用于立式加工中心的上下料機器人

　　Sequoia自動化公司擁有一個CNC精密數(shù)控加工車間，為汽車工業(yè)提供二級和三級零件，他們亟需縮減生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和保持在這一行業(yè)中的競爭優(yōu)勢。為了很好地解決公司所面臨的這些問題，需要提高該公司生產(chǎn)車間中雙托盤立式加工中心的自動化水平，設(shè)計安裝小巧玲瓏的機器人，以滿足機床上大量工件的裝卸要求。該公司的管理人員注意到，應(yīng)用機器人是充分發(fā)揮車間潛力的關(guān)鍵，它可以使車間的生產(chǎn)率提高5倍以上。 
　　Sequoia 自動化公司從事汽車空調(diào)系統(tǒng)連接器的專業(yè)化生產(chǎn)，一般來說，這種連接件的體積較小，安裝于2~2.5 in的管子內(nèi)。他們首先將采用擠出工藝生產(chǎn)的鋁棒鋸斷，然后在立式加工中心上加工生產(chǎn)。加工的工位主要包括孔徑和其他內(nèi)部的一些部位，其外形通常還保持著原來擠出件的毛坯外形。 

　　該車間擁有34臺立式加工中心，大部分機床配有分度工作臺。由于在長期的加工周期中，夾具中的零件處于滿負荷的狀態(tài)，因此一名操作員一般可以操作2臺立式加工中心。這樣做盡管節(jié)約了一定的勞力成本，但如果與Sequoia 自動化公司競爭對手所操作運行的旋轉(zhuǎn)式組合機床相比，加工中心的競爭能力就顯得相對不足了。 
　　為了提高機床的生產(chǎn)效率，該加工車間開始以雙托盤立式加工中心替代老式機床。該公司的總經(jīng)理Dennis J. Burke先生解釋說：“現(xiàn)在，老式機床被放置一邊而棄之不用，操作員從新機床的夾具上卸下加工后的成品，然后更換上新的毛坯件。為了減少待機停工時間，我們開始用雙托盤加工中心更換了老式機床，這樣，當一個托盤上裝卡的工件在加工的時候，操作員可以在另一個托盤的夾具上裝卸另外一些工件。在過去4年中，我們購置了7臺雙托盤立式加工中心，在這些機床上，我們只需幾秒鐘的時間就可完成兩個托盤的相互交換，從而大大縮短了停機時間�！� 
　　雙托盤機床的應(yīng)用使該公司在正確的方向上邁進了一步，但仍然有許多工作有待于進一步改進。該公司的質(zhì)量控制部主任Cheryl Schraut先生補充說：“由于全球性經(jīng)濟問題，我們不但要與本地區(qū)同一街道上的車間進行競爭，而且還要與南美、印度、英國以及全世界的公司進行競爭。每臺機床所需雇傭的操作員費用越來越高，顯然，我們必須找到一些切實可行的辦法，提高加工工藝的自動化水平。問題是，我們只是一個加工車間，沒有長線生產(chǎn)業(yè)務(wù)。因此我們面臨的挑戰(zhàn)是加工工藝的自動化革命，而不是借助于它們本身的自動化�！� 
如何實現(xiàn)自動化？ 
　　根據(jù)Burke先生的預(yù)測，采用機器人技術(shù)是實現(xiàn)他們車間加工操作自動化革命的最佳解決方案，盡管他還不能肯定究竟采用哪一類機器人最適合于他們的工作。
　　Bruke先生對多種自動化方案進行了研究，希望能找到一種最適合于現(xiàn)有機床和現(xiàn)有加工工藝的最佳解決方案。隨著一系列選用方案的不斷考證，一種最理想的機器人方案終于開始浮出水面。這種機器人必須小巧玲瓏、重量輕、成本效益高。它應(yīng)專為一臺立式加工中心提供服務(wù)，而不是同時為幾臺機床服務(wù)。當不需要機器人提供服務(wù)時，可讓機器人退出工作現(xiàn)場，使操作員以普通的工作方式操作機床，也就是說采用手工方式裝卸工件。
