使用小型工業機器人提升任何工廠的生產力

主流製造商已長期使用專屬的工業機器人，以提升生產線的效率和產量，因而擁有其他小型企業無法匹敵的成本優勢。但是，工業機器人已經不再是大規模生產作業專屬的工具。現在也有較小型的一般用途機器人，可幫助多種企業提升生產力，能在最小僅兩平方英尺的工作場所中與操作人員互相合作。

本文將探討為何以前無法以協作型機器人的形式，將機器人大規模部署在較小型的企業中，以及為何這種情況出現改變。然後還會介紹一些機器人範例，如 KUKA Robotics Corp. 推出的機械手臂，同時展示如何在大型和小型設施中應用這些機械手臂。

協作型機器人的崛起

工業機器人會侷限於大規模營運是因為幾個歷史因素。其中一個主要因素就是難以實現投資報酬率 (ROI)。早期的工業機器人不僅需要投入大量的心力進行設計，而且還需要根據任務進行量身定制。因此，這些機器人僅能處理的作業類型非常有限。這會造成成本與缺乏彈性的問題，而這意味著，機器人的效率和產量必須比人工作業顯著提升，而且還須用於高產量生產線，才有部署的合理性。但中小型設施很少能達到這樣的條件。

為了達到最大獲利，大部分大規模作業的工業機器人，往往都很龐大且動作迅速，在操作的材料及速度上，都超越人類的極限 (圖 1)。機器人的動量相當高，如果任何人擋在機器人的活動路徑上並受到撞擊，便會受傷甚至死亡。為了保護工作人員的安全，大型工業機器人需要進行隔離，放在可以聯鎖的防護籠或其他屏障後面，確保人員進入機器人作業空間時，機器人便會停機。

圖 1：傳統的工業機器人往往都很龐大且動作迅速，因此需要防護籠來確保工作人員的安全。(圖片來源：KUKA Robotics Corp.)

自從小型機械手臂問世後，如 KUKA Robotics 的 AGILUS KR 3 R540，工業設施管理人員就有更多的選擇 (圖 2)。這些裝置能提供通用的現成平台，以相對實惠的價格，提供可觀的作業彈性。若與合適的末端效應器連接裝置 (如裝在機械手臂末端的抓手或工具) 組合在一起，這些通用型平台可大幅擴大活動範圍，從而打造能實現適當投資報酬率的機器人系統。此外，這些機械手臂可在原先的應用結束後馬上針對不同的動作進行編程，或以不同的末端效應器機構重新設定新用途，因此可增加成本回收的潛力。

圖 2：機械手臂 (如 KUKA Robotics 的 AGILUS KR 3 R540) 可讓工業機器人技術在中小型營運中也具有投資報酬效益。(圖片來源：KUKA Robotics Corp.)

這些小型工業機械手臂還有另一個關鍵特性，亦即能夠置入小型的工作空間內，並與現有的生產作業整合。與大型製造設施裡的大型機器人不同的是，小型機器人還能當做操作人員的工作夥伴，而不是用來取代人員。此類小型協作機器人 (簡稱 cobot) 的設計是要近距離與人員協作，無需加設防護籠或其他類似的屏障，以免機器人按著自己的路徑移動時導致人員遭遇危險。與傳統工業機器人相比，小型機械手臂體型更小，活動速度也更慢，因此可在接觸瞬間停止，將受傷的可能性降到最低。此外，機械手臂通常都會內建接近感測器，有助於徹底避免碰撞。

越來越多的廠商已開始針對中小型企業生產工業用的小型機械手臂。其中一個代表性例子便是 KUKA Robotics 的 AGILUS 系列，此系列共有三種款式。前面提到的 AGILUS KR 3 R540 是最小的產品。其運作範圍達兩平方公尺，可處理高達 3 kg 的工作負載，適合多種組件和材料的搬運應用。AGILUS KR 6 R900-2 最多能處理 6 kg，而 AGILUS KR 10 R1100-2 最多能處理 10 kg。這三款皆擁有相同的整體外觀和工作行為，並以套件形式供應，附有控制器單元和手持操作器單元，可用來控制、監測並且對機器人的活動進行編程。

AGILUS 裝置的機械設計可讓您深入瞭解機械手臂的整體靈活性 (圖 3)。

圖 3：六個運動軸能讓小型工業機械手臂靈活地進行安裝和伸展。(圖片來源：KUKA Robotics Corp.)

