數(shù)十年來，機(jī)床一直處于不斷改進(jìn)之中，生產(chǎn)效率也在持續(xù)提高。但在最近幾年里，生產(chǎn)率的提升受到了制約，這是因?yàn)橄嚆暯拥淖鳂I(yè)流程，例如裝卸和物流等，并沒有以相似的速度在增長。在整體生產(chǎn)率提升方面，機(jī)床設(shè)備的自動(dòng)化裝卸和工件輸送是一個(gè)必然的滯后環(huán)節(jié)。
自世界機(jī)器人報(bào)道發(fā)布以來，有關(guān)越來越多的機(jī)器人將會(huì)進(jìn)入到工人隊(duì)伍中去并在若干年后與工人們一起確定生產(chǎn)規(guī)劃的信息已經(jīng)眾所周知了。盡管人們對(duì)于兩位數(shù)百分比的增長速度已經(jīng)不會(huì)感到驚訝，但是自動(dòng)化技術(shù)仍然是生產(chǎn)領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力。從2015——2019年這段時(shí)間里，機(jī)器人行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展通道。根據(jù)IFR的數(shù)據(jù)，到2019年為止，全球投入使用的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量將會(huì)增長到大約290萬臺(tái)，比創(chuàng)紀(jì)錄的2015年大約增加了100萬臺(tái)。
一種自動(dòng)化技術(shù)方案的機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、協(xié)助機(jī)器人和類人機(jī)器人的出鏡率越來越高。現(xiàn)在機(jī)器人也可作為機(jī)床領(lǐng)域的直接的自動(dòng)化技術(shù)方案而存在。雖然機(jī)床的自動(dòng)化技術(shù)并非是一個(gè)新的領(lǐng)域，但是在最近一屆的AMB展會(huì)上它還是成為了一顆耀眼的新星。Mazak、Schuler、Vollmer、Trumpf、Matsuura和DMGMORI等均是市場(chǎng)上的知名品牌，無一例外地加強(qiáng)了把自動(dòng)化技術(shù)集成到其各自產(chǎn)品里的力度。
對(duì)自動(dòng)化技術(shù)日益增長的需求源自何方?斯圖加特研究所機(jī)構(gòu)(IfW)的高級(jí)工程師ThomasStehle博士表示：“在自動(dòng)化技術(shù)背后存在著一種需要進(jìn)一步提高制造流程的效率和經(jīng)濟(jì)性的愿望或要求。同時(shí)也應(yīng)該看到這方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，例如可以達(dá)到更高的加工精度、縮短主要生產(chǎn)時(shí)間和生產(chǎn)輔助時(shí)間和提高設(shè)備安全性等。”
但是，用戶的這種要求也并非是在最近一屆AMB展會(huì)上才提出的。恰恰相反，因這種熱門展示幾乎令人產(chǎn)生某種疑惑，即這種對(duì)機(jī)床設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)越來越高的關(guān)注度似乎來得太遲了。
“數(shù)十年來，機(jī)床一直處于不斷改進(jìn)之中，生產(chǎn)效率也在持續(xù)提高。但在最近幾年里，生產(chǎn)率的提升受到了制約，這是因?yàn)橄嚆暯拥淖鳂I(yè)流程，例如裝卸和物流等，并沒有以相似的速度在增長。在整體生產(chǎn)率提升方面，機(jī)床設(shè)備的自動(dòng)化裝卸和工件輸送是一個(gè)必然的滯后環(huán)節(jié)。”弗勞恩霍夫制造工程與自動(dòng)化公司(IPA)的機(jī)器人與輔助系統(tǒng)部門的項(xiàng)目經(jīng)理UlrichSchneider這樣描述機(jī)床與其環(huán)境之間的發(fā)展差距。
