3C行業(yè)中SCARA運(yùn)用實(shí)踐及未來(lái)展望

通過(guò)對(duì)手機(jī)、家電、PC機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器等EMS企業(yè)和工廠實(shí)際業(yè)務(wù)進(jìn)行總結(jié)，從業(yè)務(wù)需求出發(fā)，得出了一些以SCARA為基礎(chǔ)的智能制造生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、通用化以及應(yīng)用技術(shù)人才培養(yǎng)等方面的經(jīng)驗(yàn)，以期讓更多有志者加入到提升中國(guó)智能制造事業(yè)中來(lái)。自2017年，在中國(guó)制造2025政策趨動(dòng)下，各地政府陸續(xù)推出機(jī)器換人的鼓勵(lì)政策。3C行業(yè)各類工廠智能制造演進(jìn)過(guò)程中，也積極采用機(jī)械手臂取代人手，來(lái)應(yīng)對(duì)制造行業(yè)勞動(dòng)力價(jià)格上漲和員工難招聘的情況。筆者團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近5年的各種嘗試和實(shí)踐，與機(jī)器人制造、機(jī)器人集成運(yùn)用、使用單位團(tuán)隊(duì)逐步形成一個(gè)共同認(rèn)識(shí)：SCARA四輛機(jī)械手更加適合3C制造業(yè)。而且其在許多知名企業(yè)的手機(jī)、家電、PC機(jī)、筆記本電腦和服務(wù)器等生產(chǎn)線大量成功實(shí)踐，取得較好效益，并引起同行的注意。本文從3C行業(yè)制造特點(diǎn)、SCARA適應(yīng)3C行業(yè)制造特點(diǎn)的演進(jìn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)、民間資本參與等三方面來(lái)綜合闡述SCARA在3C行業(yè)智能制造發(fā)展趨勢(shì)。013C行業(yè)制造特點(diǎn)3C產(chǎn)品特點(diǎn)是每一兩年進(jìn)行一次產(chǎn)品更新?lián)Q代。一年迭代周期已經(jīng)是基本無(wú)限接近制造周期、產(chǎn)品研發(fā)、制造投入與銷售回收成本、取得利潤(rùn)的平衡點(diǎn)了。也正是這樣高效的更新?lián)Q代，讓中國(guó)的3C行業(yè)充滿無(wú)限活力，成為中國(guó)機(jī)電產(chǎn)品出口生力軍。近些年來(lái)，工業(yè)級(jí)產(chǎn)品更新速度也出現(xiàn)類似3C類產(chǎn)品的趨勢(shì)。下面以手機(jī)制造流程來(lái)說(shuō)明3C行業(yè)制造特點(diǎn)，這些特點(diǎn)正是3C行業(yè)眾多EMS工廠選擇大批量采用SCARA的技術(shù)原因。（1）固化節(jié)拍時(shí)間手機(jī)制造流程如圖1所示。對(duì)于手機(jī)總裝EMS工廠來(lái)說(shuō)，最大設(shè)備投資是SMT設(shè)備，因此要最大化提高SMT生產(chǎn)線使用效率，而SMT生產(chǎn)線以瓶頸工位錫膏印刷機(jī)最快生產(chǎn)速度15s/pcs為基準(zhǔn)來(lái)設(shè)定SMT生產(chǎn)線產(chǎn)能及設(shè)備配置。隨著精益制造的理念深入運(yùn)用，EMS工廠最大化追求工程中半成品或者在制品數(shù)量最少化（俗稱零WIP在制品），裝配工廠形成以15s或15s的倍數(shù)作為每個(gè)工站節(jié)拍（Cycletime）的模式。圖1

手機(jī)制造流程（2）頻繁換線消費(fèi)者對(duì)3C行業(yè)產(chǎn)品選擇多樣化的需求，直接給EMS廠家的課題是：同一代的同一系列產(chǎn)品有多種配置和型號(hào)，造成生產(chǎn)線一天之內(nèi)需要數(shù)次更換生產(chǎn)機(jī)種。這種頻繁換線是EMS制造效率低下、浪費(fèi)成本的主要因素。如何在實(shí)現(xiàn)隨心所欲滿足市場(chǎng)多樣化需求的同時(shí)，又能在最短時(shí)間實(shí)現(xiàn)換線成為機(jī)器換人推廣過(guò)程中的重要課題。（3）兩年換一代3C行業(yè)產(chǎn)品是創(chuàng)新創(chuàng)意集中地，各大品牌廠家為保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，形成兩年換一代，有些小家電達(dá)到一年換一代產(chǎn)品。這給EMS工廠帶來(lái)的課題是：投入到生產(chǎn)線上的機(jī)器換人的設(shè)備如何做到最大化適用各種產(chǎn)品功能和形態(tài)上的創(chuàng)意以及制造工藝上的進(jìn)化，確保企業(yè)能以低成本、高品質(zhì)制造優(yōu)勢(shì)，來(lái)滿足多樣化市場(chǎng)需求和可持續(xù)發(fā)展。02SCARA在3C行業(yè)運(yùn)用演進(jìn)面對(duì)龐大的市場(chǎng)需求，經(jīng)過(guò)近10年來(lái)，中國(guó)各大EMS工廠技術(shù)人員和機(jī)器人公司、機(jī)器人集成商、各相關(guān)專業(yè)廠商的努力，逐步開(kāi)發(fā)出適應(yīng)3C行業(yè)制造需求的技術(shù)方案，并在實(shí)踐過(guò)程中取得良好效果。下面以筆者團(tuán)隊(duì)參與過(guò)的一些項(xiàng)目中的幾個(gè)典型案例，集中說(shuō)明SCARA在3C行業(yè)內(nèi)技術(shù)演進(jìn)和完善過(guò)程。SCARA相關(guān)技術(shù)路線演進(jìn)趨勢(shì)，如圖2所示。圖2

