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完善钣金制造中的切割折弯循环

来源:国际金属加工商情 发布时间:2022-10-10 600
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用机器、软件及互联技术,迈向自动化制造的未来

制造业是、且始终是一个不断变化发展的行业。但近年来,随着订单增长,变化速度似乎也加快了。对许多制造商来说,跟上客户需求的步伐是一个挑战。目前看来,并没有足够的制造商可以满足日益增长的需求。


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在自动化制造中,软件算法能识别某些适合以特定切割和折弯工艺制
造的零件,为它分配制造路径、编写程序。所有这些都是在后台进行的。


新冠肺炎疫情期间,许多人决定提前退休或跳槽以获得更高薪资,这令传统制造业急剧萎缩。同时,也出现了高度个性化和小批量化生产的增长趋势。客户要求其最终产品是富有个性化的,希望看到自己的订单在生产中的状态。这反过来加大了制造的复杂性。仅对个别工艺进行改进是不够的。


机器人在以前的车间环境中可能没有意义,但近来的生产需求变化,需要我们重新审视自动化在金属制造中的潜在作用。自动化产生收益的一个领域,尤其对中型制造商来说,是切割折弯循环。

间接流程的影响


几年前,弗劳恩霍夫研究所和通快公司进行了一项研究,调查制造商在将零件交付到下个步骤等相关流程中的用时。结果发现:近80%的生产时间花在这些间接流程上了,只剩20%的生产时间用于增值任务——即赚钱的任务——比如切割、折弯、焊接和装配。希望增加收入的制造商们,需要通过自动化以及对这些非增值工序的优化来减少这80%的时间。


在这个行业中应用自动化是有限的。当然,制造商应用存储塔、装载/卸载系统以及折弯自动化,已有数十年。但是因为现有系统的灵活性有限,大多数自动化应用仅限于大批量、低混杂度的加工任务,通常来自原始设备制造商或有可预测需求以及需要制造高度标准化产品的大型承包制造商。迄今为止,这个行业并没有灵活、广泛地采用复杂、甚至高度复杂的自动化系统。


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这种设置将冲床和折弯机连接起来,用中间的存储塔充当缓冲区。今天,算法帮助

软件辨别采用哪种工艺(比如冲孔技术还是激光切割技术,或是数控折弯机)最适合某项作业。


大多数北美制造商的工作环境是:对不同机器和加工中心的需求变化很快,而且往往很极端。有些订单只需要切割的零件;另一些订单需要切割加成型的零件;还有一些订单需要焊接件。零件、需求以及加工路径的快速变化,令制造商很难提前规划好稳定、可预测的生产运行方式,从而满足客户的需求。


不同的零件几何形状、表面要求以及对边缘质量的期望,会对制造商选择制造技术产生影响。例如,一个有散热孔和成型特征的零件,可能适合用冲孔加工。如果客户希望激光切割过程中没有氧气进入,那么用高功率光纤激光器来进行这项作业很可能是适合的。再比如,要制造有复杂圆形折弯特征的零件,采用无划痕板材折弯工艺,很可能是最佳选择。

技术和车间布局


历史上,许多需要高混杂工艺的加工厂,设置了以工艺为中心的布局:激光切割和冲床在一个部门,折弯机在另一个部门。这种安排很灵活。例如,如果需要给某个零件打孔,再在折弯机上折弯,材料处理工可以用小车、叉车或其他手工方法,在不同的工序间轻松移动材料进行作业。如果无需再制造某个零件了,制造商们也可以用折弯机上的其他作业任务,来填上这个新出现的加工机会。如果需要无缺口的零件,也可将加工任务从冲床转移到激光机或组合式机床上。


几十年来这种方法一直在钣金制造领域良好地运作着,但它也有很大的缺点,比如人工处理材料的方式,可能损失零件、时间以及叉车耗费成本。但是这些因素其实并不是耗费最大的,大多数损失都可归因于周转资金减少。


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一个集成的切割折弯系统——在此案例中,由1 台激光器、1 台冲床
和2 台机器人折弯机组成——设有粗制品库存区及在制品缓冲区的储
存塔。缓冲区能确保所有机器以更高的性能进行生产,实现更大产量。


需要将零件切割、手工分离,再用叉车运到折弯工序时,在制品(WIP)零件以及因此在加工工序间出现的零件库存,数量很可能非常巨大。在一个以流程为中心的典型生产模型中,大多数零件在98.6%的生产时间里都在等着被加工。因此很可能积压了几千甚至几十万个在制品零件。这就意味着,相当多的营运资金被压在车间里未完成的零件上了。在某些公司,这部分资金甚至超过数百万美元。

