自动化加工的未来：提升精度与效率

加工与机床看护概述

加工是去除金属“毛坯”材料以生产所需复杂形状的过程。

机床看护 指制造工厂中工业机床自动化操作，主要使用机器人自动化系统。装卸是机床看护系统主要功能，但机器人常在自动化系统中执行其他有价值功能，如自主车辆零件送入/移出单元。其他任务可在制造整体视角下自动化集成：CMM/零件检测、量规、吹气、清洗、去毛刺精加工、分拣、激光ID标记、包装和发货。

机床看护系统效益包括：

1. 提高生产力
2. 减少直接人工
3. 延长机床运行 — 24/7
4. 改善机床利用率
5. 降低整体生产成本
6. 提升产品质量
7. 增强机床安全
8. 运营灵活性
9. 库存优化

鉴于机床看护系统复杂性、功能性和成本，大多数制造商投资前需资本审批流程，高管必须批准采购。通常计算ROI(投资回报率)证明采购合理性。Futura Automation可协助当前成本核算和ROI计算。

立式铣削 — 4轴还是5轴？

立式铣床主轴垂直定向。铣刀夹持于主轴并随其轴旋转提供“A”维度。工作台提供X、Y（三轴铣）和Z维度（四轴铣）。主轴为旋转轴，通常可降低(或升高工作台，相对效果相同)，使刀具更接近或更深切入工件，实现铣削和钻孔。立式铣床两大子类：床式铣床和炮塔铣床。

当“B”轴也旋转时，则有5轴运动。5轴机床为零件尺寸形状有效加工提供无限可能。“5轴”指刀具可移动方向数。5轴加工中心刀具沿X、Y、Z线性轴移动并绕A、B轴旋转，可从任何方向接近工件。换言之，单次装夹可加工零件五个面。

卧式铣削

卧式铣床类似但刀具安装在水平主轴上(见铣削)横跨工作台。许多卧式铣床内置回转工作台允许各角度铣削；此功能称万能工作台。立式铣床可用立铣刀等刀具，但真正优势在于主轴安装刀具(侧铣刀和面铣刀)，横截面似圆锯但通常更宽直径更小。

关键机床制造商：

• Mazak: HC, MEGA, UN
• Toyoda: 400, 500, 630, 850, 1000, 1250, 1600mm托盘
• Hurco: HM1700i
• Haas: 40-Taper, 50-Taper
• DMG Mori: NH, NHX, DMC, DMU
• Okuma: LB, LT, MULTUS
• Matsuura: H-Plus

车削中心

车削是制造圆柱零件加工过程，刀具线性移动而工件旋转。常用车床，车削将工件直径减至指定尺寸并产生光滑表面光洁度。车削中心是带计算机数控(CNC)车床。复杂车削中心也可执行多种铣削和钻孔操作。5轴铣床可配置为车削中心，因此大多数5轴机床制造商提供车削中心版本。

关键制造商：

• Mazak: HQ, INTEGREX, MULTITEX, ORBITEC, QT
• Okuma: GENUS, MULTUS, LB, LT, LU, V40R
• Hurco: TM, TMX, TMM
• Matsuura: CUBLEX
• DMG Mori: NT, NTX, NZX, CTX, WASINO

路由加工

计算机数控(CNC)路由器是计算机控制切割机，通常安装路由刀具作为主轴，用于切割木材、复合材料、铝、钢、塑料、玻璃、泡沫等各种材料。CNC路由器可执行木工车间多种机器任务：板锯、主轴铣、钻孔机。也可切割榫卯等接合件。

注塑和压铸机

注塑是将塑料(或类似“压铸”工艺的金属)强制注入模具。模具两半以足够力夹紧承受注射过程。注射完成，模具分离取出零件。“流道”、“浇口”和“飞边”也需移除。注塑模具可水平或垂直固定。大多数机器水平定向，但垂直机用于嵌件成型等利用重力的利基应用。一些垂直机也不需模具固定。工具固定到模板方式多样，最常见手动夹具(两半螺栓固定模板)；但液压夹具(楔块固定工具)和磁力夹具也用于需快速换模场合。

