职业车间自动化：提升产能降本实战指南

单操作员可同时看管多机器人，每机器人又看管多机床——收益叠加！

若“自动化”是金属加工界几乎所有人持续吟唱的主旋律，职业车间老板可能是唯一高喊“不！”或至少“慢着！”的人。他们问：低批量高混合零件如何经济自动化？却不仅可行、很可能必要。

Acieta LLC运营副总裁Steve Alexander（威斯康星Waukesha、爱荷华Council Bluffs两地自动化集成商）说：“美国引领世界制造，但制造业时薪成本全球最高。职业车间不只与本地同行竞争，也与他国竞争。自动化能降成本从而更有竞争力。”

他补说制造产能需求超可用劳动力供给，“职业车间可能难与更大更成熟机床车间竞争”日益昂贵的人才。但机器人可看管多机床，某些情况下单操作员可管多机器人，每机器人又管多机床。

“这释放操作员做二次作业，如去毛刺、装配、花更多时间质检，”Alexander说。举两例：威斯康星Newburg的Central United用单台FANUC M-20iB机器人看管两台车床。威斯康星New Berlin另一Acieta客户用单台FANUC R-2000iB管四台机床。“两例中仅单操作员负责上料毛坯到输送机或队列站供机器人抓取。”

Alexander补人体工学理由：“工伤是任何规模车间担忧。像装卡盘这样简单动作，一天重复数百次，快成操作员重复性劳损。因工时损失和索赔，每年成本数十亿美元。妥善集成机器人可从操作员移除重复工序，改善员工健康。”

方案与集成商

听起来美好。但Methods Machine Tools自动化经理John Lucier（马萨诸塞Sudbury）解释，“多造零件更高效”这一简单目标，视生产工作类型和产量，可通向截然不同路径。

如中等产量职业车间周换型两次。“妥善规划下，单元可在有人班次换型，从而在下一班获体面无人生产时段。”此语境下，机器人所需速度很大程度取决于零件加工周期。周期越短，机器人需越快，单机器人支撑多机床可能性越低。

但更低产量——甚至批量1——车间也可成自动化良候选，Lucier解释。只是“最重要考量是缩减换型时间、甚至彻底消除装夹时间。人们纠结周期和上下料时间，但若产量低到一半时间花在换型，则攻克换型时间、甚至以牺牲周期为代价，可能讲得通。”

“消除”装夹一法是自动化装夹，今机器人可编程更换自带末端工具和机床工装。另法是无论生产何零件，从旋转库（或其他堆叠器）装通用托盘。这消除换机器人工具或为不同零件编程不同上下料动作的需求。

Methods PlusK系统进阶此概念，兼装刀柄从旋转库。支持FANUC RoboDrill系列，PlusK旋转库五环各12站，共60站。每站可放零件托盘或刀柄，机器人能装零件到RoboDrill工作台、装刀进机床集成21工位刀塔。

但Lucier指出，若想自动化生产30-40完全不同零件，21刀可能不够。“我们常用Lang Technovation等供应商微型五轴虎钳装零件，”Lucier解释。“通常旋转库混装零件和刀具。假设一工件需5把刀区别前工件。我可用机器人按需装每刀，或一次装齐5刀进刀塔，像操作员装夹工件一样。”

若这些考量让你头疼，可理解。因虽近年自动化实施容易得多，仍足够难，多数职业车间明智做法是利用Acieta、Methods等集成商。Lucier视角，编程机器人是易部分。自动工装、工作区排屑、如何最佳呈现零件给机器人是大挑战。专家建议真正回报处。

自动化存量机床

例证此过程。2017年中Gary Kuzmin，All Axis Machining老板（德克萨斯达拉斯），成职业车间挫败教科书案例。潜在工作超可用劳动力支撑，车间满高端德系五轴加工中心、EDM等OEM无法经济自动化以获脱困所需通用性的技术。他投资Universal Robots (UR)协作机器人（密歇根Ann Arbor）破局。

像任何职业车间老板，Kuzmin首要需求保持运营“完全灵活性”。“我们做零件两三天就换下一个。给定月可能单机床做30-40不同零件。”所以需易装易换型机器人。需力控夹爪等特性适应不同零件和毛坯到薄壁成件变化。

UR全满足。其机器人手持示教器有编程界面。因自动停止碰触操作员，安全共存人类（故称协作机器人/cobot）。易训练、不威慑。

Kuzmin解释UR方案灵活性关键在于开放架构，允许第三方开发软件、视觉系统、末端执行器等配件配合UR机器人。UR提供一站式在线展厅UR+助力集成。

即便如此，Kuzmin发现无现成方案编程机器人打磨去毛刺——他想自动化这两功能，因对人类特别老工人最累。All Axis用UR免费SDK自建例程，基于CAD模型跟随零件曲率。

这些插件通过协作机器人自带示教器集成应用控制。“Universal Robots为像我们这类车间提供此方案做得极棒，”Kuzmin说。“不锁定专有环境。给本食谱、易扩展通讯方式，”补All Axis用TCP/IP、以太网、Modbus、Profinet连接协作机器人和机床。

“另一优势：无需付特殊许可费——随UR协作机器人购买包含，”Kuzmin说。“UR网站注册成开发者，下载所需元件。”

