为工作岗位重新发明机器人

红杉自动化公司，一家位于伊利诺伊州水晶湖的CNC精密加工车间，需要削减成本和提高效率，以保持作为汽车行业二、三线零部件供应商的竞争力。自动化以小型、紧凑的机器人的形式设计，用于装卸车间的双托盘垂直加工中心(vmc)，为该公司的问题提供了答案。管理层认为，机器人是将工厂生产率提高5倍的关键。

红杉自动化专业生产汽车空调系统连接器，从挤压铝条上锯下近净形状的坯料加工而成。连接器通常是2到2 1/2英寸立方体内的小型配件，并在vmc上的多部分夹具中加工。机械加工几乎完全包括孔和其他内部特征;坯料的型材通常保持挤压状态。

该店有34台虚拟机，大部分配有索引表。因为对于一个充满零件的固定装置来说，周期时间很长，一个操作员通常管理两个vmc。尽管节省了劳动力成本，但随着时间的推移，与红杉自动化的竞争对手运营的旋转转移机相比，加工中心的竞争力下降了。

为了提高生产率，该店开始用配备双托盘的vmc替换一些旧的vmc。该公司总经理丹尼斯·j·伯克(Dennis J. Burke)解释说:“当操作员从夹具上取下成品零件，并用新的空白零件替换时，旧机器就会闲置。”“为了消除闲置时间，我们开始用双托盘机器取代一些旧机器，允许操作员在一个托盘上装载/卸载夹具中的零件，而另一个托盘上的夹具中的零件正在加工。在过去的4年里，我们购买了7台双托盘vmc，我们能够将这些机器的空闲时间限制在几秒钟之内，他们需要切换托盘。”

虽然双托盘机器是朝着正确方向迈出的一步，但仍需要更多的改进。“得益于全球经济，我们不仅要与街边的商店竞争，还要与南美、印度、英国的公司竞争……该公司质量控制主管谢丽尔·施劳特补充道。“在每台机器上配备操作员的成本越来越高，很明显，我们必须找到一些方法来自动化加工过程。问题是，我们是一个工作车间，没有很多长期运行的工作。因此，我们面临的挑战是自动化那些不容易自动化的流程。”

自动化如何?

伯克预计，机器人为他的车间的机械加工作业自动化提供了最佳解决方案，尽管他不确定哪种类型的机器人最适合这项工作。不过，他知道自己不想要什么。汽车零部件制造业的波动性如此之大，以至于工厂可能会突然失去工作。伯克最糟糕的噩梦是，为了将大型机械加工工作自动化，安装了昂贵的大型固定机器人，结果却失去了一个或多个工作岗位。梦想的下一部分更糟糕:为闲置的加工中心和机器人寻找类似的工作。可怕的事情还在继续:由于闲置的机器人被固定在机器前面，并阻碍了机器的进入，后者甚至不能由操作员手动进行短期作业的装卸。

伯克研究了许多自动化选项，寻找与商店现有机器和流程最兼容的一种。在各种选择被考虑和拒绝之后，最理想的机器人开始出现。机器人必须体积小、重量轻、性价比高。它将为一个VMC服务，而不是几个，并且当不使用时，它将移开，允许操作员以常规方式使用机器，即手动装卸工件。

由于在市场上找不到这样的机器人，红杉资本向其机床分销商Yamazen Inc.征求意见。亚玛森建议该店与发那科机器人美国公司(密歇根州罗彻斯特山)讨论机器人需求。他们安排了一次会议，会上，红杉自动化的伯克向Fanuc Robotics Midwest地区销售经理科瓦尔斯基(Gary Kowalski)描述了他对完美机器人的设想。科瓦尔斯基先生听了，点点头，表示他理解商店的具体需求，然后离开了。

几个月后，科瓦尔斯基再次拜访了红杉自动化。他有一个木制的小、轻、低成本的机器人模型，专为一台机器服务，可以滚动到一边，方便接近机器。伯克回忆说，他对这位模特的反应是一见钟情。

红杉自动化公司同意从Yamazen购买前两个生产型号的机器人，Fanuc CNC Mate 200i，作为交key包的一部分，其中包括两个NTC美国公司(密歇根州法明顿山)的NV4G型数控垂直加工中心，带有双托盘和多部件工件夹具，该店刚刚收到了一个大订单。

