职业车间：拥抱自动化应对高混合低批量生产

以为高混合低批量环境自动化太难？再想想

机器人与职业车间鲜少同句提及。毕竟人尽皆知自动化仅适大批量生产，典型夫妻店绝非如此——排程塞满高混合、低批量、常高复杂度的订单。一天换几次型、甚至天天换型的环境谁需机器人？

别急翻页，考虑几点。首先，许多专家指出，无论老板怎么自我安慰，职业车间机床利用率行业最低。OEE（设备综合效率）50%或更低不罕见。自动化是改善此指标的明确路径。

且因职业车间换型更频繁，需更多熟练机加工人员与程序员做换型相关工作——他们薪资高、难招。这推高运营成本、减少接单机会、让全天候生产极难。鉴于熟练工短缺，自动化本应是职业车间圣杯，即便实施非坦途。

即插即用的可能性

从何入手？Zach Spencer有思路。Methods Machine Tools公司定制方案工程师，他指出随新机床采购搭配自动化可近乎即插即用。

“我们近15年前开发JobShop Cell，此后成FANUC RoboDrill最热门自动化方案之一，”他说，“专为每天至少换型、地面空间受限、需灵活在不同零件间快速切换的车间设计。”

JobShop Cell两种配置：一种上下叠加输送带送料出件，另一种用含多抽屉柜体存工件物料。均用FANUC机器人上下料（Methods双RoboDrill JobShop Cell可服务两机），均提供让数控机床按工件无人值守数小时甚至整班的方式。

大批量场景，Methods提供Plus-E多托盘升降式自动化系统，适中大批量；Plus-K可自动化换型与运行，能换刀柄、预装虎钳、夹具。“告诉系统这五虎钳是A件、后两个B件、再一个C件、后十个D件，然后装料回家。”Spencer说，“Plus系列均为自含单元置于RoboDrill旁，是车间轻松跨入自动化的完美选择。”

走托盘车路线

Methods非唯一走此路厂商。Lang Technovation公司运营/技术/内销负责人Eric Nekich介绍，其RoboTrex自动化系统用FANUC机器人配最多四辆移动料车，每车装若干预装虎钳。RoboTrex 52每车可存42虎钳（视零件大小与车配置），潜在无人值守加工168工件。

同JobShop Cell，RoboTrex自含全防护，也可集成多品牌机型。唯一门槛是接受投资Lang Makro-Grip五轴虎钳（系统专用，巧合是Lang德国工厂50台配RoboTrex机床制造）。“ROI极快，因RoboTrex USA系统会让主轴运行时间剧增，”Nekich说。

Gamache Systems业务发展经理Michael Gamache（威斯康星New Berlin，Metalcraft of Mayville分部，RoboTrex美国独家集成商）认同客户可能因新工装系统投资犹豫，但给出充分理由。

“作为老板我懂虎钳不便宜，但自动化视角下，高质量工装是赢半仗，”他说，“需以重复精准方式将毛坯送至机器人，Makro-Grip系统是最佳途径之一。且系统极易建置操作，因机器人搬运虎钳而非多种毛坯尺寸，一套程序通吃所有零件。”

夯实工装

Kurt Manufacturing工业产品部设计工程师Tyler Mardaus赞同高质量工装必要性，但路径截然不同。“我们定制工装（CEW）团队设计许多电磁阀控双作用液压系统，”他说，“液压提供更高psi从而更大夹持力，电磁阀支持机器人或机床控制器电子激活虎钳，打造真正自动化系统。”

他建议车间自动化起步锁定最高批量零件。若有零件可用虎钳（或多虎钳）配可加工软爪，换型时换爪即可缩短装夹时间。投资上，液压泵与管路不可避免，但或可改装现有手动虎钳为液压友好螺母丝杠组件。

“应致力构建闭环控制系统，”Mardaus说，“始于安装工件就位确认装置，但也须验证虎钳以正确力值夹紧后才允许循环启动，及机器人尝试取件前虎钳已松开。这些步骤对任何自动化加工方案至关重要。”

加速工装交换

Mardaus关于缩短装夹时间的评论切中要害。自动化省人工成本若每次换型仍耗数小时昂贵停机则得不偿失。快换软爪是好起点，预算允许零点定位系统（如Lang Makro-Grip等）可将工装交换压缩至一分钟。亦需强大CAM能力，含仿真软件评估后处理刀路、刀柄、刀具、工件、工装、机床本体。

