作者：Jody Muelaner

　　并聯(lián)機(jī)器人的體積相對較小，用于食品、藥品包裝以及電子器件裝配。并聯(lián)機(jī)器人具有出色的精度和高速性能，使其非常適合這些應(yīng)用。這類機(jī)器人的此種并聯(lián)運(yùn)動學(xué)特性使得快速、準(zhǔn)確地運(yùn)動成為可能，也使其擁有了與鉸接臂機(jī)器人截然不同的蜘蛛般外形。

　　圖 1：機(jī)器人聯(lián)動臂在帶有照明效果的電子器件生產(chǎn)線上的使用情況。- 素材照片(圖片來源：Phuchit ? Getty Images)

　　并聯(lián)機(jī)器人一般情況下安裝在天花板上，以便從上方在移動的裝配和包裝生產(chǎn)線進(jìn)行操作。這種機(jī)器人的工作容積比鉸接臂小得多，進(jìn)入有限空間的能力也非常有限。也就是說，剛度和可重復(fù)性是這種機(jī)器人在精密工件的高精度加工過程中的有利條件——包括在裝配過程中的半導(dǎo)體器件。

　　并聯(lián)機(jī)器人的背景知識

　　工業(yè)機(jī)器人大致可分為移動機(jī)器人、串聯(lián)機(jī)械手或并聯(lián)機(jī)械手。

　　移動機(jī)器人包括地面自主車輛 (AGV) 和自動叉車，這類機(jī)器人經(jīng)設(shè)定后，主要用于在工廠和倉庫中移動材料。

　　歸類為串聯(lián)機(jī)械手的機(jī)器人具有一連串用來連接固定基座和終端效應(yīng)器的運(yùn)動聯(lián)桿;這類機(jī)器人包括鉸接臂和線性機(jī)器人。由于每根聯(lián)桿的剛度和位置精確度都取決于前一根聯(lián)桿，因此，聯(lián)桿離基座越遠(yuǎn)，串行機(jī)械手的精確度和剛度就越低。雖然有例外，但這種結(jié)構(gòu)往往將六軸機(jī)器人的精確度限制在數(shù)個毫米之內(nèi)...而且在快速移動到新位置并停止后，其末端效應(yīng)器將振蕩一段時間后才會穩(wěn)定下來。

　　在許多與并聯(lián)機(jī)器人相同的應(yīng)用中，有一種串聯(lián)機(jī)械手是選擇性順應(yīng)鉸接式機(jī)械臂或 SCARA 機(jī)器人。這種機(jī)器人在機(jī)械方面相當(dāng)簡單，有兩個旋轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)，以使其軸線相互平行，同時和第三條線性軸平行。兩個旋轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)提供單一平面內(nèi)的 X - Y 定位，而第三個線性軸則提供沿 Z 方向上的運(yùn)動。雖然 SCARA 可能沒有并聯(lián)機(jī)器人那樣的精度，但其成本相對較低并能相當(dāng)快速地執(zhí)行任務(wù)——甚至是在狹窄空間內(nèi)。

　　圖 2：并聯(lián)機(jī)器人是一種并聯(lián)機(jī)械手，有三個平行四邊形同時連接至位于末端效應(yīng)器端部的剛性體上。可以在相對于機(jī)器人基座的一個自由度上驅(qū)動每個平行四邊形的基座。并聯(lián)機(jī)器人通常安裝在天花板上，在輸送機(jī)或工件上方進(jìn)行操作。(圖片來源：Wikimedia Commons)

　　與串聯(lián)機(jī)械手相比，歸類為并聯(lián)機(jī)械手的機(jī)器人(包括并聯(lián)機(jī)器人)有多個運(yùn)動學(xué)聯(lián)桿將末端效應(yīng)器與底座連接起來。這種形態(tài)的機(jī)器人其自身結(jié)構(gòu)比串聯(lián)式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固、剛性更強(qiáng)、重量更輕。這種輕型、剛性結(jié)構(gòu)使得并聯(lián)機(jī)器人能夠迅速加速，實(shí)現(xiàn)非常短的操作周期。另一類型并聯(lián)機(jī)械手是 Stewart 平臺或六爪機(jī)器人;這類機(jī)器人擁有最高的剛度、精度和速度——通常用于在精密光學(xué)應(yīng)用中實(shí)時校正振動。

