自动化工作车间？你打赌！

一个操作员有时可以照看多个机器人，每个机器人都照看多台机器——这一切加起来！

如果“自动化”是当今几乎每个金属加工行业的人都经常听到的嗡嗡声，那么车间老板可能是唯一大喊“不！”的人。或者至少“等等！”他们问，您如何才能经济高效地自动化小批量、多品种的零件？然而，这不仅是可行的，而且可能是必要的。

正如自动化集成商 Acieta LLC 的运营副总裁 Steve Alexander 所说，“美国在制造业方面领先世界，但也是每小时制造业最高的国家之一。劳动力成本。工作商店不仅在与其他当地商店竞争业务，还与其他国家竞争。自动化可以降低他们的成本，从而使他们能够更好地竞争。”

他补充说，对制造能力的需求正在超过可用的劳动力供应，“加工车间可能会发现很难与更大、更成熟的机械车间竞争”，以获取越来越昂贵的人才。但是一个机器人可以照管多台机器，在某些情况下，一个操作员可以照管多个机器人，每个机器人都照管多台机器。

“这让操作员可以腾出时间进行二次操作，例如去毛刺、组装或花费更多时间进行质量检查，”Alexander 说。仅举两个例子，威斯康星州纽堡的 Central United 使用一台 FANUC M-20iB 机器人来照管两台车床。威斯康星州新柏林的另一位 Acieta 客户使用一台 FANUC R-2000iB 机器人来管理四台机器。 “在这两种情况下，只有一个操作员负责将原始零件装载到传送带或排队站上供机器人抓取。”

Alexander 添加了另一个令人信服的自动化理由：人体工程学。 “工伤是任何规模的商店都关心的问题。当这个过程每天重复数百次时，像将零件装入车床卡盘这样简单的事情很快就会对操作员造成重复性压力伤害。在损失时间和索赔之间，这些伤害每年给公司造成数十亿美元的损失。适当集成的机器人可以消除操作员的重复过程，从而改善员工的健康状况。”

选项和集成器

到目前为止，一切都很好。但是，正如马萨诸塞州萨德伯里的 Methods Machine Tools Inc. 的自动化经理 John Lucier 所解释的，“更高效地制造更多零件”这一简单目标可能会导致不同的方法，具体取决于所生产的工作类型和所涉及的数量.

例如，假设一个中等产量的车间需要每周转换几次。 “通过适当的计划，可以在有人值班时更换一个单元，从而在下一个班次中进行大量无人值守的生产。”在这种情况下，机器人所需的速度在很大程度上取决于所生产零件的加工循环时间。循环时间越短，机器人需要的速度越快，一台机器人支持多台机器的可能性就越小。

但是，Lucier 解释说，即使是数量更少的商店——即使是一个批量——也可以成为自动化的良好候选者。除了“最重要的考虑是减少转换时间，甚至完全消除设置时间。人们会关注周期时间和装载/卸载时间，但如果您的产量如此之低，以至于您有一半的时间都花在了转换上，那么攻击转换时间，即使以周期时间为代价，也可能是有意义的。”

“消除”设置的一种方法是使其自动化，今天的机器人可以通过编程来改变他们自己的臂端工具和机器中的工件夹具。另一种方法是从转盘（或其他类型的堆垛机）装载普通托盘，而不管正在生产的零件如何。这样就无需更换机器人工具或为不同零件编写不同的加载/卸载动作。

Methods PlusK 系统将这一概念更进一步，还可以从转盘上装载刀架。 PlusK 的转盘专为支持 FANUC 的 RoboDrill 系列机器而设计，有五个环，每个环有 12 个工位，共 60 个工位。每个工位可以放置一个零件托盘或一个刀架，机器人可以将这两个零件装载到 RoboDrill 的工作台上，并将工具装载到机器的集成式 21 刀刀塔中。

