一種自動化技術方案的機器人可提高機床的生產率
2017-8-10 來源：中國傳動網 作者：--
自世界機器人報道發布以來，有關越來越多的機器人將會進入到工人隊伍中去并在若干年后與工人們一起確定生產規劃的信息已經眾所周知了。盡管人們對于兩位數百分比的增長速度已經不會感到驚訝，但是自動化技術仍然是生產領域的核心競爭力。從2015～2019年這段時間里，機器人行業進入快速發展通道。根據IFR的數據，到2019年為止，全球投入使用的工業機器人數量將會增長到大約290萬臺，比創紀錄的2015年大約增加了100萬臺。
一種自動化技術方案的機器人
工業機器人、服務機器人、協助機器人和類人機器人的出鏡率越來越高。現在機器人也可作為機床領域的直接的自動化技術方案而存在。雖然機床的自動化技術并非是一個新的領域，但是在最近一屆的AMB展會上它還是成為了一顆耀眼的新星。Mazak、Schuler、Vollmer、Trumpf、Matsuura和DMGMORI等均是市場上的知名品牌，無一例外地加強了把自動化技術集成到其各自產品里的力度。
對自動化技術日益增長的需求源自何方？斯圖加特研究所機構（IfW）的高級工程師ThomasStehle博士表示：“在自動化技術背后存在著一種需要進一步提高制造流程的效率和經濟性的愿望或要求。同時也應該看到這方面的技術優勢，例如可以達到更高的加工精度、縮短主要生產時間和生產輔助時間和提高設備安全性等。”
但是，用戶的這種要求也并非是在最近一屆AMB展會上才提出的。恰恰相反，因這種熱門展示幾乎令人產生某種疑惑，即這種對機床設備自動化技術越來越高的關注度似乎來得太遲了。
“數十年來，機床一直處于不斷改進之中，生產效率也在持續提高。但在最近幾年里，生產率的提升受到了制約，這是因為相銜接的作業流程，例如裝卸和物流等，并沒有以相似的速度在增長。在整體生產率提升方面，機床設備的自動化裝卸和工件輸送是一個必然的滯后環節。”弗勞恩霍夫制造工程與自動化公司（IPA）的機器人與輔助系統部門的項目經理UlrichSchneider這樣描述機床與其環境之間的發展差距。
產品越來越受到市場追捧，由此也可驗證自動化機床技術的發展趨勢。kuka公司是一家機器人與設備及系統技術的供應廠商。“多年以來，Kuka公司在機床自動化技術領域的年增長率達到了50%，而我們這才算是剛剛開始。在許多制造環節中還隱藏著能夠提升生產率而未被利用的潛力。機床制造廠商把握住這種發展趨勢并與我們加強了合作，以便能夠向用戶提供全套技術方案。”Kuka公司機床自動化市場經理AndreasSchuhbauer說道。
MazakIntegrex型機床上的Kuka機器人
可以反映出這種技術發展趨勢的是，機床設備制造廠商Mazak公司在AMB展會上首次展出了與Kuka公司的合作成果。這項技術成果源于該公司的用戶對一種整體技術解決方案的要求，它在特性數據方面可以與MazakIntegrex-i系列機床產品達到極佳的匹配。自19世紀70年代以來，Mazak公司在生產自動化技術方面已經擁有很強的實力并可提供成熟的自動化系統產品，例如針對加工中心的Palletech系統產品。在新的全自動技術方案上，Kuka公司可以為MazakIntegrex-i系列設備提供硬件，在Mazak公司自己的設計部門里可以編制出生產程序和接口與流程程序。
“帶有機器人的Integrex技術方案的一個特點便是極佳的靈活性。Integrex系列設備以其對工件的全能加工能力展示出極大的靈活性并達到很高的質量水平，即使是小批量生產，亦是如此，因此很適合于今天的制造要求。我們在這方面看到了很明顯的增長潛力，并于2015年與在德國新成立的設計部門一起擴展了我們的能力，來配合此類技術解決方案。”YamazakiMazak德國公司市場營銷經理JohannesBurkart解釋說。通過Mazak機床設備與機器人的結合使用，可以生成一個完整的技術包，因為機器人不僅可以搬運工件，同時也可以被擴展到對刀具的搬運上。
集成在MazakIntegrex設備上的Kuka機器人不僅可承接工件傳送任務，同時也可擴展到對刀具搬運的功能
