長(zhǎng)期以來(lái)，大型制造商一直在使用專用工業(yè)機(jī)器人來(lái)提高生產(chǎn)線的效率和吞吐量，從而取得中小型企業(yè)無(wú)法匹敵的成本優(yōu)勢(shì)。但是，如今的工業(yè)機(jī)器人已不再只限于大規(guī)模生產(chǎn)。現(xiàn)在，各種規(guī)模的企業(yè)均可使用小型通用機(jī)器人與人類并肩作業(yè)來(lái)提高生產(chǎn)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(yè)大規(guī)模部署協(xié)作機(jī)器人的因素，以及情形發(fā)生改變的原因。此外，本文還以 KUKA Robotics Corp. 的機(jī)械臂式機(jī)器人為例，說(shuō)明如何將其分別應(yīng)用于大型和小型設(shè)施。
協(xié)作機(jī)器人的崛起
在歷史上，有若干因素促使工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用局限于大型企業(yè)。其中一個(gè)主要因素是難以產(chǎn)生投資回報(bào)率 (ROI)。早期的工業(yè)機(jī)器人需要大量設(shè)計(jì)工作，并根據(jù)特定任務(wù)進(jìn)行定制，因此操作范圍相對(duì)狹窄。然而，由于成本高昂且缺乏靈活性，意味著即使機(jī)器人比人手擁有更高的效率和吞吐量，但只有應(yīng)用于大批量生產(chǎn)線時(shí)才能證明其合理性。中小型設(shè)施卻鮮少能夠滿足這一條件。
為了實(shí)現(xiàn)利益最大化，大型企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人往往體積龐大，移動(dòng)速度快，而且在處理的物料和速度方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類的能力（圖 1）。機(jī)器人的沖力相當(dāng)大，若在行進(jìn)過(guò)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(shè)置帶聯(lián)鎖裝置的防護(hù)柵或其他護(hù)欄隔離大型工業(yè)機(jī)器人，確保人員進(jìn)入工作區(qū)時(shí)機(jī)器人能停止作業(yè)。
圖 1：傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人往往體積龐大，移動(dòng)速度快，因而必須設(shè)置防護(hù)柵以確保工作人員安全。（圖片來(lái)源：KUKA Robotics Corp.）
像 KUKA Robotics AGILUS KR 3 R540 這樣的緊湊型機(jī)械臂的推出，為工業(yè)設(shè)施管理者提供了更多選擇（圖 2）。這些設(shè)備提供了現(xiàn)成的通用平臺(tái)，以相對(duì)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(zhí)行器配件（例如安裝于機(jī)械臂末端的抓具或工具），可大幅擴(kuò)展通用平臺(tái)的應(yīng)用范圍，使機(jī)器人系統(tǒng)獲得合適的 ROI。此外，這些機(jī)械臂完成初始應(yīng)用任務(wù)后，可以隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行編程以執(zhí)行不同動(dòng)作；也可更換末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)改用于其他應(yīng)用，從而擴(kuò)大了投資回報(bào)潛力。
圖 2：像 KUKA Robotics 的 AGILUS KR 3 R540 這樣的機(jī)械臂能讓工業(yè)機(jī)器人給中小型企業(yè)帶來(lái) ROI。（圖片來(lái)源：KUKA Robotics Corp.）
這些緊湊型工業(yè)機(jī)械臂的另一項(xiàng)關(guān)鍵特性是，能夠安裝在受限的工作空間，并與現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備整合在一起。不同于大型制造廠更大的同類產(chǎn)品，緊湊型機(jī)械臂可與操作人員協(xié)同作業(yè)，而非取代他們。此類緊湊型協(xié)作機(jī)器人 (cobot) 專為與人類近距離協(xié)作而設(shè)計(jì)，無(wú)需設(shè)置防護(hù)柵或其他護(hù)欄以防機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中沖撞人員。相較于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，緊湊型機(jī)械臂體積較小，移動(dòng)速度較慢，因而可通過(guò)接觸停止緊湊型機(jī)械臂動(dòng)作，最大限度地降低了人員受傷的可能性。此外，機(jī)械臂通常內(nèi)置接近傳感器，有助于完全避免碰撞。
越來(lái)越多的供應(yīng)商將目標(biāo)轉(zhuǎn)向中小型企業(yè)，開始生產(chǎn)緊湊型工業(yè)機(jī)械臂。KUKA Robotics 的 AGILUS 系列就是其中的典型代表，該系列具有三個(gè)版本，上文提及的 AGILUS KR 3 R540 是體積最小的型號(hào)。只需 2 平方英尺的工作空間，承重能力達(dá) 3 kg，適用于眾多裝配和物料搬運(yùn)應(yīng)用。AGILUS KR 6 R900-2 承重能力達(dá) 6 kg，AGILUS KR 10 R1100-2 則高達(dá) 10 kg。除此之外，這三個(gè)版本的整體外形和可執(zhí)行動(dòng)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(jī)器人活動(dòng)的控制、監(jiān)控和編程。