Zoller公司业务发展总监Dietmar Moll解释，车间应高度重视刀具管理，始于离线预调系统及配套软件。“任何自动化策略最大红利之一是机床上下料等非增值工作交给机器人/协作机器人，释放合格人员做更重要事，”Moll说。

离线刀具预调是这些任务之一，还有详尽排程、刀柄维护整理、刀具检测、车间数据分析。为此Zoller提供Bronze、Silver、Gold三级刀具管理系统（TMS），车间可按需扩展能力，显著提升生产流程与刀具资产可视性。因能与Zoller“cora”协作机器人通讯，Moll补充，它们通过自动化刀具清洁存储等刀具间任务“闭环”。

同样，集成刀具存储方案组织资产，进一步减停机与低效。作业完成后，同套系统可入库复核、评价性能、记录剩余刀具寿命。“帮车间懂哪些刀具好用哪些不好，进而改善工艺、降刀具成本，”他说。

排程建议

稳健刀具管理也是排程关键，关乎机床与机器人利用率。对Moll，排程是知晓下单顺序及所需刀具。对Daniel Carranco，自动化语境下内涵更丰富。Global Shop Solutions持续改进总监，德州The Woodlands，他指出所有车间——无论是否自动化——都应有良好ERP与排程系统，能监控车间、采集加工过程信息。

实现监控采集需集成友好ERP软件、机床、机器人。“客户想集成设备与我司系统，却发现设备用的软件平台几乎无法对接，”他说，“追求集成生产环境首条建议：确保一切能有效通讯，明确将交换何种数据、何种量级。”

通讯内涵超往昔。ERP擅长采集人工数据，今须兼采机器人与机床控制器数据。数据不止作业号、工时、完工/报废量，还可能含实时物料消耗、检测质量信息、机床机器人状态等。

“如今可获信息远超以往，给对的ERP、设备、集成，一切可无缝自动采集，”他说，“提供全新持续改善机会，更关键是释放员工聚焦高价值事务。不再浪费时间手工采数据（常不全），转而做工艺规划分析。”

为最佳实践加速

Carranco建议这些技术无论车间是否规划自动化都应追求，因均能提效、大幅提升OEE。下一步——实施机器人或物料搬运系统——投资回报更快。假设你不适用/不想用上述预配置系统，问题变为“买什么机器人、如何实施？”

Dean Elkins可荐一款。Yaskawa America Motoman机器人事业部物料搬运细分负责人，俄亥俄Miamisburg。Elkins称职业车间常呈现多种适配机器人应用：机床上下料、零件去毛刺、自动装配、机器人焊接。选对设备需大量评估与咨询专家。

“自动化投资论证取决多因素，”Elkins说，“显然产量越大越适合自动化。但即使低批量重复作业，若车间尽最大努力压缩换型时间也可盈利。长循环零件、简单搬运零件也是良候选。”

Elkins指出，多数职业车间发现小中型落地机器人——载荷5-25kg——足以去毛刺一批零件、焊一箱支架、或晚班后看护数控车床。但需一定安全防护、夹具、机床接口、或许编程仿真软件。

明日今日行

别忘培训，他警示。自动化比昔简易，精明车间老板仍会额外投培训，配专人管机器人。协作与力限制机器人因占地小愈发流行。机器人可配自换/快换夹具增柔性。视觉系统常能省或简化输送系统。示教编程降低离线编程系统依赖。“考量很多，”Elkins说，“鼓励有意自动化者做功课、问问题、找靠谱集成商。”

Acieta LLC（威斯康星Waukesha）是此类公司。运营副总裁Steve Alexander警示：集成商参差不齐。“找有你业务类型经验、有技能落地你机器人自动化项目的人。要推荐信、看过往安装、懂工作质量。工业机器人设计寿命超10年，你要确保单元内一切皆为自动化环境设计、可靠性媲美机器人本身。”

如此可获几个月ROI，虽一两年更现实。视应用而定，机器人类型也影响。Elkins指出协作机器人（协作机器人）近年因易用、近人操作似更安全成宠。但外表欺人。协作机器人可能更慢、精度低于“工业机器人”，可能延长ROI，甚至最友好协作机器人若不守安全规程也伤人。

故Elkins等强烈建议任何机器人安装做风险评估。他建议自动化新手从小从易入手。“找单一痛点先攻克，再考虑增流程或复杂度。要开门红让老板、操作员、集成商都舒服再进阶。最大挑战常是员工认同。总怕机器人替人，故让他们参与实施。教育、卷入推广，当他们发现机器人让工作更轻松有趣，会成最大啦啦队。”