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使用小型工業機器人提升任何工廠的生產力

主流制造商已長期使用專屬的工業機器人,以提升生產線的效率和產量,因而擁有其他小型企業無法匹敵的成本優勢。但是,工業機器人已經不再是大規模生產作業專屬的工具?,F在也有較小型的一般用途機器人,可幫助多種企業提升生產力,能在最小僅兩平方英尺的工作場所中與操作人員互相合作。

本文將探討為何以前無法以協作型機器人的形式,將機器人大規模部署在較小型的企業中,以及為何這種情況出現改變。然后還會介紹一些機器人范例,如KUKA Robotics Corp.推出的機械手臂,同時展示如何在大型和小型設施中應用這些機械手臂。

協作型機器人的崛起

工業機器人會局限于大規模營運是因為幾個歷史因素。其中一個主要因素就是難以實現投資報酬率(ROI)。早期的工業機器人不僅需要投入大量的心力進行設計,而且還需要根據任務進行量身定制。因此,這些機器人僅能處理的作業類型非常有限。這會造成成本與缺乏彈性的問題,而這意味著,機器人的效率和產量必須比人工作業顯著提升,而且還需用于高產量生產線,才有部署的合理性。但中小型設施很少能達到這樣的條件。

為了達到最大獲利,大部分大規模作業的工業機器人,往往都很龐大且動作迅速,在操作的材料及速度上,都超越人類的極限(圖1)。機器人的動量相當高,如果任何人擋在機器人的活動路徑上并受到撞擊,便會受傷甚至死亡。為了保護工作人員的安全,大型工業機器人需要進行隔離,放在可以聯鎖的防護籠或其他屏障后面,確保人員進入機器人作業空間時,機器人便會停機。

自從小型機械手臂問世后,如KUKA Robotics的AGILUS KR 3 R540,工業設施管理人員就有更多的選擇。這些裝置能提供通用的現成平臺,以相對實惠的價格,提供可觀的作業彈性。若與合適的末端效應器連接裝置(如裝在機械手臂末端的抓手或工具)組合在一起,這些通用型平臺可大幅擴大活動范圍,從而打造能實現適當投資報酬率的機器人系統。此外,這些機械手臂可在原先的應用結束后馬上針對不同的動作進行編程,或以不同的末端效應器機構重新設定新用途,因此可增加成本回收的潛力。

這些小型工業機械手臂還有另一個關鍵特性,亦即能夠置入小型的工作空間內,并與現有的生產作業整合。與大型制造設施里的大型機器人不同的是,小型機器人還能當作操作人員的工作伙伴,而不是用來取代人員。此類小型協作機器人(簡稱cobot) 的設計是要近距離與人員協作,無需加設防護籠或其他類似的屏障,以免機器人按著自己的路徑移動時導致人員遭遇危險。與傳統工業機器人相比,小型機械手臂體型更小,活動速度也更慢,因此可在接觸瞬間停止,將受傷的可能性降到最低。此外,機械手臂通常都會內建接近感測器,有助于徹底避免碰撞。

越來越多的廠商已開始針對中小型企業生產工業用的小型機械手臂。其中一個代表性例子便是KUKA Robotics的AGILUS系列,此系列共有三種款式。前面提到的AGILUS KR 3 R540是最小的產品。其運作范圍達兩平方公尺,可處理高達3 kg的工作負載,適合多種組件和材料的搬運應用。AGILUS KR 6 R900-2最多能處理6 kg,而AGILUS KR 10 R1100-2最多能處理10 kg。這三款皆擁有相同的整體外觀和工作行為,并以套件形式供應,附有控制器單元和手持操作器單元,可用來控制、監測并且對機器人的活動進行編程。

使用所有軸來控制機器人的運動需要精湛的編程技能,但現在已有所簡化。機械手臂通常都會隨附控制器電腦及帶有使用者界面的平板電腦,能讓使用者透過簡單的方向按鈕來移動機器人,以到達所需的「定位點」。記錄一連串的定位點后,則可定義出完整的動作順序,讓機器人自動依序動作。有些機器人系統還允許使用者手動將機械手臂定位在所需的點,而非透過方向按鈕操作。

這兩種方法都可透過示范來「教導」機器人應該執行什么動作。隨后,機器人便能在命令下重復執行該動作。讓使用者教導機器人,而不是透過編程,不僅簡化機器人的初始人物設定,還能夠在需求變化時,輕松地調整動作。而控制平板可進一步讓使用者在生產活動期間,根據需求細化和修正動作。

這些具有簡化控制編程功能的機械手臂提供工業自動化解決方案的現成基礎,可根據要執行的任務操縱末端效應器機構的位置。此類末端效應器機構范圍廣泛,從用于抓取、定位和置放作業的簡單抓手,到螺絲起子和鉆頭等機器工具,再到烙鐵和噴漆器等復雜的系統,應有盡有。會依據目標應用決定所需的末端效應器和系統整合作業,以便建立完整的解決方案。

機械手臂廠商及第三方系統整合商都有針對眾多常見的作業設計適合的末端效應器機構。例如,若想拾取及操縱物件,許多廠商都有提供兩指或三指的帶夾爪夾具,以及磁性或真空吸附拾取機構。此外,市面上還有制造和組裝應用所用的鉆頭、螺絲起子、研磨器和刀片。

甚至還有機械手臂廠商能現貨供應完整的應用解決方案。例如KUKA Robotics 就提供一系列「即用型」系統,可進行鉚接、噴漆、電弧焊、點焊以及微小螺絲緊固應用等等(圖5)。這些系統包含末端效應器系統元件、控制器元件、系統軟體以及機械手臂,共同組成預先設定好的自動化套件。

機器人的控制器會聯合設備的其他元件,對工件條碼進行掃描以便追蹤,然后將測量好的工件移至托盤,以便運送至下個加工站或是移至停留站,由操作人員視需求進行調整或更換。機械手臂具有安全功能,能讓操作人員和機器人在同一個工作空間內作業,而不需要防護柵欄或其他屏障,因此不會妨礙工作流程。

自動化任務甚至不必是完整的操作,也能證實具有經濟效益。舉例來說,BMW Group 已將機械手臂整合到現有工作流程中,以生產汽車的加固側梁,目的是將需要精準度的重復性任務從操作人員手中接手,否則操作人員很難在整個工作班次中維持精準度。這項任務是將許多金屬強化板,沿著框架的幾個點放置,再將框架推入自動化焊接站。然而,隨著時間的流逝,重復執行這種簡單的定位工作會使操作人員疲勞,從而導致錯誤增加,產量減少。

BMW 將機械手臂安插到這項作業中,在操作人員清點出正確數量的強化板并將其交給機器人后,讓機器人專門負責正確定位強化板的任務。整個工作流程不需要其他變更。但是,在機器人扛下操作人員的精準放置任務后,即可減少疲勞所造成的錯誤,并確保整個工作班次都維持在該有的產量。機器人具有安全功能,因此能與操作人員并肩工作,而不需要變動工作空間。

結論

工業機器人以往一向被視為大型工業設施的專屬工具,主要原因在于成本、復雜性和安全性。然而,重復性任務的類型不斷增加,從簡單的定位到復雜形狀的噴漆等,采用小型工業機器人的經濟效益可行性也越來越高。

由于空間需求不大、編程簡單、成本不斷下降,而且能輕松安全地整合到以人為中心的既有工作流程中,而無需實體屏障,因此此類機器人可順利加入工作團隊而不會造成中斷。如今,工業自動化已不再只適用于高產量、資金充裕的大型企業,小型工廠也能使用機械手臂。

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