冲压、折弯、焊接： 为批量加工做好准备

今年早些时候，Ryan Mongeau检查了一个不起眼的金属箱——16ga。成型和焊接的1008冷轧钢板，高4英寸，深3英寸，宽3英寸。没什么大不了吧？

但焊接看起来并不传统。它肯定不是熔化极惰性气体保护（MIG）焊，但也不是非熔化极惰性气体保护焊（TIG）焊。事实上，这是一种自生传导模式的激光焊接，由机器人在半搭接接头处完成焊接。这个盒子是安装在建筑物外部的火灾报警装置的一部分，不需要打磨或任何其他二次加工，甚至连边角都光亮平滑。焊接完成后，箱体直接进行粉末喷涂，然后进行最终组装。

 

光纤激光焊接机器人准备对半搭接接头进行传导缝焊接，采用自动冲裁和弯曲的精密切割和成型法兰。夹具将法兰位置控制在±0.005英寸范围内。

Ryan的自动化蓝图始于7年前，今年早些时候安装的天田激光焊接机器人是Ryan的最新项目。在此期间，这位Space Age公司的技术总监带头在全公司范围内开展自动化工作，这对该公司近年来的发展起到了核心作用：自动化冲压、零件拆卸、自动化折弯，以及现在的机器人激光焊接。

这家总部位于马萨诸塞州斯特林市的火灾报警和生命安全产品制造商自2017年以来收入增长了40%。从办公楼到包括芬威公园在内的体育场馆，各种商业建筑中都能看到它的系统。

 

从机器人氩弧焊中吸取的经验教训

拥有80名员工的Space Age并不是一家规模庞大的公司，但其自动化战略确使其能够像大型公司一样扩大规模，尤其是在其精密钣金制造部门。公司的工程师们已经完善了机械手从冲/激光复合机床上拣取零件的动作，以及如何在两个机器人折弯单元上折弯大小工件。这样做的目的是充分利用人才。管理者最不希望的就是优秀员工因为重复性的工作而感到厌倦和疲劳，这些重复性的工作包括分离零件、折弯和焊接等。

多年来，Space Age一直作为一个截然不同的组织运营。Ryan的祖父Eugene Mongeau于1963年创办了这家公司，当时公司是一家注塑加工厂，为火箭和导弹制造弹道开关和其他各种部件（因此公司被称为Space Age，翻译为中文即是“太空时代”）。成立几年后，Eugene开发出了业内首款视听火灾报警面板，该产品使Space Age进入了火灾报警系统行业。如今，该公司生产范围广泛的生命安全产品，包括在火灾中用于排烟的精密烟雾控制系统控制面板。

“我们的制造环境涉及大量高产量、低混合度的工作，但我们也有大量高混合度、低产量的工作。每天的情况都不尽相同，因此我们需要能够在接到订单后立即做出反应。”

这就是Joe Mongeau，公司总裁，Ryan的父亲，也是家族企业的第二代领导人。“起初，除了一个小型原型车间外，钣金一直是外包的。我们最初使用的是手动冲床。到了20世纪90年代和21世纪初，我们拥有了多台数控机床，从此我们开始向前迈进。”Joe继续说道。

在2017年之前，该公司一直拥有一个典型的数控钣金部门，其中充满了冲床和焊接单元——主要是氩弧焊，适合面向客户的关键焊接。

同年，该公司购买了一台氩弧焊焊接机器人，在钣金制造自动化领域迈出了不寻常的第一步。该公司需要对薄金属板进行焊接，以生产出防风雨、具有视觉吸引力的密封件。多年来，氩弧焊一直是Space Age 公司的首选工艺，因此实现自动化似乎是顺理成章的下一步。

“老实说，这对我们来说并不是最好的解决方案，”Ryan承认，“对我们来说，这是一种体验，一种获得机器人操作经验的方式。”

夹具、装配和变形方面的挑战依然存在。机器人不具备接缝跟踪功能，热影响区过大导致翘曲。公司工程师尝试用机器人焊接部分工件，然后让氩弧焊工完成焊接工作，但效果似乎并不尽如人意，最终公司决定在2024 年引入天田光纤激光焊接机器人。

Ryan举起一个不起眼的盒子。对于不懂制造的人来说，外壳或箱体的半搭接角连接看起来非常普通。不过，对于以折弯或焊接为生的人来说，这个盒子可能非比寻常象，尤其是如果它的成型是为了创建一个零间隙的接缝，并具有最小的焊接缺口。在折弯机器人上，经过调试的程序可以实现这一点。在焊接机器人上，夹具将工件固定在公差小于±0.005 英寸的范围内。

“材料当然会有一些变化，”Ryan说，“尤其是当我们从一批钢材转换到另一批钢材时，但所有这些都在夹具中考虑到了，这样我们就能把所有东西拉得又紧又好。”

当然，从第一台氩弧焊焊接机器人到最新的光纤激光焊接系统之间发生了很多变化。Space Age公司从焊接到冲裁和折弯自动化的发展历程表明，这3种重要的制造工艺是多么紧密地结合在一起，任何一种工艺都不可能单独得到完善。

