基于机器人的3C产品柔性生产线电气系统设计

岳鹏飞

摘 要：通过在3C产品中引入机器人的使用可以增强生产线的通用性和适应能力。本文主要针对典型的3C产品给出生产线的总体设计方案，包括硬件与软件设计以及系统模型，并且有针对性的进行了相关测试。通过测试结果进行分析来看，生产线效率和设备的利用率得到了大幅度的提高。该项技术具有很好的发展和研究前景和空间。

关键词：机器人 柔性生产线 3C产品

1 引言

进入21世纪将迎来第四次工业革命，而与以往不同的是第四次工业革命是信息技术的变革，随着第四次工业革命的到来“工业4.0”与“中国制造2025”等已经成为社会广泛关注的的热门话题[1]。在未来的很长一段时间里工业发展速度将更加的趋于智能化和信息化，智能制造已经成为大势所趋。而且随着快速的发展和进步，产品的更新换代速度也将越来越快，随之而来的需要生产线的不断更新，与此同时会很大程度增加企业成本。那么柔性的生产线也就应运而生，柔性生产线可以更好地提高设备的利用效率，根据陈品生产需求进行适应性的调整和变化[2]。在工业生产过程中通过机器人替代高度重复的单一的人工操作，或者代替人工在恶劣环境中进行工作，将机器人与柔性生产线进行结合可以更好的提高生产效率。本文将主要针对基于机器人的应用柔性生产线的设计。

2 3C产品和柔性生产线简介

2.1 3C产品

3C是计算机类（computer）、通信类（communicantion）和消费类（consumer）的简称，是现代工业和信息化发展的产物。这个行业具有跟新换代快、设计性强等主要特点。通产3C产品是易于操作并且使用的家用型电器产品，在传统的家用电器中融入信息化智能化的因素，使其更加便捷智能。

2.2 柔性生产线

现代市场经济下，定制化、多样化的需求越来越多，为了更好地满足消费者的不同需求，传统的大规模的批量的无差别的生产模式已经无法适应现在的生产需求。为了满足高质量生产和频繁的生产线调整，柔性生产性成为大势所趋。通常柔性生产线包括自动化系统、物流运输系统、信息处理系统和软件系统四个部分。柔性生产线与传统的 生产线相比主要具有利用效率更高、生产更加稳定、生产产品质量更好、根据需求调整更加灵活等优点。在未来的生产领域，尤其是发展变化速度快的3C产品生产领域具有非常广阔的发展前景。

3 3C产品柔性生产线总体方案

（1）柔性生产线的设计主要是为了满足多品类产品的小批量的生产需求，本文设计的系统主要是围绕手机、鼠标的生产装配开展。这两种产品的生产主要流程和环节如下：

①手机生产装配流程：底壳的打磨—键盘的安装—屏幕的安装—手机上盖的安装—手机装合—包装盒加盖。

②鼠标生产装配流程：鼠标底壳的打磨—电池的安装—鼠标上盖的安装—接收器的安装—鼠标装合—包装盒加盖。

（2）系统总体设计方案。经过对以上两种非常典型的3C产品的胜场装配流程的分析，经过总结发现六个共性的流程，分别是初期的打磨，前期、中期、后期的装配过程，产品的装盒以及包装盒的加盖。

基于以上的分析，本系统的设计主要包含7个部分分别是6个子单元和1个中央信息集成控制系统。根据以上工艺流程的分析，每个子单元分别对应一个生产流程，每个子单元既可以独立工作也可以系统配合共同完成工作指令。中央信息集成控制系统也采用TCP/IP协议实现各个子系统与控制系统之间的互通互联[3]。

4 系统运行原理

4.1 子单元设备组成

该系统的6个子单元主要承担装配功能，因此在硬件需求方面差异性不大，基本组成元器件几乎相同。现在以其中的初期打磨单元为例详细说明其中的设备组成和功能。

初期打磨单元由工业机器人、机器人快换工具、立体仓库、皮带输送机、单元PLC电气控制系统、伺服旋转变位机与夹具等部分组成。在该单元中的机器人主要采用结构坚固系统可靠工作范围广泛的六轴串联机器人，该类型机器人在焊接、搬运和应用程序的运用方面技术已经相当成熟[4]。

在该系统中机器人快换接头装置主要采用可以同时夹持多种不同工具的气立可滑轨气缸驱动。快换工具使机器人的应用更具柔性，增强了生产线自动化程序[5]。

这一单元中采用三横三纵9个仓储位置用于放置工件。在每个仓位上都装有精确的定位装置放置装配过程中出现错误现象。为了获得更加科学合理的放置位置在每一个单元都配备一套伺服旋转变机位[6]。旋转变为机靠交流电驱动，并且在旋转平台上安装气动的夹具并通过传感器控制旋转的角度范围。