產(chǎn)品越來越受到市場(chǎng)追捧，由此也可驗(yàn)證自動(dòng)化機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。kuka公司是一家機(jī)器人與設(shè)備及系統(tǒng)技術(shù)的供應(yīng)廠商。“多年以來，Kuka公司在機(jī)床自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的年增長率達(dá)到了50%，而我們這才算是剛剛開始。在許多制造環(huán)節(jié)中還隱藏著能夠提升生產(chǎn)率而未被利用的潛力。機(jī)床制造廠商把握住這種發(fā)展趨勢(shì)并與我們加強(qiáng)了合作，以便能夠向用戶提供全套技術(shù)方案。”Kuka公司機(jī)床自動(dòng)化市場(chǎng)經(jīng)理AndreasSchuhbauer說道。
MazakIntegrex型機(jī)床上的Kuka機(jī)器人
可以反映出這種技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的是，機(jī)床設(shè)備制造廠商Mazak公司在AMB展會(huì)上首次展出了與Kuka公司的合作成果。這項(xiàng)技術(shù)成果源于該公司的用戶對(duì)一種整體技術(shù)解決方案的要求，它在特性數(shù)據(jù)方面可以與MazakIntegrex-i系列機(jī)床產(chǎn)品達(dá)到極佳的匹配。自19世紀(jì)70年代以來，Mazak公司在生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)方面已經(jīng)擁有很強(qiáng)的實(shí)力并可提供成熟的自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品，例如針對(duì)加工中心的Palletech系統(tǒng)產(chǎn)品。在新的全自動(dòng)技術(shù)方案上，Kuka公司可以為MazakIntegrex-i系列設(shè)備提供硬件，在Mazak公司自己的設(shè)計(jì)部門里可以編制出生產(chǎn)程序和接口與流程程序。
“帶有機(jī)器人的Integrex技術(shù)方案的一個(gè)特點(diǎn)便是極佳的靈活性。Integrex系列設(shè)備以其對(duì)工件的全能加工能力展示出極大的靈活性并達(dá)到很高的質(zhì)量水平，即使是小批量生產(chǎn)，亦是如此，因此很適合于今天的制造要求。我們?cè)谶@方面看到了很明顯的增長潛力，并于2015年與在德國新成立的設(shè)計(jì)部門一起擴(kuò)展了我們的能力，來配合此類技術(shù)解決方案。”YamazakiMazak德國公司市場(chǎng)營銷經(jīng)理JohannesBurkart解釋說。通過Mazak機(jī)床設(shè)備與機(jī)器人的結(jié)合使用，可以生成一個(gè)完整的技術(shù)包，因?yàn)闄C(jī)器人不僅可以搬運(yùn)工件，同時(shí)也可以被擴(kuò)展到對(duì)刀具的搬運(yùn)上。
集成在MazakIntegrex設(shè)備上的Kuka機(jī)器人不僅可承接工件傳送任務(wù)，同時(shí)也可擴(kuò)展到對(duì)刀具搬運(yùn)的功能
此外，在機(jī)器人工作站里還可以安裝各種各樣的特殊功能，例如安裝一個(gè)光學(xué)或激光系統(tǒng)或一個(gè)去毛刺的加工站。
自動(dòng)化技術(shù)也往往會(huì)牽涉到一個(gè)成本的問題。“當(dāng)然，機(jī)器人工作站的投資成本對(duì)于機(jī)床來說可能會(huì)翻倍，因此許多最終用戶在過去往往會(huì)不愿意在自動(dòng)化技術(shù)上進(jìn)行投入。但是，市場(chǎng)上存在著對(duì)供貨期更短和加工批量更小等方面的要求，加上企業(yè)員工工資與物流成本的日益增長，這使得越來越多的用戶相信在自動(dòng)化技術(shù)上投入的必要性。由于機(jī)床的利用率得到了提高，因此在自動(dòng)化技術(shù)上的投資常常可在不到兩年的時(shí)間里得到回收。”Schuhbauer為尚未作出決定的企業(yè)做說服工作。他表示：“當(dāng)所加工的部件品種繁多時(shí)，使用機(jī)器人就是劃算的。這是因?yàn)闄C(jī)器人可以有效利用生產(chǎn)輔助時(shí)間并可實(shí)施鏜孔、梳刷和去毛刺等項(xiàng)工作，以實(shí)現(xiàn)比手工作業(yè)更高的質(zhì)量。