发那科设计的Mate 200i是一个紧凑、低成本的机器管理解决方案。作为一个完整的软件包开发，并准备与机床连接，该独立单元包括一个19英寸的六轴机器人。该机器人可以为车床、铣床、加工中心和其他负载高度从36到44英寸不等的机器提供服务。该机器人的重量很轻(只有1050磅)，可以用叉车将其抬起，并运送到工厂内任何兼容的机器上。

几英尺

红杉自动化只需将机器人移到一侧几英尺，就能接近它们所服务的机器，而它们的设计初衷就是这样。机械臂安装在一个平台上，平台向右或向左滚动，将其移向或移出机器的部分装载区。防护罩的右侧随着平台移动，伸缩到防护罩的左侧。当平台完全向右延伸，使机器人处于部分装载区前面时，外壳占据3 × 7英尺的区域;当缩回到左边时，足迹缩小到大约3 × 4英尺。

将机器人移离机器需要分离两个锁定销，并将机器人向左滑动。为了将机器人重新定位到机器的部分装载区前面，工作人员将机器人滑回原位，拧紧外壳面板上的锁定销，拧紧平台腿上的安装垫，直到它们到达地面，机器人就可以开始工作了。

红杉自动化目前正在使用其新型的机器人装载双托盘vmc来加工汽车空调系统连接器，该连接器需要加工零件的两面。每个VMC机器的两边的部分。vmc并排放置，如图71页的照片所示。第三个手动加载的双托盘VMC在背景中也可见。除了在机器上手动装卸托盘外，操作员还负责将机器人装载的vmc的弹夹填满空白。

加工顺序

连接器的加工开始于机器人从工件杂志脚下的取料站取出一个挤压坯，并将其交付到安装在vmc空闲托盘上的液压驱动的多部件工件夹具的一个口袋(如第70页所示)。加载继续，直到有一个空白在每个工作夹具的12个口袋。然后夹具夹住毛坯，以精确定位并安全地持有它们进行加工。

VMC的门打开，托盘切换位置，携带装载的夹具进入加工区域。当零件的第一面进行加工时，机器人将更多的毛坯装入空闲托盘上的第二个相同夹具。当毛坯的第一面加工结束时，托盘再次改变位置。机器人从第一个托盘中取出第一侧加工的零件，并将其交付到机器人外壳内的“翻转站”，从内侧将其装入站中。只要夹具可用，机器人就将第一侧加工的零件装入夹具。机器人从翻转站的外侧取回零件(见图1)，这有效地“翻转”或翻转零件，以便当它们重新装入夹具时，其未加工的侧面朝上。

在所有12个第一面加工的零件重新装入夹具后，托盘再次改变位置，然后开始第二面加工。包含现在完全加工零件的托盘仍然会再次改变位置，将它们呈现给机器人进行卸载。

然而，在机器人移除完成的零件之前，它使用安装在其夹具底座上的高速空气喷嘴将整个夹具吹走(见图2)。该程序的目的是清除夹具中任何可能在零件卸载时落入一个或多个口袋中的杂散芯片，并干扰下一批零件的正确安装。最后，机器人移除完全加工的连接器，并将其运送到成品部件溜槽中。从装载第一面加工的毛坯到将完全加工好的零件交付到零件滑槽，这个周期大约需要30分钟。

评估影响

这两个机器人是红杉自动化首次使用该技术。该公司非常清楚，它在机器人方面才刚刚起步，在未来的几个月和几年里还有很多东西需要学习。然而，它已经发现了一些改进。下面是一些更重要的:

显著提高正常运行时间。通过使用机器人来装卸其最新的两个双托盘加工中心，该公司几乎没有停机时间来装卸这些机器。机器人从不支撑加工中心。除了短暂的交换托盘的间隔，总是有一个工具在切割。(是的，有更换工具的时间，但这是一个相对次要的考虑。)

“双托盘加工中心通常比传统工作台的机器提供更多的正常运行时间，即使由操作员装卸，”伯克先生承认。“然而，操作员经常分心，寻找量具，寻找坏工具的替代品，在休息时，在午餐时……使机器经常处于空闲状态。正常运行时间很少超过75%。另一方面，机器人总是在那里，不间断地装载新毛坯和拆卸完成的零件，使机器正常运行时间高达95%。我们估计，与手动装卸机器相比，使用机器人的机器正常运行时间增加了20%。”

