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【綜述】工業(yè)機器人在家電行業(yè)的應用
【綜述】
工業(yè)機器人在家電行業(yè)的應用
當中國家電行業(yè)經歷了2014年的企業(yè)持續(xù)創(chuàng)新、產業(yè)結構深化調整及渠道變革之后，2015年又成為智能制造的關鍵年，家電集團企業(yè)如海爾、美的、格力、格蘭仕及其他各細分領域的家電企業(yè)紛紛聚焦工業(yè)機器人。究其原因，隨著人力成本的快速上升、人口老齡化及新生代勞動人口對工作環(huán)境的要求日益提高，造成家電行業(yè)普遍出現(xiàn)用工成本高、招工難、一線員工流動頻繁等問題，導致產品生產成本大幅攀升，產品品質難以保障。隨著家電產品更新?lián)Q代加快，智能化、小批量、定制化等行業(yè)特色呼之而出，在銷售價格競爭激烈、利潤空間越來越小的當前，改革勢在必行。
家電企業(yè)提高競爭力一般有兩種方式，一是提高產品研發(fā)設計能力，增強產品附加值；二是提高生產效率。近幾年，很多以外資為代表的生產企業(yè)將制造基地轉移到東南亞或者其他勞動力成本更為低廉的國家。而對于我國家電制造企業(yè)而言，使用“機器換人”成為必然選擇，否則將難保持競爭優(yōu)勢而終被淘汰。過往，昂貴的進口機器人和生產線主要在汽車等少數(shù)行業(yè)使用，傳統(tǒng)低附加值的家電行業(yè)等制造業(yè)領域應用比例偏低，很大程度上制約著國內家電業(yè)自動化程度的提高。從2012年起，我國以沈陽新松、廣州數(shù)控、埃夫特等為代表的國產機器人快速發(fā)展，將其高性價比的產品和服務快速應用到家電、五金衛(wèi)浴、機械制造等行業(yè)，已經取得初步成效，能夠為家電行業(yè)大規(guī)模智能制造提供技術保障。因此，如何結合家電行業(yè)特點，推動工業(yè)機器人產業(yè)和家電產業(yè)的協(xié)同發(fā)展，已成為當前家電行業(yè)提升制造水平的熱點話題。
一、 家電行業(yè)機器人應用現(xiàn)狀及特點
家電行業(yè)對機器人需求的快速增長，受到全球機器人供應商的高度關注，空調、冰箱、熱水壺、電飯鍋、熱水器、電視機、洗衣機等產品整機及零部件生產均可利用工業(yè)機器人。以海爾、美的、格力等為代表的具備戰(zhàn)略眼光的家電企業(yè)已經在考慮利用工業(yè)機器人對生產過程進行智能化再造以提高生產效率，進而降低生產成本，提高競爭力。目前，海爾與現(xiàn)代、美的與川崎、格力與那智不二越都已建立戰(zhàn)略合作關系。隨著國產機器人技術與應用日益成熟，國內已有幾家企業(yè)也紛紛進入工業(yè)機器人領域，如廣州數(shù)控自2006年規(guī)劃研制工業(yè)機器人，經過9個年頭，借助自身積累的控制器、伺服驅動、伺服電機產品基礎，已完成系列化的全自主開發(fā)，產品負載覆蓋了3~200kg，功能包括搬運、沖壓上下料、焊接、碼垛、涂膠、打磨拋光、切割、噴涂、分揀、裝配等,其工業(yè)機器人產品已進入了海爾電器、新寶電器、志高空調、格蘭仕、方太廚具等眾多家電企業(yè)，形成了很好的應用示范效果，具備了為家電企業(yè)進行智能化改造的技術實力。
