自动化立式加工操作：所有车间的最佳时机

许多车间说想自动化操作，但实际有多少做到了？

《制造工程》2017 年 8 月刊关于线性托盘系统文章引用行业专家话：他访问的每个车间都想自动化。但 Okuma America Inc.（北卡夏洛特）产品专家 Errol Burrell 近期说只有 10% 机床自动化。据 Methods Machine Tools Inc.（马萨诸塞萨德伯里）全国自动化经理 John Lucier，机器人工业协会报告仅 3-4% 新机床配机器人。

无论线性托盘系统、简单托盘换台、还是机器人，显然美国机加工自动化有巨大未开发潜力。卧加自动化比立加多，但立式加工中心比卧式普及，故自动化立加潜力最大。难怪 Gosiger（俄亥俄代顿）自动化事业部副总裁兼总经理 Greg Feix 说公司过去两年立式机床自动化增长 5-7 倍。

老牌托盘换台

无论立加或卧加，最简单自动化形式是旋转托盘换台。操作员在外侧托盘夹具装零件，机床加工内侧同排布。首批零件完成，托盘旋转，操作员卸成品。

Lucier 说这投资级符合通用做法：预留机床价值 10% 用于虎钳等夹具，但立加上真不怎么解放操作员，因一托盘通常只能加工几个零件。所以虽很多人问这系统，极少买。

卧加经济账不同，最常见法是托盘上放四/五面工装塔，一次加工 4、8、16 或更多零件。但即便这样，若需加工多品种零件，各需不同工装，依然昂贵。

Doosan Machine Tools America（新泽西派恩布鲁克）销售总监 Andy McNamara 说，另一选项越来越常见，比双工位旋转托盘换台多点能力：带臂工作交换器，从相邻多托盘站提升托盘进机床。托盘站通常有 4、6、8 或更多工位的旋转鼓，Erowa Robot Easy 即好例。

“不算真机器人，但高端系统可能有工件调度系统，更接近线性托盘系统能力。”McNamara 说 Doosan 收到许多五轴机此类系统请求，模具行业三/四轴机也见兴趣，用于夜间跑电极与模具，按需切换零件。

“高端立加上见很多不同版本自动工件换台与旋转托盘系统，模具行业。职业车间最常见整体或附加托盘换台。”他说。

铰接机器人集成似成立加最甜蜜方案。Lucier 甚至说立加用此法自动化容易得多。

“Methods 见自动化立加比例高于卧加。自动化门与集成机器人对两机型相同。区别在考虑相关工装成本与收益时。”

如前所述，卧加最流行用法是工装塔加工零件。可用机器人装载带塔托盘进机床，甚至用轨道机器人装载多台机床。但这需大型机器人，仍需操作员给每塔装夹零件。

若想自动化装夹零件到塔上，每虎钳得管液压/气动，多品种零件需多种此类工装，进一步乘高成本。Lucier 与 Feix 论证，更好法常是用小机器人装单个零件进立加自动虎钳，机床更便宜。

“我们这类自动化起步 10 万美元以下，”Lucier 说，“含进料、出料、机器人与末端工具。对比托盘系统机器人本身就 10 万，不算轨道、货架、控制等。”

Methods 最热门单元机床内两虎钳（Op10 和 Op20）机器人服务两虎钳。“常把两虎钳装在分度工作台上，单轴旋转上下在每次夹持得零件三面，”Lucier 解释。“机器人翻转、旋转零件放入第二虎钳得其余三面。这样两道工序完成零件，机器人做翻转重定位。”

“中间猴子”

机器人固有灵活性也使其能服务多台机床。例如 Methods、Doosan、Okuma 都有三机床围三边成方、第四边进出料站、机器人在中间玩“中间猴子”，Lucier 措辞。“超三台机床就围不下机器人，改机器人上轨道，延长轨道即可服务任意数量机床。”

自然不想机床等机器人，关键因素是零件循环周期。Lucier 经验法则：零件周期 30-40 秒，一机器人服务一机床。60 秒服务两台。90 秒服务三台，以此类推。机器人上轨道同理。Lucier 举常见例：五轴医疗件六分钟周期，“轨道机器人能很好服务五六台 FANUC Robodrill。”

快速换型，机器人集成

除立加工装相对低成本外，换型容易。Lucier 说：“立加切换零件型号通常只换虎钳钳口。仅次于换刀片，立加操作员会换钳口，因天天干。”

更快更具成本效益法是用 Schunk、3R、Erowa 零点夹紧系统。操作员可在机外装好新虎钳，几秒换出无需重新对零。

“能像托盘换台换托盘一样快切换这些虎钳，虽得手动，”Lucier 说。

可消除手动工装切换。Gosiger Feix 说 Schunk 和 ATI 做末端工具自动快换单元。Gosiger 装定制自动化：机器人装零件工装进机床，换末端工具，再装零件加工。

