發布日期：2022-10-09 點擊率：51
長期以來，大型制造商一直在使用專用工業機器人來提高生產線的效率和吞吐量，從而取得中小型企業無法匹敵的成本優勢。但是，如今的工業機器人已不再只限于大規模生產。現在，各種規模的企業均可使用小型通用機器人與人類并肩作業來提高生產率，工作空間最小只需 2 平方英尺。
本文將探討阻礙中小型企業大規模部署協作機器人的因素，以及情形發生改變的原因。此外，本文還以 KUKA Robotics Corp. 的機械臂式機器人為例，說明如何將其分別應用于大型和小型設施。
在歷史上，有若干因素促使工業機器人技術應用局限于大型企業。其中一個主要因素是難以產生投資回報率 (ROI)。早期的工業機器人需要大量設計工作，并根據特定任務進行定制，因此操作范圍相對狹窄。然而，由于成本高昂且缺乏靈活性，意味著即使機器人比人手擁有更高的效率和吞吐量，但只有應用于大批量生產線時才能證明其合理性。中小型設施卻鮮少能夠滿足這一條件。
為了實現利益最大化，大型企業的工業機器人往往體積龐大，移動速度快，而且在處理的物料和速度方面，遠遠超出人類的能力（圖 1）。機器人的沖力相當大，若在行進過程中沖撞工作人員，則足以造成傷亡。為了確保工作人員安全，必須設置帶聯鎖裝置的防護柵或其他護欄隔離大型工業機器人，確保人員進入工作區時機器人能停止作業。
圖 1：傳統工業機器人往往體積龐大，移動速度快，因而必須設置防護柵以確保工作人員安全。（圖片來源：KUKA Robotics Corp.）
像 KUKA Robotics AGILUS KR 3 R540 這樣的緊湊型機械臂的推出，為工業設施管理者提供了更多選擇（圖 2）。這些設備提供了現成的通用平臺，以相對適中的成本顯著提高了操作靈活性。若配合以合適的末端執行器配件（例如安裝于機械臂末端的抓具或工具），可大幅擴展通用平臺的應用范圍，使機器人系統獲得合適的 ROI。此外，這些機械臂完成初始應用任務后，可以隨時對其進行編程以執行不同動作；也可更換末端執行器機構改用于其他應用，從而擴大了投資回報潛力。
圖 2：像 KUKA Robotics 的 AGILUS KR 3 R540 這樣的機械臂能讓工業機器人給中小型企業帶來 ROI。（圖片來源：KUKA Robotics Corp.）
這些緊湊型工業機械臂的另一項關鍵特性是，能夠安裝在受限的工作空間，并與現有生產設備整合在一起。不同于大型制造廠更大的同類產品，緊湊型機械臂可與操作人員協同作業，而非取代他們。此類緊湊型協作機器人 (cobot) 專為與人類近距離協作而設計，無需設置防護柵或其他護欄以防機器人行進過程中沖撞人員。相較于傳統工業機器人，緊湊型機械臂體積較小，移動速度較慢，因而可通過接觸停止緊湊型機械臂動作，最大限度地降低了人員受傷的可能性。此外，機械臂通常內置接近傳感器，有助于完全避免碰撞。
越來越多的供應商將目標轉向中小型企業，開始生產緊湊型工業機械臂。KUKA Robotics 的 AGILUS 系列就是其中的典型代表，該系列具有三個版本，上文提及的 AGILUS KR 3 R540 是體積最小的型號。只需 2 平方英尺的工作空間，承重能力達 3 kg，適用于眾多裝配和物料搬運應用。AGILUS KR 6 R900-2 承重能力達 6 kg，AGILUS KR 10 R1100-2 則高達 10 kg。除此之外，這三個版本的整體外形和可執行動作完全相同，均以套件形式提供，配有控制器單元和手持操作裝置，用于機器人活動的控制、監控和編程。
從 AGILUS 設備的機械設計，我們就可以對機械臂的靈活有一個整體認識（圖 3）。
圖 3：緊湊型工業機械臂的六個運動軸可實現靈活地安裝和抓取動作。（圖片來源：KUKA Robotics Corp.）
與許多機械臂一樣，AGILUS 設備具有六個運動軸：旋轉底座 (A1)、基臂 (A2)、連接臂 (A3)、可以旋轉 (A4) 和彎曲 (A5) 的直腕以及用于安裝末端執行器裝置的旋轉安裝法蘭 (A6)。A2 至 A5 軸的組合動作用于將手腕中心定位于任何垂直操作位，如圖 4(a) 所示；旋轉底座使機械臂可在此垂直高度旋轉近乎一周（圖 4(b)）。如圖所示，末端執行器配件的重心在此位置上有所偏移。根據需要可將機械臂安裝于地面、臺面、手推車、墻面或天花板，均不會影響操作。
圖 4：機械臂幾乎可將手腕中心定位于垂直區域 (a) 內任意高度上的任意水平位置 (b)。（圖片來源：KUKA Robotics Corp.，經 Digi-Key Electronics 修改）
通過上述所有運動軸來控制機器人的運動曾需要復雜的編程技能，但是現已有所簡化。機械臂通常配有控制器計算機和用戶界面平板電腦，使用戶只需借助方向按鈕就能將機器人移動至所需的“路徑點”。記錄一系列的路徑點即可定義機器人自動運行的完整動作序列。此外，某些機器人系統還允許用戶將機械臂手動定位至所需的路徑點，而不使用方向按鈕。