同時(shí)，機(jī)器人還可以協(xié)助機(jī)床工作，這樣可以提高機(jī)床的產(chǎn)量，并由此縮短設(shè)備的投資回收期，有時(shí)可以縮短至一年以內(nèi)。”Kuka公司則屬于少數(shù)幾家既可以從機(jī)器人的專有技術(shù)，也可以從系統(tǒng)與設(shè)備專有技術(shù)中獲利的企業(yè)之一。企業(yè)內(nèi)部各部門的緊密合作闡明了機(jī)床自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)例子，即KukaSystems部門的Flexfellow型機(jī)床和KukaRobotics部門的LBRiiwa型機(jī)器人對(duì)KukaIndustries部門的摩擦焊接設(shè)備進(jìn)行裝料和卸料。
在Merz機(jī)床制造廠里，一臺(tái)KukaKR-Fortec型機(jī)器人可以連接四臺(tái)加工中心
如同所有的技術(shù)整合一樣，自動(dòng)化機(jī)床也提出了有關(guān)合適的接口和界面方面的問題。“機(jī)床自動(dòng)化的最大障礙在于與現(xiàn)有設(shè)備的相互對(duì)接。在現(xiàn)有的機(jī)床上加裝自動(dòng)化技術(shù)裝備往往會(huì)因缺少軟件界面和因特殊匹配造價(jià)高等問題而遭受失敗。特別是在板材加工方面，機(jī)床的使用壽命很長，而與之匹配的采用現(xiàn)有技術(shù)工藝的其他輔助設(shè)備則相反。接口問題往往成為設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)的一種障礙。在數(shù)據(jù)流和材料流方面均缺少可以使自動(dòng)化技術(shù)方案在無需特別匹配情況下即可實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。”IPA公司的Schneider明確地說道。
把機(jī)器人與機(jī)床相連接的做法在日本的fanuc公司那里的應(yīng)用似乎更接近于成功，因?yàn)樗呀?jīng)設(shè)立了相應(yīng)成熟的且標(biāo)準(zhǔn)化了的連接界面。因此，這家CNC系統(tǒng)、機(jī)器人和生產(chǎn)設(shè)備的制造廠商卓有成效地成為了工廠整體自動(dòng)化技術(shù)方面的合作伙伴。
通過簡單的IO連接，F(xiàn)anuc-CNC設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)與Fanuc機(jī)器人相對(duì)接。對(duì)此，只要采用安全的插頭連接方式，其他設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。通過機(jī)床與機(jī)器人的此類關(guān)聯(lián)方式，可以在CNC機(jī)床的操作界面上直接查看機(jī)器人的工作狀態(tài)，或者相反：因?yàn)橛辛诉@種“簡單連接”的功能，可以通過機(jī)器人控制系統(tǒng)上的i-Pendant手動(dòng)操控儀來查詢CNC機(jī)床數(shù)據(jù)。通過IO鏈接方式實(shí)現(xiàn)I/O信號(hào)交換，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，由此即可實(shí)現(xiàn)簡單的設(shè)備組合和有意義的設(shè)備對(duì)接，例如機(jī)器人與機(jī)床的對(duì)接。
最近，F(xiàn)anuc公司機(jī)器人擁有了一個(gè)FL-Net接口和一個(gè)以太網(wǎng)接口，由此可以毫無問題地實(shí)現(xiàn)與上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接。這對(duì)于較大型的機(jī)床來說很有意義，因?yàn)閷?huì)有多臺(tái)CNC機(jī)床與機(jī)器人相互通信。
一旦Fanuc-CNC與Fanuc機(jī)器人相連接，即可在CNC控制系統(tǒng)的操作界面上查詢機(jī)器人的工作狀態(tài)，反之亦可，因?yàn)镋asyconnection功能也允許通過機(jī)器人控制系統(tǒng)來對(duì)CNC數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。