另例，All Axis想尽快在机床间移动协作机器人。挑战是创建系统既能重新定向机器人到下一机床、又能固地不钻混凝土。解法是环氧树脂粘接座于混凝土、装索引销。

“机器人若需移动维修，解锁拔销移动即可，”Kuzmin说。“重新定位锁销，一切仍索引。我们也把呈现托盘装机器人支架上，其相对机器人轴位置永不变。”

短短几月，Kuzmin团队集成协作机器人（现有七台）技艺大涨、对自动化收益兴奋，创立独立公司All Axis Robotics。Kuzmin称自动化新机床花约$150,000找OEM相对易，他见自动化存量机床巨大潜力，成其焦点。

举All Axis Machining自动化助底线一例：一工件典型跑六月，用机器人2.5月完成。“现象级。ROI约七八月，”Kuzmin说。

或许最震撼创新：All Axis结合UR机器人、现成显微镜摄像头、AI深度学习，造系统检测毛刺、卷边或任何异常（如缺五金）。

这重要，因Kuzmin解释，许多毛刺仅放大下可识别，人眼20-30分钟此类检测即疲劳。但也难自动化。

“毛刺像雪花——无两相同，”Kuzmin说。“我们Aurora系统用AI自学毛刺长相。见毛刺越多，检测越准。系统识别毛刺、分类、拒收后分拣零件。也记录检测和毛刺位置，操作员能高效返工推进。”

All Axis 2018推出Aurora，Kuzmin称单最大反响：“我们找这玩意找了年！”即将发布版本含装螺旋嵌件（Heli-Coils）和五金进零件能力。

工业机器人反击！

前文UR协作机器人易装集成多机床配件。但FANUC、KUKA等工业机器人供应商注意到直观手持示教器等特性，推自家版本。

Methods的Lucier承认“一度协作机器人绝对更易编程。但配置工业机器人今不再真有区别。”甚至“抓拖”装配功能传统机器人也有，Lucier称最适用只想把零件放桌子或靠挡块情况。

“对教机器人上三坐标测量机（CMM）完美，因机床只需知零件大致位置找边缘、再测量，”他说。“但装卡盘或虎钳，我用编程示教器教入有更多控制。”

工业机器人也有多样配件。如Lucier说，快换力控夹爪非协作机器人专有。“Schunk有伺服电机力感夹爪系列，脱离气动（更难切换）。电气真能精调。”

工业机器人厂商也有快速重定位机器人机床间方案。FANUC例中，机器人相机扫描“新”机床三贴花自动重定向。

但Lucier尝数月找不到此能力有用场景。“移机器人机床间不止移机器人。想下所有需变：也许末端工具、进料、出料……”更好方案是每机床自带机器人、或一机器人服务多机床、或双末端执行器免干预切换零件类型。

集成商如Acieta、Methods也能给存量机床加传统机器人，机器人价格与协作机器人相当。考量现有供给，协作机器人最大优势是无围栏空间费用下靠近人类工作。

劣势是比传统工业机器人慢、限轻载。UR最大型负载24 lb (10 kg)。慢上下料对长周期零件不显著，但中高产量短周期作业会降产出。

Axis Machining的Kuzmin不见速度需求，“只要一致性可靠——尤其长周期零件。让协作机器人可靠速度上料、同时去毛刺其他零件更好。不需速度为何冒险？”

Lucier和Alexander警惕夸大靠近机器人工作收益。Lucier指出，本就须屏蔽操作员离加工区。Alexander补协作机器人搬运带锐边零件（机加工常见）时，“操作员靠近它也不协作也不安全。”

两专家如Alexander总结，同意“工业机器人在绝大多数职业车间和制造应用中比协作机器人更适用。”

软件考量

Shop Floor Automations总裁Greg Mercurio（加州La Mesa）称“软件是职业车间自动化最关键组件。”他称直接数控（DNC）软件（称分布式数控或“滴喂”软件）“允许精简机床通讯、修订控管质量/废品、组织数千程序手段。”

DNC软件主功能：将加工程序直接发机床，让相对低端控制机床也能处理复杂曲面。

Mercurio和所有专家同意一定程度机床监控有益“提升正常运行时间和机床产能。”Mercurio补生产数据管理软件让企业无纸化，“刀具柜管理也是必需。最好是这些方案都能集成CAD/CAM、ERP、MES、CMMS等。”

但他指小车间在花数千软件前，可从简单硬件加装大获益。如给老设备加RS232转USB接口让滴喂程序更易。

“硬件易用、易装、易维护，是小车间最省时自动化选项。老RS232机床能像新CNC内置功能那样用U盘。也能负担得起升级内存，”Mercurio补说。

回到机器人，Alexander称机器人OEM和第三方提供多软件包，支持PC离线编程机器人而机器人持续工作。“这些软件包允许载入CAD文件、再给你自由用手写笔或鼠标‘画’机器人路径，”Alexander解释。“软件将画的路径转机器人代码，直接载入机器人。”

让职业车间老板Kuzmin收尾：“我想提高生产力。加机器人做到了。对成果很满意。做时想把这推广给所有人，因那才能让我国制造更有竞争力。”