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自动化单元在大批量生产中的应用
2012-10-30 16:33

作者:黄建文 文章来源:宁夏小巨人机床有限公司


当制造业逐步走出金融危机的影响,准备放手大干的时候,又面临一场用工荒和人力成本快速上升的双重考验。制造业相关的很多企业徒有大量的订单却无法招到足够的人力来开足马力生产,或者虽然有足够的人力但是工资却在不断上涨,原来依靠低廉的劳动力成本生存的制造企业,在劳动力成本上升的影响下,虽然产量上升但是效益却在下降,甚至还不如金融危机阶段。

从目前来看劳动力成本的上升不但不会停止更不会下降,因此针对目前的状况我们不得不改变我们以前依靠低廉的劳动力成本来发展经济的观念,只有观念的改变才能适应新形势发展的需要。那么如何破处这种困局,其实,不用考虑,发达国家的昨天就是我们的明天,只有实现自动化把人的使用降低到最小程度,简单地说就是让机器来代替人来工作。

通过使用机械手或者机器人来自动上下料可以大幅度减少操作人员。自动化代替人来加工不但可以减少人员的使用,而且由于杜绝了人为因素的影响,还可以保证产品质量的稳定性。人是需要休息的,节日加班还要付出几倍的加班工资,而机器可以一天24h一年365天连续工作(除了必要的维护和检修时间)。因此,自动化是解决这些问题最有效的手段。


图1 机械手上下料的自动生产线

自动化加工工况分析

自动化的应用范围非常广泛,以下只对机械加工行业零部件的自动化加工情况进行相关的介绍。传统的自动化方式是在专机结合自动上下料的物流方式下实现的,但是这种方式虽然有加工效率高的特点,但是存在设计制造周期长、机械结构复杂,改型换代困难等问题,已经逐步被淘汰,因此,目前在数控机床上实现自动化加工,具有更高的柔性,有利于多品种加工和产品的更新换代。

首先,一些机床利用自身的结构特点发展起来的自动化方式,比如卧式加工中心大多采用双交换工作台的形式实现机床的连续加工,但是这只能节省工件的装卡时间,并不能实现一定时间内的无人化加工,如果在此基础上把交换工作台的数量逐步增加到6个、8个甚至12个,组成一个FMC(柔性制造单元)就可以实现一定时间内的自动化加工。如果再把多个卧式加工中心放在一起,利用在轨道上运行的物料小车来实现机床和托盘站、装卸站之间的物流自动输送,组成更大、更灵活的FMS就可以实现更长时间的无人化运转。还有一种倒立车结构形式的机床,由于结构的特点特别适合于自动上下料,只要配置了适当的传送带就可以实现自动化加工,还可以把多台这样的机床通过传送带串联起来实现大批量的自动化加工。

对于一些结构简单的零部件加工,通常的加工都不超过两个工序就可以全部完成,因此,这些零件的自动化加工通常是采用一台或者两台机床配合一个桁架式的机械手和一个到两个料仓组成一个自动化加工单元,这样的生产方式简单可靠。这种形式在车床上应用比较多。对于大批量的加工还可以采用多个这样的单元连接起来共用一个供料装置,实现大批量的自动化生产。


图2 机器人自动上下料的自动化加工单元

对于一些由多个工序加工,而且工件的形状比较复杂的情况下,可以采用标准化的机器人配合供料装置组成一个自动化加工单元。一个机器人可以服务于多个加工设备从而节省自动化的成本。由于采用通用的机器人单元,自动化单元的设计制造周期短、柔性大,产品变形转换方便,甚至可以实现较大变化的产品形状的换型要求。对于一些特殊的产品还可以通过增加视觉识别装置对工件的放置位置、相位、正反面等进行自动识别和判断,并根据结果进行相应的动作,实现智能化的自动化生产,还可以让机器人在装卡工件之余,进行工件的清洗、吹干、检验和去毛刺等作业,大大提高了机器人的利用率。机器人可以正面安装、倒立安装、或者安装在轨道上服务更多的加工设备。

一些形状简单、加工节拍很短的小工件,如果采用桁架式机械手,需要事先把零件摆好,显然如果采用这种方法自动上下料的话就显得没有必要,因此对于这种零件的自动化加工一般先采用振动盘的方式对工件进行排序和工件状态的选择,然后再由专用的料道或者由油缸或者汽缸带动的机械手进行自动上下料。这样上料时就可以把杂乱无序的工件直接倒入料仓,振动盘的自动排序和送料,大大提高了材料准备的效率,并缩短了工件的装卸时间。

对于更加复杂的零件,往往需要多个工序的加工,甚至还要增加一些检测、清洗、试漏、压装和去毛刺等辅助工序,还有可能和锻造、齿轮加工、旋压、热处理和磨削等工序的设备连接起来组成一个完成复杂零件全部加工内容的自动化生产线。该生产线有不同种类的设备通过桁架式的机械手、机器人和自动物流等自动化方式组合起来实现从毛坯进去一直到成品工件出来的全自动化生产线。

自动化加工的后方保障

自动化加工离不开一些必须的功能保证,否则,自动化加工由于无人化或者少人化的生产方式会带来大批量的废品。比如,刀具是有寿命的,不可能无限地使用下去,寿命结束的刀具要及时更换,因此,设备要具有刀具寿命管理功能,能够随时监控刀具的寿命并能够及时更换已经到寿命的刀具,刀具的破损检测功能能够及时发现损坏的刀具并报警。另外,大批量生产中由于刀具磨损或者损坏带来的加工零件的尺寸波动甚至超差会造成零件报废,因此,在自动加工单元中还要配备工件精密测量装置,随时对工件的关键尺寸进行检测,并把测量结果送回到NC进行比较,并根据结果对程序或者刀具进行补偿,保证了零件加工精度的稳定性。还可以根据检测结果判定工件是否合格,并及时对不合格的工件进行处理以免其进入下道工序。

由以上自动化单元和装置组成的自动化车间或者工厂,如果再加上信息管理系统实现生产管理的自动化,可以组成具有更加广泛意义上的自动化工厂。

采用自动化技术不仅可以代替人来从事一些重复性的工作,尤其是人无法或者不能完成的任务,同时也极大地拓展了人类认识和改造世界的能力,提高了工作效率,保证了产品品质。另外自动化还可以代替人在恶劣、危险的环境中工作,极大地保证了人的生命和健康。

因此,机械加工自动化是今后制造业发展的必然趋势,从单机的自动化到单元自动化甚至是整条生产线的自动化应用将越来越广泛。随着自动化的不断普及和发展,自动化的程度和自动化的水平也不断提高,自动化相关产品产量的增加也会降低自动化的成本,自动化将在今后的制造业中发挥更大的作用。自动化也会把人从单调乏味的体力工作中解脱出来,去从事第三产业或者从事更加富有创造力的工作中去。