手機(jī)外殼機(jī)器人打磨開發(fā)與應(yīng)用

湯愛軍，諸進(jìn)才

（1.富士康科技集團(tuán)，廣東深圳 518110；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510430）

0 引言

打磨常作為產(chǎn)品最后表面處理工序之一，它關(guān)系到產(chǎn)品的最終外觀和品質(zhì)，是重要工序。打磨的良率和穩(wěn)定性，也直接影響產(chǎn)品制造成本[1]。目前業(yè)界手機(jī)外殼打磨，多采用人工打磨，存在效率不高和良率低等問題。隨著我國人口紅利逐漸消失，人工成本不斷上升，工人難招募，打磨自動(dòng)化，是手機(jī)外殼制造企業(yè)急需解決的問題，也是企業(yè)自動(dòng)化升級(jí)改造的迫切需求。

1 當(dāng)前手機(jī)外殼打磨存在的問題

手機(jī)外殼采用人工打磨，對工人的打磨技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求高。而手機(jī)通常是大批量生產(chǎn)，人工打磨自動(dòng)化程度低，工人投入數(shù)量大。同時(shí)打磨存在粉塵、噪音和振動(dòng)等，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度高，因此生產(chǎn)效率低，并易造成工人職業(yè)病，人員流失率高。更重要的是，由于人工打磨難以保證作業(yè)手法一致，所以產(chǎn)品品質(zhì)一致性難以保證[2]。

對于批量打磨的產(chǎn)品，有些企業(yè)開發(fā)使用了專用打磨設(shè)備進(jìn)行打磨作業(yè)，例如多軸打磨機(jī)床[3]。專用打磨設(shè)備生產(chǎn)效率較高，但成本投入也較大，產(chǎn)品開發(fā)及成本回收周期長，并且由于產(chǎn)品適應(yīng)性較差，只適合特定產(chǎn)品大批量的打磨作業(yè)。當(dāng)前手機(jī)產(chǎn)品更新?lián)Q代快，且多是少量多樣的柔性生產(chǎn)，所以專用打磨設(shè)備難以勝任。

2 機(jī)器人打磨的開發(fā)與應(yīng)用

2.1 機(jī)器人自動(dòng)打磨特點(diǎn)優(yōu)勢

機(jī)器人自動(dòng)打磨，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)優(yōu)勢：（1）機(jī)器人具有“走軌跡+上下料”功能，可實(shí)現(xiàn)打磨全自動(dòng)化，進(jìn)一步減少作業(yè)人員；（2）提高產(chǎn)能，提升效率，降低成本；（3）產(chǎn)品品質(zhì)一致性好，良率提升；（4）屬于彈性自動(dòng)化設(shè)備，柔性好，產(chǎn)品變化，設(shè)備可重復(fù)利用；（5）節(jié)省員工招募、培訓(xùn)、薪資、管理等成本。

2.2 機(jī)器人打磨系統(tǒng)開發(fā)流程

隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，項(xiàng)目組通過不斷摸索嘗試，驗(yàn)證開發(fā)，成功開發(fā)了利用機(jī)器人這種自動(dòng)化柔性設(shè)備代替人工，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)打磨的生產(chǎn)系統(tǒng)。經(jīng)過多款手機(jī)外殼機(jī)器人自動(dòng)打磨項(xiàng)目開發(fā)，不斷總結(jié)技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，制定了機(jī)器人打磨應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化流程，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人打磨應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化流程

現(xiàn)場評(píng)估，即到現(xiàn)場詳細(xì)了解制程及自動(dòng)化需求信息，并初步評(píng)估自動(dòng)化可行性。從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等多方面，詳細(xì)了解產(chǎn)品材料、形狀結(jié)構(gòu)、前后制程、打磨部位、品質(zhì)要求、所用打磨工具、耗材及手工作業(yè)工藝參數(shù)，CT（cycle time生產(chǎn)周期）等，以及客戶對自動(dòng)化開發(fā)詳細(xì)需求、開發(fā)進(jìn)程時(shí)間點(diǎn)等。

