机器人装配:缩小的足迹，扩大的市场

suv、烤箱、手术设备和硬盘……它们有什么共同点?装配机器人正在制造它们。从最大的汽车到最小的电子产品，机器人装配越来越多地用于制造世界商品。

由机器人工业协会(RIA)发布的最新统计数据显示2014年上半年销售额破纪录第二季度组装订单比去年同期增长96%。

回流和下一次回流的努力正在把制造业带回国内。全球工资上涨和劳动力老龄化正在推动全球范围内的自动化。与此同时，小型化要求超高的精度。一种具有先进传感器的新型紧凑、高度灵巧的机器人正在响应这一号召。

密歇根州罗彻斯特希尔斯(Rochester Hills) FANUC美国公司(FANUC America Corporation)装配和航空航天全国客户经理克里斯·布兰切特(Chris Blanchette)表示:“对北美制造业来说，使装配过程具有成本效益的唯一方法是使用机器人和自动化。”“很多人都说，到明年左右，富士康在中国的工厂将拥有100万台机器人。这是一个重要的声明。这对全球行业意味着，他们自己认识到，自动化和机器人甚至比低工资劳动力更划算。”

“使用视觉等先进技术，无论是2D、2-1/2D还是3D，来定位部件并引导机器人，然后通过力传感来确定部件如何组合，这将使机器人更受欢迎，提高它们的生产率，并使它们更具成本效益，更容易部署和支持，”RIA董事会成员、俄亥俄州迈阿密堡Yaskawa Motoman战略计划主任Tim DeRosett说。

总之，这些趋势正在改变我们的装配线和洁净室。

在更少的空间里组装更多
将多个操作和多用途工具结合在一起的机器人装配正在缩小整个工作单元、装配线和制造业的占地面积。

“在我们的动力总成组装区，我们将大型复杂系统组装在一起，手臂末端的加工是令人难以置信的复杂，”位于密歇根州奥本山的ABB机器人技术支持经理尼古拉斯·亨特(Nicholas Hunt)说。“手臂末端工具的成本高于机器人的情况并不罕见。在末端执行器本身具有大量的传感和控制能力。我们用这些工具做了很多事情，因为我们可以。而且都在一个牢房里。”

亨特补充道:“当零件从那个单元运出时，就会进行组装和检查。”“所以我们正在缩小全球制造业的足迹。”

亨特说:“另一个趋势是使用机器人控制技术来控制更多的机器人。”“一个例子是我们使用GateFramer的白车身模具，或这些灵活的系统，我们通过装配线控制和管理车身侧面的转移。你可以在中途引入多达5种新的车身风格，总共6种车型，一个接一个。”

在这个视频我们乘坐装配线，以鱼眼观察机器人控制技术如何被用于处理多个车型。

市场的扩张
成熟和新兴行业的新应用，加上供应链下游制造商对自动化的兴趣日益浓厚，正在扩大机器人装配市场。

安川的德罗塞特表示:“纵观各行各业，汽车仍然是组装业的主导行业之一。他还认为，机器人组装在耐用消费品市场的应用正在增加，比如家用电器电器和草坪设备。

小部件组装，特别是在3C(计算机、通信和消费电子)行业，继续是自动化装配的主要增长领域。

DeRosett说：“另一个通常适合小部件组装和搬运的领域是医疗器械，与汽车相比，医疗器械市场相对较小，但有强劲增长的潜力。”。

也许最有趣的发展之一是采用和考虑合同制造服务中的机器人技术。机器人原始设备制造商正密切关注这一增长趋势。

FANUC的Blanchette说：“我们现在跟踪的合同制造市场主要是计算机微电子和消费电子产品。但这些公司中有很多是在航空航天、医疗器械和其他行业开展业务的。”

他说，新行业正在评估合同制造，因此自动化和机器人技术可能在采用它们方面发挥重要作用。

小型化和精度
虽然代工制造和3C行业预计将增长，但消费电子产品的尺寸越来越小，装配公差越来越小。如果没有灵活的自动化，产品就无法达到令人满意的精度、一致性或成本，机器人技术对生产过程就变得至关重要。

“在我们的世界，在电子制造业中，有机器人解决方案和灵活的自动化，能够达到我们现在可以利用这项技术的精度水平，”捷普电路公司自动化总监拉舍尔（Rush LaSelle）说。“中国和世界其他地区的劳动力价格正在上升，因此每个人都在寻找成本更低的替代品。”

