使用紧凑型工业机器人帮助各种规模的企业提高生产率

长期以来，大型制造商一直在使用专用工业机器人来提高生产线的效率和吞吐量，从而取得中小型企业无法匹敌的成本优势。但是，如今的工业机器人已不再只限于大规模生产。现在，各种规模的企业均可使用小型通用机器人与人类并肩作业来提高生产率，工作空间最小只需 2 平方英尺。

本文将探讨阻碍中小型企业大规模部署协作机器人的因素，以及情形发生改变的原因。此外，本文还以 KUKA Robotics Corp. 的机械臂式机器人为例，说明如何将其分别应用于大型和小型设施。

协作机器人的崛起

在历史上，有若干因素促使工业机器人技术应用局限于大型企业。其中一个主要因素是难以产生投资回报率 (ROI)。早期的工业机器人需要大量设计工作，并根据特定任务进行定制，因此操作范围相对狭窄。然而，由于成本高昂且缺乏灵活性，意味着即使机器人比人手拥有更高的效率和吞吐量，但只有应用于大批量生产线时才能证明其合理性。中小型设施却鲜少能够满足这一条件。

为了实现利益最大化，大型企业的工业机器人往往体积庞大，移动速度快，而且在处理的物料和速度方面，远远超出人类的能力（图 1）。机器人的冲力相当大，若在行进过程中冲撞工作人员，则足以造成伤亡。为了确保工作人员安全，必须设置带联锁装置的防护栅或其他护栏隔离大型工业机器人，确保人员进入工作区时机器人能停止作业。

图 1：传统工业机器人往往体积庞大，移动速度快，因而必须设置防护栅以确保工作人员安全。（图片来源：KUKA Robotics Corp.）

像 KUKA Robotics AGILUS KR 3 R540 这样的紧凑型机械臂的推出，为工业设施管理者提供了更多选择（图 2）。这些设备提供了现成的通用平台，以相对适中的成本显著提高了操作灵活性。若配合以合适的末端执行器配件（例如安装于机械臂末端的抓具或工具），可大幅扩展通用平台的应用范围，使机器人系统获得合适的 ROI。此外，这些机械臂完成初始应用任务后，可以随时对其进行编程以执行不同动作；也可更换末端执行器机构改用于其他应用，从而扩大了投资回报潜力。

图 2：像 KUKA Robotics 的 AGILUS KR 3 R540 这样的机械臂能让工业机器人给中小型企业带来 ROI。（图片来源：KUKA Robotics Corp.）

这些紧凑型工业机械臂的另一项关键特性是，能够安装在受限的工作空间，并与现有生产设备整合在一起。不同于大型制造厂更大的同类产品，紧凑型机械臂可与操作人员协同作业，而非取代他们。此类紧凑型协作机器人 (cobot) 专为与人类近距离协作而设计，无需设置防护栅或其他护栏以防机器人行进过程中冲撞人员。相较于传统工业机器人，紧凑型机械臂体积较小，移动速度较慢，因而可通过接触停止紧凑型机械臂动作，最大限度地降低了人员受伤的可能性。此外，机械臂通常内置接近传感器，有助于完全避免碰撞。

越来越多的供应商将目标转向中小型企业，开始生产紧凑型工业机械臂。KUKA Robotics 的 AGILUS 系列就是其中的典型代表，该系列具有三个版本，上文提及的 AGILUS KR 3 R540 是体积最小的型号。只需 2 平方英尺的工作空间，承重能力达 3 kg，适用于众多装配和物料搬运应用。AGILUS KR 6 R900-2 承重能力达 6 kg，AGILUS KR 10 R1100-2 则高达 10 kg。除此之外，这三个版本的整体外形和可执行动作完全相同，均以套件形式提供，配有控制器单元和手持操作装置，用于机器人活动的控制、监控和编程。

从 AGILUS 设备的机械设计，我们就可以对机械臂的灵活有一个整体认识（图 3）。

图 3：紧凑型工业机械臂的六个运动轴可实现灵活地安装和抓取动作。（图片来源：KUKA Robotics Corp.）

与许多机械臂一样，AGILUS 设备具有六个运动轴：旋转底座 (A1)、基臂 (A2)、连接臂 (A3)、可以旋转 (A4) 和弯曲 (A5) 的直腕以及用于安装末端执行器装置的旋转安装法兰 (A6)。A2 至 A5 轴的组合动作用于将手腕中心定位于任何垂直操作位，如图 4(a) 所示；旋转底座使机械臂可在此垂直高度旋转近乎一周（图 4(b)）。如图所示，末端执行器配件的重心在此位置上有所偏移。根据需要可将机械臂安装于地面、台面、手推车、墙面或天花板，均不会影响操作。

图 4：机械臂几乎可将手腕中心定位于垂直区域 (a) 内任意高度上的任意水平位置 (b)。（图片来源：KUKA Robotics Corp.，经 Digi-Key Electronics 修改）

通过上述所有运动轴来控制机器人的运动曾需要复杂的编程技能，但是现已有所简化。机械臂通常配有控制器计算机和用户界面平板电脑，使用户只需借助方向按钮就能将机器人移动至所需的“路径点”。记录一系列的路径点即可定义机器人自动运行的完整动作序列。此外，某些机器人系统还允许用户将机械臂手动定位至所需的路径点，而不使用方向按钮。