 

采购、调度和流程

平整度很重要。如今，如果公司发现特定材料存在问题，他们就会打电话给钢材供应商。问题可能包括切割后的变形，因为内部材料应力会迫使坯料轻微卷曲。这对任何操作都会造成严重破坏，尤其是对高度依赖自动化的操作。

 

处于焊接状态的工件。这些盒子无需打磨，可直接进行粉末喷涂。

Ryan说：“事实上，我们试图在这种材料进入自动化之前就消除这种可能性，无论是冲压、折弯还是焊接。”

公司关注的是整体效率，而不仅仅是某个工作单元的局部效率。局部效率固然重要，但必须在更广阔的背景下进行。如果没有整体战略，一些极其先进的制造技术可能会变成瓶颈。切割、折弯或焊接的速度飞速提升，但整体吞吐量却丝毫未变。

 

折弯机器人抓着“H”形天花板支架。右侧窄的“齿形”凸起是在冲激复合机上形成的。这使得冲裁过程中的自动工件移除更加容易，并简化了机器人制动器的折弯顺序和测量策略。

Space Age公司的经验并非如此。事实上，它的总产量已经达到了新高。这要归功于精心的规划。

Ryan说：“在我们的企业资源规划系统中，我们不断查看库存需求和供应情况。我们有很多不同的产品线。我们并不是每天都在生产同一种产品。如果我看一下我的作业队列，我们可能有多达700种不同的零件需要生产。”

乍听之下，这并不像是自动化的理想状态，直到深入了解产品组合：精选的大批量流水线与长尾的低数量零件并存。这些大批量生产的零件能带来可观的收入，因此需要优先处理，但它们也会带来巨大的麻烦，并在重复性任务上占用宝贵的人才。大订单的问题会产生严重的连锁反应，导致大量其他通常数量较少的订单滞后。

这阻碍了高产品混合操作的有效扩展。车间可以简化更换工序，减少批量，以接近理想的单件零件流程。但是，更换也会消耗机器的产能。

如今，Space Age公司已经实现了大批量订单的自动化，而这些订单曾一度束缚了车间的折弯和焊接人才。自动化为战略性批量生产提供了条件。冲激复合机床可以整夜切割和堆叠零件，2台折弯机器人可以在无人看管的情况下运行数小时，现在激光焊接也是如此。程序经过调试，可以快速切换，从而根据需要提高或降低生产。最重要的是：自动化将那些高运转率的工序从手工制造价值流中剥离出来。

 

总裁Joe Mongeau和技术总监Ryan Mongeau正在检查“爪子”，这是在折弯机上加工的复杂天花板支架。

Ryan解释说：“这是一种平衡行为。我们希望做到精益。我们不想有太多的库存。但我也需要确保我们最大限度地利用生产时间，以确保工厂其他部门尽可能多地生产。”

他继续说：“我们的生产自上而下，制造在最底层。一切从原材料开始，我们需要生产制造出来的组件，为工厂的其他部分提供原料。”

Space Age公司将制造能力视为其他增值流程的基础，从印刷电路板生产到布线、总装和装船。必须为下游操作准备好适量的制子组件。那么，什么是适量呢？

Ryan说：“我们的系统会持续关注需求，并根据我们开发的算法提出建议。这可以帮助我们确定哪些应该建设，哪些不应该建设。我们每年都会回过头来检查算法，并在必要时对其进行改进。”

 

制作“爪子”

Ryan介绍了一种大批量生产的产品——TCC天花板支架。H形坯料，每条边长24英寸。每条边的末端都有一组锯齿（产品的“爪子”），对于任何运行自动零件拆卸切割机的人来说，这都会让人瞠目结舌。自动零件拆卸系统如何才能不受干扰地将零件取下呢？

在这种情况下，零件设计提供了机会。产品的“爪子”有一个弯曲成45度外角的凸缘。凸缘本身给测量带来了挑：齿形几何形状无法为折弯机的逆止器提供最坚硬、可重复的表面，尤其是当折弯机器人在操纵零件时。

不过，这些凸缘并不一定要在折弯机上成型。事实上，它们可以在冲激复合机床上成形——这是一种一石二鸟的解决方案。一旦冲压成形工具对凸缘进行压痕处理，齿就会被“抬”出来，从而消除了零件自动化拆卸过程中的所有潜在卡点，这也为折弯机器人省去了棘手的测量程序。由于折弯是开放式的，只有45°，因此可以整齐地堆放在托盘上，随时供折弯机器人抓取。

 

简化折弯周期

“这就像一个持续的改进项目，”Ryan说，“当我们实现流程自动化时，我会与程序员和工程师一起工作，进行模拟循环，然后在几周或几个月内尝试不同的方法。我们总是在问，‘怎样才能做得更好？’”

如今，仿真可以让工件在机器人上完成折弯周期的每个阶段。专业程序员可以模拟不同折弯顺序和工具策略。随着时间的推移，公司的程序员已经学会了分析模拟，并找到优化流程的方法。例如，对“爪子”设计的调整可以帮助更好地固定零件，而战略性旋转则可以帮助机器人从一个弯道移动到另一个弯道。