與許多機械手臂一樣，AGILUS 裝置共有六個運動軸，分別是：旋轉底座 (A1)、底座手臂 (A2)、連結手臂 (A3)、可旋轉 (A4) 和彎曲 (A5) 的連接手腕，以及連接末端效應器裝置的旋轉固定凸緣 (A6)。A2 至 A5 軸將共同運作，將手腕的中心定位在垂直作業範圍內的任何位置，如圖 4(a) 所示，而旋轉底座可將該垂直範圍引導至手臂周圍的幾乎任何位置 (圖 4(b))。末端效應器連接裝置的質量中心可從這個位置偏移，如圖所示。手臂部分可依需求安裝在地板、檯面、推車、牆壁或天花板上，均不會妨礙作業。

圖 4：機械手臂可將手腕的中心定位在垂直區域 (a) 內，並可定向到機器人周圍幾乎任何位置 (b)。(圖片來源：KUKA Robotics Corp.；經過 Digi-Key Electronics 修改)

使用所有軸來控制機器人的運動需要精湛的編程技能，但現在已有所簡化。機械手臂通常都會隨附控制器電腦及帶有使用者介面的平板電腦，能讓使用者透過簡單的方向按鈕來移動機器人，以到達所需的「定位點」。記錄一連串的定位點後，則可定義出完整的動作順序，讓機器人自動依序動作。有些機器人系統還允許使用者手動將機械手臂定位在所需的點，而非透過方向按鈕操作。

這兩種方法都可透過示範來「教導」機器人應該執行什麼動作。隨後，機器人便能在命令下重複執行該動作。讓使用者教導機器人，而不是透過編程，不僅簡化機器人的初始任務設定，還能夠在需求變化時，輕鬆地調整動作。而控制平板可進一步讓使用者在生產活動期間，根據需求細化和修正動作。

這些具有簡化控制編程功能的機械手臂提供工業自動化解決方案的現成基礎，可根據要執行的任務操縱末端效應器機構的位置。此類末端效應器機構範圍廣泛，從用於抓取、定位和置放作業的簡單抓手，到螺絲起子和鑽頭等機器工具，再到烙鐵和噴漆器等複雜的系統，應有盡有。會依據目標應用決定所需的末端效應器和系統整合作業，以便建立完整的解決方案。

機械手臂廠商及第三方系統整合商都有針對眾多常見的作業設計適合的末端效應器機構。例如，若想拾取及操縱物件，許多廠商都有提供兩指或三指的帶夾爪夾具，以及磁性或真空吸附拾取機構。此外，市面上還有製造和組裝應用所用的鑽頭、螺絲起子、研磨器和刀片。

甚至還有機械手臂廠商能現貨供應完整的應用解決方案。例如 KUKA Robotics 就提供一系列「即用型」系統，可進行鉚接、噴漆、電弧焊、點焊以及微小螺絲緊固應用等等 (圖 5)。這些系統包含末端效應器系統元件、控制器元件、系統軟體以及機械手臂，共同組成預先設定好的自動化套件。

例如，噴漆套件便是與機械和廠房工程公司 Durr Group 合作，以 AGILUS KR 10 為基礎進行合作開發的。此套件包括霧化器、幫浦和變色器，適用於高壓與低壓、一或兩種成分、水性或油性油漆應用。Dürr EcoAUC 控制單元會控制噴漆流程，而 KUKA KR C4 控制器會處理機械手臂的動作。