这两种方法都可以“教会”机器人，如执行什么样的动作，然后根据命令重复执行这些动作。用户可通过教授而非编程实现，不仅简化了机器人任务的初始设置，而且可根据后续需求轻松调整动作。控制平板电脑还允许用户在生产活动过程中根据需要精调和校正动作。

这些类型的机械臂通过简单的控制编程，为工业自动化解决方案提供了现成的基础，可充当定位机械臂，安装适当的末端执行器机构即可执行相应任务。末端执行器机构种类繁多，包括用于拾取、定位和放置操作的普通抓具、螺丝刀和钻头等机械工具，以及烙铁和喷漆枪等复杂系统。完整解决方案所需的末端执行器和系统集成将取决于目标应用。

机械臂供应商以及第三方系统集成商均针对许多常见操作设计提供了相应的末端执行器机构。例如，对于拾取和操控物体，众多不同供应商既提供具有两或三根手指的带爪抓具，也供应磁力或真空拾取机构。此外，也有用于制造和装配应用的钻头、螺丝刀、磨具和刀头。

机械臂供应商甚至还推出了完整的应用解决方案，可作为现成解决方案使用。例如，KUKA Robotics 提供了一系列“即用型”系统，可用于铆接、喷漆、电弧焊或点焊以及微螺钉紧固等应用（图 5）。这些系统作为预配置自动化套件，包括末端执行器系统元件、控制器元件、系统软件和机械臂。

例如，基于 AGILUS KR 10 的喷涂套件就是与机械和设备工程公司 Dürr Group 合作开发的。该套件包括雾化器、泵和换色器，可选择用于高/低压、单或双组分、水性或溶剂型涂料应用。Dürr EcoAUC 控制单元用于控制喷涂过程，KUKA KR C4 控制器则负责控制机械臂动作。

图 5：Dürr Group 和 KUKA Robotics 合作推出的喷涂系统等紧凑型工业机器人，现可作为常用应用的现成完整系统解决方案。（图片来源：Dürr AG）

不过，将紧凑型机器人技术应用于具体操作时，用户并不受限于预配置的系统。机械臂的安装和动作灵活，易于编程，可与各种末端执行器连接法兰配合使用，因此适用于众多定制应用。关键在于识别现有生产工艺中存在哪些重复性任务可由机器人协助或替代操作人员。

例如，Siemens 在电机定子组件生产中使用了小型机械臂。定子由冲孔磁钢板制成，并且铝制轴承板必须加工至公差范围内。机械臂承担了以下重复性任务：将工件由运输工具上取出、将其放置在自动车床上加工、取出工件成品、进行抛丸清理，以及送入测量站以检查公差。

机器人控制器与其他设备配合工作，扫描工件条形码进行跟踪，并将已测量的工件放至运输工具上，运输到下一个处理站，或运至暂存站以便操作人员视需要进行调整或更换。鉴于机械臂的安全功能，人类与机器人可以在同一工作空间中进行操作，而无需设置防护栅或其他护栏以致妨碍工作流程。

此外，对重复精度有一定要求的任务也适合由机器人处理，即使是小批量生产。例如，ALNEA 在 SMT 生产线上添置了机械臂来处理选择性焊接。批量波峰焊或回流焊时高温可能损坏元器件，因此需要进行选择性焊接。人工焊接 SMT 器件时，要求焊工着力均匀、把准时机，以免造成连锡和热损坏。

在 ALNEA 的应用中，机械臂可确保着力均匀，而末端执行器烙铁的控制系统确保焊接操作的温度和时间均在设定参数范围内（图 6）。生产第一批次时，操作人员可以设置焊接参数，并按照动作序列训练机械臂。在接下来的生产过程中，操作人员可协助印刷电路板和元器件的定位，以便机器人进行焊接。借助机器人进行选择性焊接，该公司的生产时间缩短了 50%。

图 6：机械臂可确保着力均匀和定位精准，以满足印刷电路板生产过程中选择性焊接等应用的需求。（图片来源：KUKA Robotics Corp.）

若能实现任务自动化，即使不是完整操作，亦可证明其经济效益。例如，BMW Group 将机械臂整合至汽车加固侧梁的现有生产流程中，如此便让操作人员从要求精度的重复性任务中解放出来，因为他们往往难以维持整个班次都精准定位。该任务是将车架置于自动焊接站之前，在车架上各点处放置若干金属加强件。这项定位任务原本很简单，但是随着重复作业的时间越长，压力累积导致错误增加、吞吐量降低。

BMW 添置的机械臂专门负责金属板的正确定位，而操作人员只需清点正确的金属板数量，即可交由机器人处理。因此，无需对工作流程另作更改。不过，因为机器人替代操作人员承担了精准定位的任务，减少了疲劳引起的错误，从而确保了整个班次的持续生产吞吐率。机器人的安全功能使其可以与操作人员并肩作业，而无需对工作空间进行整改。

总结

鉴于成本、复杂性和安全性等关键因素，传统工业机器人往往只运用于大型工业设施。然而，就经济上而言，越来越多的重复性任务可借助紧凑型工业机器人执行，从简单的定位到复杂形状的喷涂，不一而足。

凭借其空间要求适度、编程简单、成本降低，并且能够轻松安全地集成至以人工作业为主体的现有工作流程中，而无需设置物理护栏，这些机器人可顺利扩充劳动力而不会造成重大影响。如今，工业自动化不再为能够大批量生产、资金雄厚的大型企业所专属：机械臂亦可服务于小型企业。