自动化发展的四个阶段

寻求自动化的机械加工车间有多种选择，从棒料送料机、托盘交换机和工业机械臂等历史悠久的技术，到协作机器人、自主机器人和各种软件产品等较新的解决方案，不一而足。随着时间的推移，车间混合使用这些技术的情况并不少见。医疗设备制造商rms公司自开始其自动化之旅以来，已装配了代表四个不同阶段的自动化设备：配备工业机械臂的传统自动化单元、由自动导引车 (AGV) 负责的单元、配备托盘交换机的机床以及用于实现刀具偏置自动化的软件。随着每种技术的发展，团队在自动化方面获得了更多的知识和经验，最终找到了最适合其特定需求的技术。

总部位于明尼苏达州库恩拉皮兹的rms公司是一家合同医疗器械制造商，该公司拥有多个业务部门，共有 850 台机床（还有更多机床在订购中）。

rms是Cretex Medical公司旗下最大的公司，Cretex Medical公司是医疗器械行业的合同制造商。其能力包括机械加工、增材制造、注塑成型、冲压、激光加工和无菌包装。在rms内，起搏业务部为神经和心脏刺激市场制造产品。rms公司起搏业务部的工程经理Tom Ries解释说，起搏业务部的产品种类少，产量大。“这是我们的面包和黄油”。

传统机器人单元

rms公司起搏业务部门的自动化之旅始于2015年的3个传统自动化单元。每个单元都有2个固定在地面上的大型发那科工业机器人，它们负责2台发那科机器人钻孔机，并将完成的零件传送到清洗站，然后再传送到坐标测量机。这些单元至今已有10年历史，但仍在茁壮成长。

10年前，这些机器人单元是rms首次涉足自动化领域。每个单元由2台工业机器人组成，它们负责操作2台立式加工中心，并将完成的零件送至清洗站和坐标测量机。

Ries认为，这些单元的主要缺点是体积庞大，它们需要占用厂房的大量空间，而厂房空间是非常宝贵的。rms 35万平方英尺的厂房内共有850台机床，还有更多机床正在订购中。他补充说：“要不了多久，我们的机床数量就会达到900台，仅起搏业务部就达到约200台。”

自主机器人机器看管

随着第一个自动化项目的成功实施，团队开始考虑其他自动化任务。在这个时候，他们萌生了在自动机器人上安装机械臂的想法。但Ries说，当时没有供应商提供他们所设想的完全集成的解决方案。然后，在2018 年，团队发现了史陶比尔的HelMo系统。“rms于2019年购买了HelMo，并开始将其集成到生产流程中。

HelMo系统由安装在AGV底座上的工业机械臂组成。由于底座是AGV而不是自主移动机器人 (AMR)，因此它不能完全自主移动，而是按照预先编程的路径移动。它的底座上有3个区域扫描器，可在导航过程中检测路径上的障碍物，并在必要时使其停止。如果附近有人，扫描仪还能减慢或停止机械臂的速度。

为了寻找占用空间更小的自动化解决方案，rms采用了史陶比尔的HelMo系统，该系统由安装在自动导引车上的工业机器人手臂组成

rms在一个有8个Robodrills的单元中安装了HelMo系统。该单元运行特定的零件编号，但这是因为起搏业务部运行的是低混合、大批量的工作。从理论上讲，只要与夹具系统配合使用，该单元可以运行任何零件。这些夹具存放在每台机床外的架子上，用于夹持不完整和完整的零件。

HelMo在有人值班的情况下运行，2名操作员分别操作单元内的4台机床。它还在第二班和第一班之间熄灯运行，为公司提供了3个小时的额外加工时间。rms自动化工程师Abraham Mitchell说：“这比没人在这里还要快。”

虽然这套系统的前期费用很高，但实际上，由于它可以支持多台机床，因此成本效益相当高。据Ries称，这比在每台机床上都安装一个即插即用的自动化系统要便宜得多。它占用的空间也小得多，特别是考虑到 HelMo没有专门的充电站。无论何时到达机床，它都会插上电源，为电池充电，并连接气源。

