钣金车间的整体自动化战略

在位于美国内布拉斯加州林肯市的Metalworks公司主厂房内，公司联合创始人Rob Ernesti和Doug Swanson走过一套正在测试的新型冲床/激光系统，该系统具有零件拆卸和堆垛自动化功能。这是专用于零件系列的价值流的一部分。接下来，他们又走过一排大大小小的机器人冲压单元；过了一会儿，他们又遇到了一组焊接机器人。在此之后，Ernesti停顿了一下，然后说了一句话，从表面上看，这句话与自动化工厂的优点毫无关系。

“我们这里最大的管理就是我们的文化。我们的文化就是我们的一切。如果员工不来上班，你就会发现他们有多重要。”

从历史上看，自动化与车间文化有时会相互冲突。毕竟，车间文化的核心是为员工提供高质量的工作生活。消除工作岗位的自动化似乎与此格格不入。事实并非如此简单。

一系列因素促使Metalworks开始了自动化之路，尤其是在过去的五年里。首先，客户有需求，但人手不足——这是这个行业多年来普遍存在的难题。客户希望Metalworks提高产能，而没有自动化就无法实现。

尽管如此，自动化并不是不增加人手就能实现增长，Metalworks增长背后的数字就证明了这一点。这家制造商的自动化战略一直围绕着一致性和文化展开，这两个要素在良性循环中有效地相互促进。两者相互促进，良性循环。

关于一致性

如今，Metalworks的自动化程度更高，员工人数也比以往任何时候都多。自2020年以来，公司员工人数翻了一番，从100人增至200人。收入也翻了一番多，从2020年的2000万美元增至2022年的4850万美元。

但这一指标并没有直线上升，所以说自动化让Metalworks公司“以更少的资源生产更多的产品”有点过于简单化了，尤其是考虑到这家制造商所加工的所有不同工种。这就是问题所在：高产品混合作业本身就是多变的，而且随着作业的增加，这种多变性会越来越严重。规划合理、集成高效、支持完善的自动化系统可以减少这种可变性。

Ernesti说：“这就像龟兔赛跑。撇开焊接机器人不谈，人也能超越自动化，只不过时间长了而已。”

在这个例子中，他特别提到了工厂车间多个区域的材料处理自动化，包括切割中的零件堆垛自动化和成型部门的机器人折弯机。观看员工对切割好的零件进行去毛刺和堆叠，或者在现代化的电动折弯机上折弯一系列支架。接下来，观看机器人或其他机械化系统抓取和堆叠零件，并在折弯循环中搬运零件。

Swanson说：“一个优秀的操作员可以超越机器，尤其是在短时间内，但随着时间的推移，机器人会不断地生产。”

经验丰富的折弯机操作员最不愿意做的事情就是站在或坐在折弯机前几个小时，折弯一个又一个简单的工件。他们想要的是那些复杂的工件，尤其是那些他们可以毫无困难地在背规上持续重新定位的工件——不用费力地稳住大型工件，不用在模具上摇晃沉重的工件，也不会过早磨损模具。Ernesti说，通过这种方式，自动化战略使加工过程更加一致，并再次充分利用了现有人才。

不要弄乱纸带

从这个意义上说，不断提高的一致性使Metalworks公司（以及其他类似的制造企业）取得了今天的成就。公司的历史可以追溯到20世纪90年代，当时金属服务中心开始专注于提供激光切割等增值服务。

那时，Ernesti和Swanson在林肯经营一家服务中心的高清等离子切割业务。由于与该服务中心的一家客户签订了竞业禁止协议，因此必须出售该服务中心，切割业务也必须分拆出去。Ernesti和Swanson可以选择做一家独立的制造厂，或者关店搬到母公司所在的堪萨斯城。两人选择了第一个方案。

Swanson说：“突然之间，我们就有了生意。我们白手起家，真的。我们从当地一家银行获得了小额信贷额度，并从我们的前雇主那里租赁了设备，直到我们能够购买机器为止。然后，我们就开始了新的征程。”
20世纪90年代是金属加工的另一个转型期，在这一时期，你仍然可以看到一些传统技术，甚至是一些穿孔纸带驱动的控制器，与较新的数控机床并存。

