Delta機器人在精密3C制造領域中的應用

摘要：在精密3C制造領域中，Delta機器人可適用于多種工序與工作場景，推動實現生產自動化及生產效益的大幅度提升。本文通過闡述Delta機器人在3C零部件生產中應用的成功案例以及所能適用的生產場景，表明了Delta機器人在精密3C制造領域的推廣普及對行業的發展具有戰略意義，同時也推動了整個行業的自動化進程，極大的促進了生產力的發展。

關鍵詞：機器人，Delta，3C制造，自動化，應用

Application of Delta robot in precision 3C manufacturing

Abstract: In the field of precision 3C manufacturing, Delta robots can be applied to a variety of processes and work scenarios to promote the realization of production automation and a substantial increase in production efficiency. This article explains the successful application of Delta robots in the production of 3C parts and the applicable production scenarios, which shows that the promotion and popularization of Delta robots in the field of precision 3C manufacturing is of strategic significance to the development of the industry, and it also promotes the development of the entire industry. The process of automation has greatly promoted the development of productivity.

Keywords: Robot, Delta, 3C manufacturing, automation, application

 

引言

隨著工業4.0以及中國制造2025戰略的逐步推進，越來越多的機器人被應用于各個工業制造領域中^[1]。機器人的普及應用為制造類行業在生產效率的提升以及減少人力成本等方面都帶來了巨大的變革與收益提升。與此同時，我國當前仍存在大多數中小型企業生產自動化程度不高的情況，這些企業在許多生產環節保持著人工作業的情況，這些不僅會影響企業的生產效率與成本，同時還制約著企業的更進一步發展^[2-3]。

隨著各類電子產品的普及和高速更替，在精密3C制造領域中，相關生產企業對生產過程中效率提升與成本降低的訴求也越來越迫切，需要通過提升生產自動化程度來實現企業更好的發展。工業機器人按照結構特點主要可以分為串聯機器人與并聯機器人^[4-5]。并聯機器人因其具有運動精度高、速度快、穩定性好以及結構緊湊靈活性強等特點，能更好的滿足精密3C制造領域產品體積小、對設備精度要求高的要求^[6-7]。

Delta機器人是最經典的并聯機構，同時也是目前應用最為廣泛的高速并聯機器人之一。目前，Delta機器人已廣泛應用于食品、機械、冶金、建材等許多傳統加工制造領域，而在精密3C制造領域的普及程度并不是很高^[8-10]。在精密3C制造領域中，Delta機器人可代替人工進行產品擺盤、包裝、分揀等工序的生產，實現高效、柔性、清潔的自動化生產模式。本文旨在闡述Delta機器人在精密3C制造領域中的生產應用，并展示了Delta機器人在該領域的成功使用案例及應用前景。

1.雙軸Delta機器人在3C零部件產品編帶包裝中的應用

在精密3C制造領域中，許多支架、屏蔽罩及墊片類產品是以編帶包裝的形式進行包裝出貨，這些產品中有許多體積較小，尤其是墊片類產品在進行自動包裝時對抓取產品所使用的機器人精度及運動速度要求均較高。Delta機器人所具有的多種優良特性都能很好的滿足3C零部件產品自動包裝過程中的生產需求，實現對產品的精準取放及高速包裝，不僅大大提高了產品的包裝效率，同時還節約了人力成本。

在產品自動編帶包裝過程中，主要采用振動料斗對產品進行排序，然后使用機器人將產品抓取后放置于產品底帶型腔中的模式進行生產。在該生產過程中，機器人所需的運動形式主要為二維平面內的往復運動，因此采用結構相對簡單且體積較小的的雙軸Delta機器人即可滿足使用要求。雙軸Delta機器人采用雙伺服電機進行運動控制，其末端動平臺安裝真空吸盤進行產品的抓取與放置，同時配合編帶包裝機共同采用PLC控制器進行運動控制，最終實現產品的自動編帶包裝。