從 AGILUS 設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)，我們就可以對(duì)機(jī)械臂的靈活有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)（圖 3）。
圖 3：緊湊型工業(yè)機(jī)械臂的六個(gè)運(yùn)動(dòng)軸可實(shí)現(xiàn)靈活地安裝和抓取動(dòng)作。（圖片來(lái)源：KUKA Robotics Corp.）
與許多機(jī)械臂一樣，AGILUS 設(shè)備具有六個(gè)運(yùn)動(dòng)軸：旋轉(zhuǎn)底座 (A1)、基臂 (A2)、連接臂 (A3)、可以旋轉(zhuǎn) (A4) 和彎曲 (A5) 的直腕以及用于安裝末端執(zhí)行器裝置的旋轉(zhuǎn)安裝法蘭 (A6)。A2 至 A5 軸的組合動(dòng)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(zhuǎn)底座使機(jī)械臂可在此垂直高度旋轉(zhuǎn)近乎一周（圖 4(b)）。如圖所示，末端執(zhí)行器配件的重心在此位置上有所偏移。根據(jù)需要可將機(jī)械臂安裝于地面、臺(tái)面、手推車、墻面或天花板，均不會(huì)影響操作。
圖 4：機(jī)械臂幾乎可將手腕中心定位于垂直區(qū)域 (a) 內(nèi)任意高度上的任意水平位置 (b)。（圖片來(lái)源：KUKA Robotics Corp.，經(jīng) Digi-Key Electronics 修改）
通過(guò)上述所有運(yùn)動(dòng)軸來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曾需要復(fù)雜的編程技能，但是現(xiàn)已有所簡(jiǎn)化。機(jī)械臂通常配有控制器計(jì)算機(jī)和用戶界面平板電腦，使用戶只需借助方向按鈕就能將機(jī)器人移動(dòng)至所需的“路徑點(diǎn)”。記錄一系列的路徑點(diǎn)即可定義機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行的完整動(dòng)作序列。此外，某些機(jī)器人系統(tǒng)還允許用戶將機(jī)械臂手動(dòng)定位至所需的路徑點(diǎn)，而不使用方向按鈕。
這兩種方法都可以“教會(huì)”機(jī)器人，如執(zhí)行什么樣的動(dòng)作，然后根據(jù)命令重復(fù)執(zhí)行這些動(dòng)作。用戶可通過(guò)教授而非編程實(shí)現(xiàn)，不僅簡(jiǎn)化了機(jī)器人任務(wù)的初始設(shè)置，而且可根據(jù)后續(xù)需求輕松調(diào)整動(dòng)作。控制平板電腦還允許用戶在生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中根據(jù)需要精調(diào)和校正動(dòng)作。
這些類型的機(jī)械臂通過(guò)簡(jiǎn)單的控制編程，為工業(yè)自動(dòng)化解決方案提供了現(xiàn)成的基礎(chǔ)，可充當(dāng)定位機(jī)械臂，安裝適當(dāng)?shù)哪┒藞?zhí)行器機(jī)構(gòu)即可執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)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(jī)械工具，以及烙鐵和噴漆槍等復(fù)雜系統(tǒng)。完整解決方案所需的末端執(zhí)行器和系統(tǒng)集成將取決于目標(biāo)應(yīng)用。
機(jī)械臂供應(yīng)商以及第三方系統(tǒng)集成商均針對(duì)許多常見操作設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)。例如，對(duì)于拾取和操控物體，眾多不同供應(yīng)商既提供具有兩或三根手指的帶爪抓具，也供應(yīng)磁力或真空拾取機(jī)構(gòu)。此外，也有用于制造和裝配應(yīng)用的鉆頭、螺絲刀、磨具和刀頭。
機(jī)械臂供應(yīng)商甚至還推出了完整的應(yīng)用解決方案，可作為現(xiàn)成解決方案使用。例如，KUKA Robotics 提供了一系列“即用型”系統(tǒng)，可用于鉚接、噴漆、電弧焊或點(diǎn)焊以及微螺釘緊固等應(yīng)用（圖 5）。這些系統(tǒng)作為預(yù)配置自動(dòng)化套件，包括末端執(zhí)行器系統(tǒng)元件、控制器元件、系統(tǒng)軟件和機(jī)械臂。
例如，基于 AGILUS KR 10 的噴涂套件就是與機(jī)械和設(shè)備工程公司 Du?rr Group 合作開發(fā)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(yīng)用。Du?rr EcoAUC 控制單元用于控制噴涂過(guò)程，KUKA KR C4 控制器則負(fù)責(zé)控制機(jī)械臂動(dòng)作。
