多品种、小批量车削应用中的自动化

车削应用的自动化已经存在了几十年。棒料上料机、龙门上料机和机器人上料机是主流的自动化设备。所有这些都是中到大批量应用中的有效工具。但适应市场压力不断迫使 CNC 制造商转向小批量，处理更广泛的零件形状和尺寸。这一进展带来了新的挑战：

• 小批量如何影响车削应用的最佳自动化选择？
• 哪种类型的自动化最适合处理各种尺寸和形状的零件？
• 有哪些最佳做法可以充分利用设备投资？

自动化需求

让我们退后一步，看看车间自动化的基本目的。它是否提供了更多的设备使用？更高的生产能力？降低制造成本？降低人工成本？

大多数机加工车间经理会说，真正的原因——自动化的第一驱动力——是缺乏可靠、合格的劳动力。没有劳动力来经营企业，它要么是一家规模较小的企业，要么会倒闭。减少劳动力需求应该是任何自动化项目的首要任务，尤其是在多品种、小批量制造中。

但许多机加工车间经理表示，他们不愿投资于减少劳动力的设备。做出这一决定的原因可能是低估劳动力成本和高估设备成本的趋势。

一台价值 250,000 美元的 CNC 机床似乎显然比一个每小时 15 美元的操作员贵。然而，加上福利、税收和培训成本，运营商的净成本约为 21 美元/小时。但是，如果没有劳动力来发展业务，那么价值就会大大提高。通过在 15 年的时间跨度内摊销 CNC 机床的成本并加上融资、维护、电力和租金的成本，CNC 机床每周 7 天、每天 24 小时的成本约为 3 美元/小时，365一年的天数。减少劳动力需求的投资可能会有很高的前期价格，但通常会提供出色的回报率。

高混合，低音量

高混合意味着许多不同类型的零件：具有许多不同类型特征的棒材、轴、型材、钢坯、铸件和锻件。

小批量代表小批量。但“小”的定义取决于谁在问。与其关注批次中的零件数量，不如考虑运行批次需要多长时间，或者批次时间的多少百分比涉及设置。如果设置时间超过批量运行时间的 10%，则该作业属于小批量制造领域。

这些定义很重要，因为高混合制造依赖于灵活的制造设备，而小批量制造的设置时间应该很短。当制造是高混合和小批量时，做出最佳设备选择可能具有挑战性。商店需要着眼大局，仔细考虑劳动力成本和可用性与设备成本。这将帮助他们更好地选择最适合任何给定设施的车床和自动化类型。

高混合、低容量的车床选项

低估减少劳动力的需求是车间在为多品种、小批量制造选择车床时犯的最大错误。他们通常会避开铣削能力，转而在现有工厂中增加一项操作。副主轴、快速更换工具或夹头的额外成本可能会使这些功能看起来像是不必要的奢侈品。
但商店经理很少后悔购买了减少劳动力的昂贵选项。减少操作员劳动力的机器选项几乎总是具有很高的投资回报率。快换夹头、快换夹头和快换工具应安装在任何执行高混合、小批量工作的车床上。提供在单台机器上灵活运行部件的选项，一次性完成，也将具有很高的投资回报率。

“必备”副主轴

几乎所有车削零件都需要两次操作。在自动化车床时，副主轴是一个特别有益的选择，其价值经常被忽视或误解。即使车床只做棒材加工，而副主轴只允许移除分型块，在机器的整个生命周期内，副主轴都会为自己付出代价，而不是操作员重新加载零件或用手磨掉小块。

自动化卡盘应用是子主轴真正发挥作用的地方。如果没有子主轴，典型的机器人或龙门装载机一次只能完成一个操作。第一次操作完成后，操作员必须为第二次操作设置夹爪，翻转零件并将零件重新装入进料中。

在决定是否加副主轴时，应考虑以下问题：

• 所有要制造的零件是否会在成品面朝下放入进料中？
• 零件从第一次操作到第二次操作是否需要计时，进料是否能够可靠地维持计时？

如果上述任何一个问题的答案是否定的，那么如果没有子主轴，第二道工序将需要手动装载，从而增加劳动力和制造成本。

棒料进给、龙门架或机器人装载机

通常，为机器计划的工作类型决定了要选择的自动化类型。高混合意味着各种不同尺寸和形状的零件需要灵活性。小批量需要较短的设置时间来处理小批量。不幸的是，对于高混合、小批量的应用程序，没有明确的自动化决策。最佳选择通常取决于自动化需要支持的零件组合范围。

棒材送料机是车床最流行的自动化选择。它们简单、可靠且价格合理。棒材送料机的主要限制是零件尺寸，最大直径约为 4.75 英寸。对于多品种、小批量的应用，刀库式、伺服驱动、短负载棒材送料机通常会以最短的设置时间提供最广泛的棒材尺寸范围。对于主要在棒材送料器限制范围内的工作，这是一个难以超越的选择。