　　圖 3：如圖所示為采用了并聯(lián)機(jī)器人、SCARA 機(jī)器人和移動機(jī)器人的 視覺加載式工作單元。并聯(lián)機(jī)器人采用不銹鋼制造，符合 IP-67 級要求。(圖片來源：KUKA)

　　通常情況下，并聯(lián)機(jī)器人的每個平行四邊形都是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)以線性驅(qū)動方式來驅(qū)動的。(Igus Drylin 系列的低成本并聯(lián)機(jī)器人采用了一種不太常見的線性驅(qū)動配置)。平行四邊形的耦合限制了末端效應(yīng)器只能進(jìn)行平移。這使其具有了與三軸線性機(jī)器相同的運(yùn)動度，但結(jié)構(gòu)更堅(jiān)硬、重量更輕。這種配置的另一個優(yōu)勢在于，驅(qū)動電機(jī)的本體位于(通常是安裝在天花板上的)底座中，因此這種機(jī)器人的所有運(yùn)動部件都是受驅(qū)式輕型結(jié)構(gòu)件。一些并聯(lián)機(jī)器人在末端效應(yīng)器上以串聯(lián)方式安裝了額外的旋轉(zhuǎn)軸，以提供四、五或六軸運(yùn)動。

　　并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用概述

　　并聯(lián)機(jī)器人廣泛用于電子組裝以及食品、藥品包裝的拾放應(yīng)用。當(dāng)并聯(lián)機(jī)器人在一個或多個傳送帶或移動裝配平臺上工作時，工件被傳送或以其他方式輸送到該機(jī)器人的工作范圍內(nèi)。然后，視覺系統(tǒng)識別零件的確切位置和方向，以指引機(jī)器人抓取零件的位置和時間或以其他方式操作該零件。

　　圖 4：這種由伺服電機(jī)驅(qū)動的并聯(lián)機(jī)器人在三個自由度 (DOF) 以及一個旋轉(zhuǎn)軸上以每分鐘 200 個周期的速度移動。控制器能以 2 毫秒的響應(yīng)時間控制這些機(jī)器人的軸，以便與輸送機(jī)和其他任務(wù)同步。事實(shí)上，另一種并聯(lián)器人是 Quattro。這種機(jī)器人有四個而不是三個平行四邊形與底座和末端效應(yīng)器連接，以便在高速下實(shí)現(xiàn)高剛性和定位精確度。(圖片來源：Omron Automation)

　　因此，并聯(lián)機(jī)器人可能會抓取物品，然后將其移動到所需的位置。接下來，機(jī)器人可能會在目標(biāo)地點(diǎn)和方向上將物品放下。例如，并聯(lián)機(jī)器人可以在傳送帶上隨機(jī)抓取電子元器件，并將其組裝到由第二條傳送帶送至工作單元的電路板上。

　　多個并聯(lián)機(jī)器人通常沿著一條有兩條平行且連續(xù)移動的傳送帶的生產(chǎn)線同時工作，進(jìn)行即時拾放操作。中央控制系統(tǒng)會協(xié)調(diào)這種裝置的系統(tǒng)——嚴(yán)重依賴機(jī)器視覺來通知機(jī)器人具體的控制路徑。每個單獨(dú)的拾放操作只需在幾分之一秒內(nèi)即可完成。

　　通過幾個并聯(lián)機(jī)器人同時操作，可以進(jìn)行非常快速的組裝和包裝。

　　電子制造業(yè)特有的并聯(lián)機(jī)器人的用途

　　電子制造行業(yè)依靠并聯(lián)機(jī)器人來運(yùn)輸、處理印刷電路板 (PCB) 和部件、PCB 組件和設(shè)備組件。

　　PCB 是通過非導(dǎo)電基材和銅層實(shí)現(xiàn)分層的。電路布局通常用平版印刷法印刷在板子上;然后用化學(xué)方法蝕刻掉其余銅層。然后采用不導(dǎo)電焊接掩模，以防止緊密定位的元器件和銅印制線之間出現(xiàn)焊接橋連。PCB 組裝包括放置、焊接通孔或表面貼裝 (SMT) 元器件。老式印刷電路板只使用通孔元器件，但現(xiàn)在這種情況已不多見。通孔元器件的引線通過電路板上的孔插入，并在電路板反面進(jìn)行焊接，以獲得更大的機(jī)械強(qiáng)度，但這一額外步驟增加了組裝難度。難怪目前在小型元器件中絕大多數(shù)是 SMT 元器件;因?yàn)檫@種元器件更適合高度自動化的批量制造。也就是說，對于如電容器、變壓器和連接器等較大的元器件，往往仍然需要采用通孔安裝方式安裝。