圖 5：Du?rr Group 和 KUKA Robotics 合作推出的噴涂系統(tǒng)等緊湊型工業(yè)機(jī)器人，現(xiàn)可作為常用應(yīng)用的現(xiàn)成完整系統(tǒng)解決方案。（圖片來(lái)源：Du?rr AG）
不過(guò)，將緊湊型機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于具體操作時(shí)，用戶并不受限于預(yù)配置的系統(tǒng)。機(jī)械臂的安裝和動(dòng)作靈活，易于編程，可與各種末端執(zhí)行器連接法蘭配合使用，因此適用于眾多定制應(yīng)用。關(guān)鍵在于識(shí)別現(xiàn)有生產(chǎn)工藝中存在哪些重復(fù)性任務(wù)可由機(jī)器人協(xié)助或替代操作人員。
例如，Siemens 在電機(jī)定子組件生產(chǎn)中使用了小型機(jī)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(nèi)。機(jī)械臂承擔(dān)了以下重復(fù)性任務(wù)：將工件由運(yùn)輸工具上取出、將其放置在自動(dòng)車床上加工、取出工件成品、進(jìn)行拋丸清理，以及送入測(cè)量站以檢查公差。
機(jī)器人控制器與其他設(shè)備配合工作，掃描工件條形碼進(jìn)行跟蹤，并將已測(cè)量的工件放至運(yùn)輸工具上，運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)處理站，或運(yùn)至?xí)捍嬲疽员悴僮魅藛T視需要進(jìn)行調(diào)整或更換。鑒于機(jī)械臂的安全功能，人類與機(jī)器人可以在同一工作空間中進(jìn)行操作，而無(wú)需設(shè)置防護(hù)柵或其他護(hù)欄以致妨礙工作流程。
此外，對(duì)重復(fù)精度有一定要求的任務(wù)也適合由機(jī)器人處理，即使是小批量生產(chǎn)。例如，ALNEA 在 SMT 生產(chǎn)線上添置了機(jī)械臂來(lái)處理選擇性焊接。批量波峰焊或回流焊時(shí)高溫可能損壞元器件，因此需要進(jìn)行選擇性焊接。人工焊接 SMT 器件時(shí)，要求焊工著力均勻、把準(zhǔn)時(shí)機(jī)，以免造成連錫和熱損壞。
在 ALNEA 的應(yīng)用中，機(jī)械臂可確保著力均勻，而末端執(zhí)行器烙鐵的控制系統(tǒng)確保焊接操作的溫度和時(shí)間均在設(shè)定參數(shù)范圍內(nèi)（圖 6）。生產(chǎn)第一批次時(shí)，操作人員可以設(shè)置焊接參數(shù)，并按照動(dòng)作序列訓(xùn)練機(jī)械臂。在接下來(lái)的生產(chǎn)過(guò)程中，操作人員可協(xié)助印刷電路板和元器件的定位，以便機(jī)器人進(jìn)行焊接。借助機(jī)器人進(jìn)行選擇性焊接，該公司的生產(chǎn)時(shí)間縮短了 50%。
圖 6：機(jī)械臂可確保著力均勻和定位精準(zhǔn)，以滿足印刷電路板生產(chǎn)過(guò)程中選擇性焊接等應(yīng)用的需求。（圖片來(lái)源：KUKA Robotics Corp.）
若能實(shí)現(xiàn)任務(wù)自動(dòng)化，即使不是完整操作，亦可證明其經(jīng)濟(jì)效益。例如，BMW Group 將機(jī)械臂整合至汽車加固側(cè)梁的現(xiàn)有生產(chǎn)流程中，如此便讓操作人員從要求精度的重復(fù)性任務(wù)中解放出來(lái)，因?yàn)樗麄兺y以維持整個(gè)班次都精準(zhǔn)定位。該任務(wù)是將車架置于自動(dòng)焊接站之前，在車架上各點(diǎn)處放置若干金屬加強(qiáng)件。這項(xiàng)定位任務(wù)原本很簡(jiǎn)單，但是隨著重復(fù)作業(yè)的時(shí)間越長(zhǎng)，壓力累積導(dǎo)致錯(cuò)誤增加、吞吐量降低。
BMW 添置的機(jī)械臂專門負(fù)責(zé)金屬板的正確定位，而操作人員只需清點(diǎn)正確的金屬板數(shù)量，即可交由機(jī)器人處理。因此，無(wú)需對(duì)工作流程另作更改。不過(guò)，因?yàn)闄C(jī)器人替代操作人員承擔(dān)了精準(zhǔn)定位的任務(wù)，減少了疲勞引起的錯(cuò)誤，從而確保了整個(gè)班次的持續(xù)生產(chǎn)吞吐率。機(jī)器人的安全功能使其可以與操作人員并肩作業(yè)，而無(wú)需對(duì)工作空間進(jìn)行整改。
總結(jié)
鑒于成本、復(fù)雜性和安全性等關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人往往只運(yùn)用于大型工業(yè)設(shè)施。然而，就經(jīng)濟(jì)上而言，越來(lái)越多的重復(fù)性任務(wù)可借助緊湊型工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行，從簡(jiǎn)單的定位到復(fù)雜形狀的噴涂，不一而足。
憑借其空間要求適度、編程簡(jiǎn)單、成本降低，并且能夠輕松安全地集成至以人工作業(yè)為主體的現(xiàn)有工作流程中，而無(wú)需設(shè)置物理護(hù)欄，這些機(jī)器人可順利擴(kuò)充勞動(dòng)力而不會(huì)造成重大影響。如今，工業(yè)自動(dòng)化不再為能夠大批量生產(chǎn)、資金雄厚的大型企業(yè)所專屬：機(jī)械臂亦可服務(wù)于小型企業(yè)。
