世界报道:并联机器人如何优化、简化电子制造流程

并联机器人的体积相对较小，用于食品、药品包装以及电子器件装配。并联机器人具有出色的精度和高速性能，使其非常适合这些应用。这类机器人的此种并联运动学特性使得快速、准确地运动成为可能，也使其拥有了与铰接臂机器人截然不同的蜘蛛般外形。

并联机器人一般情况下安装在天花板上，以便从上方在移动的装配和包装生产线进行操作。这种机器人的工作容积比铰接臂小得多，进入有限空间的能力也非常有限。也就是说，刚度和可重复性是这种机器人在精密工件的高精度加工过程中的有利条件——包括在装配过程中的半导体器件。

(资料图片)

并联机器人的背景知识

工业机器人大致可分为移动机器人、串联机械手或并联机械手。

移动机器人包括地面自主车辆 (AGV) 和自动叉车，这类机器人经设定后，主要用于在工厂和仓库中移动材料。

归类为串联机械手的机器人具有一连串用来连接固定基座和终端效应器的运动联杆；这类机器人包括铰接臂和线性机器人。由于每根联杆的刚度和位置精确度都取决于前一根联杆，因此，联杆离基座越远，串行机械手的精确度和刚度就越低。虽然有例外，但这种结构往往将六轴机器人的精确度限制在数个毫米之内...而且在快速移动到新位置并停止后，其末端效应器将振荡一段时间后才会稳定下来。

在许多与并联机器人相同的应用中，有一种串联机械手是选择性顺应铰接式机械臂或 SCARA 机器人。这种机器人在机械方面相当简单，有两个旋转式关节，以使其轴线相互平行，同时和第三条线性轴平行。两个旋转式关节提供单一平面内的 X - Y 定位，而第三个线性轴则提供沿 Z 方向上的运动。虽然 SCARA 可能没有并联机器人那样的精度，但其成本相对较低并能相当快速地执行任务——甚至是在狭窄空间内。

并联机器人是一种并联机械手，有三个平行四边形同时连接至位于末端效应器端部的刚性体上。可以在相对于机器人基座的一个自由度上驱动每个平行四边形的基座。并联机器人通常安装在天花板上，在输送机或工件上方进行操作。

与串联机械手相比，归类为并联机械手的机器人（包括并联机器人）有多个运动学联杆将末端效应器与底座连接起来。这种形态的机器人其自身结构比串联式机器人的结构更坚固、刚性更强、重量更轻。这种轻型、刚性结构使得并联机器人能够迅速加速，实现非常短的操作周期。另一类型并联机械手是 Stewart 平台或六爪机器人；这类机器人拥有最高的刚度、精度和速度——通常用于在精密光学应用中实时校正振动。

通常情况下，并联机器人的每个平行四边形都是由旋转电机以线性驱动方式来驱动的。（IgusDrylin 系列的低成本并联机器人采用了一种不太常见的线性驱动配置）。平行四边形的耦合限制了末端效应器只能进行平移。这使其具有了与三轴线性机器相同的运动度，但结构更坚硬、重量更轻。这种配置的另一个优势在于，驱动电机的本体位于（通常是安装在天花板上的）底座中，因此这种机器人的所有运动部件都是受驱式轻型结构件。一些并联机器人在末端效应器上以串联方式安装了额外的旋转轴，以提供四、五或六轴运动。

并联机器人应用概述

并联机器人广泛用于电子组装以及食品、药品包装的拾放应用。当并联机器人在一个或多个传送带或移动装配平台上工作时，工件被传送或以其他方式输送到该机器人的工作范围内。然后，视觉系统识别零件的确切位置和方向，以指引机器人抓取零件的位置和时间或以其他方式操作该零件。

图 ：这种由伺服电机驱动的并联机器人在三个自由度 (DOF) 以及一个旋转轴上以每分钟 200 个周期的速度移动。控制器能以 2 毫秒的响应时间控制这些机器人的轴，以便与输送机和其他任务同步。事实上，另一种并联器人是 Quattro。这种机器人有四个而不是三个平行四边形与底座和末端效应器连接，以便在高速下实现高刚性和定位精确度。（图片来源：Omron Automation）