虽然HelMo在节约成本和空间方面迈出了正确的一步，但rms很快就发现了实施HelMo的一些困难。Mitchell在HelMo系统到货后不久就加入了公司，他的职责就是在出现问题时找到问题的根源并加以解决。他解释说：“这是一个学习曲线，集成商没有看到。”

一些问题通过物理解决方案得到了缓解，但最大的挑战是HelMo的导航系统。要确保HelMo能够有效地移动、转弯、识别障碍物和机床，需要进行大量的微调。问题之一是搞不清楚为什么HelMo在看似没有障碍物的情况下会停下来。最终，团队意识到，HelMo的传感器会捕捉到漂浮在空中的机床冷却剂雾气，并将其理解为障碍物。Ries解释说：“人类看不到，但这个导航系统却能看到。现在，rms在所有机器上都安装了雾气收集器，并努力确保它们都能正常工作。”

Mitchell说，总的来说，在两年内，大部分问题都得到了解决。但他和Ries也承认，像这样复杂的自动化集成，挑战是意料之中的。Ries说：“如果一个团队能坐下来，找出每一种可能发生的故障模式，并确保在构建之前100%地减少故障，那将花费数百万美元。”

托盘更换器

尽管HelMo取得了成功，但rms认为，在未来的发展中，自动机器服务机器人并不是满足其需求的最佳解决方案。Ries指出：“我们发现，在机床铸件中内置集成自动化装置似乎是市场上的最佳选择。”

尽管机器人单元和AGV取得了成功，rms仍将托盘系统作为满足其需求的最佳自动化形式，因为其占地面积小、成本低且易于实施

就在HelMo出现的同时，rms也开始使用第一台带托盘交换机的机器。该车间现在拥有28台来自GF Solutions的Mikron X400U机床。每个系统可容纳18个托盘，而占用的空间仅为机器人单元或AGV的一小部分，这在车间机床密度很大的情况下被证明是非常有价值的。与机器人相比，“我宁愿在那里再放一台机床，”Ries说：“我宁愿有第二台机床来加工零件。节省空间、成本相对较低、易于实施，这些因素促使将托盘交换机作为其未来的主要自动化形式，我们认为这是未来的趋势。”Ries说。

目前，在决定哪些零件与哪些机器和自动化系统配合使用时，Ries说团队会考虑零件的几何形状以及所需的工具数量。Robodrill每台机器可容纳21个工具，而带托盘交换装置的机器则可容纳60个工具。

软件

rms的自动化工作不仅限于机床操作。2015年底和2016年初，该团队在其首批发那科单元中采用了Caron Engineering的AutoComp自动刀具磨损补偿软件。该软件根据坐标测量机的测量数据自动计算刀具调整并更新机床控制中的偏置。这非常有用，因为“人总是会过度补偿，”Ries说，“补偿会让人疲惫不堪，过度补偿以延长再次调整前的时间的诱惑力很大。如果有必要，软件可以在每个部件后进行小幅度的增量偏移。”

rms还使用软件自动补偿刀具磨损。所有单元都配备了Caron Engineering的AutoComp，它可根据坐标测量机的测量数据自动调整机床控制中的刀具偏置。Abraham Mitchell（左）和Tom Ries（右）展示了它在 AGV单元中的工作原理

每个传统机器人单元都有自己的坐标测量机为AutoComp收集数据，HelMo 单元也有一个坐标测量机。经过设定的循环次数后（每个零件的循环次数都不同），机器人或HelMo将夹具从机器中取出，放入清洗站，然后由一个机器人（在HelMo单元中为单独的工业机器人）将其移至坐标测量机进行测量。然后，AutoComp 根据夹具上的RFID芯片更新机床的偏置，该芯片可识别夹具来自哪台机床。起搏业务部门尚未在其配备托盘交换装置的机床上部署AutoComp，但正在研究该解决方案。

这实际上是在机器看管之外增加了一层自动化，增加了自动化集成的复杂性。Ries 说，让多层机器人进行通信和协作“不是一件容易的事”。因此，起搏业务部门更倾向于使用预集成自动化系统，如托盘交换机。

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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