　　于是Burke先生向Fanuc機器人公司的地區(qū)銷售經(jīng)理Gary Kowalsiki先生具體描述了他對所需機器人的一些想法。 
　　Sequoia 自動化公司首先從Yamazen公司購買兩臺Fanuc CNC Mate 200i生產(chǎn)型機器人，同時還包括兩臺由NTC 美洲公司提供的NV4G CNC雙托盤立式數(shù)控加工中心，上面配有多功能工裝夾具，可加工承接該公司的大批量訂單。 
　　Fanuc公司設(shè)計的Mate 200i型機器人，其結(jié)構(gòu)小巧，可作為一個低成本的機床解決方案。這一裝置是按照成套設(shè)備的方式開發(fā)的，可直接與機床的接口連接，整套自容式系統(tǒng)裝置包括一個6軸的機器人，其臂長可延伸19 in。這種機器人可安裝到車床、銑床、加工中心和其他機床上，為裝卸工件提供服務(wù)，其裝卸高度離地面36~44 in。這種機器人的重量很輕（只有1050Ib），可以用于起重設(shè)備起吊，將其安裝到工廠內(nèi)任何與之相匹配或允許其接近的機器上。 
機器人可移動幾英尺的距離 
　　Sequoia 自動化公司只需要機器人向旁邊移動幾英尺的距離，使其靠近機床。機器人的手臂安裝在一個左右滾動的平臺上，可以使其在機床工件的裝卸區(qū)來回移動。防護罩的右側(cè)可以與平臺一起移動，并向防護罩的左側(cè)伸縮。當平臺全面向右邊延伸時，機器人就處于工件裝卸區(qū)的正前方，防護罩約占3×7ft.的面積；當其向左邊伸縮時，其面積將縮減到3×4ft.。 
　　要使機器人離開機床橫向移動，必須拆除兩個銷釘后才能使機器人向左移動。機器人在機床工件裝卸區(qū)正前方的重新定位需要由操作員將機器人推回到原來的位置上，并將銷釘重新安裝到防護罩的面板上，并將安裝墊塊用螺絲擰緊，固定在平臺的支架上，直到支架觸及到地面為止，這時，機器人準備就緒，可以開始工作了。
　　目前，Sequoia 自動化公司正在使用其新近安裝的機器人裝置，裝卸雙托盤立式加工中心上的工件，這個加工件就是汽車空調(diào)系統(tǒng)的連接件。立式加工中心采用并列的排列方式，每臺機床都用于零件的兩側(cè)加工。 
加工順序 
　　連接件在加工時，首先是機器人從工件庫的工件撿取工作站移動到一個擠出毛坯件上，并將這一毛坯件傳送到一個由液壓驅(qū)動控制的多功能工件夾具空穴內(nèi)，該夾具安裝在立式加工中心空置的一個托盤上。當工件夾具上的12個空穴都裝上毛坯以后，將毛坯件精確定位并夾緊，然后送入機床開始加工。
　　立式加工中心的防護門打開，托盤開關(guān)定位，將裝滿工件的夾具放置到加工區(qū)域加工。當機床加工工件的第一面時，機器人開始將更多的毛坯件安裝到第二個空置的托盤夾具上。當毛坯件端部的第一面加工完成以后，托盤再一次更換位置。機器人從第一個托盤上卸除加工完第一面的工件，然后將其傳送到在機器人防護罩內(nèi)的 “翻板工作站”，然后從內(nèi)側(cè)板將其安裝到工作站上，并通過這一工作站將工件有效地翻轉(zhuǎn)，使未加工面朝上，并再次安裝到夾具上夾緊。 
　　將第一面經(jīng)過加工的12個零件再次裝卡到夾具以后，托盤再一次改變位置，然后開始工件第二面的加工。現(xiàn)在托盤上的零件已經(jīng)完全加工，但托盤需要重新改變位置，以便讓機器人從托盤上卸下零件。
