嘿，Job Shop：自动化时间到了！

认为在多品种、小批量的环境中自动化太难了？再想想

机器人和工作车间通常不会一起讨论。毕竟，每个人都知道自动化只适用于大批量生产，而典型的夫妻式经营完全不是——它的日程安排中充满了高混合、小批量且通常高度复杂的工作的订单。在这种环境下，谁需要机器人？每周甚至每天都要进行几次设置？

不过，在跳到下一篇文章之前，您可能需要考虑一些事情。首先，许多专家建议，无论业主如何告诉自己，作业车间的机器利用率是业内最低的。 50% 或更低的整体设备效率 (OEE) 值并不罕见。自动化是改善这一数字的明确解决方案。

而且由于机器更换在工作车间更加频繁，因此需要更多熟练的机械师和程序员来执行与设置相关的活动——他们要求更高的薪水并且很难找到。这会增加运营成本，减少额外工作的机会，并使全天候生产极具挑战性。鉴于熟练工人的短缺，因此自动化应该是任何工作场所的圣杯，即使实施可能不是一条容易的道路。

即插即用的可能性

问题是，你从哪里开始？扎克·斯宾塞有一些想法。位于马萨诸塞州萨德伯里的 Methods Machine Tools Inc. 的一位定制提案工程师指出，自动化可以接近即插即用，尤其是在购买新机床时。

“我们在近 15 年前开发了 JobShop Cell，它已成为我们最受欢迎的 FANUC RoboDrill 自动化解决方案之一，”他说。 “它专为每天至少要进行一些转换、占地面积有限、需要灵活地从一个部分轻松切换到另一个部分的商店而设计。”

他解释说，JobShop Cell 有两种配置。一个使用上/下传送装置将原材料运送到机器人并带走成品零件，而另一个使用包含一系列抽屉的柜子用于工件和材料的存储。两者都使用 FANUC 机器人来装载和卸载机器（或一对机器，在 Methods 的 Twin RoboDrill JobShop Cell 的情况下），并且都提供了一种让 CNC 无人值守几个小时甚至整个班次的方法，具体取决于工件。

对于更高的产量，Methods 提供其 Plus-E，一种用于中高产量工作的多托盘电梯式自动化系统，以及用于希望自动化机器设置和操作的商店的 Plus-K，能够更换刀架、预装虎钳和固定装置。 “你可以告诉系统这五个虎钳是 A 部分，接下来的两个虎钳是 B 部分，之后的一个是 C 部分，接下来的十个是 D 部分，”斯宾塞说。 “在那之后，你只需把它装上材料然后回家。这两款 Plus 系列机器都是与 RoboDrill 并排放置的独立单元，非常适合寻求轻松实现自动化的商店。”

拿手推车

方法并不是唯一采用这种方法的提供者。威斯康星州哈特兰的 Lang Technovation Co. 负责运营、技术和内部销售的 Eric Nekich 说，该公司的 RoboTrex 自动化系统使用 FANUC 机器人和多达四个可移动的小车，每个小车都包含一些预装的虎钳。例如，RoboTrex 52 每个台车最多可存储 42 个虎钳（取决于零件尺寸和台车配置），可实现 168 个工件的无人值守加工。

与 JobShop Cell 一样，RoboTrex 是独立的并受到全面保护，但也可以与各种加工中心品牌和型号集成。唯一的障碍是需要考虑投资一些 Lang 的 Makro-Grip 五轴虎钳，这些虎钳是系统使用所必需的（巧合的是，在 Lang 的德国工厂的 50 台配备 RoboTrex 的加工中心上制造） . “然而，这是一项投资回报率非常快的投资，因为使用 RoboTrex USA 系统将大大增加您的主轴正常运行时间，”Nekich 说。

Michael Gamache 是位于威斯康星州新柏林的 Gamache Systems 的业务开发经理，该公司是梅维尔 Metalcraft 的一个部门，也是美国 RoboTrex 系统的独家集成商。他认识到一些客户可能不愿投资新的工件夹持系统，但提供了一些很好的理由这样做。

“作为一名企业主，我明白虎钳并不便宜，但从自动化的角度来看，高质量的工件夹具是成功的一半，”他说。 “您需要以重复、准确的方式将原材料送到机器人手中，而 Makro-Grip 系统是实现这一目标的最佳方式之一。此外，该系统非常易于设置和操作，因为机器人正在处理虎钳而不是各种尺寸的原材料；因此，一个程序适用于每个部分。”