系统中的各个单元之间的工件的传送运输通过期待实现，在该系统中共需要3条皮带输送机，分别位于1单元和2单元之间，3单元和4单元之间，5单元和6单元之间。合格单元的控制通过电视控制柜和电气控制系统之间的密切配合实现。

4.2 子单元运行流程

在具备硬件条件的基础上，各单元之间通过协同配合共同完成产品的各项装配任务。下面以手机的装配过程为例，具体操作流程如下：

4.2.1 初期打磨

机器人手臂通过快换工具装置移动到储存仓库内拿取手机底壳，通过精确的定位系统将手机底壳放在指定的旋转变为内。与此同时机器人更换末端工具为打磨工具，在变为机的密切配合下完成手机底壳的打磨工序。完成打磨后，变位机回归原始位置，机器人在快换工具库将现有打磨工具更换为吸取装置，从而将打磨好的手机底壳吸取后放置到传送带上，传送至下一工位。

4.2.2 前期裝配

手机底壳在传送带上到达指定工位，机器人吸盘末端吸取手机底座放置在旋转变位机内，完成吸取工作的机器人变更为涂胶末端，准备粘合工作。同样通过变为机的旋转配合使机器人快去完成涂胶工作，机器人再次快去变换末端工具为吸盘，吸取手机键盘于变位机处，完成手机键盘与手机底座的粘合装配。这是机器人再次变换末端工具为吸盘，吸取粘合后的手机底座放置下一工位的变位机处。

4.2.3 中期装配

经过前期装配的手机底壳放置在变位机上，随变位机的转动到达指定位置，随之需要机器人将末端工具切换为涂胶工具，变位机通过旋转配合机器人手臂完成涂胶工作。这时机器人末端工具进行快去的转换，变为带走吸盘的工具从而将手机屏幕从仓储中吸出，通过精确的定位装置将手机屏幕准确无误的放置在变位机上并完成与手机底座的安装工作。然后，根据需要机器人吸取已经装配完成的手机底壳及屏幕放置在传送带处，随着传送带的运转运输至下一工位，为后期的装配工作做好准备。

4.2.4 后期装配

安装完成的手机底座随传送带的转动来到后期装配工位，位于传送带上的手机底座在机器人手臂吸盘的作用下被吸取到变为机上准备下一步操作。随之机器人末端自然快换工具吸取仓库内的手机按键也放置在变位机上。然后切换机器人末端工具为涂胶快换工具，在变位机配合下完成键盘的粘合工作。最后切换机器人末端快换工具为吸盘，吸取仓库内的手机上盖放置在变位机上进行与手机底座的合体安装工作。

4.2.5 成品装盒

机器人直接抓取存储仓库内的成品包装盒放置到变位器上同时将安装完成的手机也放置到变为机上，并通过机器人末端的抓取工具将手机放到包装盒内。包装完毕的手机通过机器人末端吸盘放置到传送带上，随传送带运送到下一工位。

4.2.6 成品盒加盖

机器人手臂将传送带运送来的成品盒直接夹取放置在变为器上，然后机器人末端切换吸盘快换工具吸取成品盒与位于变为器上的成品盒完成加盖工作。最后工具复位，并将变位器上的成品盒转移到存储仓内进行入库管理，整个装配过程到此结束。

鼠标的生产操作流程与手机几乎一致，在这里不在详细说明。

5 系统测试效果

本次测试分别在单机模式和联机模式两种模式下进行。

5.1 单机测试

通过示教盒和触摸屏的功能实现对单机工作的监控从而完成单机模式的测试。触摸屏主要分成两个部分，一部分为主画面另一部分为主画面。子画面的主要功能是系统检测报警画面的呈现，工作人员可以通过子画面获得传送带和变位机等单元的监测信息。

5.2 联机测试

联机测试相较于单机测试更为复杂，需要更为充分的准备工作并且需要6个子单元和中央信息集成处理系统的共同参与密切配合才能够完成。首先必须具备测试所需的所有元器件并且摆放在指定的位置，所有的子单元都处于初始化复位状态，等待指令的触发。

参考文献：

[1]田馨.“中国制造2025”重大战略的新形势与现实路径研究[J].改革与战略，2017，33（03）：57-60.

[2]郑金来，王德权，熊昌秀，等.箱体类零件敏捷柔性生产线的设计[J].组合机床与自动化加工技术，2016，9：132-134.

[3]侯雨雷，王嫦美，杨彦东，等.基于ABB机器人的冲压线上下料系统构建及其实验[J].制造技术与机床，2014，9：77-81.

[4]东海.基于S7-1200 PLC的Modbus-TCP通信应用 [J].科技创新与应用，2016，29：58.

[5]刘飞佚，佃松宜，向國菲，等.机器人与独立变位机 的协同控制研究与实现[J].电气传动，2016，46（3）：62-72.

[6]熊隽.基于智能制造生产线的工业机器人应用[J].机床与液压，2018，46（21）：91-94.