当然，顺序对精度很重要，但正如公司的专业编程人员所了解的那样，重力也起着很大的作用，尤其是在折弯较大的工件时。Space Age公司在投资购买了最新的天田机器人折弯机单元（床身长10英尺）后不久，就认识到了这一点。任何折弯程序都不能违背物理原理。根据几何形状，一些大而薄的坯料在机器人操作时会略微弯曲。为了考虑到这一点，机器人在第一次折弯时要小心定位，以便在制动滑块下降之前，坯料能准确地平放在模肩上。人类自然会这样做，但至少对于大型或较长的工件，机器人程序需要考虑到这一点。

 

一个机器人正在加工一个精密外壳。为了简化折弯周期，每个法兰，包括小的回程法兰，都是在无需重新定位机械手的情况下成型的。

 

冲激复合机床生产的一系列坯件，每件都有一个压花特征，然后进行机器人折弯。请注意精确的边缘质量和方角，这些特征使精密折弯变得更加容易。

在可行的情况下，初始折弯会沿着大型工件最长的凸缘进行。较长的首次折弯会使工件变得坚固，并减少（通常是消除）其余折弯这程中的重力影响。“一旦所有东西都平放在工具上，我就进行第一次折弯，”Ryan说，“之后，由于零件是刚性的，我们可以加快速度。”

 

从复合机床上取下零件

从冲激复合机床上自动移除零件有助于保持稳定的坯料生产，但正如公司的程序员所了解的那样，这一过程也需要仔细关注细节。锋利的边角会造成问题——考虑一下“爪子”的锯齿状边缘。方角对于折弯机器人的可靠测量也很重要，这也是程序员在创建便于拆卸零件时要考虑的因素。

对于大多数90°角（或更小）的坯料，程序员会在“骨架”上切割出一个额外的间隙，通常在0.003-0.004英寸之间，这样就可以在不干扰的情况下抬起零件。激光切割的切口间隙也需要考虑，特别是因为激光切割的宽度比冲压工具留下的间隙窄得多。特定的切割工具路径有助于为这些边缘提供更多的间隙，从而使其顺利抬出。

也许更重要的是这些切割的顺序。由于板材会移动，因此在切割出零件后，必须立即进行自动零件移除。“骨架”如何成型取决于先切割和移除哪些零件，而这一顺序会对整个流程产生重大影响。

零件不会被移除，也不会在套料中的其他部件上运输，以避免发生碰撞的可能性。除此以外，即使夹具在切割之间移动板材，抬出顺序也能确保所有部件保持平整。如果顺序不当，就会改变“骨架”的完整性，从而使腹板部分变形，并增加部件在移除过程中被夹住的几率。

 

零件去除自动化装置从冲激复合机床上抓取已去除零件的多余坯料。零件切除策略考虑了“骨架”的完整性，但这并不一定意味着腹板部分更厚。事实上，在实施零件切除自动化后，Space Age公司的产量有了显著提高。

为了避免这种情况，Ryan说，他交替使用分切和移除部件的顺序，有时靠近夹具，有时远离夹具（靠近机器前端）。“这有助于我们平衡‘骨架’的重量，使所有部件保持平整。同样，这对激光切割机来说尤为重要，因为激光切割机的切口很窄。”

在这一点上，程序员已经将排料调整到了材料产量显著提高的程度。是的，有些零件确实需要在小型套料中用标签固定在一起，以确保可靠地移除，但这并不总是意味着材料成品率会受到影响。事实上，总的来说，程序员发现他们可以用比手动转塔冲床所需的更薄的腹板部分来制作套料。

 

转型仍在继续

2017 年，Space Age开始了技术和文化上的变革。是的，自动化是为了增强而不是取代工作——但这要告诉那些以焊接工或专业制动器操作员为职业的人。

“一开始，我们就在文化方面下了很大功夫，”Ryan说，“刚开始的时候，我们听到有人担心机器人会抢走工作。但后来，我们向他们展示了自动化能为他们做什么，并为他们提供了处理更有吸引力的工作，即需要工匠触觉的工作的带宽。他们不再从事大批量、重复性的工作，这对他们来说更好。这让他们作为制造者和操作者更有价值。”

Space Age公司的自动化之旅始于制造，但不会就此结束。车间的其他领域，包括定制印刷电路板制造，可能也会开始出现一些变化。

Ryan说：“由于我们的整体制造能力大幅提升，我们可以制造更大规模的产品。这让我们能够更好地为现有客户提供服务，也让我们能够实现多元化，进入不同的市场。”

Space Age公司在自动化方面持续保持强劲势头的一个重要原因是流程的完善。公司的战略是将大局观与对细节的非凡关注相结合。材料的平整度、冲压过程中零件移除时的“骨架”状态、机器人折弯时重力对大型零件的影响——这一切都很重要，同样重要的还有大局观：需要可靠、可扩展的金属板材制造来支持企业的其他业务。

 

作者：Tim Heston

 

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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