此外，在機器人工作站里還可以安裝各種各樣的特殊功能，例如安裝一個光學或激光系統或一個去毛刺的加工站。
自動化技術也往往會牽涉到一個成本的問題。“當然，機器人工作站的投資成本對于機床來說可能會翻倍，因此許多最終用戶在過去往往會不愿意在自動化技術上進行投入。但是，市場上存在著對供貨期更短和加工批量更小等方面的要求，加上企業員工工資與物流成本的日益增長，這使得越來越多的用戶相信在自動化技術上投入的必要性。由于機床的利用率得到了提高，因此在自動化技術上的投資常常可在不到兩年的時間里得到回收。”Schuhbauer為尚未作出決定的企業做說服工作。他表示：“當所加工的部件品種繁多時，使用機器人就是劃算的。這是因為機器人可以有效利用生產輔助時間并可實施鏜孔、梳刷和去毛刺等項工作，以實現比手工作業更高的質量。同時，機器人還可以協助機床工作，這樣可以提高機床的產量，并由此縮短設備的投資回收期，有時可以縮短至一年以內。”Kuka公司則屬于少數幾家既可以從機器人的專有技術，也可以從系統與設備專有技術中獲利的企業之一。企業內部各部門的緊密合作闡明了機床自動化領域的一個例子，即KukaSystems部門的Flexfellow型機床和KukaRobotics部門的LBRiiwa型機器人對KukaIndustries部門的摩擦焊接設備進行裝料和卸料。
在Merz機床制造廠里，一臺KukaKR-Fortec型機器人可以連接四臺加工中心
如同所有的技術整合一樣，自動化機床也提出了有關合適的接口和界面方面的問題。“機床自動化的最大障礙在于與現有設備的相互對接。在現有的機床上加裝自動化技術裝備往往會因缺少軟件界面和因特殊匹配造價高等問題而遭受失敗。特別是在板材加工方面，機床的使用壽命很長，而與之匹配的采用現有技術工藝的其他輔助設備則相反。接口問題往往成為設備進入市場時的一種障礙。在數據流和材料流方面均缺少可以使自動化技術方案在無需特別匹配情況下即可實現廣泛應用的統一標準。”IPA公司的Schneider明確地說道。
把機器人與機床相連接的做法在日本的fanuc公司那里的應用似乎更接近于成功，因為它已經設立了相應成熟的且標準化了的連接界面。因此，這家CNC系統、機器人和生產設備的制造廠商卓有成效地成為了工廠整體自動化技術方面的合作伙伴。
通過簡單的IO連接，Fanuc-CNC設備即可實現與Fanuc機器人相對接。對此，只要采用安全的插頭連接方式，其他設備均可實現互聯。通過機床與機器人的此類關聯方式，可以在CNC機床的操作界面上直接查看機器人的工作狀態，或者相反：因為有了這種“簡單連接”的功能，可以通過機器人控制系統上的i-Pendant手動操控儀來查詢CNC機床數據。通過IO鏈接方式實現I/O信號交換，通過以太網實現數據傳送，由此即可實現簡單的設備組合和有意義的設備對接，例如機器人與機床的對接。
最近，Fanuc公司機器人擁有了一個FL-Net接口和一個以太網接口，由此可以毫無問題地實現與上一級網絡的對接。這對于較大型的機床來說很有意義，因為將會有多臺CNC機床與機器人相互通信。
一旦Fanuc-CNC與Fanuc機器人相連接，即可在CNC控制系統的操作界面上查詢機器人的工作狀態，反之亦可，因為Easyconnection功能也允許通過機器人控制系統來對CNC數據進行查詢
為了進一步簡化對機床和機器人系統的操作，Fanuc公司開發出了RobotConnection（機器人連接）功能。一旦機器人被設立到整個系統里去的話，機床操作人員即可利用這個功能在CNC控制系統里調出一個能夠向他提供有關機器人狀態的所有重要信息（如維護任務或警報信息）的菜單來。他還可以選擇程序，并對機器人進行控制，而無須通過單獨的控制系統去操作機器人。
在機床自動化技術方面，除了接口匹配問題之外，被納入到連接范圍之內的所有零部件之間的最佳協調也是非常重要的。自20世紀80年代以來，機床制造廠商Vollmer公司就已經在從事自動化設備之間相互協調的工作。
