Delta机器人在精密3C制造领域中的应用

摘要：在精密3C制造领域中，Delta机器人可适用于多种工序与工作场景，推动实现生产自动化及生产效益的大幅度提升。本文通过阐述Delta机器人在3C零部件生产中应用的成功案例以及所能适用的生产场景，表明了Delta机器人在精密3C制造领域的推广普及对行业的发展具有战略意义，同时也推动了整个行业的自动化进程，极大的促进了生产力的发展。

关键词：机器人，Delta，3C制造，自动化，应用

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

随着工业4.0以及中国制造2025战略的逐步推进，越来越多的机器人被应用于各个工业制造领域中^[1]。机器人的普及应用为制造类行业在生产效率的提升以及减少人力成本等方面都带来了巨大的变革与收益提升。与此同时，我国当前仍存在大多数中小型企业生产自动化程度不高的情况，这些企业在许多生产环节保持着人工作业的情况，这些不仅会影响企业的生产效率与成本，同时还制约着企业的更进一步发展^[2-3]。

随着各类电子产品的普及和高速更替，在精密3C制造领域中，相关生产企业对生产过程中效率提升与成本降低的诉求也越来越迫切，需要通过提升生产自动化程度来实现企业更好的发展。工业机器人按照结构特点主要可以分为串联机器人与并联机器人^[4-5]。并联机器人因其具有运动精度高、速度快、稳定性好以及结构紧凑灵活性强等特点，能更好的满足精密3C制造领域产品体积小、对设备精度要求高的要求^[6-7]。

Delta机器人是最经典的并联机构，同时也是目前应用最为广泛的高速并联机器人之一。目前，Delta机器人已广泛应用于食品、机械、冶金、建材等许多传统加工制造领域，而在精密3C制造领域的普及程度并不是很高^[8-10]。在精密3C制造领域中，Delta机器人可代替人工进行产品摆盘、包装、分拣等工序的生产，实现高效、柔性、清洁的自动化生产模式。本文旨在阐述Delta机器人在精密3C制造领域中的生产应用，并展示了Delta机器人在该领域的成功使用案例及应用前景。

1.双轴Delta机器人在3C零部件产品编带包装中的应用

在精密3C制造领域中，许多支架、屏蔽罩及垫片类产品是以编带包装的形式进行包装出货，这些产品中有许多体积较小，尤其是垫片类产品在进行自动包装时对抓取产品所使用的机器人精度及运动速度要求均较高。Delta机器人所具有的多种优良特性都能很好的满足3C零部件产品自动包装过程中的生产需求，实现对产品的精准取放及高速包装，不仅大大提高了产品的包装效率，同时还节约了人力成本。

在产品自动编带包装过程中，主要采用振动料斗对产品进行排序，然后使用机器人将产品抓取后放置于产品底带型腔中的模式进行生产。在该生产过程中，机器人所需的运动形式主要为二维平面内的往复运动，因此采用结构相对简单且体积较小的的双轴Delta机器人即可满足使用要求。双轴Delta机器人采用双伺服电机进行运动控制，其末端动平台安装真空吸盘进行产品的抓取与放置，同时配合编带包装机共同采用PLC控制器进行运动控制，最终实现产品的自动编带包装。

双轴Delta机器人主要由静平台、动平台、主动臂与从动臂组成，在进行Delta机器人的开发设计时，首先需要确立机器人坐标系，进行机器人算法分析及机构模型的建立，最终得出机器人的运动学方程及工作空间，最终根据实际机器人工作范围需求确定Delta机器人的各项结构参数。结合双轴Delta机器人静平台坐标系原点O与静平台各定点间的位置关系，以及动平台的坐标关系，则可得到：     (1)                          

其中为主动臂长度，为从动臂长度，R为静平台顶点到静平台原点长度，r为动平台顶点到动平台原点长度。简化可得到旋转角度与坐标的关系式：                 (2)

其中、分别为Delta机器人两轴的旋转角度，根据关系式（2）可得到机器人算法程序。利用MATLAB软件即可计算出机器人的工作空间，对机器人的运动路径进行模拟，即可对机器人的工作范围与实际需求进行判定是否满足需求。在确立Delta各项基本参数后，进行具体的结构设计，最终完成双轴Delta机器人的机械结构开发。

