2024机器人智能解决方案赋能表面精加工白皮书ABB机器人

机器人智能解决方案赋能表面精加工 关于作者 ABB Steven Chen全球电子销售和产品组合主管steven-difan.chen@cn.abb.com Hiroki Oshikawa全球产品组合经理-电子hiroki.oshikawa@jp.abb.com Louis Liu全球产品组合副经理-消费电子louis-hao.liu@cn.abb.com Leon Yan 全球产品组合副经理-系统应用leon-jiaxin.yan@cn.abb.com Peter Xie战略合作伙伴负责人peter-yipeng.xie@cn.abb.com 保时捷管理咨询 Tobias Helberg合伙人tobias.helberg@porsche-consulting.com Juntian Dong合伙人juntian.dong@porsche-consulting.cn Sharon Archetti初级合伙人sharon.archetti@porsche-consulting.com Florian Schaefer高级经理florian.schaefer@porsche-consulting.com 引言 随着全球消费电子市场稳步增长，2023年达到9560亿美元，预计每年平均增长3%，多达80%的全球电子制造服务（EMS）公司预计利润率将停滞不前或下降。为了降低消费电子产品零部件的制造成本，国际市场的发展趋势表明，成本效益高的制造能力尤为重要。 司已经开始进行智能工厂转型，不仅要提高生产力，还要提高生产的可靠性、灵活性、可持续性和吸引力。 然而，只有8%的公司完全达到了预期目标。这不仅是由于只关注物理流程的自动化，也因为对转型的理解和管理不足。 保时捷管理咨询公司的高层管理人员调查显示，96%的受访公司已开始进行智能工厂转型。但只有8%的公司表示他们的期望得到了充分满足。 几十年来，运营流程一直采用传统的精益方法进行优化。如今，很多公司正在经历下一个巨大的快速发展阶段 - 迈向人机智能协作。保时捷管理咨询公司对包括首席执行官（CEO）和首席运营官（COO）在内的48位高层管理人员进行的全球跨行业调查显示，96%的公 9%，而工业品行业的成本则预计下降18%。 目前，所有行业都面临着一些挑战： 2.可靠性: 对于制造企业而言，可靠性是指生产和物流过程在速度、质量和时间可用性方面的稳定性。随着自动化和数字化水平的提升，自动化系统及车间IT/OT的可用性和稳健性成为可靠性的关键成功因素，因为这三个方面都会受到停机时间和中断的影响。 •去全球化趋势要求在成本较高的国家提升效率。•产品更新迭代频繁，需要流程具有灵活性和可调整性。•在人才争夺战中，熟练劳动力的短缺迫使企业必须营造有吸引人的工作环境以确保成功。•最后，社会、政治和客户要求公司按照环境、社会和治理（ESG）标准，通过高效地循环利用资源，实现可持续生产。 3.灵活性: 灵活的生产系统能够轻松应对产品变体和生产量的变化。所需的灵活性不仅限于预先规划的范围，通常也被称为多功能性，能够以低成本将新产品变体集成到现有生产线中，实现快速布局调整、价值流优化或系统快速修改。 面对供应链中断和熟练劳动力短缺等各种挑战，所有公司都必须愿意跨部门合作，一起努力实现共同的愿景。智能工厂是运营部门为确保企业长期竞争力所作出的贡献。优化企业自身的生产网络，可影响多项绩效指标。总之，调查显示了智能工厂转型的五个战略目标，按重要性排序，前三名分别是： 调研结果显示，受访谈的领导层高度重视传统的生产相关目标，其关注点集中在生产力、可靠性与灵活性上。 1.生产效率: 提高生产效率仍然是工厂运营的首要目标。企业通过把握数字化和自动化带来的机遇，努力提高效率，从而显著降低工厂成本。转型为智能工厂之后，预计每年的成本降低幅度因行业而异，平均降幅为14%。