大約20年以來，ND系列機器人系統就已經投入使用。通過此類裝料系統，用戶不僅可以提高生產率，同時還可以對諸如專業人員短缺等問題作出反應。Vollmer公司以其Vgrind360型設備在上屆AMB展會上展出了針對自動化機床的新的技術解決方案。“Vollmer公司的技術開發同我們與用戶的溝通和對話緊密相連。Vgrind360型設備自動化的思路就是來源于這類對話。然后我們把對話的結果與我們的技術經驗結合起來。現在有了Vgrind360型設備，刀具制造廠商即可對日益增長的硬金屬刀具的需求作出反應并可實現連續生產，可達到很高的生產產量。”Vollmer公司總經理StefanBrand博士說道。針對刀具加工上的操作簡便化、運刀路徑精確化和位置閉鎖穩定化的問題，該公司可以將其在線切割設備上的工作經驗納入到自動化技術里來。在線切割設備上，各部分之間的相互協調需要達到微米級的精度。這種技術工藝可直接被整合到Vgrind360型機床設備的研發上來。
減輕專業人員的工作負擔
Schuler在AMB展會上也介紹了其在自動化領域里的多年工作經驗。作為LoadMaster裝料系統的一個擴展，該企業推出了LoadMasterAssist機器人裝置。“自動化程度越高，則生產效率也就越高，尤其是對于那些采用LoadMaster裝料系統來實現鏈接的機床設備來說，更為如此。LoadMasterAssist機器人操作間作為托盤與貨物載體的裝料系統的一個功能擴展，承接了以往設備操作人員所承擔的任務。”Schuler公司產品經理AlexanderHergl說道。由此可以減輕專業人員的工作負荷，使之可以處理其他任務。
Trumpf公司也意識到機床設備自動化是引領未來的一個話題，并委托IPA公司通過合作的方式對相關技術和方案進行開發。“開發的目標便是機床設備在信息流和物料流方面的全自動連接。為了能夠在板材加工中對繁雜而多樣的生產環境提供有效的技術解決方案，Trumpf公司和IPA公司也對部分自動化的過渡性技術方案進行了探索，即操作人員在其工作中可以通過信息連接而獲得支持，現有的生產流程在無需昂貴的自動化技術的情況下也能得到改善。”IPA公司的Schneider如是說。兩家公司的合作期限為五年。除了直接合作的方式之外，對公共資助的研究項目框架內的協作也進行了探討。IfW公司也在積極探索自動化機床領域的課題，既有基礎性的方面，也有與工業口合作伙伴直接合作的方面，例如機床制造企業和機器人制造企業、搬運裝置供應商和設備使用單位等。如果說從最初看來還缺少合適的連接界面和需要較高的投資成本這些因素成為了最大的障礙的話，在Kuka公司Schuhbauer看來，其實還存在著其他一些障礙。最大的挑戰在于各個項目合作伙伴之間的工作協調。在項目初期往往還不太清楚必須要做哪些工作，而當項目行將結束時卻不再有很多時間來完成設備配備和測試了。
通過技術優勢來說服用戶
為了減輕項目合作單位的工作強度，Kuka公司參與了VDW工作組的通用接口規范化工作。Kuka公司自己的技術包（如ready2grip）應該也可以為用戶贏得更多時間，即在Kuka公司那里的集成商可以直接訂購帶有抓爪的機器人，而機器人設備運抵使用現場之后便可直接投入使用。鑒于自動化技術的復雜性而向用戶提供的這種前瞻性的支持可以成為用戶決定選用自動化機床的極具說服力的理由。
“從障礙角度上看，我認為目前的緊迫性工作更應該放在設備與機器人制造廠商這邊，因為他們要讓（尤其是中小產量的）用戶們信服擁有適當自動化程度的自動化機床的諸多好處。”IfW公司Stehle這樣總結說。同樣具有說服力的還有這樣一個事實，即擁有自動化機床設備的用戶更接近于同樣具有決定未來意義的工業4.0的表征。“自動化技術方案不僅僅是要更快、更靈活和更具經濟性地集成到機床設備上，同時也要實現數字網絡化。在這里，我們可以看出從工業4.0角度積極參與到生產規劃中去的機床設備所具有的潛力。由于具備很多認知系統，因此一臺‘一起思考’的機器人可以擴大機床設備的視野，但這還仍然只是未來的一個夢想。”Vollmer公司的Brand總結說道。
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