SCARA相關(guān)技術(shù)路線演進(jìn)趨勢(shì)（1）Cycletime最短化趨勢(shì)目前市場(chǎng)占有率比較高的品牌SCARA標(biāo)稱的標(biāo)準(zhǔn)Cycletime大約在0.37～0.50s。但是這個(gè)數(shù)值在實(shí)際活動(dòng)中僅能作為參考，很少有工程師將廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)Cycletime作為設(shè)計(jì)輸入的依據(jù)。在實(shí)踐活動(dòng)中，SCARA以最高速度進(jìn)行啟動(dòng)、停止過(guò)程中，SCARA的負(fù)載給SCARA本體帶來(lái)顫動(dòng)，需要大約0.5～0.8s才能穩(wěn)定在±0.02mm之內(nèi)。對(duì)于3C行業(yè)，精度是必須要充分考慮的因素。在這種條件下，SCARA完成一個(gè)重復(fù)精度在±0.02mm運(yùn)動(dòng)時(shí)，工程師必須要考慮給1.5～2.0s的時(shí)間。因此生產(chǎn)線Cycletime為15s時(shí)，一個(gè)SCARA工站大約可以完成五六個(gè)動(dòng)作（減去產(chǎn)品進(jìn)出工站的移動(dòng)時(shí)間3s）。而一位熟練的作業(yè)員完成一個(gè)500mm范圍動(dòng)作時(shí)間大約需要1.5s。二者從時(shí)間來(lái)比較，SCARA略勝一籌。但是1s左右的時(shí)間用來(lái)消除顫動(dòng)，很大程度上影響SCARA能效最大化發(fā)揮，還需進(jìn)一步壓縮Cycletime。SCARA顫動(dòng)圖如圖3所示。圖3

SCARA顫動(dòng)很多SCARA機(jī)器人廠商采取各種方法來(lái)壓縮SCARA的實(shí)際Cycletime時(shí)間，比如：①提高伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：同等功率情況下，將伺服電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速調(diào)整到7000r/min以上，或者部分關(guān)節(jié)軸直接采購(gòu)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)。②提高SCARA本體剛性而采用更大直徑的減速機(jī)和絲杠，更小減速比。如SCARA更多采用φ20mm、φ25mm，減速比30、50的減速機(jī)，φ20mm花鍵絲杠作為第三、第四軸的配置等。③采用特殊的驅(qū)動(dòng)器算法，讓驅(qū)動(dòng)電流能隨負(fù)載和位置變化做出跟隨響應(yīng)，讓SCARA停得更穩(wěn)，以消除顫動(dòng)。（2）通用性最大化的解決方案通用性一定要從使用者、系統(tǒng)集成運(yùn)用的維度來(lái)入手化解3C行業(yè)產(chǎn)品快速迭代與產(chǎn)線投資最少化沖突。筆者團(tuán)隊(duì)采取硬件機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、軟件架構(gòu)智能化兩個(gè)措施來(lái)解決。1）硬件機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化。圖4是SCARA比較常見(jiàn)的運(yùn)用示意圖。由機(jī)架及傳送機(jī)構(gòu)、SCARA本體、SCARA工具端、控制系統(tǒng)四部分組成。圖4