龙门装载机是另一种经过验证的车床自动化技术。龙门装载机通常可以直接从车床制造商处获得，作为集成解决方案，因此不必担心将复杂的自动化设备与复杂的 CNC 车床结合起来。就功能而言，龙门装载机的操作很像机器人装载机：它从进给中拾取零件，将零件装入车床卡盘，操作完成后从卡盘中取出零件，然后将零件放入出饲料。龙门装载机通常配置有双夹具以提高效率。借助双夹爪，机器人可以卸下刚刚完成的零件，同时将下一个要加工的零件放在另一个夹爪中。

龙门装载机通常可以配置为运行轴或卡盘工件。相似零件之间的设置时间可能相对较短，但从 2 英寸 x 15 英寸长的杆身到 6 英寸直径的圆盘可能会相当长。龙门装载机的另一个限制是它们可能根本无法处理某些零件尺寸和形状。龙门装载机通常使用堆垛装载机来处理需要将原材料和成品部件相互堆叠的圆盘。

几年前，机器人装载机只能用于完全定制的系统。这些是高成本系统，针对大批量应用，通常不太适合高混合、小批量的需求。如今，许多新技术的发展使机器人装载机成为多品种、小批量应用的有吸引力的车床自动化选择。

协作机器人装载机

协作机器人或协作机器人已成为一种流行的选择，因为它们不需要特殊的安全措施、便携且相对容易编程。然而，拆箱新的协作机器人并将其添加到高效的多品种、小批量自动化机器中可能是一项艰巨的任务。安装夹具以及设计和构建进料和出料、开门器和 CNC 接口并非易事。理论上，协作机器人装载机可以处理各种形状和尺寸的零件；但是，其有效性取决于进料、出料和夹持器的设计方式。设置时间取决于这些相同的因素，但在本土系统上可能比自动化“产品”长得多。

盒装机器人装载机

盒装机器人 (RIB) 是一种新的自动化类别，在市场上迅速获得关注。 RIB 将工业机器人与集成安全系统、夹具、灵活的进给和输出以及流行的 CNC 机床的标准接口相结合。 RIB 通常是预编程的，并且有一个简单的用户界面，操作员只需几个小时就能学会。 RIB 通常具有比龙门装载机系统更灵活的进料/出料系统。 RIB 通常是便携式的，允许车间将自动化应用到最适合这项工作的机器上。一些 RIB 供应商已将低设置时间和灵活的进料和出料系统作为工程优先事项。正因为如此，在多品种、小批量的环境中，RIB 通常比龙门装载机具有优势。

带 MultiGrip 的肋骨

MultiGrip 是一种专为多品种、小批量自动化市场设计的新型工件夹持技术。该工件夹具可用于 VBX-160，这是一种由 VersaBuilt Robotics 制造的 RIB。虽然最初是为立式铣床开发的，但这种工件夹持产品已进入车床应用，并为传统机器人夹持器带来了一些独特的功能。传统三爪夹持器的问题之一是它们并不总是非常适合拾取各种形状。虽然它们适用于圆形圆盘，但它们可能不适合长轴或任何没有圆形表面可夹紧的零件。

MultiGrip 机器人抓手不像传统抓手那样抓取零件。相反，它拾取可加工的 MultiGrip 钳口并使用这些钳口拾取零件。钳口可以轻松加工以匹配各种零件形状：轴、圆盘和几乎无限多种几何形状。然后，机器人可以将零件装载到现有的夹头或夹爪中，就像传统的机器人装载机一样。该系统本质上是机器人的自动换刀装置，可缩短设置时间。

可选地，车床可以配置 MultiGrip 中间夹爪。在这种配置中，VBX-160 可以将夹爪和零件直接装入车床卡盘进行加工。 MultiGrip 然后充当机器人的自动工具更换器和车床的自动夹爪更换器。 VBX-160 可以消除另一个设置步骤，并允许系统在单个负载中处理多个零件编号。对于多品种、小批量的应用，该系统可以在一个班次结束时加载多达四个不同的零件编号，并自动处理零件，包括在 CNC 上选择适当的程序，因此操作员受到欢迎早上完成了一大堆零件。

带有 MultiGrip 的 VBX-160 可以处理直径达 6 英寸、长度达 15 英寸的杆身以及直径达 10 英寸、高度达 6 英寸的圆盘。

总体而言，CNC 制造格局正在发生变化。客户要求 CNC 车间提供更复杂的零件，交货时间短，批量小。与此同时，设置和运行 CNC 机床的劳动力越来越难找。在工具、工件夹具和自动化方面进行正确的投资可以让商店更好地满足客户的需求，减少对难以找到的劳动力的依赖，并提高其业务的增长和盈利能力。