Jabil总部位于美国佛罗里达州的圣彼得堡，是世界上最知名品牌的合同制造商。

拉塞勒说:“如果你买的是智能手机或其他消费类电子设备，产品的某些部分可能是由Jabil生产的。”

他指出，小型化、更高的精度和更短的产品生命周期是激发自动化电子组装需求的一些关键驱动因素。

拉塞勒说:“人们无法完成组装下一代移动设备或可穿戴设备所需的真正精细的任务。”“产品生命周期不够长，无法支持定制机床。”

这视频Jabil介绍了小型化和精密装配的趋势。

捷普还服务于汽车、医疗保健、印刷和能源发电行业。他们已经将航空航天和可穿戴技术确定为合同制造的新兴产业。LaSelle将这种市场扩张归功于低成本传感器技术。

看，感觉，适应
无论是用于零件识别、跟踪、检查和机器人导航的机器视觉，还是用于配合精密复杂组件的力传感，基于传感器的技术都在变得更好、更便宜。这是机器人组装的一个令人满意的平衡。

LaSelle说:“我们在视觉上经历了一个非常大的成熟曲线，这使得新的应用类型真正超越了机器人的可重复性。”“使用这种以摄像头、2D和3D视觉形式的感官输入，你可以实现在处理一些更精确、更小型化的部件时，精度和精度是必不可少的。”

在这个视频五个FANUC M-1iA delta型机器人演示了一个水表组装过程，使用iRVision®插入组件，匹配齿轮阶段，并检查最终组装。

布兰切特说:“FANUC确实专注于为机器人设计基于智能的功能。“其中一些功能是低成本的集成视觉，包括2D条形码读取，这样你就可以跟踪你的产品。然后我们有指导，这样你就可以在组装过程中找到产品和零件。你可以在组装低成本视觉系统的同时进行检测。”

在之前的FANUC视频中，机器人配备了专利的三轴手腕。

布兰切特说:“这是一种独特的促成因素。”“在delta型机器人上安装3轴手腕使其成为组装机器人。否则它就只是一个采摘/打包机器人。”

他说:“所有FANUC delta型机器人都有3轴选择。”“这是一个非常酷的解决方案，因为它允许在所有6个自由度中操作非常小的部分。”

装配机器人配备了力传感器，也获得了所有6个自由度的触觉。

“力反馈只是一个传感器集，将允许您以成本效益更好的方式获得更好的精度。它更好地复制了人们组装设备的方式，因为我们仍然在设计组件时考虑到人的组装方式，”捷普公司的拉塞尔说。“随着越来越多的传感器套件上线，变得更划算，更容易部署，部署到电子制造领域的增长也将如此。”

力传感与控制
力传感器测量施加在手臂末端工具上的力和扭矩，并向机器人控制系统提供反馈。然后机器人可以根据反馈来调整自己的动作。这在装配像啮合齿轮这样的复杂机构时特别有用。

“这项技术并不新鲜，”德罗塞特说。“在过去的25年里，它一直被用于机器人领域。改变的是力传感器与机器人控制的整合程度。这项技术正在成熟，并在更广泛的范围内得到普及应用程序。它变得更加友好，用户界面更加先进，所以你不需要非常熟练地使用它。”

像ABB集成力控制这样的产品使该技术更易于使用。“这些概念可能很复杂，所以我们提供这些程序工具，让它变得简单，”亨特说。“我们减少了硬件的尺寸和数量，以及封装的复杂性。我们将更多的东西整合到机器人系统中。”

“有了武力控制，我们可以比过去更广泛地使用武力，”亨特解释说。“通常情况下，我们将其用于直力扭矩传感配置，当我们试图组装一个扭矩变换器时，我们会感受到我们试图啮合在一起的齿轮的干涉。但我们也可以用力扭矩传感器作为应变计。我们正在装配发动机的阀杆和弹簧，我们正在检查是否没有脉冲。所以我们没有直接用力控制来施加一个一致的力。我们把它当作防狼绳。这是另一个充分利用末端工具的例子。”

“过去零件必须送到另一个车间进行质量保证检查，”亨特说。“随着控制技术、处理能力和传感器技术的进步，我们现在有能力同时进行组装和检测。”

在这个视频FANUC M-1iA delta型机器人通过安装在组件上的六自由度远程力传感器组装不同尺寸的齿轮，而不是机器人。大约1:10进入演示，你可以看到一个近距离的相位匹配过程。