這兩種方法都可以“教會”機器人，如執行什么樣的動作，然后根據命令重復執行這些動作。用戶可通過教授而非編程實現，不僅簡化了機器人任務的初始設置，而且可根據后續需求輕松調整動作。控制平板電腦還允許用戶在生產活動過程中根據需要精調和校正動作。
這些類型的機械臂通過簡單的控制編程，為工業自動化解決方案提供了現成的基礎，可充當定位機械臂，安裝適當的末端執行器機構即可執行相應任務。末端執行器機構種類繁多，包括用于拾取、定位和放置操作的普通抓具、螺絲刀和鉆頭等機械工具，以及烙鐵和噴漆槍等復雜系統。完整解決方案所需的末端執行器和系統集成將取決于目標應用。
機械臂供應商以及第三方系統集成商均針對許多常見操作設計提供了相應的末端執行器機構。例如，對于拾取和操控物體，眾多不同供應商既提供具有兩或三根手指的帶爪抓具，也供應磁力或真空拾取機構。此外，也有用于制造和裝配應用的鉆頭、螺絲刀、磨具和刀頭。
機械臂供應商甚至還推出了完整的應用解決方案，可作為現成解決方案使用。例如，KUKA Robotics 提供了一系列“即用型”系統，可用于鉚接、噴漆、電弧焊或點焊以及微螺釘緊固等應用（圖 5）。這些系統作為預配置自動化套件，包括末端執行器系統元件、控制器元件、系統軟件和機械臂。
例如，基于 AGILUS KR 10 的噴涂套件就是與機械和設備工程公司 Du?rr Group 合作開發的。該套件包括霧化器、泵和換色器，可選擇用于高/低壓、單或雙組分、水性或溶劑型涂料應用。Du?rr EcoAUC 控制單元用于控制噴涂過程，KUKA KR C4 控制器則負責控制機械臂動作。
圖 5：Du?rr Group 和 KUKA Robotics 合作推出的噴涂系統等緊湊型工業機器人，現可作為常用應用的現成完整系統解決方案。（圖片來源：Du?rr AG）
不過，將緊湊型機器人技術應用于具體操作時，用戶并不受限于預配置的系統。機械臂的安裝和動作靈活，易于編程，可與各種末端執行器連接法蘭配合使用，因此適用于眾多定制應用。關鍵在于識別現有生產工藝中存在哪些重復性任務可由機器人協助或替代操作人員。
例如，Siemens 在電機定子組件生產中使用了小型機械臂。定子由沖孔磁鋼板制成，并且鋁制軸承板必須加工至公差范圍內。機械臂承擔了以下重復性任務：將工件由運輸工具上取出、將其放置在自動車床上加工、取出工件成品、進行拋丸清理，以及送入測量站以檢查公差。
機器人控制器與其他設備配合工作，掃描工件條形碼進行跟蹤，并將已測量的工件放至運輸工具上，運輸到下一個處理站，或運至暫存站以便操作人員視需要進行調整或更換。鑒于機械臂的安全功能，人類與機器人可以在同一工作空間中進行操作，而無需設置防護柵或其他護欄以致妨礙工作流程。
此外，對重復精度有一定要求的任務也適合由機器人處理，即使是小批量生產。例如，ALNEA 在 SMT 生產線上添置了機械臂來處理選擇性焊接。批量波峰焊或回流焊時高溫可能損壞元器件，因此需要進行選擇性焊接。人工焊接 SMT 器件時，要求焊工著力均勻、把準時機，以免造成連錫和熱損壞。
在 ALNEA 的應用中，機械臂可確保著力均勻，而末端執行器烙鐵的控制系統確保焊接操作的溫度和時間均在設定參數范圍內（圖 6）。生產第一批次時，操作人員可以設置焊接參數，并按照動作序列訓練機械臂。在接下來的生產過程中，操作人員可協助印刷電路板和元器件的定位，以便機器人進行焊接。借助機器人進行選擇性焊接，該公司的生產時間縮短了 50%。
圖 6：機械臂可確保著力均勻和定位精準，以滿足印刷電路板生產過程中選擇性焊接等應用的需求。（圖片來源：KUKA Robotics Corp.）
若能實現任務自動化，即使不是完整操作，亦可證明其經濟效益。例如，BMW Group 將機械臂整合至汽車加固側梁的現有生產流程中，如此便讓操作人員從要求精度的重復性任務中解放出來，因為他們往往難以維持整個班次都精準定位。該任務是將車架置于自動焊接站之前，在車架上各點處放置若干金屬加強件。這項定位任務原本很簡單，但是隨著重復作業的時間越長，壓力累積導致錯誤增加、吞吐量降低。
BMW 添置的機械臂專門負責金屬板的正確定位，而操作人員只需清點正確的金屬板數量，即可交由機器人處理。因此，無需對工作流程另作更改。不過，因為機器人替代操作人員承擔了精準定位的任務，減少了疲勞引起的錯誤，從而確保了整個班次的持續生產吞吐率。機器人的安全功能使其可以與操作人員并肩作業，而無需對工作空間進行整改。
鑒于成本、復雜性和安全性等關鍵因素，傳統工業機器人往往只運用于大型工業設施。然而，就經濟上而言，越來越多的重復性任務可借助緊湊型工業機器人執行，從簡單的定位到復雜形狀的噴涂，不一而足。
憑借其空間要求適度、編程簡單、成本降低，并且能夠輕松安全地集成至以人工作業為主體的現有工作流程中，而無需設置物理護欄，這些機器人可順利擴充勞動力而不會造成重大影響。如今，工業自動化不再為能夠大批量生產、資金雄厚的大型企業所專屬：機械臂亦可服務于小型企業。
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