精密数控加工车间机器人改造的解决方案

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Sequoia自动化公司拥有一个CNC精密数控加工车间，为汽车工业提供二级和三级零件，他们亟需缩减生产成本、提高生产效率和保持在这一行业中的竞争优势。为了很好地解决公司所面临的这些问题，需要提高该公司生产车间中双托盘立式加工中心的自动化水平，设计安装小巧玲珑的机器人，以满足机床上大量工件的装卸要求。该公司的管理人员注意到，应用机器人是充分发挥车间潜力的关键，它可以使车间的生产率提高5倍以上。
Sequoia 自动化公司从事汽车空调系统连接器的专业化生产，一般来说，这种连接件的体积较小，安装于2~2.5 in的管子内。他们首先将采用挤出工艺生产的铝棒锯断，然后在立式加工中心上加工生产。加工的工位主要包括孔径和其他内部的一些部位，其外形通常还保持着原来挤出件的毛坯外形。
该车间拥有34台立式加工中心，大部分机床配有分度工作台。由于在长期的加工周期中，夹具中的零件处于满负荷的状态，因此一名操作员一般可以操作2台立式加工中心。这样做尽管节约了一定的劳力成本，但如果与Sequoia 自动化公司竞争对手所操作运行的旋转式组合机床相比，加工中心的竞争能力就显得相对不足了。
9 k7 Z* {1 {' ^% Q' F为了提高机床的生产效率，该加工车间开始以双托盘立式加工中心替代老式机床。该公司的总经理Dennis J. Burke先生解释说：“现在，老式机床被放置一边而弃之不用，操作员从新机床的夹具上卸下加工后的成品，然后更换上新的毛坯件。为了减少待机停工时间，我们开始用双托盘加工中心更换了老式机床，这样，当一个托盘上装卡的工件在加工的时候，操作员可以在另一个托盘的夹具上装卸另外一些工件。在过去4年中，我们购置了7台双托盘立式加工中心，在这些机床上，我们只需几秒钟的时间就可完成两个托盘的相互交换，从而大大缩短了停机时间。”
双托盘机床的应用使该公司在正确的方向上迈进了一步，但仍然有许多工作有待于进一步改进。该公司的质量控制部主任Cheryl Schraut先生补充说：“由于全球性经济问题，我们不但要与本地区同一街道上的车间进行竞争，而且还要与南美、印度、英国以及全世界的公司进行竞争。每台机床所需雇佣的操作员费用越来越高，显然，我们必须找到一些切实可行的办法，提高加工工艺的自动化水平。问题是，我们只是一个加工车间，没有长线生产业务。因此我们面临的挑战是加工工艺的自动化革命，而不是借助于它们本身的自动化。”
如何实现自动化？
8 m% h/ c4 s9 l* r根据Burke先生的预测，采用机器人技术是实现他们车间加工操作自动化革命的最佳解决方案，尽管他还不能肯定究竟采用哪一类机器人最适合于他们的工作。
Bruke先生对多种自动化方案进行了研究，希望能找到一种最适合于现有机床和现有加工工艺的最佳解决方案。随着一系列选用方案的不断考证，一种最理想的机器人方案终于开始浮出水面。这种机器人必须小巧玲珑、重量轻、成本效益高。它应专为一台立式加工中心提供服务，而不是同时为几台机床服务。当不需要机器人提供服务时，可让机器人退出工作现场，使操作员以普通的工作方式操作机床，也就是说采用手工方式装卸工件。
  w: U7 G& y6 m! i3 y: G4 m5 C5 Q于是Burke先生向Fanuc机器人公司的地区销售经理Gary Kowalsiki先生具体描述了他对所需机器人的一些想法。
Sequoia 自动化公司首先从Yamazen公司购买两台Fanuc CNC Mate 200i生产型机器人，同时还包括两台由NTC 美洲公司提供的NV4G CNC双托盘立式数控加工中心，上面配有多功能工装夹具，可加工承接该公司的大批量订单。
Fanuc公司设计的Mate 200i型机器人，其结构小巧，可作为一个低成本的机床解决方案。这一装置是按照成套设备的方式开发的，可直接与机床的接口连接，整套自容式系统装置包括一个6轴的机器人，其臂长可延伸19 in。这种机器人可安装到车床、铣床、加工中心和其他机床上，为装卸工件提供服务，其装卸高度离地面36~44 in。这种机器人的重量很轻（只有1050Ib），可以用于起重设备起吊，将其安装到工厂内任何与之相匹配或允许其接近的机器上。
