消费类电子产品生产线智能装配自动机器人的分析与研究

李慧 刘占伟 孟永茂

摘 要：目前创维电子（内蒙古）有限公司液晶电视生产线上在进行电视机后盖及其它零部件的组装上均由人工组装，各零件之间用螺钉紧固连接，所以在电视机的整机生产线上，很多工人手拿电动螺丝刀来进行装配。在人工成本急剧上升的当下，迫切需要一种自动化的电视机螺钉装配设备来代替人工，以降低生产成本。论文研究了一种电视机自动化组装系统及其自动化螺钉装配设备，旨在通过自动化设备代替人工来降低生产成本，提高生产效率及产品质量。

关键词：消费类电子产品；生产线；智能装配机器人；产业化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.141

1 研究背景

我国是全世界重要的消费类电子产品和其他电子产品的生产制造基地，更是“世界工厂”。由于劳动成本的显著上升，大部分劳动密集型生产制造企业的利润正在被劳动成本的上涨淹没，目前已到了企业所能接受的“临界点”；与此同时，招工难，尤其是高技能的技术工人招工更难的现象，已持续了多年之久。劳动密集型生产制造企业改变现状的途径，自动化升级改造不仅能节约了大量的人力资源，还能提高生产效率和产品质量，并最终实现生产制造模式的科技转型。例如：基于液晶电视自动化测试生产线是在生产过程中原料从开始经过输送、组装、测试等重要环节均无人工参与，实现智能生产线的真正自动化。

当前乃至今后一段相当长的时期内，强劲的市场需求将造就了自动化行业的黄金时代。液晶电视装配机器人在自动化工业领域具有重要的研究的意义和广阔的应用前景。

本论文研究以创维电子（内蒙古）有限公司液晶电视整机装配设备为基础，研究过程将在创维电子（内蒙古）有限公司液晶电视生产线上进行，研究成果将在创维电子（内蒙古）有限公司建立示范点，所以有关本论文研究都将以创维液晶电视生产线、创维液晶电视机整机为研究对象，推广应用到所有工业智能装备领域。该研究项目契合创维集团的“机器人战略”和“信息化战略”，结合研发与生产制造传统工艺要求，首先在操作劳动强度及用工量较多工位完成液晶电视机装配生产线的机器人自动化升级技术改造，从而减轻员工作业强度和增加作业效率，逐步实现劳动密集型产业向自动化控制转型。本项目结合自动化设备及传统工艺，进而实现产品的柔性生产，实现整个液晶电视装配生产线进行全方位高度集成的自动化和智能化。

2 国内外相关技术现状

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备，已发展成为柔性制造系统（FMS）自动化工厂（FA）计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。

工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。

在国内，在降低制造成本，解决用工严重不足等口号的呼喊下，近年来机器人产业在全世界范围内兴起。中国作为世界工厂，面临的形势更是尤为的严重。有数据显示中国每年工业机器人的装机量约占全球的1/8，仅次于日本、韩国，预计2015年中国的装机量会超过这两个国家，成为世界上使用工业机器人最多的国家。自2009年以来，中国机器人市场持续快速增长，工业机器人年均增长速度超过40%。

近十年以来，在“十五”、“十一五”攻关计划和863计划等科技计划的支持下，我国有组织、有计划地发展工业机器人产业，通过研制、生产、应用等多个层面的不断探索，在技术攻关和设计水平上有了长足的进步。总的来看，已经掌握了工业机器人的设计、制造、应用过程中的多项关键技术，能够生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一些相关科研机构和企业已掌握了机器人软件的设计和编程技术、运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制造技术等，某些关键技術已达到或接近了国际先进水平[1-9]。

3 主要的研究问题

当前，消费类电子产品生产线智能装配机器人产业化研究主要面临如下问题：

3.1 高速高精度工业机器人

机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，常见的结构类型有水平多关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等。面向液晶电视行业的装配机器人要求较高的速度和较高的重复定位精度，同时满足这两个方面的需求对工业机器人的设计是个巨大的挑战。

高速高精度工业机器人系统运行速度快，要求精度高，在正向、反向以及多转向方面必须具有较少的损耗和误差，现有的作业轨迹针对特定领域应用往往不能保证精度，这可能需要对机器人的作业轨迹进行重新的规划，以满足高精度要求。

3.2 视觉快速识别及定位

与其他工业机器人相比，彩电业内的工业机器人需要在视觉处理方面有更高的精度和敏感性。这是因为，在彩电业内，机器人工作复合程度高，流程复杂，对环境敏感，因此自适应性和环境的适应性都有待提高。