其中，消费品行业的成本预计下降 智能工厂的首要目标按重要性排序（从5=高到1=低） 为智能工厂的愿景设定宏伟目标很容易，但大多数组织在实现其目标状态时却步履维艰。在过去的三十年里，劳动力成本增加了120%，而机器人价格下降了55%，这使得自动化转型不仅成为必要，也成为一种战略优势。这一经济变革在过去十年中，已经推动全球工业机器人安装量的增长达到160%。尽管取得了这些进展，但受访的管理人员表示，在所有涉及的目标中，智能工厂转型的预期成果与实际完成情况之间存在差距。未能达到总体预期的原因，很大程度上可归结为以下八个常见误区： 如果在智能工厂转型中忽略了这些陷阱中的一个或多个，那么预期的效果可能只能部分实现。即使只涉及一个行动领域，实施起来仍然很困难，因此往往难以全面达成多维目标。一个令人惊讶的调查结果是，人们往往低估了组织接受度和变革管理的重要性。不同公司规模和行业的各种项目都证实了这一点：智能工厂的成功转型往往因为缺乏有效的转型和变革策略而受挫。 总之，智能工厂转型不仅是一种战略优势，也是一种必然趋势，必须将其视为一个整体的过程，而不是孤立的项目。特别是对电子制造服务（EMS）公司来说，他们努力在当今充满活力的市场中保持竞争力。随着未来几年制造成本预期上涨，要实现成本效益，部署先进技术变得至关重要。此外，这些技术的整合增强了企业的灵活性，使其能够缩短上市时间并迅速适应不断变化的客户需求。质量改进同样重要，因为智能技术有助于降低缺陷率。因此，推动智能工厂的创新不仅对于应对这些主要挑战至关重要，而且对于确保在不断发展的EMS环境中实现可持续和繁荣的未来也至关重要。 1. 理论概念转化为实际解决方案的能力不足。2. Brownfield IT/OT环境正在减缓智能工厂的转型步伐。3. 业务部门和IT之间的协作不足。4. 能力不足。5. 采取机会主义的起步方式，没有明确的目标和愿景。6. 缺乏专门的部署团队。7. 解决方案的可扩展性有限。8. 缺乏组织内部的认可和重视。 利用机器人自动化提高生产效率 在电子制造中使用机器人进行表面精加工，可以帮助实现前所未有的一致性和质量水平。机器人能够精确地执行重复性任务，确保每个部件都符合高性能电子产品的严格标准。 重要。它在确保尺寸精度方面也起着重要作用，允许对零件尺寸进行微调，以满足严格的公差要求，并有助于确保在后续处理（如阳极氧化或涂漆）之前去除加工或铸造过程中可能产生的锋利边缘和毛刺。 接下来，本文将介绍应用机器人自动化处理电子元件制造中所涉及的 打 磨 任 务 所 带 来 的 优 势，以 及 如 何使 用 A B B 的 M ac hi ni n gPowerPac解决方案提升性能。 机器人自动化的精度可扩展到最复杂、最精细的表面精加工任务。配备了先进的传感器和视觉系统，机械臂能够准确地捕捉到复杂细节，并以手工方式难以实现的精度进行表面处理。这不仅提高了成品质量，还拓宽了电子元件设计和创新的可能性。 作为一种在保持最高精度的同时实现更快、更灵活生产的方式，机器人为电子制造商带来了巨大收益。 随着消费者和监管需求的不断增长，促使制造商采用更可持续的生产方式，机器人所带来的性能提升，可在确保材料的高效使用、减少浪费和降低整个加工过程对环境的影响方面做出重大贡献。 在确保电子元件生产过程中的质量方面，机器人自动化发挥着关键作用 机器人自动化也为提高生产力和盈利能力提供了途径。虽然自动化技术的初始投资可能较大，但通过提高生产量和降低运营成本，这些投资最终可以得到回报。此外，自动化可以帮助企业缓解在竞争激烈的就业市场中找到熟练劳动力的挑战，同时可以让工人从繁琐的低级任务中解放出来，从而实现更有效的人力资源利用。 随着市场需求的波动，制造商可以扩展他们的机器人系统，以满足增加的生产需求，而无需雇佣额外的员工。这种灵活性对于快速变化的电子行业至关重要，因为快速响应市场变化本身就是一种竞争优势。 