方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化，包括優(yōu)選符合負(fù)載、工作范圍及精度的機(jī)器人等，設(shè)計(jì)自動(dòng)打磨整體方案，包括與機(jī)器人搭配的打磨設(shè)備、工具和耗材等，自動(dòng)上下料，整線甚至整廠物流，安全防護(hù)等。并邀請生產(chǎn)單位檢討，修改完善方案，直到對方案達(dá)成共識(shí)。

上述機(jī)器人與打磨工具的搭配方式優(yōu)選是重要評(píng)估項(xiàng)目。機(jī)器人自動(dòng)打磨應(yīng)用中，常用的搭配方式有兩種，一是機(jī)器人夾持被加工工件貼近加工工具耗材，如砂帶、拋光輪等，進(jìn)行打磨拋光加工，另一種方法是機(jī)器人夾持打磨拋光加工工具貼近工件進(jìn)行加工[4-5]。兩種方式的優(yōu)選依據(jù)是考慮產(chǎn)品尺寸大小重量，所用工具的大小重量，機(jī)器人負(fù)載，運(yùn)動(dòng)范圍，以及產(chǎn)品打磨拋光部位，打磨軌跡，還有是否適合自動(dòng)上下料，自動(dòng)更換耗材等進(jìn)行綜合評(píng)估。對于小尺寸輕量產(chǎn)品，常采用機(jī)器人夾持產(chǎn)品，打磨調(diào)試比較靈活方便。而對于大尺寸重量大的產(chǎn)品，受限于機(jī)器人的工作范圍和負(fù)載，通常采用機(jī)器人夾持工具的方式。

接下來是驗(yàn)證單元的制作及打磨DOE（Design Of Ex?periments實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。機(jī)器人打磨拋光類項(xiàng)目開發(fā)，與機(jī)器人最大應(yīng)用搬運(yùn)類應(yīng)用開發(fā)，最大的區(qū)別就在于多了此環(huán)節(jié)，也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因?yàn)闄C(jī)器人搬運(yùn)類項(xiàng)目，只要選定的機(jī)器人負(fù)載、工作范圍及精度能達(dá)到項(xiàng)目應(yīng)用需求，項(xiàng)目功能性達(dá)成就基本沒什么問題，但打磨拋光類項(xiàng)目開發(fā)的核心是打磨品質(zhì)良率能否達(dá)成客戶要求，而品質(zhì)良率的影響因素又有很多，如產(chǎn)品材料、來料品質(zhì)、打磨軌跡、速度、壓力、時(shí)間、工具、耗材、品質(zhì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等等[6]。

通過一系列的打磨單因素和正交DOE實(shí)驗(yàn)[7]，不斷總結(jié)出各因素的影響規(guī)律，找出關(guān)鍵因素，得出品質(zhì)和良率最優(yōu)的關(guān)鍵因素水平組合，并優(yōu)化打磨CT，達(dá)成客戶產(chǎn)能需求，最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

在打磨驗(yàn)證單元完成品質(zhì)和良率驗(yàn)證確認(rèn)后即進(jìn)行打磨自動(dòng)線的設(shè)計(jì)開發(fā)，并發(fā)包制作。物料到付后，線體組裝調(diào)試，出貨生產(chǎn)現(xiàn)場安裝調(diào)試，生產(chǎn)驗(yàn)證。待生產(chǎn)驗(yàn)證通過后，即可交付生產(chǎn)使用。

最后是批量應(yīng)用推廣，包括自動(dòng)化線體的復(fù)制，還有同類產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化的應(yīng)用推廣，實(shí)現(xiàn)開發(fā)效益最大化。