论文研究了视觉和定位算法，能够使得工业机器人，更加自动化的自适应的处理相关的焊接、组装、搬运等问题，并在完成工作后对电视机进行成品的检验，以达到控制质量的目的。这些任务的完成，要依靠硬件和软件能力的提升，然而这些硬件和软件具有高昂的价格，且现有的研究在机器视觉的应用方面具有一定的难度。

3.3 机器人操作力控制

虽然视觉识别和定位具有极高的精度、装配机器人通常都具有极高的定位精度和一定的操作柔顺性，但是在面向液晶电视的快速精密自动化装配生产线应用中，机器人操作应具备力控制以提高系统的稳定性。

装配机器人属于接触式作业，单纯的位置控制已不能胜任，例如机器人位置末端的微小偏差会带来较强的末端作用力，这对机器人末端造成较大的压力，进而导致机器人末端不匹配的问题或者末端不贴合的问题。 机器人对外部世界的感知和理解，是當前研究的主要难点，这包括机器人对外部环境的信息采集、分析和理解。机器人对外界信息采集，由模糊感知变成机器人可以理解的数字信息，这种采集和变换是当前研究的难点问题。当信息变成数字信息后，机器人如何去理解这种较为复杂的信息，这部分算法也是当前的研究热点。

3.4 智能协同控制

目前，国外在全自动化生产线的生产和应用取得了长足的进步。然而，当前的机器人生产线，无法像人一样不断的对工艺进行有益的改进，机器人生产线是将已有的算法烧制到处理器中，灵活性和对环境的适应性都受到了极大的限制。

面向液晶电视装配的自动化生产线不仅要强调先进制造技术，还要重视高素质员工和灵活的人机合作方式，重视发挥员工在制造过程中的主观能动性才能适应快速变化的制造环境。目前己有的智能人机协同研究大多仅给出了人机之间的交互框架，在该理论框架下，人与机器协同工作，完成任务，然而，现有的研究主要形式是人配合机器，且协作方式以人和机器的点对点单一协作为主，无法对人机协作进行智能化的进化，现有研究集中在了人机协作的定性方面，对定量方面的研究较为不足。

3.5 自动化生产线的成组化和标准化

自动化生产线的成组化和标准化，不是简单完成某个或某些生产工序的自动化标准作业，而是将产品制造的整个生产线进行全方位的高度集成的成组化和标准化设计和制造，大幅度缩短了产线的设计与制造周期，同时保证产线的精密快速的生产特点和特色。由于采用了成组的标准化设计模块，在产品更新换代时，可通过标准模块的更换及回收等手段，也大幅度降低了自动化生产线的更新成本，避免了原有整个生产线的闲置和浪费。

4 智能装配机器人产业化研究和技术

4.1 主要方法及技术路线

本论文以实验研究法、经验总结法为主要研究方法，在整个研究的过程中，依据用户提出的技术要求进行总体方案规划，并请行业、企业专家对总体方案进行论证，以技术应用与推广为目的，及时调整、丰富研究内容，在创维电子（内蒙古）有限公司建立技术应用实验点和成果应用示范点，将研究成果应用并进行产业化推广，其智能装配机器人产业化技术路线如图1所示。

4.2 工艺流程

5 结语

通过论文的研究，获得的成果推广至全国消费类电子产品生产领域，可以带动相关产业的发展，提升相关产品的质量和产业层次，解决制造业智能装备水平低的困境，提升电视制造业的创新能力传统装配方式，攻克彩电制造行业由于传统固化的流水线作业模式，快速导入自动化机器人，并结合创维电子（内蒙古）有限公司先前的生产制造模式建立一套适合当前传统固化流水线体自动化的推进方法，进一步促进生产制造向自动化生产线的科技转型。

参考文献：

[1]张红霞.国内外工业机器人发展现状与趋势研究[J].电子世界，2013（12）：5.

[2]郑暾.焊接机械臂结构优化及动力学分析[D].浙江工业大学，2014.

[3]http：//blog.sina.com.cn/s/blog_663d9a1f0102vh4c.html.

[4]https：//wenku.baidu.com/view/5142ed4ff7ec4afe04a1df8f.html.

[5]https：//max.book118.com/html/2015/0628/19967759.shtm.

[6]https：//wenku.baidu.com.

[7]孙志杰，王善军，张雪鑫.工业机器人发展现状与趋势[J].吉林工程技术师范学院学报，2011，27（07）：61-62.

[8]许文涛.裤袜检测定型用套装机械手设计[D].东华大学，2015.

[9]李二超.未确知环境下机器人力控制技术研究[D].兰州理工大学，2011.

本文内容为呼和浩特市2017年度科技计划项目（厅市产学研协同创新科技合作项目）【项目编号：产学研-2017-14】的研究成果。