但正如 Lucier 所指出的，如果你想自动化生产 30 或 40 个完全不同的零件，21 种工具可能还不够。 “我们通常将零件装入来自 Lang Technovation 等供应商的微型五轴虎钳中，”Lucier 解释说。 “而且我们通常在旋转木马中混合搭配零件和工具。假设一项工作需要五种工具，这些工具与前一份工作中使用的工具不同。我可以根据需要使用机器人装载每个工具，或者一次将所有五个工具装载到炮塔中，就像操作员设置工作一样。”

如果这些考虑开始让你头疼，那是可以理解的。因为尽管近年来实现自动化变得更加容易，但仍然很难让大多数工作场所明智地利用 Acieta 和 Methods 这样的集成商。从 Lucier 的角度来看，对机器人进行编程是很容易的部分。处理自动工件夹持、工作区的排屑以及如何最好地将零件呈现给机器人等事情是更大的挑战。这就是专家建议真正奏效的地方。

自动化遗留机器

这是一个如何发生的例子。到 2017 年年中，德克萨斯州达拉斯 All Axis Machining 的所有者 Gary Kuzmin 成为了工作车间受挫的典型例子。他的潜在工作超出了现有劳动力所能支持的范围，而且车间里摆满了高端德国五轴加工中心、EDM 和其他技术，原始设备制造商无法经济地实现自动化，而这种多功能性可以让他摆脱困境绑定。他的解决方案是从密歇根州安娜堡的 Universal Robots (UR) 投资购买协作机器人。

像任何车间老板一样，库兹明的首要要求是在他的操作中保持“完全的灵活性”。 “我们会做两到三天的一部分，然后再做另一部分。在给定的一个月内，我们可以在一台机器上制造 30 到 40 个不同的零件。”所以他需要一个易于设置和转换的机器人。而且他需要诸如力控制夹具之类的功能，以便机器人能够适应不同的零件以及从原材料到成品、壁薄的零件的变化。

UR 全面交付。它的机器人在手持挂件上有一个编程接口。它们与人类安全并肩运行，因为机器人在接触操作员时会自动停止（因此称为协作机器人或“cobot”）。它们易于训练且不会令人生畏。

Kuzmin 解释说，UR 解决方案具有灵活性的一个关键原因是开放式架构，允许第三方开发与 UR 机器人配合使用的软件、视觉系统、末端执行器和其他配件。 UR 通过提供名为 UR+ 的一站式在线陈列室来促进整合工作。

即便如此，库兹明还是发现目前还没有现成的解决方案来对机器人进行打磨或去毛刺，这两个功能他想自动化，因为它们对人类来说很困难，尤其是对年长的工人来说。因此，All Axis 使用 UR 的免费软件开发工具包创建了自己的例程，这些例程基于 CAD 模型遵循零件的曲率。

这些插件通过协作机器人自己的示教器集成了对应用程序的控制。 “Universal Robots 在为像我们这样的商店提供这种解决方案方面做得非常出色，”Kuzmin 说。 “我们没有被锁定在专有环境中。相反，我们得到了一本扩展通信的简单方法的食谱，”并补充说 All Axis 使用 TCP/IP、以太网、Modbus 和 Profinet 等协议来连接协作机器人和机器。

“另一个优势是我们不需要支付特殊的许可协议——这一切都来自于购买 UR 协作机器人，”库兹明说。 “我们在 UR 网站上注册成为开发者，我们会下载我们需要的元素。”

在另一个示例中，All Axis 决定希望能够尽快将协作机器人从一台机器移动到另一台机器。挑战在于创建一个系统，既可以将协作机器人重新定位到下一台机器，又可以将其固定在地板上，而无需在混凝土上钻孔。解决方案是在混凝土上涂上环氧树脂一个容器，并附上一个分度销。

“如果机器人需要移动或维修，您只需解锁并拉动销钉并根据需要移动机器人，”库兹明说。 “当你重新定位机器人并锁定销钉时，一切仍然是索引。我们还将展示托盘连接到机器人支架上，因此它相对于机器人轴的位置永远不会改变。”