机器人可移动几英尺的距离
+ t. J. E! v2 w% d( HSequoia 自动化公司只需要机器人向旁边移动几英尺的距离，使其靠近机床。机器人的手臂安装在一个左右滚动的平台上，可以使其在机床工件的装卸区来回移动。防护罩的右侧可以与平台一起移动，并向防护罩的左侧伸缩。当平台全面向右边延伸时，机器人就处于工件装卸区的正前方，防护罩约占3×7ft.的面积；当其向左边伸缩时，其面积将缩减到3×4ft.。
要使机器人离开机床横向移动，必须拆除两个销钉后才能使机器人向左移动。机器人在机床工件装卸区正前方的重新定位需要由操作员将机器人推回到原来的位置上，并将销钉重新安装到防护罩的面板上，并将安装垫块用螺丝拧紧，固定在平台的支架上，直到支架触及到地面为止，这时，机器人准备就绪，可以开始工作了。
目前，Sequoia 自动化公司正在使用其新近安装的机器人装置，装卸双托盘立式加工中心上的工件，这个加工件就是汽车空调系统的连接件。立式加工中心采用并列的排列方式，每台机床都用于零件的两侧加工。
" [" v* `# H7 o8 ^+ ?加工顺序
连接件在加工时，首先是机器人从工件库的工件捡取工作站移动到一个挤出毛坯件上，并将这一毛坯件传送到一个由液压驱动控制的多功能工件夹具空穴内，该夹具安装在立式加工中心空置的一个托盘上。当工件夹具上的12个空穴都装上毛坯以后，将毛坯件精确定位并夹紧，然后送入机床开始加工。
立式加工中心的防护门打开，托盘开关定位，将装满工件的夹具放置到加工区域加工。当机床加工工件的第一面时，机器人开始将更多的毛坯件安装到第二个空置的托盘夹具上。当毛坯件端部的第一面加工完成以后，托盘再一次更换位置。机器人从第一个托盘上卸除加工完第一面的工件，然后将其传送到在机器人防护罩内的“翻板工作站”，然后从内侧板将其安装到工作站上，并通过这一工作站将工件有效地翻转，使未加工面朝上，并再次安装到夹具上夹紧。
: r2 W  z4 w8 w9 q将第一面经过加工的12个零件再次装卡到夹具以后，托盘再一次改变位置，然后开始工件第二面的加工。现在托盘上的零件已经完全加工，但托盘需要重新改变位置，以便让机器人从托盘上卸下零件。
然而在机器人卸下加工后的零件前，采用安装在机器人夹钳基座上的高速压缩空气喷嘴，吹除遗留在整个夹具上的切屑，因为在卸除零件等过程中，可能会有一些切屑掉落到一个或多个空穴内，影响下一批工件的正确就位。从毛坯件的安装进行第一面加工到零件完成全部加工，直到将成品传送到下一区域，大约需要30min的时间。
! e& g8 D, o; }$ ~% C' N9 o影响评估
这两个机器人是Sequoia 自动化公司所经历的第一次技术经验。该公司深知，这仅仅是机器人应用的开始，在以后的岁月里，还有许多东西需要学习。在这一过程中，他们已对机器人作了许多改进，主要包括以下各点：
大大提高了机床的正常运行时间。该公司的两台最新式双托盘加工中心在采用机器人装卸工件以后，这类机床因装卸工件而造成停机的情况越来越少了。机器人从来没有给加工中心造成任何障碍。除了托盘交换时短暂的停顿以外，刀具一直处于切削加工的状态之中（当然更换刀具也需要一点时间，但非常短暂，相对来说，可以忽略不计。）
Burke先生承认：“与带有普通工作台的机床相比，采用双托盘加工中心一般可以节约更多的正常运行时间，即使是在操作员手工装卸工件的情况之下。然而，某些杂务往往会分散操作员的注意力，例如寻找量规、刀具断裂而寻找替换用的刀具、午餐时的短暂休息等，从而使机床常常处于空转的状态。机床的正常运行时间很少能超过75%以上。另一方面，机器人可以在那里一直工作，可以马不停蹄地安装新的毛坯件和卸下已经加工好的零件，这就有可能使机床的正常运行时间提高到95%。根据估算，与采用手工装卸工件的机床相比，机床的正常运行时间可以增加20%。”
提高了生产效率。采用机器人服务的新型立式加工中心以后，除了正常的运行时间有了较大的提高以外，Sequoia 自动化公司的生产效率也开始有了很大的提高。按照历史惯例，加工车间内每台机床配备一名操作人员。为了削减日益增长的劳务费用，公司找到了操作人员管理两台机床的方法。