自动化存储和托盘输送

托盘管理系统是在加工过程中存储零件并通过输送最终由机器人臂(称“看护”)自动送入机床，配合适当工装将零件送入机床(如OMIL工装)。

Trinity Automation针对多种用例和加工量开发三级托盘管理。

Trinity Automation: AX1, AX2, AX5

AX1是紧凑高速托盘管理系统，将小型CNC加工中心转为全自动生产系统，适配Haas DT & DM系列、Fanuc Robodrill等类似系统。

AX2是中型托盘管理系统，尺寸范围至16英寸直径×9英寸高。适合侧向装载Haas UMC-500，或立式加工中心如Haas VF2或YCM NXV1020A。

AX5是大型托盘管理系统，适合侧向装载Haas UMC-750，或立式加工中心如Haas VF4。AX5是将加工业务提升新层级的终极解决方案。

精加工：去毛刺和抛光

加工零件应用或销售前通常需要一定程度精加工。去毛刺可视为粗精加工，涉及研磨或介质滚磨。抛光是另一种精加工方式，特别是外观原因。注塑/压铸件还有脱浇口、飞边或流道移除过程。用于将零件送入加工的托盘也可用于将加工零件送至去毛刺或抛光工位。

质量检测与CMM

许多制造商需100%检测制造组件质量或符合严格制造规范。自动化检测工具包括机器视觉和坐标测量机(CMM)。所有情况下，零件进出检测工具搬运可由机器人臂自动完成。零件可用加工相同托盘送至检测工位。

自动化标识标签

多种技术在成品打印型号和序列号。包括激光打印、点阵打标、RFID标签、喷墨打印，按普及度逆序。

自主移动机器人(AMR)

另一精简制造降低人工成本工具是自主移动机器人(AMR)。这是仍在发展的技术，无需输送机或人工叉车在工厂车间运输产品。AMR可将产品从另一工序送至机床侧，或从机床侧送入存储、包装、发货。

如何选择系统？*

制造成功始终关乎利润，即投资回报率(ROI)。回报或利润两要素：收入减支出。支出可分直接和负担(间接)。直接支出发生车间，是制造组件实际成本。直接支出也可分人工和资本化(折旧)。人工不仅时薪，还含福利、雇佣税、安全风险等额外支持成本。可被机器替代的重复简单劳动应为全球竞争力而替代。

一些车间仍坚持传统方式，相信熟悉技术能应对新挑战。不会——至少不在今天全球市场。认识新技术如CNC进步，是确保公司未来竞争力的战略决策。

新技术论证是多步骤过程：

步骤1： 了解您的成本
使用透明成本系统，评估所有成本因素含直接“全包”全负担人工，评估新技术如何改善现金流，计算单件成本和新技术投资对生产成本和ROI影响。

步骤2： 了解CNC技术潜在效益
可衡量效益包括提高生产力、减少设置换刀时间、改善正常运行时间、吞吐率、废品率和刀具成本，同时减轻维护成本和作业准备成本负担。

同样重要，CNC无形效益包括不依赖操作员技能的质量、精度、改善表面光洁度。也可增强工艺灵活性，预设快换刀具标准化刀片、单点车削而非昂贵成型刀具。

步骤3： 了解老旧设备成本
老旧设备意味着较低效率、超计划设置时间、需消失技能设置操作。同等重要，老旧设备统计上无法保持公差、产生过多废品，损害效率、增加材料成本。

计算回本周期
评估新技术回本有多种方式。ROI分析帮助决定购买昂贵或较便宜机器是否明智。

ROI分析基于项目相关收入支出指示投资如何影响公司现金流。ROI以百分比回报率给出。

执行ROI分析公司必须基于项目成本和投资对现金流影响确定投资回报率。确定回报率后，公司必须判断是否可接受。通常20%或更高回报率视为可接受。

更多考量
然而此论证方法未考虑维持竞争力的重要技术战略层面。质量是终端用户当前首要优先事项之一。此因素例证ROI分析未完全识别内容。质量不仅取决于设备类型，还取决于工艺，如单步完成零件。

除质量外，许多其他效益——无形效益——将影响公司竞争力。这些可能与投资对现金流影响同等重要。考虑这些其他效益是确保公司生存的长期投资视角。

ROI分析传统用于分析高产量多年项目，也可用于分析低产量、大品种零件多年采购机器智慧。示例很简单，还有许多额外因素可考虑，如新机器税务影响。

最后，ROI不一定等同盈利和竞争力。盈利取决于考虑购买机器的小时成本率和无形效益影响。视公司资本投资决策，现金流影响可能与长期竞争力盈利截然不同。

可能高ROI低盈利，反之亦然。

从两个角度审视新机器采购。执行ROI分析，也审视投资长期影响。虽然低价机器初期盈利可能较高；但因长期效益，高质量机器采购对精密零件生产商可能是最有利选择。

*感谢Index Systems的Jeff Reinert，文章发表于：https://www.americanmachinist.com/cad-and-cam/article/21892337/justifying-investment-in-cnc-technology