在短短几个月内，库兹明和他的团队非常擅长集成协作机器人（他们现在有七个）并且对自动化的好处感到非常兴奋，他们创建了一家名为 All Axis Robotics 的独立公司。虽然 Kuzmin 表示通过与 OEM 花费约 150,000 美元来自动化一台新机器相对容易，但他看到了自动化旧机器的巨大潜力，这是他们关注的重点。

举一个自动化如何帮助 All Axis Machining 实现盈利的例子，一项通常需要 6 个月才能完成的工作通过使用机器人在 2.5 个月内完成。 “这太棒了。投资回报率大约是七到八个月，”Kuzmin 说。

在其最令人印象深刻的创新中，All Axis 将 UR 机器人与现成的显微镜和相机以及人工智能 (AI) 和深度学习相结合，创建了一个检测毛刺、卷边或任何异常（例如缺少硬件）。

这很重要，因为正如库兹明解释的那样，许多毛刺只能在放大镜下才能识别出来，而且人的眼睛会在这种检查 20 到 30 分钟后变得疲劳。但是自动化也很困难。

“毛刺就像雪花——没有两个是一样的，”库兹明说。 “我们称之为 Aurora 的系统使用 AI 来自学毛刺的外观。它看到的毛刺越多，就越能检测到它们。系统将识别毛刺，对其进行分类，并在因毛刺而拒绝零件后对其进行分类。它还记录检查和毛刺的位置，以便操作员能够返回有效地纠正零件并继续前进。”

All Axis 在 2018 年推出了 Aurora，Kuzmin 说最大的反应是：“我们多年来一直在寻找这样的东西！”该系统即将发布的版本还将包括将螺旋插件（通常称为螺旋线圈）和硬件插入零件的能力。

工业机器人反击！

如前所述，UR 协作机器人易于设置并与各种机器和配件集成。但 FANUC 和 KUKA Robotics 等工业机器人供应商注意到了直观的手持示教器等功能，并推出了自己的版本。

Method 的 Lucier 承认，“在某个时候，协作机器人绝对更容易编程。但设置工业机器人与设置协作机器人不再有任何不同。”甚至传统机器人上也可以使用“抓取并拖动”设置功能，尽管 Lucier 表示这最适用于您只想将零件放置在桌子上或块上的情况。

“它非常适合教机器人加载 CMM，因为机器只需要知道零件的大致位置即可找到边缘，然后继续进行测量，”他说。 “但如果我要装载到夹头或虎钳中，当我用编程器教它时，我会有更多的控制权。”

还有各种工业机器人的配件。例如，Lucier 说，快速更换和力控制的夹具并不是协作机器人独有的。 “Schunk 有一系列使用伺服电机的力感应夹持器，摆脱了更难切换的气动装置。你真的可以拨电。”

工业机器人人员也有解决方案，可让您快速将机器人从一台机器重新定位到另一台机器。在 FANUC 的案例中，机器人上的摄像头会扫描“新”机器上的三个贴花以自动重新定向。

但经过几个月的尝试，Lucier 表示他们找不到这种能力有用的情况。 “将机器人从一台机器移动到另一台机器所需要的不仅仅是移动机器人。想想所有你需要改变的东西：也许是臂端工具、进料、出料……”更好的解决方案是每台机器都有自己的机器人或机器人服务多台机器，也许带有双末端执行器，因此它可以在无需干预的情况下在零件类型之间切换。

像 Acieta 和 Methods 这样的集成商也可以将传统机器人添加到传统机器中，并且机器人的价格与协作机器人大致相同。因此，考虑到目前的产品，协作机器人的最大优势在于它们能够在人类附近运行，而无需围栏的空间和费用。

缺点是它们比传统的工业机器人速度慢，并且仅限于较轻的部件。 UR 最大的型号可处理高达 24 磅（10 公斤）的零件。较慢的加载/卸载时间对于循环时间较长的零件并不重要，但它们会降低循环时间较短的中到大批量作业的产量。