当车间内安装了机器人服务的最新机床以后，他们发现，一个操作人员可以为两台机床提供服务，同时还可以兼顾旁边需要手工装卸工件的双托盘立式加工中心。这主要是因为机器人料库内储存着足够的毛坯件，因此立式加工中心可以在无人照管的情况下工作4h。为了探索机器人能够长期给立式加工中心送料的方式，该车间开始在这两台由机器人服务的立式加工中心上试行两班工作制方案，在两班之间，其中有4h采用无人化作业。这种安排只需使用两个班次的操作人员，但可以完成相当于三班生产的工作量。
$ U/ B! N& m& h/ Y根据车间内的一些熟练操作工估算，他们可以照看多达6台由机器人提供服务的立式加工中心。但夜班的情况不是这样，因为只有双托盘立式加工中心采用机器人装卸工件，而Sequoia 自动化公司的大部分立式加工中心采用普通的工作台。当然，随着时间的推延，车间可以逐步添加更多的机器人和双托盘立式加工中心，一直达到其所需的自动化水平和保持其竞争的地位。
  \. c8 B& m! B, u5 V6 ^提高了生产稳定性。Sequoia 自动化公司的Cheryl Schraut先生说：“使用机器人的优点就是，一旦应用得心应手，就随时可以完成同一件事情。当你去除工艺中的变化时，你就能提高成绩。当我们将机器人应用于新机床的工件安装时，其工作效率指数就可以从1.3提高到1.9，这确实是一个了不起的改进。该指数越高，说明工艺性能越好。”
7 s7 D6 ^$ B( u, lSchraut先生继续说：“当你清除了一个领域的可变性以后，你就可以在其他领域获得提高。例如，零件在夹具中的手工安装一直是问题的根源。操作人员一旦错装了一个零件，可能就会导致加工的刀具断裂。但现在采用机器人将零件安装到液压夹具之中，因此再也不会发生那种问题。我们的刀具再也不会因操作员的误操作而导致断裂。以前，我们刀具的损耗费用主要是因为刀具的断裂，而不在于刀具的磨损。现在，刀具的使用寿命可以延长到几个月，而且也更容易预测。采用机器人装卸工件之后，也降低了对操作人员的危害，因为这种危害也会导致加工中心的损坏。例如，如果操作人员忘记拧紧一个价值0.1元的螺帽，就可能导致机床的主轴损坏，有了机器人可以使我们节约15,000美元，不必再花这笔钱去更换主轴。”
弥补了因缺少熟练工而造成的不足。Burke先生补充说：“找几个操作机器人的雇员要比找一个整天在机床上忙于装卸工件的工人更加容易。熟练工的需求量很大，但很难找到专业的人员。而我们为雇员所提供的工作可以采用最先进的技术，如CNC数控机床、计算机、SPC，还包括现在的机器人。我们可以将‘思考性’的工作交给有潜质有前途的雇员去完成；而‘没有思考性’和单调的工作很难往外推销。”
* i6 a, w- b: x陆续添置更多的设备
Burke先生报告说，Sequoia 自动化公司准备在今年再添置1～2套机器人，安装在车间内其他的立式加工中心上。他确信，立式加工中心与可装卸工件的机器人相结合可以使加工车间的中批量生产（产量400000～750000件）具有更大的竞争能力；而采用旋转式组合机床和类似设备的加工车间更适合于较高批量的零件生产（1000000件以上）。而且立式加工中心可以选择将机器人搁置一边，采用手工装卸作业。Burke先生解释说：“我们并不希望我们的客户因我们只能采用一种方法加工而支付更多的费用。采用我们现有的这种方式，我可以随心所欲地去除自动化系统而保留手工作业。”
/ V+ D& g5 _! r- i8 p; i- c6 i车间内新的机器人看起来将不同于目前已经安装在车间内的那些机器人。原先的防护罩由树脂玻璃板制成，其边框采用挤出式铝合金材料，但在新型防护罩中，将被更普通的金属板材和更小的树脂玻璃窗所替代。
Burke先生对车间内的机器人自动化操作思路提出了一个建议。他强调说：“从一开始，我们的自动化目标就是为职工提供更好的工具，提高生产效率。创建公司的是人，并不是设备。当你开始计划安装机器人时，有些雇员可能会担心因此而失去他们的工作。你必须向雇员强调说明，公司增加自动化投资，是为了能够更好地为客户服务，满足客户的需要。并需要向他们保证，安装机器人是为了他们能够更好地工作，而且从长远利益考虑，机器人可以帮助他们不丢失工作。”
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