更大的生产力。除了通过其新的机器人服务的vmc实现更长的正常运行时间外，红杉自动化开始提高生产力。从历史上看，车间的每台机器都有一名操作员。随着削减劳动力成本的需求增加，经营者找到了运行两台机器的方法。

当安装了最新的机器人服务机器后，该商店发现一个操作员可以为两台机器提供服务，同时还可以操作附近的双托盘VMC，这需要人工装卸。这在很大程度上是由于机器人的弹匣容纳了足够的空白，因此vmc可以在无人看管的情况下运行长达4个小时。为了探索如何利用机器人长期为vmc提供食物的能力，该车间已经开始试验两班倒的安排，为两个机器人服务的vmc安排4个小时的无人值勤加工。这种安排相当于三班倒的生产，只需要两班工人。

该店的一些资深经营者估计，他们将能够管理多达6个由机器人服务的虚拟售货机。这不会在一夜之间发生，因为该场景设想机器人装载/卸载双托盘vmc，而红杉自动化的大多数vmc都有传统的工作台。然而，随着时间的推移，这种前景可能会成为现实;商店可以逐渐增加更多的机器人和双托盘vmc，直到达到保持竞争力所需的自动化程度。该战略还提供了一条渐进的增长道路。

更大的一致性。红杉自动化公司的谢丽尔•施劳特若有所思地说:“机器人的好处在于，一旦你让它正常工作，它每次都会做同样的事情。”“当你从过程中消除变化时，你就会改善结果。当我们使用新机器装载机器人时，该工作的cpk从1.3上升到1.9，这是一个显著的改进。这个数字越高，您的流程执行得越好。这是我们保持竞争力所必须具备的品质。

Schraut女士继续说道:“当你消除了一个领域的可变性时，你通常会在其他领域取得进步。”“例如，手动加载夹具中的部件一直是一个常见的问题来源。操作人员会误夹其中一个部件，这将导致工具损坏。现在，机器人将零件装载到液压夹具中，消除了这个问题。我们不再因为操作失误而破坏工具。以前，我们的模具成本主要是刀具破损，而不是磨损。现在，工具可以持续使用几个月，并且工具寿命变得更加可预测。此外，通过机器人装卸，我们减少了操作员事故对加工中心造成损坏的危险。例如，由于操作员忘记拧紧一个10美分的螺母而损坏的主轴，它为我们节省了1.5万美元的更换费用。”

对熟练劳动力短缺的补偿。伯克先生补充说:“找愿意操作几个机器人的员工比找愿意整天装卸一台机床的工人要容易得多。”“熟练工人的需求量很大，很难找到合适的人。我们可以为潜在员工提供与最新技术相关的工作，比如数控机床、计算机、spc——现在是机器人。我们可以向潜在员工出售“思考工作”;销售没有思想的单调工作更难了。”

更多内容

伯克先生报告说，红杉自动化公司今年将再购买一两个机器人，安装在该店的其他双托盘vmc上。他相信，vmc和机器人装卸的结合，使车间在中等数量的工作(40万至75万件)上更具竞争力，而不是在旋转转移机和类似设备上运行这些工作，更适合更高的零件量(100万件及以上)。他总是可以选择把机器人移到一边，手动完成这项工作。伯克先生解释说:“我们不能仅仅因为我们只有一种做事的方式，就期望我们的客户支付更多的钱。”“根据我们现有的安排，我可以简单地取消自动化，手动运行工作。”

该店的新机器人将与目前安装在该店的机器人看起来不同。原来的外壳由挤压铝框架的有机玻璃面板组成，已经被更传统的金属薄板所取代，新型号的有机玻璃窗户更小。

伯克对考虑用机器人自动化运营的商店提出了一个建议。他强调:“从一开始，我们在自动化方面的目标就不是消除工作岗位，而是通过为员工提供更好的工具来提高他们的生产力。”“造就公司的是人，而不是设备。当你开始计划安装机器人时，你的一些员工会担心他们可能会失去工作。你需要向你的员工强调，公司正在投资自动化，通过更好地服务客户的需求来实现增长。他们需要确信机器人是来帮助他们做得更好的，而且从长远来看，机器人会帮助他们保住工作。”