抓紧时间

位于明尼阿波利斯的 Kurt Manufacturing – Industrial Products Division 的设计工程师 Tyler Mardaus 同意对高质量工件夹具的需求，尽管他的公司的方法与 Lang 提出的方法有很大不同。 “我们的定制工程夹具 (CEW) 团队设计了许多螺线管控制的双作用液压系统，”他说。 “液压提供更高的 psi，因此比手动夹持力更大，而螺线管支持通过机器人或机器控制对虎钳进行电子激活，从而创建一个真正的自动化系统。”

他补充说，商店应该通过瞄准数量最多的工作来开始他们的自动化之旅。如果有零件可以使用带有可加工钳口的虎钳（或多个虎钳），则可以在转换期间更换这些部件，从而减少设置时间。至于投资，不可避免地需要液压泵和管道，但可以使用液压友好型螺母和螺钉组件改造商店现有的手动虎钳。

“你应该努力创建一个闭环控制系统，”Mardaus 说。 “这首先要安装某种部件就位确认装置，但您还需要验证在允许循环开始之前已以正确的力夹紧虎钳，并且在机器人试图移除之前，虎钳已松开。工件。所有这些步骤对于任何自动化加工解决方案都至关重要。”

加快工件交换

Mardaus 关于减少设置时间的评论是正确的。毕竟，如果您每次换工作都要花费数小时的昂贵停机时间，为什么还要通过自动化来降低劳动力成本呢？他提到的快速更换钳口是一个很好的起点，但如果预算允许，零点定位系统，如 Lang 的 Makro-Grip（和其他），可以将工件更换变成一分钟的练习。还应该有强大的 CAM 功能，以及评估后处理刀具路径、刀架、切削刀具、工件、工件夹具和机床本身的仿真软件。

正如密歇根州安娜堡 Zoller Inc. 的业务发展总监 Dietmar Moll 所解释的那样，商店应该高度重视工具管理，从离线预调系统和相关软件开始。 “任何自动化策略的最大好处之一是机器管理和其他非增值工作由机器人或协作机器人接管，从而使合格人员腾出时间来完成更重要的任务，”Moll 说。

离线刀具预调是这些任务之一，但也有彻底的工作计划、刀柄维护和组织、刀具检查和车间数据分析。为此，Zoller 提供了远远超出工具设置的各种解决方案。其青铜级、白银级和黄金级工具管理解决方案 (TMS) 允许车间根据需要提高其能力，从而显着提高生产流程和工具相关资产的可见性。 Moll 补充说，因为这些可以与 Zoller 的 »cora« 协作机器人通信，它们通过自动化工具室任务（例如工具清洁和存储）来“闭合循环”。

同样，该公司的集成工具存储解决方案有助于组织这些资产，进一步减少停机时间和效率低下。工作完成后，这些相同的系统可用于将工具重新放入婴儿床，检查其性能，并记录任何剩余的工具寿命。 “这有助于车间更好地了解哪些切削工具工作良好，哪些不工作，使他们能够进一步改进流程并降低工具成本，”他说。

调度建议

强大的工具管理也是作业调度的重要组成部分，这对于机床和机器人的使用都至关重要。对 Moll 而言，这意味着知道接下来有哪些工作以及运行这些工作需要哪些工具。对 Daniel Carranco 来说，这意味着更多，尤其是在自动化的背景下。德克萨斯州伍德兰 Global Shop Solutions Inc. 的持续改进主管指出，所有商店——无论是否自动化——都应该有一个良好的 ERP 和调度系统，该系统还可以监控车间并收集关于加工过程。

不过，实现该等式的监控和数据收集部分需要易于集成的 ERP 软件、机床和机器人技术。 “我们遇到过这样的情况，客户希望将他们的设备与我们的系统集成，但发现该设备使用的软件平台对我们来说几乎是不可能的，”他说。 “因此，对于任何追求集成生产环境的人来说，第一个建议是确保一切都可以有效通信，并且每个人都清楚将要交换的数据的种类和数量。”

沟通似乎比以往更有意义。 ERP 系统长期以来一直擅长从车间人员那里收集数据，现在它们也必须从机器人和机器控制器那里收集数据。此外，该数据不仅包含用户期望的无处不在的作业编号、生产时间和完成（或报废）的数量，还可能显示实时材料消耗、检验和零件质量信息、机器和机器人状态，等等。