雙軸Delta機器人主要由靜平臺、動平臺、主動臂與從動臂組成，在進行Delta機器人的開發設計時，首先需要確立機器人坐標系，進行機器人算法分析及機構模型的建立，最終得出機器人的運動學方程及工作空間，最終根據實際機器人工作范圍需求確定Delta機器人的各項結構參數。結合雙軸Delta機器人靜平臺坐標系原點O與靜平臺各定點間的位置關系，以及動平臺的坐標關系，則可得到：     (1)                          

其中為主動臂長度，為從動臂長度，R為靜平臺頂點到靜平臺原點長度，r為動平臺頂點到動平臺原點長度。簡化可得到旋轉角度與坐標的關系式：                 (2)

其中、分別為Delta機器人兩軸的旋轉角度，根據關系式（2）可得到機器人算法程序。利用MATLAB軟件即可計算出機器人的工作空間，對機器人的運動路徑進行模擬，即可對機器人的工作范圍與實際需求進行判定是否滿足需求。在確立Delta各項基本參數后，進行具體的結構設計，最終完成雙軸Delta機器人的機械結構開發。

圖1.1 Delta機器人控制系統

機器人的控制系統是機器人的核心部分，在完成雙軸Delta機器人的機械結構設計后，更重要的是進行其控制系統的設計。雙軸Delta機器人的控制系統主要包括運動控制器、驅動元器件及執行電機三大部分，主要控制模式如圖1.1所示。機器人的控制系統通過控制電路中所包含的硬件部分與軟件程序相結合，共同完成對機器人的控制，同時協調機器人與配合使用設備的關系。

圖1.2總體控制流程圖

完成Delta機器人的機械結構與控制系統設計后，最終結合編帶包裝機及振動料斗完成整套設備的開發。設備的整體系統控制流程圖如圖1.2所示，按照這個控制流程，設備進行完整的編帶包裝生產。整套設備在使用過程中，配合各種檢測傳感器，實現了產品的自動化生產。該設備的投入使用不僅將生產效率提升了105.8%，同時節省了人力成本，大大提升了整體的生產效益。

2.Delta機器人在3C零部件生產領域的多種應用模式

在精密3C制造領域中，許多生產環節都可以依靠Delta機器人的推廣使用，實現生產效益的提升。根據適用場景的不同，對機器人的工作空間需求也不同。雙軸Delta機器人為二自由度機器人，適用于運動路徑在二維平面內的工作場景，而其他更為復雜的工作場景則需要使用三自由度或更高自由度的Delta機器人。

當前，Delta機器人在3C零部件生產中主要用于產品的包裝、擺盤等工序，同時與其他工序設備相配合，完成整套工序自動化生產。例如在工藝流程為沖壓-清洗-電泳-切斷落料-激光鐳雕-貼膜-分選-包裝的產品生產過程中，三軸Delta機器人配合自動切斷、自動鐳雕及自動貼膜設備可實現電泳工序后產品剩余工序的自動化生產（圖2.1）。除此以外，還可以將視覺系統、傳送帶跟蹤、引導等先進的智能化技術與Delta機器人本體結合進行創新研究，這樣Delta機器人不僅可以用于包裝、擺盤等工序，還可以應用于檢測、分選等工序，從而提高生產線的自動化、智能化水平。

圖2.1 自動化產品生產線

3.結束語

Delta機器人所具備的各項優異性能可以滿足3C零部件產品在生產過程中對于高精度、高效率、高穩定性的要求，同時配合不同的末端執行器與其他智能化技術，可實現包裝、擺盤、分選、檢測等多個工序的自動化生產。通過目前Delta機器人在生產中使用情況可以表明，Delta機器人在精密3C制造領域具有很好的應用空間，能夠為該領域生產企業帶來減員增效的效益成果，同時當前的成功開發應用案例也為后續發展積累了經驗，因此具有重要借鑒意義。

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