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【综述】工业机器人在家电行业的应用
【综述】
工业机器人在家电行业的应用
当中国家电行业经历了2014年的企业持续创新、产业结构深化调整及渠道变革之后，2015年又成为智能制造的关键年，家电集团企业如海尔、美的、格力、格兰仕及其他各细分领域的家电企业纷纷聚焦工业机器人。究其原因，随着人力成本的快速上升、人口老龄化及新生代劳动人口对工作环境的要求日益提高，造成家电行业普遍出现用工成本高、招工难、一线员工流动频繁等问题，导致产品生产成本大幅攀升，产品品质难以保障。随着家电产品更新换代加快，智能化、小批量、定制化等行业特色呼之而出，在销售价格竞争激烈、利润空间越来越小的当前，改革势在必行。
家电企业提高竞争力一般有两种方式，一是提高产品研发设计能力，增强产品附加值；二是提高生产效率。近几年，很多以外资为代表的生产企业将制造基地转移到东南亚或者其他劳动力成本更为低廉的国家。而对于我国家电制造企业而言，使用“机器换人”成为必然选择，否则将难保持竞争优势而终被淘汰。过往，昂贵的进口机器人和生产线主要在汽车等少数行业使用，传统低附加值的家电行业等制造业领域应用比例偏低，很大程度上制约着国内家电业自动化程度的提高。从2012年起，我国以沈阳新松、广州数控、埃夫特等为代表的国产机器人快速发展，将其高性价比的产品和服务快速应用到家电、五金卫浴、机械制造等行业，已经取得初步成效，能够为家电行业大规模智能制造提供技术保障。因此，如何结合家电行业特点，推动工业机器人产业和家电产业的协同发展，已成为当前家电行业提升制造水平的热点话题。
一、 家电行业机器人应用现状及特点
家电行业对机器人需求的快速增长，受到全球机器人供应商的高度关注，空调、冰箱、热水壶、电饭锅、热水器、电视机、洗衣机等产品整机及零部件生产均可利用工业机器人。以海尔、美的、格力等为代表的具备战略眼光的家电企业已经在考虑利用工业机器人对生产过程进行智能化再造以提高生产效率，进而降低生产成本，提高竞争力。目前，海尔与现代、美的与川崎、格力与那智不二越都已建立战略合作关系。随着国产机器人技术与应用日益成熟，国内已有几家企业也纷纷进入工业机器人领域，如广州数控自2006年规划研制工业机器人，经过9个年头，借助自身积累的控制器、伺服驱动、伺服电机产品基础，已完成系列化的全自主开发，产品负载覆盖了3~200kg，功能包括搬运、冲压上下料、焊接、码垛、涂胶、打磨抛光、切割、喷涂、分拣、装配等,其工业机器人产品已进入了海尔电器、新宝电器、志高空调、格兰仕、方太厨具等众多家电企业，形成了很好的应用示范效果，具备了为家电企业进行智能化改造的技术实力。
家电行业的生产特点：一是规模化生产，形成规模经济，降低生产成本。即便是如今产品追求个性化的时代，家电产品很多零部件也是可以批量化生产，这非常符合工业机器人应用的基础；二是生产效率要求非常高，时间节拍比汽车行业更快。有专家分析，家电行业与汽车行业的最大区别是一条汽车生产线每天生产几百台汽车，节拍以分钟来计算;一条家电生产线每天可生产几千台产品，节拍以秒来计算，标准家电生产线要求机器人的节拍是15秒，这对机器人来说是很大的挑战。因此，单从节拍考虑，家电行业比汽车行业要求更高，在生产线上使用机器人也更难实现；三是制造工艺涉及面广、工艺装备多、材料的品种和规格繁多、制造精度要求高等。
较之通用机械行业，家电制造业有其独特的特点，主要有以下几点：
（1）工艺涉及面极广。涵盖机加工、冷冲压、塑料压制、绝缘处理、电阻焊接、电器元件热处理、弹簧制造、电镀等工艺。
（2）制造工艺装备多。包含机加工装备，冲压机床，热处理设备以及相关的工、量、卡具和模具等。电器制造都是大批制造，一般来说，工艺装备越多，产品质量越稳定而生产效率越高。
（3）材料的品种、规格繁多。在电器制造中，采用的材料品种规格可达数千种，有些材料不仅要有良好的机械性能，还需要有良好的导磁、导电、导热性能，对另外一些材料又要求有很高的绝缘强度和耐导弧性能，另外还对材料提出了耐磨、耐化学、耐腐蚀等苛刻的要求，所有的材料都要求有良好的工艺性。
（4）制造精度高。低压电器在工作过程中，不仅有简单的机械运动，同时还有一系列的电、热、磁能的能量转换。因此，对于电器零件，不仅要求有尺寸、几何形状和位置的精度，还要考虑零件及零件材料的导电、导热、导磁、灭弧、绝缘等性能对产品特性的影响。零部件的精度等级必须满足产品技术参数的要求。如：触头压力、接触电阻、动作参数、动作时间、温升等。