Doosan 自动化项目经理 Jack Cardin 赞同。“若尺寸变化太大超出夹爪手指调整，或从内径转外径，最好从机器人腕部换整个手，”他说。“我们有四款选，全 Schunk。”

Lucier 说正是这种“周边”技术近年最大改进，“让自动化更灵活，从而成更易决策。”

资深操作员为全新作业设置机器人约 30 分钟，Lucier 说。若重复作业且存了机器人程序，设置仅约 15 分钟。考虑典型作业跑一天以上，换型时间趋于微不足道。

承认，机器人进出机床每零件换型的非切削时间高于多零件托盘换台典型布置。但机器人自动化灵活性允许用户以最小工装成本自动化高混合低批量作业。

某方面机器人本身是考虑自动化时最易懂部分。Lucier 说工程进出料系统占他大部分时间。Methods 独家合作 FANUC 及其著名黄色机器人。Lucier 说：“机器人是黄的。我选合适尺寸完事。”更有挑战的是零件该以何种方式呈给机器人：输送系统、料箱、抽屉、或其他选项。

Okuma 方法是供应带六口液压气动歧管的立加，易集成自动工装，依赖 Morris、Gosiger、Hartwig 等合作伙伴帮最终用户自动化方案。Okuma 在夏洛特美总部有快速部署团队，改装来自日本的机床加自动门、激光、测头以启用自动化集成。

“所有机床也可装 Anybus 系统与各自动化系统通讯，无论 FANUC、Erowa 等，”Okuma 的 Burrell 补。Anybus 产品让工业设备与任意现场总线或工业以太网通讯，无线或有线。Anybus 由 HMS Industrial Networks Inc.（芝加哥）制造。

“我们不强制特定供应商，”他说。“工装与机器人领域许多人争霸，像我们与许多公司争机床霸主。”

Doosan 法三管齐下：提供任意机器人接口助本地集成商现场装自动化；在新泽西总部工程定制自动化方案；第三，提供标准预建系统 DooCell，“给职业车间性价比高的自动化入门路径，”McNamara 说。

每个 DooCell 含一机器人与最多三加工中心或车床任意组合。进出料站是抽屉单元，3-5 抽屉视零件高度直径而定。

“抽屉双向开，操作员一侧装毛坯卸成品，机器人另一侧处理零件，”Cardini 解释。

McNamara 补：“许多客户赶时间，追求用过的低风险方案想赶紧搞定。简单标准方案如 DooCell 契合这路子。”

一桶温水

除能混合立加与车床等机型外，用铰接机器人装单个零件给你灵活性自动化其他任务，如清洗去毛刺。

“忘掉 2 万美元清洗系统，”Methods Lucier 说。“给我桶温水机器人能给你创造奇迹。廉价洗零件法。下步：吹干。客户学用机器人编程洗吹循环比别的都多。”

Lucier 警告别过度聚焦消除闲置时间。“确保上料机床。若有额外时间，去毛刺洗洗无妨，但没必要痴迷。没机器人你得付操作员年年钱。机器人买一次再无后续成本。”

投资回报

Okuma Burrell 说“多数投资自动化技术者寻找 18-24 个月 ROI”，因缺工驱动采用自动化，随后发现机器人能填补空缺。

Lucier 说当自动化成本大致等于机床成本易证明自动化合理，多数情况小自动化单元不足一年回本。

“从基础算起，”Lucier 说。“半小时午餐。两个 15 分钟休息。八小时班次那一天增 12% 工作时间。你机床还能做什么提升产出超 10%？”

此外，他说，即使操作员在岗时段产出也更高，因机器人全天一致换零件。

“小伙子早班换零件 10 秒，下午 3 点大概率不再 10 秒。操作员实际开机率约 85%，机器人可达 95%，因仅换刀需停。加上下班后无人看管数小时造零件可能。”

工业 4.0 及相关概念采用程度有争议。但若有帮助，它在卖自动化。“我们爱人们实施跟踪机床运行时间系统，因他们震惊发现立加平均主轴利用率仅约 40%，”Lucier 说。“不是机器人家 John Lucier 告诉你多需要机器人——是你的数据。”

Burrell 说现在见 10 人小车间也实施自动化，预测职业车间也将视为“必选”。他补这些系统成本下降同时智能上升，预期立加自动化巨大增长。

最后，Gosiger Feix 讲一合同职业车间案例。车间想白天用立加跑小批量作业，夜间自动化量产作业。

“他们考虑 30×16 英寸（762×406 mm）行程铣床，想办法每天拉出自动工装换虎钳。我们建议买大铣床 40×20 英寸（1016×508 mm），右侧台面放自动工装，左侧放白天用虎钳，免换型。卧加绝不会这么干。”

但这正是立加现可得的灵活自动化。