机器人自动化在打磨中的应用 打磨是电子元件制造中的一个重要过程，有助于提高最终产品的质量和性能。实现光滑、无污染的表面处理至关重要，这对于涂层、油漆和焊料的正确附着以及防止电短路和确保专业美观的外观至关 现状 随着机器人打磨技术在电子制造中的广泛应用，处理3D几何图形的方法通常是将区域划分为不同角度的绕圈路径。同时，机械臂以不同的角度放置，并使用砂磨泡沫或较软的抛光轮以适应产品细节。 然而，该过程的设计需要的时间比平均周期时间更长。在下图中，机器人完成每个周期的总周期时间为30秒。因此，尽管表面上看，整个过程似乎可以在两轮（步骤2-3）内完成，但由于前两轮不可避免地会产生重叠区域，需要第三轮来完成（步骤4）。因此，完成该过程的最佳周期时间为90秒。 步骤3：实际上，它需要绕三圈，因为黄色区域和中间黄线标记的区域重叠 挑战：由于机器人编程困难导致的外观缺陷和产品质量问题 在过去十年里，电子制造厂频繁遭遇中断。快速变化的客户偏好以及需求的不确定性和中断正在以前所未有的程度考验着制造业的生产能力。除此之外，地缘政治的不确定性和工资成本的上涨，正促使工厂向越南和印度等新兴的低成本国家转移。 工厂采用机器人打磨解决方案时，传统的机器人打磨方法使用逐点调试。机器人工程师必须将每个点手动输入机器人程序，同时将路径投影到3D形状中。然而，这种方法会产生许多外观缺陷风险，不仅会造成经济损失，而且为了获得准确的3D投影就需要更多的测试部件。此外，由于去除速率不均匀，还会导致产品质量参差不齐。 收益率主要受到以下因素的影响： 然而，随着工厂引入机器人打磨解决方案，路径规划仍是一个公认的难题。传统做法是，工程师们会在机器人顺时针旋转时，将零件分为顶部、中部和底部进行切割，然后使用额外的砂纸泡沫或软抛光轮来适应3D几何曲线。 •机器人工程师在特定区域的编程CAD与生产CAD不同。•外观症状：边角不均，过渡不顺。•使用较软的砂纸或抛光轮会导致去除率不均匀。•外观症状：抛光痕迹、数控刀具痕迹、分割线或阶梯线、压痕或变色、激光文字颜色不均匀、有光泽的痕迹、锐边、过度抛光。 然而，这会产生许多外观缺陷风险，不仅造成经济损失，使得可供后续工艺测试的零件数量减少，而且由于边角不均、变色和过渡不顺等问题，产品质量也很差。 外观缺陷症状 - 简要说明边角对称 边角不均 设想一部手机。在四端，有四个角。不正确的编程会导致理想的3D零件投影中的一个角比另一个角大或小。 过渡不顺 曲线意味着有一个平滑和相同的入口和出口，以完成一个完美的产品设计。然而，这说明运动速度/压力需要在进入时减慢，在退出时加快。进入/退出速度不平衡将导致边角形状与原始预期产品设计不同。 抛光痕迹 特定区域的过度加工会导致砂轮侵蚀产品表面，从而在金属合金上形成闪亮的反光线。可以想象成飞机轮在跑道上留下的深色轮胎痕迹，其中飞机机轮是抛光耗材，跑道是产品。 刀具痕迹* 在表面精加工之前，最广泛使用的是CNC加工工具，在表面留下刀具痕迹（与塑料注塑成型的逻辑相同，因为模具自然会产生线条）。为了有效地去除痕迹，理想情况下，打磨运动需要与刀痕成90°角，以模糊表面（想象一下如何给汽车打蜡），但这一次，机器人的移动方向与切割机相同。 分割线 处理3D表面时，在打磨过程中通常会使用较软的泡沫或砂轮。但是，有些区域存在重叠，导致创建重叠线，也称为“分割线或阶梯线”。原因是去除率高于平均水平，这可能会损害整体的外观效果。 变色、压痕或激光文本颜色不均匀 所有电子产品均由灰色金属合金制成，经过喷砂和阳极氧化处理，才能获得最终的产品颜色。如果表面处理不均匀，则会出现颜色不匹配，因为光波会以不同的方式反射，从而破坏整体色彩质量的一致性。 挑战：标准离线编程无法扩展 为了解决这些外观问题，许多工艺工程师知道采用V形或U形运动才是正确的选择，几十年来，手工抛光一直是这样做的。这种方法能够完全覆盖表面积，同时节省周期时间。 但是，对于一般工程师来说，编写此类运动轨迹几乎是不可能的任务。尽管许多机