就工艺适合性而言，机器人比较适合应用在对工艺规范性要求严格、简单重复性动作的工序岗位;就与机器人配套使用的设备而言，机器人适合用于要求可靠稳定性高、瞬停故障极低的场合，以确保整体运行效率;就使用空间而言，机器人适合在设备布局宽松的空间下使用(常用机器人使用时占据的空间较大，而且需要配置安全防护栏);就加工产品而言，机器人适合用在对产品一致性要求较高且配套设备或生产线具备工件定位一致的场合;就运行节拍而言，在较大负载或所在设备群工序较多的情况下，机器人适合使用在对运行节拍要求不高的使用场合。
由于家电制造的制造技术及工业机器人的上述特点，目前，搬运、冲压、焊接、涂胶、包装码垛、装配等类型机器人仍然是家电行业机器人的主流，其他像焊接、涂装机器人应用并不多。而且，机器人更多应用于家电生产线的前端和末端，在整个生产线上广泛应用还没有大规模实现。
二、 家电企业生产智能化的路径选择及典型应用案例
在互联网+工业的时代，家电企业首先要做智能产品，来提高产品附加值和迎合消费需求；然后，家电企业实现制造过程智能化，减少人力成本，提高作业效率。家电企业进行生产智能化有几种方式，一是对于有综合实力的大家电企业，自主研发机器人，并应用在自己的生产线上，比如格力电器，美的和安川合作成立机器人公司；二是外购工业机器人，公司内部设立自动化部门，专门研究公司内家电生产制作工艺程序，初期以引进外部自动化集成公司进行技术改造，通过学习后，自己进行技术改造；三是更多的中小企业，选择直接购买机器人设备由集成公司进行技术改造。
由于家电制造的规模化和生产节拍要求的特点，工业机器人在家电制造的应用主要从能规模替代人工的工序岗位开始，比如冲压、搬运、包装码垛等工序岗位，这些岗位的替代具有比较明显的减少人工的应用效果。而实现生产智能化一般又可以分为工作单元、工作岛、柔性自动化生产线、无人车间、智慧工厂等几个阶段。(1)工作岛主要是指单对单联动机加、单对多联机加工；(2)柔性制造系统（FMS）主要指基于网络控制的柔性机加线，应用PLC控制平台，通过工业以态网总线方式，将多台机器人、多台数控机床及其辅助设备联网组线，按节拍有序自动生产；根据生产工序要求规划，将多个柔性自动化生产线通过总控制调度平台、AGV小车等衔接起来，形成整个车间的智能化生产，实现无人车间；(3)而智慧工厂是在无人车间的基础上，整合销售、生产、采购、物流等系统，根据客户需要进行定制化生产，实现智慧生产模式。目前，我国的家电制造智能化改造主要在于工作单元、工作岛或者柔性生产线阶段，逐步过度到无人车间。
例如，广州数控与新宝集团、海尔冰柜、志高空调等家电企业形成战略合作，共同研究机器人应用集成技术，促进双方互相融入各自产业应用。以下介绍工业机器人在冲压、包装码垛等常用工序上的应用。
1、工业机器人在家电钣金冲压工序上的应用
家电制造中有大量的冲压需求，比如电热水壶的壳体、电饭锅的内胆等等，这些岗位工艺节拍要求很高，一般在10s左右，而且用工需求非常大，工人的工作强度非常高，利用工业机器人进行冲压的上下料成为很好的选择方式。需要指出的是，单个机器人相比单个人工，在速度上并不占优势。但是当由若干个机器人与相应设备组成整个生产线的时候，工业机器人的节拍优势就发挥出来了，而且生产线不用停工，24小时生产。
如下图所示，该应用方案为广州数控为顺德一家世界知名小家店企业设计实施的电热水壶壳体精冲生产线。该生产线由一台GPC总控制平台调度11台工业机器人配合10台冲床进行冲压上下料，保证整条生产线各设备有序配合，每日工作10小时可达到产能4000个，比人工产能提高60%。
2、机器人在包装码垛线上应用
产品打包后进行码垛也是家电企业的重要应用，对于大型家电，比如空调、冰箱、电视机等，由于其重量大，装箱依靠人工搬运，劳动强度太大，因此，利用码垛机器人进行搬运装箱是很好的应用。如下图是广州数控为广东志高空调的空调装箱设计的自动化线，该生产线由一台120kg码垛机器人，将流水线上的空调搬运到装箱底座上，然后进行包装，节省了劳动工人，降低了工作强度，生产节拍完全达到用户要求。
三、小结
作为新兴产业的工业机器人，起步晚于家电产业，无论制造工艺水平、控制系统，还是集成应用经验；无论技术标准成熟度，还是专业人才的缺少，都制约当前的发展速度，尚需在摸索中寻求进步。但我们相信，工业机器人将推动家电产业走向自动化、无人化、更高附加值、更具创新的制造业。我们也相信，家电行业将加速工业机器人国产化、规模化应用的进程，两者的深度融合，对于提高中国家电制造业的综合竞争力，普及推广应用工业机器人都具有重大意义。
作者：蒋米仁，涂家金，广州数控设备有限公司