Axis Machining 的 Kuzmin 并不认为需要速度，“只需要一致性和可靠性——尤其是对于循环时间较长的零件。最好让协作机器人以可靠的速度加载零件，然后在机器运行时用它来去除其他零件的毛刺。如果你不需要速度，为什么要冒险呢？”

Lucier 和 Alexander 告诫不要夸大能够在机器人旁边工作的好处。 Lucier 指出，一方面，您必须将操作员与加工区域隔离开来。 Alexander 补充说，如果协作机器人正在处理具有锋利边缘的零件（这在机械加工中很常见），“无论如何操作员在其附近工作都是不协作或不安全的。”

Lucier 和 Alexander 都表示，将“协作技术”与工业机器人相结合提供了一种有用的折衷方案。 “对于那些寻求具有最少围栏的开放式地板的制造商来说，工业机器人能够通过使用区域安全扫描仪在无围栏的环境中工作，”Alexander 解释道。 “而且他们可以在这种没有围栏的环境中工作而不会牺牲速度。当操作员进入第一个安全区时，机器人会减速。当操作者进入第二安全区时，机器人完全停止。”

另一方面，Lucier 表示，由于这种方法的安全区是 3-4'，如果叉车或其他车辆频繁经过，机器人通常会减速。

如前所述，最适合协作机器人的一个领域是照料 CMM。正如 Lucier 所说，“CMM 从本质上来说是安全的”。 “除了移动部件周围，没有任何防护措施。他们不快。你可以站在他们旁边。通常，您不会将零件放入夹具中，也许只是将其靠在 V 形块或类似的东西上。这就是我看到协作机器人大放异彩的地方。”

正如 Alexander 总结的那样，两位专家都同意，“在大多数车间和制造应用中，工业机器人比协作机器人更适用。”

软件注意事项

根据加利福尼亚州拉梅萨车间自动化总裁 Greg Mercurio 的说法，“软件是车间自动化中最重要的组成部分。”他说，直接数控 (DNC) 软件（也称为分布式数控软件或“滴灌”软件）“允许简化机器通信，以及用于管理质量/报废的修订控制，以及组织数千个程序的方法。”

DNC软件的主要功能是将加工程序直接发送到机床上，使控制等级相对较低的机床能够处理复杂的表面。

Mercurio 和所有专家一致认为，某种程度的机器监控有助于“增加正常运行时间和机器容量”。 Mercurio 补充说，生产数据管理软件使公司能够实现无纸化，并且“工具箱管理也是必要的。最好的部分是这些解决方案都可以与 CAD/CAM、ERP、MES、CMMS 等集成。”

另一方面，他指出，在花费数千美元购买软件之前，较小的商店可以从简单的硬件添加中受益匪浅。例如，在旧设备上添加 RS232 到 USB 接口可以使滴灌程序更容易。

“硬件易于使用、设置和维护，因此对于小型商店而言，它是最耗时的自动化
选项。较旧的 RS232 机器可以使用 USB 驱动器，如较新的 CNC 机器，这些机器具有工厂内置的功能。对于他们来说，这也是一种更实惠的方式来实现车间现代化，而无需完全更换设备。它还允许进行经济实惠的内存升级，”Mercurio 补充道。

回到机器人，Alexander 说机器人 OEM 和第三方提供了许多软件包，可以在机器人继续工作的同时在 PC 上离线编程。 “这些软件包允许您加载 CAD 文件，然后让您可以使用触控笔或鼠标自由地‘绘制’机器人路径，”Alexander 解释道。 “然后，该软件会将您绘制的路径转换为可以直接加载到机器人中的机器人代码。”

车间老板库兹明最后一句话是合适的：“我想提高生产力。我通过添加机器人来做到这一点。我对我们所取得的成就感到非常满意。在这样做的时候，我说我们应该让所有人都可以使用它，因为这将使我们国家的制造业更具竞争力。”