家電行業(yè)的生產特點：一是規(guī)模化生產，形成規(guī)模經濟，降低生產成本。即便是如今產品追求個性化的時代，家電產品很多零部件也是可以批量化生產，這非常符合工業(yè)機器人應用的基礎；二是生產效率要求非常高，時間節(jié)拍比汽車行業(yè)更快。有專家分析，家電行業(yè)與汽車行業(yè)的最大區(qū)別是一條汽車生產線每天生產幾百臺汽車，節(jié)拍以分鐘來計算;一條家電生產線每天可生產幾千臺產品，節(jié)拍以秒來計算，標準家電生產線要求機器人的節(jié)拍是15秒，這對機器人來說是很大的挑戰(zhàn)。因此，單從節(jié)拍考慮，家電行業(yè)比汽車行業(yè)要求更高，在生產線上使用機器人也更難實現(xiàn)；三是制造工藝涉及面廣、工藝裝備多、材料的品種和規(guī)格繁多、制造精度要求高等。
較之通用機械行業(yè)，家電制造業(yè)有其獨特的特點，主要有以下幾點：
（1）工藝涉及面極廣。涵蓋機加工、冷沖壓、塑料壓制、絕緣處理、電阻焊接、電器元件熱處理、彈簧制造、電鍍等工藝。
（2）制造工藝裝備多。包含機加工裝備，沖壓機床，熱處理設備以及相關的工、量、卡具和模具等。電器制造都是大批制造，一般來說，工藝裝備越多，產品質量越穩(wěn)定而生產效率越高。
（3）材料的品種、規(guī)格繁多。在電器制造中，采用的材料品種規(guī)格可達數(shù)千種，有些材料不僅要有良好的機械性能，還需要有良好的導磁、導電、導熱性能，對另外一些材料又要求有很高的絕緣強度和耐導弧性能，另外還對材料提出了耐磨、耐化學、耐腐蝕等苛刻的要求，所有的材料都要求有良好的工藝性。
（4）制造精度高。低壓電器在工作過程中，不僅有簡單的機械運動，同時還有一系列的電、熱、磁能的能量轉換。因此，對于電器零件，不僅要求有尺寸、幾何形狀和位置的精度，還要考慮零件及零件材料的導電、導熱、導磁、滅弧、絕緣等性能對產品特性的影響。零部件的精度等級必須滿足產品技術參數(shù)的要求。如：觸頭壓力、接觸電阻、動作參數(shù)、動作時間、溫升等。
就工藝適合性而言，機器人比較適合應用在對工藝規(guī)范性要求嚴格、簡單重復性動作的工序崗位;就與機器人配套使用的設備而言，機器人適合用于要求可靠穩(wěn)定性高、瞬停故障極低的場合，以確保整體運行效率;就使用空間而言，機器人適合在設備布局寬松的空間下使用(常用機器人使用時占據(jù)的空間較大，而且需要配置安全防護欄);就加工產品而言，機器人適合用在對產品一致性要求較高且配套設備或生產線具備工件定位一致的場合;就運行節(jié)拍而言，在較大負載或所在設備群工序較多的情況下，機器人適合使用在對運行節(jié)拍要求不高的使用場合。
由于家電制造的制造技術及工業(yè)機器人的上述特點，目前，搬運、沖壓、焊接、涂膠、包裝碼垛、裝配等類型機器人仍然是家電行業(yè)機器人的主流，其他像焊接、涂裝機器人應用并不多。而且，機器人更多應用于家電生產線的前端和末端，在整個生產線上廣泛應用還沒有大規(guī)模實現(xiàn)。
二、 家電企業(yè)生產智能化的路徑選擇及典型應用案例
在互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)的時代，家電企業(yè)首先要做智能產品，來提高產品附加值和迎合消費需求；然后，家電企業(yè)實現(xiàn)制造過程智能化，減少人力成本，提高作業(yè)效率。家電企業(yè)進行生產智能化有幾種方式，一是對于有綜合實力的大家電企業(yè)，自主研發(fā)機器人，并應用在自己的生產線上，比如格力電器，美的和安川合作成立機器人公司；二是外購工業(yè)機器人，公司內部設立自動化部門，專門研究公司內家電生產制作工藝程序，初期以引進外部自動化集成公司進行技術改造，通過學習后，自己進行技術改造；三是更多的中小企業(yè)，選擇直接購買機器人設備由集成公司進行技術改造。