SCARA運(yùn)用示意之涂膠工站由于3C行業(yè)的工藝特點(diǎn)，我們將機(jī)架及傳送機(jī)構(gòu)的有效工作范圍尺寸標(biāo)準(zhǔn)化為：L350mm×W400mm、L510mm×W590mm、L750mm×W610mm三種，分別對(duì)應(yīng)SCARA臂長(zhǎng)500mm、600mm、800mm。工具端的法蘭也同樣標(biāo)準(zhǔn)化為能滿足工藝需求的尺寸，這樣最大化提高SCARA設(shè)備的通用性。圖5、圖6是給出的一些實(shí)例。圖5SCARA運(yùn)用示意之某品牌空調(diào)PCBA生產(chǎn)線圖6SCARA運(yùn)用示意之某品牌手機(jī)測(cè)試工站2）軟件架構(gòu)智能化。筆者團(tuán)隊(duì)積累SCARA運(yùn)用各種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出如圖7所示的軟件架構(gòu)圖，針對(duì)3C行業(yè)工藝特點(diǎn)，以SCARA應(yīng)用為基礎(chǔ)，從低層PLC代碼到系統(tǒng)集成企業(yè)云，逐步構(gòu)成面向智能制造的軟件開(kāi)發(fā)、應(yīng)用平臺(tái)，形成一個(gè)企業(yè)軟件標(biāo)準(zhǔn)化、智能化平臺(tái)，同時(shí)為企業(yè)技術(shù)積累沉淀、人才培育、技術(shù)升級(jí)提供一個(gè)統(tǒng)一溝通交流的平臺(tái)。圖7SCARA運(yùn)用軟件架構(gòu)構(gòu)建這個(gè)軟件平臺(tái)最基本的工作之一就是做好軟件功能模塊的定義和劃分，確保軟件接口形式標(biāo)準(zhǔn)化、接口種類多樣化、運(yùn)用程序圖形化。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量生產(chǎn)實(shí)踐項(xiàng)目、工程師們耐心仔細(xì)分析和解析現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，逐漸打造出不同功能模塊，可方便拼接成適合具體項(xiàng)目的軟件，如圖8所示。圖8SCARA運(yùn)用軟件模塊示意（3）換模時(shí)間最短化在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中，換模存在以下兩種操作過(guò)程。1）第一次在智能生產(chǎn)線生產(chǎn)，需要啟動(dòng)NPI流程，編制設(shè)備工藝程序，制作特定工冶模具等，再按流程作業(yè)。2）已經(jīng)完成NPI流程，已經(jīng)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)備工藝程序和特定工冶模具，按生產(chǎn)指令要求，更換指定工藝程序和工冶模具，完成生產(chǎn)換型活動(dòng)。在實(shí)踐過(guò)程中這兩種情形都要充分進(jìn)行考慮。1）的解決方案核心點(diǎn)就是建立成離線編程和仿真系統(tǒng)，這方面市場(chǎng)都有較成熟的軟件平臺(tái)，充分利用好這些成熟軟件就能很好地解決這類問(wèn)題。對(duì)于2），充分利用硬件標(biāo)準(zhǔn)化、軟件智能化的優(yōu)勢(shì)，做到由MES系統(tǒng)引導(dǎo)智能生產(chǎn)線無(wú)縫換模。其動(dòng)作流程是：通過(guò)產(chǎn)品ID掃碼觸發(fā)，掃碼完成后，智能工站系統(tǒng)獲取完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，再向企業(yè)的MES發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)；企業(yè)MES將生產(chǎn)指令下發(fā)后，由智能工站系統(tǒng)解析，再將指令分類傳輸?shù)礁髟O(shè)備執(zhí)行，如圖9所示。如果在沒(méi)有二維碼、條碼、RFID的情況下，采用CMOS相機(jī)從產(chǎn)品外觀上識(shí)別型號(hào)也能取得很好的效果。圖9智能工站系統(tǒng)快速換型示意（4）維護(hù)成本最小化綜上所述，以SCARA工作站組成如此復(fù)雜的生產(chǎn)線，在使用單位來(lái)看需要較多高技能人員進(jìn)行維護(hù)和支持。帶來(lái)兩個(gè)直接問(wèn)題：一是這些人才從哪里獲得；二是人力成本有無(wú)增加。投入一個(gè)成本約16萬(wàn)元應(yīng)用SCARA的智能工站替代兩名作業(yè)員（薪酬6萬(wàn)元/年?人），同時(shí)配套一個(gè)智能設(shè)備技術(shù)員（薪酬9萬(wàn)元/年?人）確保智能設(shè)備正確使用。實(shí)踐中呈現(xiàn)出來(lái)的數(shù)據(jù)如圖10所示：隨著智能設(shè)備臺(tái)數(shù)增加，成本回收年數(shù)會(huì)控制在兩年以內(nèi)。圖10智能工站投入與成本回收關(guān)系在5年以內(nèi)投資回報(bào)率高達(dá)100%，這也引吸了民間小資本的關(guān)注，近一兩年在華南地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)智能設(shè)備租賃商業(yè)形態(tài)。熟練智能設(shè)備應(yīng)用人才是普及SCARA推廣的關(guān)鍵因素，政府、高校、企業(yè)都非常重視這類人才的培育工作。筆者團(tuán)隊(duì)陸續(xù)與一兩家職業(yè)技能、普通高等教育院校開(kāi)展一些合作，派駐專業(yè)的技術(shù)人員編制實(shí)驗(yàn)教材、提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備，協(xié)助院校老師開(kāi)展學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)，引發(fā)學(xué)生興趣，加快學(xué)生對(duì)智能制造設(shè)備的理解，快速掌握基本維護(hù)、調(diào)整技能，為