集成切割和折弯的新选择


怎样才能减少这些缓冲区,从而减少不同工序之间占用的周转资金?其实只有一个选择。你必须缩短生产时间,减少不同加工中心之间的缓冲区。这说起来容易做起来难,因为要相应地引导流程工序是相当复杂的——特别对于在切割和折弯工序之间移动零件这样的人力作业来说。


如果我们将高混杂加工任务、低产量的制造厂比作一个大型机场,想象一下安排不同的飞机班次,有的准时,有的延迟;还要管理不同的起飞时段,同时密切关注永远无法预测的天气。这些情况与客户需求以及需要随客户要求不断变化的灵活制造环境何其相似?那么空中交通管制员是怎么处理的?他们靠雷达和其他分析性计算机模拟模型来帮忙,以做出最佳决定。


过去,制造管理软件可能很复杂,且价格高得吓人。但随着软件的加速发展,情况改变了。现在,我们已经能够以相对较低的成本获得专门针对制造环境的复杂软件。利用先进的编程算法,制造执行系统(MES)能够帮助制造商提高产量,降低WIP量,减少营运资金。

缩短切割折弯周期


制造执行系统的生产仪表盘,可以实时显示并向操作员传送最紧迫的订单。一旦操作员开始制造某个零件,机器就会向系统反馈该零件正在加工中,之后软件会即时调整不同的加工中心,或重新安排优先次序。


所有这些都是为了一个目标:减少生产时间,从而减少营运资金。新的零件订单出现后,算法通过为折弯机和机器人创建程序,迅速检查这些零件中哪些适合用机器人折弯。一旦做出决定,系统控制工程师这类的员工很容易就能安排订单,把作业分配给机器人,或手动折弯机。

数字化的影响


为了适应费时的设置,包括在机编程和测试折弯,传统制造车间在切割和折弯工序之间设置了大型缓冲区。软件和快速更换工具的出现,减少了设置所需时间,也大大缩小了缓冲区。高混杂加工仍然需要这些缓冲区以适应不同的生产周期,但现代技术已使大多数不可预测的设置成为过去。


当然,这些流程改进只有通过复杂的算法和人工智能才能实现。感谢不断改进的机器学习模型,算法在作判断上越变越好。诚然,这就是将切割和折弯解决方案集成起来的原因。它在小批量、高混杂的制造中成效明显。


算法使原始设备制造商能够造出具有先进、可靠的零件分离功能的高度复杂机器。利用这些算法,计算机模型在后台工作,保证可靠分离特定零件几何形状的成功率,在此基础上推荐最适合的机器。


同样情况也发生在自动机器人折弯加工上。算法会确定在设备上运行零件所需哪种抓手以及哪种正确的工具,并在确定分配加工任务之前,在后台为机器人和折弯机编好程序。这项技术将切割和折弯系统集成起来,用激光机或冲床切割、分离零件。然后这些零件将进入存储系统的缓冲区,之后自动机器人折弯机才会加工它们。


未配备中间的缓冲塔、彼此直接相连的切割和折弯系统,已存在了一段时间,但它们只在加工某些零件上表现良好,比如那些在切割和折弯中花费相同时间的零件。如果正加工一个零件时,另一个零件来得较慢或较快,那么要么是切割机要么是折弯机,都将不得不等待某一个零件被加工完毕。这会造成生产瓶颈,令昂贵的生产设备无法得到充分利用。


与此相反,配有一座中间塔的系统可以利用这座塔,实现批量加工,令每台机器实现最大水平的吞吐量,不会减慢或拖累其他机器。如果一台机器速度较慢,另一台机器可以从缓冲塔或自动化系统外的设备上加工零件。

下一代制造商的技术


未来,自动化制造将是成功的关键,特别对于整个北美的制造商而言。他们很难找到真心希望在制造业内长期、稳定工作的年轻人进入工厂工作。通过设置自治制造流程,制造商们希望用机器进行更多的生产步骤,因为它们不需要操作员在场。


随着此行业继续向更高的自动化水平发展,美国制造商们将在现今的世界市场上更赋竞争力,并为未来一代打下基础。今天的制造厂家需要具备新技能的员工。在过去50年里,操作员从会用剪子到会编程、运行数控设备。未来一代员工的技能要求将集中在使工艺自主化上。

作者:Felix Weigelt


来源:荣格-《国际金属加工商情》

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