3 一款手機(jī)外殼機(jī)器人打磨的開發(fā)與應(yīng)用

3.1 打磨自動(dòng)化需求

圖2所示為一款某品牌手機(jī)外殼，其材質(zhì)為不銹鋼沖壓件，由于內(nèi)表面有激光焊接彈片，所以會(huì)在外表面形成一些焊點(diǎn)凸包。打磨要求是用砂帶打磨去除焊點(diǎn)，同時(shí)還要保證面形輪廓精度不變，為后制程拋光做準(zhǔn)備。

圖2 某款手機(jī)外殼

自動(dòng)化導(dǎo)入前，由于人工手持產(chǎn)品在砂帶機(jī)上進(jìn)行打磨，存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、手工作業(yè)手法不規(guī)范統(tǒng)一、產(chǎn)品品質(zhì)一致性差、品質(zhì)不穩(wěn)定、工作效率低（CT=65 s）、產(chǎn)品良率低（平均僅85%）等缺陷。

3.2 機(jī)器人打磨自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在充分了解產(chǎn)品制程信息后，開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行分析研討，不斷優(yōu)化方案，并設(shè)計(jì)發(fā)包了機(jī)器人簡易驗(yàn)證單元，結(jié)合手工作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了大量的DOE實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出了適用于機(jī)器人自動(dòng)化打磨的因素和水平。

設(shè)計(jì)開發(fā)了如圖3所示的機(jī)器人打磨單元，其由一臺(tái)六軸機(jī)器人，產(chǎn)品裝夾治具，砂帶機(jī)，打蠟裝置，上下料架，安裝機(jī)架和安全防護(hù)網(wǎng)等組成。用物流線串聯(lián)12個(gè)打磨單元，組成一條機(jī)器人打磨自動(dòng)線，如圖4所示。

3.3 打磨軌跡優(yōu)化

打磨動(dòng)作軌跡優(yōu)化，主要通過模仿人打磨動(dòng)作，結(jié)合機(jī)器人及砂帶機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行邊試驗(yàn)邊優(yōu)化，目標(biāo)是保證打磨部位適當(dāng)，寬度約為超過焊點(diǎn)區(qū)域1 mm，焊點(diǎn)有效去除，而又不會(huì)產(chǎn)生深線紋和棱邊。

根據(jù)Preston方程可知，每一加工點(diǎn)的材料去除率與打磨壓力及相對速度成正比，這就要求打磨軌跡要光順均勻，打磨壓力和速度保持一致。因此，理想的動(dòng)作軌跡為，如圖5所示，產(chǎn)品打磨面輪廓上的點(diǎn)連續(xù)等速V通過理想打磨接觸點(diǎn)O，同時(shí)在Y方向左右擺動(dòng)，如圖6所示，這可有效防止深線紋的產(chǎn)生。

圖3 機(jī)器人打磨單元

圖4 機(jī)器人打磨自動(dòng)線

圖5 打磨軌跡示意圖

圖6 打磨擺動(dòng)動(dòng)作示意

3.4 應(yīng)用推廣效益

該產(chǎn)品機(jī)器人打磨自動(dòng)線已順利開發(fā)并導(dǎo)入生產(chǎn)應(yīng)用。改善前人工打磨線如圖7所示，改善后機(jī)器人打磨自動(dòng)線如圖8所示。打磨自動(dòng)線，相比人工線，白晚班節(jié)省20人，效率提升49.2%（CT由65 s降至33 s），經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖7 人工打磨線

圖8 機(jī)器人自動(dòng)打磨線

4 結(jié)語

通過手機(jī)外殼打磨實(shí)際生產(chǎn)自動(dòng)化項(xiàng)目開發(fā)，總結(jié)提出機(jī)器人打磨應(yīng)用開發(fā)流程。經(jīng)實(shí)踐論證，行之有效，并已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化該流程。該流程能指導(dǎo)同類機(jī)器人打磨拋光類自動(dòng)化項(xiàng)目開發(fā)順利開展，對機(jī)器人的其他應(yīng)用開發(fā)也具有借鑒意義。隨著更多打磨拋光類項(xiàng)目應(yīng)用開發(fā)，今后該流程將繼續(xù)不斷優(yōu)化完善。