齿轮啮合
在前面的例子中，力传感器连接到组件上。通常力传感器位于臂端安装法兰和工具本身之间，这是这种汽车离合器总成的情况。

这视频Kawasaki Robotics (USA) Inc.为您演示该过程。

“六自由度力传感器测量x、y和z方向的力，以及三个轴上的扭矩，”密歇根州Wixom市川崎的产品和高级工程总监Samir Patel说，“测量结果反馈给机器人控制器，用于臂端工具的混合力合规控制。”

帕特尔解释说:“另一个关键特征是摸索。”“机器人将手臂末端的工具与需要组装的部件一起移动，然后进入摸索功能，在应该组装的部件周围形成一个模式，缓慢而渐进地移动，试图与之接触。当它接触时，机器人就能感知力、运动和方向，并据此将各个部件连接在一起。”

帕特尔说，“摸索”过程涉及预编程和自适应机器人技术。摸索功能提供了不同的运动模式，如矩形或花朵模式。机器人程序员在编写例程时选择其中一种模式。基于这种预编程，机器人接收力反馈并做出决定是继续向下移动还是侧向移动以完成装配。

这个川崎离合器组装是福特汽车公司的一个特殊项目。机器人解决方案有助于缓解组装这些沉重部件时的人体工程学问题。

轴承装配
在另一个复杂的装配应用中，机器人帮助装配川崎摩托车的齿轮箱。由于产品范围广泛，灵活性非常重要。

Patel解释说:“齿轮箱的装配要求之一是将滚珠轴承插入外壳。“传统上，他们会把轴承套放在固定的表面上，使用手动压力机，驱动轴承进入孔。但是川崎造了很多不同的摩托车，从100cc到1500cc，你需要灵活性来建造不同的变速箱。每个齿轮箱可能有不同数量的轴承。”

帕特尔说:“我们所做的是建造一个灵活的电池，它有不同齿轮箱的固定装置。“机器人携带曲轴箱，将它移动到安装轴承的夹具上，然后将它固定在那里，同时压力机下降并将曲轴箱驱动到轴承上。”

“现在，机器人被设计成将零件从一个地方移动到另一个地方，”他继续说，“换句话说，它们操作的原理是位置控制。如果机器人把零件放在一个地方而你施加了一个异常高的外力，它可能会损坏机器人，或者会把零件从工具上推下来。所以我们有这种软吸收模式，或者说是软件遵从特性。当机器人将曲轴箱保持在轴承上时，机器人转换为软吸收模式，使其柔顺，然后轴承被压入壳体。然后机器人回到位置控制模式，继续工作。”

这视频显示了摩托车曲轴箱轴承总成，这是川崎日本制造厂正在进行的操作。

推荐用于组装应用，川崎r系列机器人(如图)具有更小的占地面积、内部布线和紧凑的半径，使其成为两个或多个机器人在小空间的高密度应用的理想选择。

紧凑、高度灵巧的机器人
紧凑、高度灵巧的机器人在装配领域发挥着越来越大的作用。灵活的六轴机器人从各个角度接触组件，而双臂类人机器人则改变了手动操作。

安川公司的DeRosett说:“由于组装所需的灵活性和反馈，组装应用可能相当复杂。”“这是我们看到的双臂机器人的一个特点，它使我们能够进入复杂的组装应用，你拿着一个零件，把另一个零件插进去。”

“力感知当然有帮助，”他继续说道。“但我们看到，双臂机器人处理的是柔性部件或组件，如油管和软管，当与传统单臂机器人使用时，需要更复杂的手臂末端工具。然而，如果你有两个分支一起工作，那么就可以简化工具，以更好的方式完成应用程序。”

安川是第五代双臂机器人。sda系列有两个7轴，运动学冗余手臂安装到一个共同的躯干。这视频展示了组装办公椅的双臂。

DeRosett说:“能够进入狭小的空间是我们设计7轴臂的原因之一。

看看这个视频看到一个单一的7轴手臂插入挠性油管在一个组装演示。在这里学习更多关于运动学冗余的知识合作机器人入门．

地平线上还有另一个运动冗余双臂。ABB双臂概念机器人(DACR)预计将于2015年年中上市。

亨特说:“DACR的推出肯定会给我们的3C产品带来福音。”“用于继电器、接触器和任何非精密装配的基本装配。外面有很多东西。”

正如亨特所指出的，DACR并不是他们进入3C市场的切入点。这视频ABB展示了各种组装应用程序。

“IRB120是ABB进入3C领域的主要起点，”他说，“它是一个桌面和我们最小的6轴机器人。”