然而在機器人卸下加工后的零件前，采用安裝在機器人夾鉗基座上的高速壓縮空氣噴嘴，吹除遺留在整個夾具上的切屑，因為在卸除零件等過程中，可能會有一些切屑掉落到一個或多個空穴內(nèi)，影響下一批工件的正確就位。從毛坯件的安裝進行第一面加工到零件完成全部加工，直到將成品傳送到下一區(qū)域，大約需要30min的時間。
影響評估 
　　這兩個機器人是Sequoia 自動化公司所經(jīng)歷的第一次技術(shù)經(jīng)驗。該公司深知，這僅僅是機器人應(yīng)用的開始，在以后的歲月里，還有許多東西需要學(xué)習(xí)。在這一過程中，他們已對機器人作了許多改進，主要包括以下各點： 
　　大大提高了機床的正常運行時間。該公司的兩臺最新式雙托盤加工中心在采用機器人裝卸工件以后，這類機床因裝卸工件而造成停機的情況越來越少了。機器人從來沒有給加工中心造成任何障礙。除了托盤交換時短暫的停頓以外，刀具一直處于切削加工的狀態(tài)之中（當然更換刀具也需要一點時間，但非常短暫，相對來說，可以忽略不計。）
　　Burke先生承認： “與帶有普通工作臺的機床相比，采用雙托盤加工中心一般可以節(jié)約更多的正常運行時間，即使是在操作員手工裝卸工件的情況之下。然而，某些雜務(wù)往往會分散操作員的注意力，例如尋找量規(guī)、刀具斷裂而尋找替換用的刀具、午餐時的短暫休息等，從而使機床常常處于空轉(zhuǎn)的狀態(tài)。機床的正常運行時間很少能超過75%以上。另一方面，機器人可以在那里一直工作，可以馬不停蹄地安裝新的毛坯件和卸下已經(jīng)加工好的零件，這就有可能使機床的正常運行時間提高到95%。根據(jù)估算，與采用手工裝卸工件的機床相比，機床的正常運行時間可以增加20%�！� 
　　提高了生產(chǎn)效率。采用機器人服務(wù)的新型立式加工中心以后，除了正常的運行時間有了較大的提高以外，Sequoia 自動化公司的生產(chǎn)效率也開始有了很大的提高。按照歷史慣例，加工車間內(nèi)每臺機床配備一名操作人員。為了削減日益增長的勞務(wù)費用，公司找到了操作人員管理兩臺機床的方法。 
　　當車間內(nèi)安裝了機器人服務(wù)的最新機床以后，他們發(fā)現(xiàn)，一個操作人員可以為兩臺機床提供服務(wù)，同時還可以兼顧旁邊需要手工裝卸工件的雙托盤立式加工中心。這主要是因為機器人料庫內(nèi)儲存著足夠的毛坯件，因此立式加工中心可以在無人照管的情況下工作4h。為了探索機器人能夠長期給立式加工中心送料的方式，該車間開始在這兩臺由機器人服務(wù)的立式加工中心上試行兩班工作制方案，在兩班之間，其中有4h采用無人化作業(yè)。這種安排只需使用兩個班次的操作人員，但可以完成相當于三班生產(chǎn)的工作量。
　　根據(jù)車間內(nèi)的一些熟練操作工估算，他們可以照看多達6臺由機器人提供服務(wù)的立式加工中心。但夜班的情況不是這樣，因為只有雙托盤立式加工中心采用機器人裝卸工件，而Sequoia 自動化公司的大部分立式加工中心采用普通的工作臺。當然，隨著時間的推延，車間可以逐步添加更多的機器人和雙托盤立式加工中心，一直達到其所需的自動化水平和保持其競爭的地位。 