动力和力量受限的协作机器人组合可加工出各种小型、简单的零件。坯料堆放在一起，成型的部件则放置在便携式周转箱中。

Ernesti笑着说：“我记得我们花了6000美元买了一台旧的Di-Acro冲床，控制器仍然是用穿孔纸带驱动的。我们用它加工了一段时间的零件。大多数人可能都不记得那段日子了，但你仍然可以听到我们说：‘别把托盘从纸带冲床上弄翻了！”

1999年，这家制造厂开始涉足自动化领域，购买了一台带有自动装载/卸载系统的CO2激光机。从那时起，业务持续增长，到2002年达到250万美元。“随后，我们的销售额跃升至500万美元，并在这一水平上保持了一段时间，”Ernesti说，“然后，我们跃升至 1000万美元，接着是1200万美元，然后就停滞不前了。”

2008年，公司投入了第一台成型机器人，之后收入继续缓慢增长。但到了2018年，公司的自动化水平又上了一个台阶。当时，公司在焊接和成型方面只有少数几个机器人。如今，公司已拥有20多台机器人，包括一排令人印象深刻的机器人成型单元。

Ernesti说：“我们一年的收入从1750万美元跃升至2000万美元。然后，在大流行期间（2020年），我们的规模实际上翻了一番。我告诉大家，‘在此期间因恐惧而退缩的公司将会失败。那些把下巴放在风中的公司将成为赢家’。”

如何自动化——现在

Ernesti和Swanson承认，把下巴放在风口上当然会有风险，但尽管Metalworks做出了一些大胆的举动，还是承受住了风险。首先，公司将自动化集成引入内部。这一决定归根结底是为了缩短交货期。客户昨天就要求生产零件，而制造厂无法快速获得满足需求所需的技术。技术工人的短缺已经波及到金属制造的各个领域，更不用说供应链问题了，经理们知道他们需要找到一种更快的方法来引进制造技术。

于是，他们自己动手。他们购买了机器人。他们投资3D打印技术，以加快焊接夹具和折弯机器人夹具的设计和生产。3D打印还提供了设计灵活性，例如打印带有内部通道的焊接夹具，以支持气动夹紧。

“我们的几位工程师发起了这项倡议，”Ernesti说，“我们一开始使用的是小型折弯单元，负责4英寸的压力折弯机床。我们开始使用小型折弯单元和4英尺压力折弯机床，后来又使用了更大的系统和更高负载能力的机器人。现在，我们正在购买二手机器人，并开始整合我们的设备。

内部集成改变了公司的自动化方法。多年前，自动化单元在很大程度上是基于项目的，是对客户需求或某些内部需求的反应。投资回报率（ROI）在很大程度上以时间为基础：机器在较短时间内运行得越多，投资回报率就越快。

而现在，公司的自动化工程师们则从更广阔的角度主动思考问题。为了说明这一点，Ernesti描述了公司最近如何发现了一个带有点焊末端效应器和36英尺行程的7轴机器人。它还发现了一种操作员可以手动操作的平衡焊接头。以往，Metalworks公司的经理会选择手动操作。毕竟，这种特殊的点焊操作只是定期进行。机器人大部分时间都会闲置在那里，为什么还要买呢？

Ernesti反驳道：“我真的不在乎。你能告诉我，当我们找不到人时，谁来操作那台点焊机吗？”
这又回到了一致性和充分利用现有人才的问题上。这种特殊的点焊应用需要笨拙的动作。员工可以胜任，但他们能像机器人一样始终如一地工作吗？

Metalworks公司在机器人焊接夹具方面也有同样的想法。3D打印碳纤维夹具需要额外的设计工作。Ernesti很坦诚——有人问为什么车间要这么麻烦？操作拨动夹具真的有那么重要吗？但随后，他们问了一个问题。

Swanson说：“当你只需按下气动执行器上的一个按钮就能让生活变得更轻松时，整合气动技术就变得物有所值了。”

如今，机器人焊接夹具的设计可以快速更换，缩短工作与工作之间的转换时间。此外，现在有专人负责检查、清洁和维护这些夹具。这又回到了充分利用现有人才的问题上，最重要的是，要确保自动化系统拥有所需的人员，以保持稳定的生产。整日操纵拨动夹具既乏味又会降低运行速度。花时间检查和维护固定装置可确保焊接自动装置随时准备生产。

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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