“现在可用的信息肯定比以前多得多，而且只要有正确的 ERP 软件、设备和集成，所有这些都可以无缝自动收集，”他说。 “这样做为持续改进提供了全新的机会，但更重要的是，它使员工能够专注于更重要的事情。无需再将时间浪费在手动数据收集上，而这通常是参差不齐的，人们可以进行流程规划和分析。”

推动最佳实践

正如 Carranco 所建议的那样，无论商店是否计划实现自动化，都应该采用这些技术，因为所有这些技术都有助于提高运营效率并提高其 OEE 水平。而当下一步真的开始时——实施机器人或物料搬运系统——投资将更快得到回报。假设你不关心或不能使用任何已经讨论过的预配置系统，那么问题就变成了，“我们应该购买什么机器人，我们应该如何实施它？”

Dean Elkins 可以推荐一个。 Elkins 是位于俄亥俄州迈阿密斯堡的 Yaskawa America Inc. 的 Motoman 机器人部门的材料处理部门负责人，他表示，工作车间通常会提供一系列合适的机器人应用，无论是机器照料、零件去毛刺、自动装配还是机器人焊接。 Finding the right equipment for these applications, though, requires a good deal of evaluation and talking to knowledgeable people.

“Justifying an investment in automation depends on several factors,” said Elkins. “Obviously, the larger the production quantity, the more it makes sense to automate it. But even lower volume, repeat work can be profitable, provided the shop takes the necessary steps to reduce setup time as much as possible. Parts with longer run times are also good candidates, as are parts with simple handling requirements.”

Elkins noted that most job shops find a small to medium-sized floor-mounted robot—meaning a payload of 5-25 kg—is all that’s needed to deburr a batch of parts, weld a crateful of brackets, or tend a CNC lathe after everyone’s gone home for the night. With that, however, some level of safety guarding will be required, as will grippers, an interface to the machine tool, and possibly programming and simulation software.

Tomorrow, Today

And don’t forget the training, he warned. Automation is much simpler than it once was, yet the savvier job shop owner is still going to make an additional investment in training, and have a dedicated person on staff to manage the shop’s robotics. That said, collaborative and force-limiting robots are becoming quite popular, especially where floor space is a concern. Robots can be equipped with self-changing or quick-change grippers, increasing flexibility. Vision systems can often eliminate or at least simplify part conveying systems, and the ability to teach a robot its tasks helps reduce the need for offline programming systems. “There’s a lot to consider,” said Elkins. “That’s why I encourage anyone interested in automation to do their homework, ask questions, and partner with a reputable integrator.”

Acieta LLC, Waukesha, Wis., is one such company. Steve Alexander, vice president of operations, warns that not all integrators are created equal. “Make sure you work with someone who has experience with your type of work and the skill level to implement your robotic automation project,” he said. “Get references, go see their previous installations, and understand the quality of their work. Industrial robots are designed to last well over 10 years, so you want to make sure everything else in the cell is designed for an automated environment and is just as reliable as the robot itself.”

Doing so can lead to a return on investment (ROI) of just a few months, although a year or two is probably a more realistic expectation. Much of that depends on the application, of course, but the type of robot also plays a role. As Elkins noted, collaborative robots—or cobots—have become all the rage over the past few years, mainly due to their ease of use and seemingly safer operation in proximity to humans. Yet appearances can be deceiving. Cobots can be slower and less accurate than so-called “industrial robots,” possibly slowing ROI, and even the friendliest cobot can harm a human if established safety procedures aren’t followed.

This is why Elkins and others strongly recommend a risk assessment with any robot installation. He also suggested that the best approach for automation newbies is to start small and easy. “Find a single pain point and conquer that one first before looking at adding additional processes or complexity,” he said. “You want to have success right out of the gate so that everyone—the shop owner, the machine operators, and the people doing the integration—are comfortable moving on to larger or more complex projects. Sometimes, the biggest challenge is getting employee buy-in. There’s always the fear that robots will replace humans, so it’s important to make them part of the implementation. Educate them, get them involved in the roll-out, and when they find that the robot actually makes their job easier and more interesting, they’ll end up being your biggest cheerleaders.”