首次亮相Automatica 2014 (观看视频)，它的大哥是六轴irb1200。它将在今年秋天的国际制造技术展上正式发布。ABB最新的机器人更加灵活和灵巧，以满足日益增长的小型化需求。

“小型六轴机器人正在做更多的应用，而在过去10到15年主要是SCARA应用，”安川的DeRosett说。“在过去的6到8年里，小型六轴机器人在速度和精度方面都有了很大的改进，所以这使他们能够转移到小部件组装和处理应用程序。(安川的MH5系列机器人就属于这一类。)

FANUC的Blanchette说：“有很多产品正在进行小型化。他们需要高精度、高速铰接机构，以便能够将这些组件组装在一起。我们的新LR Mate 200iD系列（如图所示），我们成功地创造了一个机器人，它在6个自由轴上铰接，具有SCARA的大部分特征，但比同类SCARA快20%。我们现在的价格也与SCARA非常有竞争力。”

“通过视觉伺服，我们已经能够实现超过10微米的精密装配，”Blanchette补充道。“通常你只会想到机床或定制的基于笛卡尔的机器人系统的那种精度。但我们可以通过一个小型的LR Mate机器人做到这一点。”

同时进入装配空间的还有协作机器人，这是工业机器人领域一个迅速崛起的领域。在这里，特别设计的机器人，如ABB的DACR和通用机器人的UR，可以在流水线上与人类同事一起工作，而不需要安全保护。在其他情况下，传统的机器人配备了安全机制，使它们能够在接近人类的情况下工作，例如在渐进式装配应用中。这文章综述合作机器人的现状。

安全合作大会
传统机器人制造商提供基于软件的安全功能，这些功能被集成到机器人控制器中，当与安全传感器相结合时，允许传统机器人安全地与人类合作。每个制造商都有自己的口味。

ABB称其为SafeMove，安川有其功能安全单元(FSU)，然后是KUKA安全机器人和FANUC双重检查安全(DCS)。每个软件解决方案都有助于减少制造足迹。

“占地面积决定一切，”ABB的亨特表示。“我们把机器人装得越来越密集。只有使用像SafeMove这样的产品，才能在大型机器人和周围有人的情况下做到这一点。真的没有理由用我们今天可用的技术为机器人设置硬围栏。SafeMove是人-机器人协同装配的推动者。”

Redeployable模块化
模块化是另一个有助于减少制造足迹的趋势。将它们投入使用，模块化电池为机器人装配提供了一个交钥匙解决方案，特别是在产品寿命很短的地方。

“模块化电池正变得非常流行，也非常重要，”亨特说。“对于小公司来说，安全问题是一件非常痛苦的事情，所以我们提供了这些内置了所有这些东西的模块化电池，然后你可以用任何你想要的方式来应用它。他们减少了积分时间。通常，原始设备制造商和一级供应商不会选择这些模块化电池。这些产品更多的是面向夫妻店和入门级集成商。”

模块化装配单元对寻求可重新部署性的合同制造商也很有吸引力。

FANUC的Blanchette说：“合同制造商正在寻找的东西之一是自动化设备的可重用性。”。“产品生命周期非常短。因此，他们需要投资于可重复使用的设备，这些设备可以在一个月左右的时间内进行改造和部署。他们正在寻找的解决方案是基于模块的解决方案，这些解决方案可以适配于生产线的任何部分，然后进行调整，以适应任何类型的流程或多个生产线过程的重要性。”

LaSelle表示:“Jabil正在积极投资自动化平台的重新部署。他说:“这说明人们希望更快地将技术投入生产。这并不新奇，但它现在已经达到了狂热的程度。特别是在电子行业，我们只有24个月的时间，这是一个反向斜坡，所以你在圣诞节前生产出最大产量，然后在接下来的一两年开始衰退。因此，人们试图找到标准化的解决方案。”

“它需要70-80%的可重新部署性，因此所有进入那里的设备都必须在下一个解决方案或合同中重复使用，”布兰切特说。“机器人传统上是灵活的，因此机器人是添加到模块化解决方案中的一个很好的工具，因为它可以重新编程，并且能够适应不同的零件几何形状。”

无论是制造克尔维特还是制造电路板，我们对自动化的要求比以往任何时候都要高。随着成本继续与需求保持一致，由集成传感器支撑的灵活机器人正在组装一个充满希望的未来。请继续关注。

本文介绍的RIA成员:
ABB机器人
发那科美国公司
捷普电路公司(用户会员)
川崎机器人(美国)有限公司
日本安川电气Motoman