　　圖 5：輸送帶上的電子板通過裝配工作單元的圖(圖片來源：Getty Images)

　　對于這兩種 PCB 元器件的安裝，機(jī)器視覺輔以并聯(lián)機(jī)器人能夠在元器件在電路板上安裝之前檢查其變化和方向。為了達(dá)到高產(chǎn)量，機(jī)器人拾放頭可以采用一次處理多個元器件的設(shè)計(jì)。一個機(jī)器人末端效應(yīng)器也可以涂抹錫膏，另一個機(jī)器人則可以用來加熱，為已安裝的元器件進(jìn)行電氣連接。除此之外，還可通過波峰焊技術(shù)連接部件...盡管這類機(jī)器很昂貴...但最適大規(guī)模批量生產(chǎn)。對于插入機(jī)器來說，過于龐大的元器件往往以手工方式裝配到半導(dǎo)體板上，這樣導(dǎo)致了更高的成本。對于元器件之間難以觸及的位置，也可能需要手動涂抹焊料。

　　對于后者，并聯(lián)機(jī)器人可以取代人工操作，放置較大的元器件以及在這些元器件之間進(jìn)行焊接操作。

　　并聯(lián)機(jī)器人的成本也可以低得多，而且遠(yuǎn)比線性拾放機(jī)器機(jī)更容易配置。畢竟，后者又大又重——類似于數(shù)控機(jī)床。線性系統(tǒng)很難移動，而且后續(xù)還可能需要昂貴且耗時的重新校準(zhǔn)。相比之下，并聯(lián)機(jī)器人體積小，重量輕，可以相當(dāng)頻繁地搬遷。在新的地點(diǎn)安裝后，并聯(lián)機(jī)器人只需運(yùn)行簡單的自我校準(zhǔn)程序即可恢復(fù)正常運(yùn)行。

　　圖 6：有些并聯(lián)機(jī)器人通過五個軸移動，為各種類型的物體定向。本文所示的 IRB 365 能夠以每分鐘 120 次的速度對重 1 公斤的產(chǎn)品進(jìn)行分揀、進(jìn)給、拾取、調(diào)整方向和放置——以滿足需要高產(chǎn)量、高效率生產(chǎn)設(shè)施的要求。在一個名為 OmniCore 的緊湊型并聯(lián)機(jī)器人控制器的控制下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高性能運(yùn)動控制、數(shù)字連接和一千多種編程功能。(圖片來源：ABB)

　　并聯(lián)機(jī)器人的選擇豐富多樣。與大多數(shù)主要生產(chǎn)鉸接臂機(jī)器人的工業(yè)機(jī)器人制造商不同，Codian Robotics 專注于并聯(lián)機(jī)器人。該供應(yīng)商的并聯(lián)機(jī)器人具有 1.5 kg 至 125 kg 有效載荷，可執(zhí)行小至微小電子元器件，大到許多大型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)配任務(wù)。Mitsubishi Electric 將 Codian并聯(lián)機(jī)器人與 Mitsubishi 控制器配套使用。

　　ABB 的并聯(lián)機(jī)器人品牌為 FlexPicker。現(xiàn)有產(chǎn)品的型號是 IRB 360，這是一款末端效應(yīng)器串聯(lián)了兩個輔助旋轉(zhuǎn)軸的并聯(lián)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)五軸運(yùn)動。這類機(jī)器人針對拾放操作進(jìn)行了優(yōu)化。

　　Fanuc 生產(chǎn)的并聯(lián)機(jī)器人包括兩個系列。M 系列包括用于裝配小部件(最常見的電子產(chǎn)品)的小型機(jī)器人以及大型機(jī)器人。M 系列機(jī)器人包括三軸、四軸和五軸配置。DR-3iB 系列機(jī)器人是較大型四軸機(jī)器人，用于分揀和包裝，其運(yùn)動速度高達(dá) 5.5 m/s，有效載荷高達(dá) 8 kg。

　　結(jié)束語

　　并聯(lián)機(jī)器人讓電子制造業(yè)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、靈活的自動化。與其他機(jī)器人和自動拾放機(jī)器相比，這類機(jī)器人通常具有更高的速度和靈活性。