因此，并联机器人可能会抓取物品，然后将其移动到所需的位置。接下来，机器人可能会在目标地点和方向上将物品放下。例如，并联机器人可以在传送带上随机抓取电子元器件，并将其组装到由第二条传送带送至工作单元的电路板上。

多个并联机器人通常沿着一条有两条平行且连续移动的传送带的生产线同时工作，进行即时拾放操作。中央控制系统会协调这种装置的系统——严重依赖机器视觉来通知机器人具体的控制路径。每个单独的拾放操作只需在几分之一秒内即可完成。

通过几个并联机器人同时操作，可以进行非常快速的组装和包装。

电子制造业特有的并联机器人的用途

电子制造行业依靠并联机器人来运输、处理印刷电路板 (PCB) 和部件、PCB 组件和设备组件。

PCB 是通过非导电基材和铜层实现分层的。电路布局通常用平版印刷法印刷在板子上；然后用化学方法蚀刻掉其余铜层。然后采用不导电焊接掩模，以防止紧密定位的元器件和铜印制线之间出现焊接桥连。PCB 组装包括放置、焊接通孔或表面贴装 (SMT) 元器件。老式印刷电路板只使用通孔元器件，但现在这种情况已不多见。通孔元器件的引线通过电路板上的孔插入，并在电路板反面进行焊接，以获得更大的机械强度，但这一额外步骤增加了组装难度。难怪目前在小型元器件中绝大多数是 SMT 元器件；因为这种元器件更适合高度自动化的批量制造。也就是说，对于如电容器、变压器和连接器等较大的元器件，往往仍然需要采用通孔安装方式安装。

对于这两种 PCB 元器件的安装，机器视觉辅以并联机器人能够在元器件在电路板上安装之前检查其变化和方向。为了达到高产量，机器人拾放头可以采用一次处理多个元器件的设计。一个机器人末端效应器也可以涂抹锡膏，另一个机器人则可以用来加热，为已安装的元器件进行电气连接。除此之外，还可通过波峰焊技术连接部件...尽管这类机器很昂贵...但最适大规模批量生产。对于插入机器来说，过于庞大的元器件往往以手工方式装配到半导体板上，这样导致了更高的成本。对于元器件之间难以触及的位置，也可能需要手动涂抹焊料。

对于后者，并联机器人可以取代人工操作，放置较大的元器件以及在这些元器件之间进行焊接操作。

并联机器人的成本也可以低得多，而且远比线性拾放机器机更容易配置。毕竟，后者又大又重——类似于数控机床。线性系统很难移动，而且后续还可能需要昂贵且耗时的重新校准。相比之下，并联机器人体积小，重量轻，可以相当频繁地搬迁。在新的地点安装后，并联机器人只需运行简单的自我校准程序即可恢复正常运行。

图 6：有些并联机器人通过五个轴移动，为各种类型的物体定向。本文所示的 IRB 365 能够以每分钟 120 次的速度对重 1 公斤的产品进行分拣、进给、拾取、调整方向和放置——以满足需要高产量、高效率生产设施的要求。在一个名为 OmniCore 的紧凑型并联机器人控制器的控制下，该系统实现了高性能运动控制、数字连接和一千多种编程功能。（图片来源：ABB）

并联机器人的选择丰富多样。与大多数主要生产铰接臂机器人的工业机器人制造商不同，Codian Robotics 专注于并联机器人。该供应商的并联机器人具有 1.5 kg 至 125 kg 有效载荷，可执行小至微小电子元器件，大到许多大型设计的转配任务。Mitsubishi Electric 将 Codian并联机器人与 Mitsubishi 控制器配套使用。

ABB 的并联机器人品牌为 FlexPicker。现有产品的型号是 IRB 360，这是一款末端效应器串联了两个辅助旋转轴的并联机器人，可实现五轴运动。这类机器人针对拾放操作进行了优化。

Fanuc 生产的并联机器人包括两个系列。M 系列包括用于装配小部件（最常见的电子产品）的小型机器人以及大型机器人。M 系列机器人包括三轴、四轴和五轴配置。DR-3iB 系列机器人是较大型四轴机器人，用于分拣和包装，其运动速度高达 5.5 m/s，有效载荷高达 8 kg。

结束语

并联机器人让电子制造业实现了经济、灵活的自动化。与其他机器人和自动拾放机器相比，这类机器人通常具有更高的速度和灵活性。