协作机器人在智能制造中的应用研究

摘要：随着智能制造技术的快速发展，工业自动化领域正经历着深刻的变革。协作机器人作为新一代智能装备的代表，凭借其灵活的操作特性、精准的控制能力以及良好的人机交互性能，正逐步改变传统制造业的生产模式。本文通过分析协作机器人在不同制造场景中的应用案例，探讨其在提升生产效率、保证产品质量、优化人力资源配置等方面的技术优势，为制造企业推进智能化改造提供参考依据。

关键词：协作机器人；智能制造；应用

与传统工业机器人相比，协作机器人不再需要严格的安全防护栏，能够与操作人员在同一工作空间中协同完成复杂的装配、搬运、检测等任务。这种革新不仅提升了生产线的柔性化水平，也为制造企业实现降本增效提供了新的技术路径。在当前制造业转型升级的大背景下，研究协作机器人在智能制造中的应用具有重要的理论价值和实践意义。

一、协作机器人与电子工业中的智能制造

在电子工业智能制造的浪潮中，协作机器人的引入为电子产品生产线的布局与效率带来了革命性的变化。在传统生产模式下，电子产品生产线往往依赖于技术操作员根据生产节奏对单台或多台设备进行手动操作，这些设备分布在ICT测试、编程站位、分板站位、组装站位、散热胶涂覆、程序编写站位以及测试站位等多个工艺流程中。这些工艺流程按照既定的先后顺序串联起来，构成了传统电子产品生产线的核心框架。然而，这种高度依赖人工操作的生产模式，在设备布局与操作平面设计上受到了人体工程学的严格限制，操作平面通常被限制在不超过12米的范围内，以确保操作员能够轻松触及各个工位。在这样的生产环境中，一些特定站位，如编程站位和测试站位，由于单次工作周期较长，往往需要多站位多工装同时操作。然而，在有限的高度和空间内，这往往会导致生产线拉长，不仅占用了宝贵的生产空间，还增加了操作员在工位间的移动距离，从而造成了人力资源的浪费和生产效率的下降。协作机器人的出现为这一困境提供了有效的解决方案。与传统的人工操作相比，协作机器人不受人体工程学的限制，可以充分发挥其在高度上的优势[1]。通过灵活的机械臂和精确的控制系统，协作机器人可以在高达2.4米的空间内进行操作，大大拓宽了向上的操作空间。这不仅节省了生产区域的空间，使得生产区域显得更加宽敞和有序，还减少了操作员在工位间的移动，从而提高了生产效率。协作机器人具备高度的灵活性和可编程性，可以根据不同的生产需求和工艺流程进行快速调整和重新编程。这意味着，在电子产品生产线布局过程中，我们可以更加灵活地配置协作机器人，以适应不同产品的生产需求和工艺流程的变化。这种灵活性和可编程性，为电子产品生产线的智能化和自动化提供了强有力的支持，也为电子工业智能制造的发展注入了新的活力。

如图1所示，在电子产品生产的智能化转型过程中，协作机器人的应用为优化智能生产线布局提供了强有力的支持。特别是在引入ABB与UR公司的协作机器人后，电子产品的生产线布局得到了显著的优化。在这种新型生产线上，仅在复杂组装站位需要配备一名生产操作员，其余操作则完全由协作机器人完成，这不仅极大地减轻了人工劳动强度，还显著提升了生产效率和产品质量。在智能制造生产线的规划设计阶段，通过3D仿真技术对协作机器人及生产线布局进行精细化建模和深入分析，为后续实施奠定了坚实基础。该阶段重点关注机器人作业空间的科学规划，包括机械手臂的运动轨迹优化、工件抓取与放置的精准定位等核心要素[2]。为确保设备运行的稳定性和可靠性，在技术参数的选择上进行了严谨的论证：将机械手的重复定位精度设定为0.2mm，并在工装结构设计中融入了边长0.5mm的45°导角，这种精密的工艺设计有效规避了机械手与工装之间的硬碰撞风险，极大地提升了生产过程的连续性和稳定性。在投资效益分析方面，项目团队采用全生命周期成本法，综合评估了设备投资成本、使用寿命、生产效率提升以及人工成本节约等多个维度。以某典型电子产品生产线为例，通过引入协作机器人后，单件产品的生产节拍显著优化至25秒，在5年的产品生命周期内可节省16名操作工人的劳动力投入，投资回收期仅需1.5年，充分体现了自动化改造项目的经济可行性和长期效益。

二、协作机器人在医疗器械智能制造中的应用

（1）协作机器人可应用在生产难度偏高的医用连接器方面。这类产品通常需要将不同色彩的组件通过第三个部件进行精确连接，由于所用材料具有显著的热敏特性，传统人工操作难以保证生产过程中的温度稳定性和加工精度。协作机器人在此类生产环节中发挥着关键作用。通过机械臂在压床背面完成注塑工序，随后精确转移至切割工位，同时完成支撑结构的快速移除。在物料补给环节，机械臂能够准确将工件放置于操作工位，待操作人员完成上料后，自动完成工件的转移与模具装载。这种人机协作模式不仅确保了生产过程的温度精确控制，还实现了工艺参数的标准化，从根本上提升了产品质量的一致性[3]。

（2）在医药箱生产中，同样可用到协作机器人，传统生产模式下，完成塑膜底部抓取、无菌湿巾吸附及放置等工序需要投入6-7名操作人员，且在高节拍、大批量生产环境下，人工操作难以保证产品质量的稳定性。通过引入协作机器人系统，结合真空吸附技术，实现了对塑膜和无菌湿巾的精确抓取与定位。机器人可按照预设程序，精确执行湿巾的吸附、转移和放置动作，并将完成装配的产品准确投放至传送带。这种自动化解决方案不仅将操作人员需求降至2人，更重要的是保证了生产过程的稳定性和产品质量的一致性，同时显著提升了生产效率。

（3）还可用协作机器人取代传统的直角坐标机器人。传统的直角坐标机器人系统要求操作人员保持高度集中，在进行工件抓取和切割操作时需要精确的时序配合，这不仅增加了操作难度，也容易导致生产节拍的波动。协作机器人系统则通过先进的视觉定位和轨迹规划算法，能够自主完成工件的抓取、切割和堆垛等复杂操作。这种智能化解决方案不仅将人员需求降低至单人操作，更实现了生产效率的大幅提升，操作时间缩减至原有的1/4。同时，协作机器人还具备防碰撞、力反馈等智能安全功能，确保了生产过程的安全性和可靠性。

结束语：

本文系统探讨了协作机器人在智能制造领域的应用价值和发展趋势。通过对典型应用案例的分析可以看出，协作机器人正在推动制造业向着更高效、更灵活、更智能的方向演进。在未来的发展中，随着人工智能、机器视觉、力控制等技术的不断突破，协作机器人的应用场景将进一步拓展，其在复杂工况下的适应能力和智能决策水平也将得到显著提升。

参考文献：

[1]郭孝阳，张秀武，杨静怡. 智能制造、人机协作与能源利用效率——基于工业机器人应用的视角 [J]. 环境经济研究， 2024， 9 （03）： 43-65.

[2]李健，郭传社. 智能制造引入自主协作机器人技术的途径探索 [J]. 张江科技评论， 2024， （02）： 94-96.

[3]丁旭东. 智能制造中的自主协作机器人技术应用 [J]. 锻压装备与制造技术， 2023， 58 （06）： 67-70.