等气动、电动原件，由结构设计员完成机械传动部件、从动部件的设计，由电控人员实现各位环节的循环动作、自动报错、自动计数等控制功能，实现其机器人自动上料，再经过皮带线输送，由每个工位上的机器人完成打硅酮胶、热熔胶和自动组装。本方案的机器人拟采用ABB公司的六轴机器人。

图4 现场装配图

本项目的实施，重点在于将工业机器人在空调生产中的上下料、焊接、装配工序上应用，取代人工，解决之前存在的人员需求量大、劳动作业强度高、产品质量可靠性不高的问题，达到减少用工人数、提高生产效率、保证产品质量的目的。

4 结论

工业机器人虽然在投资回报周期方面会比较长，但是，由此带来的生产模式的转变会彻底改变空调的整个生产模式，大量节省人力，降低企业人工成本的投入。另外，由此带来的物料的变更，引发上游单位无论是工艺还是设备方面的变化，以满足自动化生产的需要，带动整个行业向前发展和升级换代，这种间接的社会效益是无法估量的。

机器人在空调生产线的应用，为推进我国机器人的研发和创造提供了绝好的应用平台，为沉淀机器人应用技术积累了宝贵的经验。为在制造业全面推进应用机器人开创了新的应用视角。随着后续机器人的广泛成功应用，将全面带动国内机器人生产及家电产业的飞速发展，为全面提升我国机器人的制造和应用水平奠定坚实的基础。

随着工业机器人生产线的验证和推广，节省的人力可以通过学习更高级别岗位技能知识，从事高附加值、高技能要求的技术岗位，提升员工的技能和综合素质，让员工具备更强的社会竞争力，推动人力资源向更高层次发展和提升，从而提升整体国民素质，以满足从中国制造向中国创造的转变需要。