　　提高了生產(chǎn)穩(wěn)定性。Sequoia 自動化公司的Cheryl Schraut先生說：“使用機器人的優(yōu)點就是，一旦應(yīng)用得心應(yīng)手，就隨時可以完成同一件事情。當你去除工藝中的變化時，你就能提高成績。當我們將機器人應(yīng)用于新機床的工件安裝時，其工作效率指數(shù)就可以從1.3提高到1.9，這確實是一個了不起的改進。該指數(shù)越高，說明工藝性能越好。” 
　　Schraut先生繼續(xù)說： “當你清除了一個領(lǐng)域的可變性以后，你就可以在其他領(lǐng)域獲得提高。例如，零件在夾具中的手工安裝一直是問題的根源。操作人員一旦錯裝了一個零件，可能就會導(dǎo)致加工的刀具斷裂。但現(xiàn)在采用機器人將零件安裝到液壓夾具之中，因此再也不會發(fā)生那種問題。我們的刀具再也不會因操作員的誤操作而導(dǎo)致斷裂。以前，我們刀具的損耗費用主要是因為刀具的斷裂，而不在于刀具的磨損。現(xiàn)在，刀具的使用壽命可以延長到幾個月，而且也更容易預(yù)測。采用機器人裝卸工件之后，也降低了對操作人員的危害，因為這種危害也會導(dǎo)致加工中心的損壞。例如，如果操作人員忘記擰緊一個價值0.1元的螺帽，就可能導(dǎo)致機床的主軸損壞，有了機器人可以使我們節(jié)約15,000美元，不必再花這筆錢去更換主軸�！� 
　　彌補了因缺少熟練工而造成的不足。Burke先生補充說： “找?guī)讉�操作機器人的雇員要比找一個整天在機床上忙于裝卸工件的工人更加容易。熟練工的需求量很大，但很難找到專業(yè)的人員。而我們?yōu)楣蛦T所提供的工作可以采用最先進的技術(shù)，如CNC數(shù)控機床、計算機、SPC，還包括現(xiàn)在的機器人。我們可以將‘思考性’的工作交給有潛質(zhì)有前途的雇員去完成；而‘沒有思考性’和單調(diào)的工作很難往外推銷�！� 
陸續(xù)添置更多的設(shè)備 
　　Burke先生報告說，Sequoia 自動化公司準備在今年再添置1～2套機器人，安裝在車間內(nèi)其他的立式加工中心上。他確信，立式加工中心與可裝卸工件的機器人相結(jié)合可以使加工車間的中批量生產(chǎn)（產(chǎn)量400000～750000件）具有更大的競爭能力；而采用旋轉(zhuǎn)式組合機床和類似設(shè)備的加工車間更適合于較高批量的零件生產(chǎn)（1000000件以上）。而且立式加工中心可以選擇將機器人擱置一邊，采用手工裝卸作業(yè)。Burke先生解釋說：“我們并不希望我們的客戶因我們只能采用一種方法加工而支付更多的費用。采用我們現(xiàn)有的這種方式，我可以隨心所欲地去除自動化系統(tǒng)而保留手工作業(yè)�！� 
車間內(nèi)新的機器人看起來將不同于目前已經(jīng)安裝在車間內(nèi)的那些機器人。原先的防護罩由樹脂玻璃板制成，其邊框采用擠出式鋁合金材料，但在新型防護罩中，將被更普通的金屬板材和更小的樹脂玻璃窗所替代。
　　Burke先生對車間內(nèi)的機器人自動化操作思路提出了一個建議。他強調(diào)說： “從一開始，我們的自動化目標就是為職工提供更好的工具，提高生產(chǎn)效率。創(chuàng)建公司的是人，并不是設(shè)備。當你開始計劃安裝機器人時，有些雇員可能會擔心因此而失去他們的工作。你必須向雇員強調(diào)說明，公司增加自動化投資，是為了能夠更好地為客戶服務(wù)，滿足客戶的需要。并需要向他們保證，安裝機器人是為了他們能夠更好地工作，而且從長遠利益考慮，機器人可以幫助他們不丟失工作�！