图1.1 Delta机器人控制系统

机器人的控制系统是机器人的核心部分，在完成双轴Delta机器人的机械结构设计后，更重要的是进行其控制系统的设计。双轴Delta机器人的控制系统主要包括运动控制器、驱动元器件及执行电机三大部分，主要控制模式如图1.1所示。机器人的控制系统通过控制电路中所包含的硬件部分与软件程序相结合，共同完成对机器人的控制，同时协调机器人与配合使用设备的关系。

图1.2总体控制流程图

完成Delta机器人的机械结构与控制系统设计后，最终结合编带包装机及振动料斗完成整套设备的开发。设备的整体系统控制流程图如图1.2所示，按照这个控制流程，设备进行完整的编带包装生产。整套设备在使用过程中，配合各种检测传感器，实现了产品的自动化生产。该设备的投入使用不仅将生产效率提升了105.8%，同时节省了人力成本，大大提升了整体的生产效益。

2.Delta机器人在3C零部件生产领域的多种应用模式

在精密3C制造领域中，许多生产环节都可以依靠Delta机器人的推广使用，实现生产效益的提升。根据适用场景的不同，对机器人的工作空间需求也不同。双轴Delta机器人为二自由度机器人，适用于运动路径在二维平面内的工作场景，而其他更为复杂的工作场景则需要使用三自由度或更高自由度的Delta机器人。

当前，Delta机器人在3C零部件生产中主要用于产品的包装、摆盘等工序，同时与其他工序设备相配合，完成整套工序自动化生产。例如在工艺流程为冲压-清洗-电泳-切断落料-激光镭雕-贴膜-分选-包装的产品生产过程中，三轴Delta机器人配合自动切断、自动镭雕及自动贴膜设备可实现电泳工序后产品剩余工序的自动化生产（图2.1）。除此以外，还可以将视觉系统、传送带跟踪、引导等先进的智能化技术与Delta机器人本体结合进行创新研究，这样Delta机器人不仅可以用于包装、摆盘等工序，还可以应用于检测、分选等工序，从而提高生产线的自动化、智能化水平。

图2.1 自动化产品生产线

3.结束语

Delta机器人所具备的各项优异性能可以满足3C零部件产品在生产过程中对于高精度、高效率、高稳定性的要求，同时配合不同的末端执行器与其他智能化技术，可实现包装、摆盘、分选、检测等多个工序的自动化生产。通过目前Delta机器人在生产中使用情况可以表明，Delta机器人在精密3C制造领域具有很好的应用空间，能够为该领域生产企业带来减员增效的效益成果，同时当前的成功开发应用案例也为后续发展积累了经验，因此具有重要借鉴意义。

参考文献：

• 冯李航，张为公，龚宗洋.Delta系列并联机器人研究进展与现状[J].机器人，2014(3):

375-384.

• 王燕囡，何文明，梁殿胜.并联机器人在包装盒装箱线中的应用研究[J].机电工程技术，2017,46(12):11-13.
• 陈艳娟.Delta机器人轨迹跟踪控制仿真研究[D].兰州理工大学，
• 张研.工业机器人发展的四种趋势[J].建筑工程技术与设计，2018(13),ISSN:2095-6630.
• Zhang L M，Mei J P，Zhao X M，et al.Dimensional synthesis of the Delta robot using transmissio angle constraints [J].Robotica, 2012,30(PT.3):p.343-349.
• 黄真，孔令富，方跃法.并联机器人机构学理论及控制[M].北京：机械工业出版社.1997.
• 刘凤臣，刘黎明.高速搬运机器人产业应用及发展[J].轻工机械，2012,30(2):108-112.
• 葛旋.基于机器视觉的机器人搬运系统[D].山东科技大学，
• 黄佳红.Delta机器人在瓷砖分拣包装自动化生产线上的应用[J].机器人技术与应用，2014 (3):60-62.
• 李政德.机器人系统在液态奶包装生产中的应用[J].机器人技术与应用，2014(3):52-55.