由于家電制造的規(guī)模化和生產節(jié)拍要求的特點，工業(yè)機器人在家電制造的應用主要從能規(guī)模替代人工的工序崗位開始，比如沖壓、搬運、包裝碼垛等工序崗位，這些崗位的替代具有比較明顯的減少人工的應用效果。而實現(xiàn)生產智能化一般又可以分為工作單元、工作島、柔性自動化生產線、無人車間、智慧工廠等幾個階段。(1)工作島主要是指單對單聯(lián)動機加、單對多聯(lián)機加工；(2)柔性制造系統(tǒng)（FMS）主要指基于網(wǎng)絡控制的柔性機加線，應用PLC控制平臺，通過工業(yè)以態(tài)網(wǎng)總線方式，將多臺機器人、多臺數(shù)控機床及其輔助設備聯(lián)網(wǎng)組線，按節(jié)拍有序自動生產；根據(jù)生產工序要求規(guī)劃，將多個柔性自動化生產線通過總控制調度平臺、AGV小車等銜接起來，形成整個車間的智能化生產，實現(xiàn)無人車間；(3)而智慧工廠是在無人車間的基礎上，整合銷售、生產、采購、物流等系統(tǒng)，根據(jù)客戶需要進行定制化生產，實現(xiàn)智慧生產模式。目前，我國的家電制造智能化改造主要在于工作單元、工作島或者柔性生產線階段，逐步過度到無人車間。
例如，廣州數(shù)控與新寶集團、海爾冰柜、志高空調等家電企業(yè)形成戰(zhàn)略合作，共同研究機器人應用集成技術，促進雙方互相融入各自產業(yè)應用。以下介紹工業(yè)機器人在沖壓、包裝碼垛等常用工序上的應用。
1、工業(yè)機器人在家電鈑金沖壓工序上的應用
家電制造中有大量的沖壓需求，比如電熱水壺的殼體、電飯鍋的內膽等等，這些崗位工藝節(jié)拍要求很高，一般在10s左右，而且用工需求非常大，工人的工作強度非常高，利用工業(yè)機器人進行沖壓的上下料成為很好的選擇方式。需要指出的是，單個機器人相比單個人工，在速度上并不占優(yōu)勢。但是當由若干個機器人與相應設備組成整個生產線的時候，工業(yè)機器人的節(jié)拍優(yōu)勢就發(fā)揮出來了，而且生產線不用停工，24小時生產。
如下圖所示，該應用方案為廣州數(shù)控為順德一家世界知名小家店企業(yè)設計實施的電熱水壺殼體精沖生產線。該生產線由一臺GPC總控制平臺調度11臺工業(yè)機器人配合10臺沖床進行沖壓上下料，保證整條生產線各設備有序配合，每日工作10小時可達到產能4000個，比人工產能提高60%。
2、機器人在包裝碼垛線上應用
產品打包后進行碼垛也是家電企業(yè)的重要應用，對于大型家電，比如空調、冰箱、電視機等，由于其重量大，裝箱依靠人工搬運，勞動強度太大，因此，利用碼垛機器人進行搬運裝箱是很好的應用。如下圖是廣州數(shù)控為廣東志高空調的空調裝箱設計的自動化線，該生產線由一臺120kg碼垛機器人，將流水線上的空調搬運到裝箱底座上，然后進行包裝，節(jié)省了勞動工人，降低了工作強度，生產節(jié)拍完全達到用戶要求。
三、小結
作為新興產業(yè)的工業(yè)機器人，起步晚于家電產業(yè)，無論制造工藝水平、控制系統(tǒng)，還是集成應用經驗；無論技術標準成熟度，還是專業(yè)人才的缺少，都制約當前的發(fā)展速度，尚需在摸索中尋求進步。但我們相信，工業(yè)機器人將推動家電產業(yè)走向自動化、無人化、更高附加值、更具創(chuàng)新的制造業(yè)。我們也相信，家電行業(yè)將加速工業(yè)機器人國產化、規(guī)模化應用的進程，兩者的深度融合，對于提高中國家電制造業(yè)的綜合競爭力，普及推廣應用工業(yè)機器人都具有重大意義。
作者：蔣米仁，涂家金，廣州數(shù)控設備有限公司