圖 5：可在常見應用中當作完整系統解決方案的小型工業機器人，現在都有「現貨」，如 Dürr Group 和 KUKA Robotics 的噴漆系統。(圖片來源：Dürr AG)

不過，當使用者在營運中採用小型機器人技術時，也不必侷限於此類預先設定好的系統。由於機械手臂在安裝和運動上極具靈活性，編程相當簡單，而且末端效應器連接裝置的凸緣具備多樣功能，因此可促成多種客製化應用。關鍵在於，要在現有的生產流程中識別可由機器人輔助或接替操作人員的重複性任務。

例如，Siemens 目前使用小型機械手臂來生產電動馬達的定子元件。定子以沖孔磁性鋼板製成，其鋁質軸承板需要進行加工，以符合容差範圍要求。機械手臂負責以下重複性任務：將工件從托盤中取出、將其放入自動車床進行加工、取出完工的工件、以氣吹進行清潔，然後放入測量站以檢查容差等。

機器人的控制器會聯合設備的其他元件，對工件條碼進行掃描以便追蹤，然後將測量好的工件移至托盤，以便運送至下個加工站或是移至停留站，由操作人員視需求進行調整或更換。機械手臂具有安全功能，能讓操作人員和機器人在同一個工作空間內作業，而不需要防護柵欄或其他屏障，因此不會妨礙工作流程。

此外，需要重複達到精準度的作業也適合讓機器人處理，即便是小批量的生產作業亦然。例如，ALNEA 已設定機械手臂來處理 SMT 生產線的選擇性焊接作業。若元件可能遭到波焊或迴流焊的大量熱量損害，便需要進行選擇性焊接。手動焊接 SMT 元件時，若想避免焊料橋接和熱損害，不僅手要穩，而且還要掌握好時機。

在 ALNEA 應用中，機械手臂提供穩定的手勢，同時末端效應器烙鐵的控制系統確保焊接作業的溫度和時機都在設定的參數內 (圖 6)。在首批單元的生產作業後，操作人員會設定焊接參數，並訓練機械手臂掌握動作順序。然後在後續生產作業中，操作員會協助定位電路板和元件，以供機器人進行焊接。採用機器人進行選擇性焊接後，該公司的生產時間縮短 50%。

圖 6：機械手臂可提供穩定的手勢和精準的定位，可用於電路板生產中的選擇性焊接等應用。(圖片來源：KUKA Robotics Corp.)

自動化任務甚至不必是完整的操作，也能證實具有經濟效益。舉例來說，BMW Group 已將機械手臂整合到現有工作流程中，以生產汽車的加固側樑，目的是將需要精準度的重複性任務從操作人員手中接手，否則操作人員很難在整個工作班次中維持精準度。這項任務是將許多金屬強化板，沿著框架的幾個點放置，再將框架推入自動化焊接站。然而，隨著時間的流逝，重複執行這種簡單的定位工作會使操作人員疲勞，從而導致錯誤增加，產量減少。

BMW 將機械手臂安插到這項作業中，在操作人員清點出正確數量的強化板並將其交給機器人後，讓機器人專門負責正確定位強化板的任務。整個工作流程不需要其他變更。但是，在機器人扛下操作人員的精準放置任務後，即可減少疲勞所造成的錯誤，並確保整個工作班次都維持在該有的產量。機器人具有安全功能，因此能與操作人員並肩工作，而不需要變動工作空間。

結論

工業機器人以往一向被視為大型工業設施的專屬工具，主要原因在於成本、複雜性和安全性。然而，重複性任務的類型不斷增加，從簡單的定位到複雜形狀的噴漆等，採用小型工業機器人的經濟效益可行性也越來越高。

由於空間需求不大、編程簡單、成本不斷下降，而且能輕鬆安全地整合到以人為中心的既有工作流程中，而無需實體屏障，因此此類機器人可順利加入工作團隊而不會造成中斷。如今，工業自動化已不再只適用於高產量、資金充裕的大型企業，小型工廠也能使用機械手臂。