為了進(jìn)一步簡化對(duì)機(jī)床和機(jī)器人系統(tǒng)的操作，F(xiàn)anuc公司開發(fā)出了RobotConnection(機(jī)器人連接)功能。一旦機(jī)器人被設(shè)立到整個(gè)系統(tǒng)里去的話，機(jī)床操作人員即可利用這個(gè)功能在CNC控制系統(tǒng)里調(diào)出一個(gè)能夠向他提供有關(guān)機(jī)器人狀態(tài)的所有重要信息(如維護(hù)任務(wù)或警報(bào)信息)的菜單來。他還可以選擇程序，并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，而無須通過單獨(dú)的控制系統(tǒng)去操作機(jī)器人。
在機(jī)床自動(dòng)化技術(shù)方面，除了接口匹配問題之外，被納入到連接范圍之內(nèi)的所有零部件之間的最佳協(xié)調(diào)也是非常重要的。自20世紀(jì)80年代以來，機(jī)床制造廠商Vollmer公司就已經(jīng)在從事自動(dòng)化設(shè)備之間相互協(xié)調(diào)的工作。
大約20年以來，ND系列機(jī)器人系統(tǒng)就已經(jīng)投入使用。通過此類裝料系統(tǒng)，用戶不僅可以提高生產(chǎn)率，同時(shí)還可以對(duì)諸如專業(yè)人員短缺等問題作出反應(yīng)。Vollmer公司以其Vgrind360型設(shè)備在上屆AMB展會(huì)上展出了針對(duì)自動(dòng)化機(jī)床的新的技術(shù)解決方案。“Vollmer公司的技術(shù)開發(fā)同我們與用戶的溝通和對(duì)話緊密相連。Vgrind360型設(shè)備自動(dòng)化的思路就是來源于這類對(duì)話。然后我們把對(duì)話的結(jié)果與我們的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來。現(xiàn)在有了Vgrind360型設(shè)備，刀具制造廠商即可對(duì)日益增長的硬金屬刀具的需求作出反應(yīng)并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，可達(dá)到很高的生產(chǎn)產(chǎn)量。”Vollmer公司總經(jīng)理StefanBrand博士說道。針對(duì)刀具加工上的操作簡便化、運(yùn)刀路徑精確化和位置閉鎖穩(wěn)定化的問題，該公司可以將其在線切割設(shè)備上的工作經(jīng)驗(yàn)納入到自動(dòng)化技術(shù)里來。在線切割設(shè)備上，各部分之間的相互協(xié)調(diào)需要達(dá)到微米級(jí)的精度。這種技術(shù)工藝可直接被整合到Vgrind360型機(jī)床設(shè)備的研發(fā)上來。
減輕專業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)
Schuler在AMB展會(huì)上也介紹了其在自動(dòng)化領(lǐng)域里的多年工作經(jīng)驗(yàn)。作為LoadMaster裝料系統(tǒng)的一個(gè)擴(kuò)展，該企業(yè)推出了LoadMasterAssist機(jī)器人裝置。“自動(dòng)化程度越高，則生產(chǎn)效率也就越高，尤其是對(duì)于那些采用LoadMaster裝料系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)鏈接的機(jī)床設(shè)備來說，更為如此。LoadMasterAssist機(jī)器人操作間作為托盤與貨物載體的裝料系統(tǒng)的一個(gè)功能擴(kuò)展，承接了以往設(shè)備操作人員所承擔(dān)的任務(wù)。”Schuler公司產(chǎn)品經(jīng)理AlexanderHergl說道。由此可以減輕專業(yè)人員的工作負(fù)荷，使之可以處理其他任務(wù)。
Trumpf公司也意識(shí)到機(jī)床設(shè)備自動(dòng)化是引領(lǐng)未來的一個(gè)話題，并委托IPA公司通過合作的方式對(duì)相關(guān)技術(shù)和方案進(jìn)行開發(fā)。“開發(fā)的目標(biāo)便是機(jī)床設(shè)備在信息流和物料流方面的全自動(dòng)連接。為了能夠在板材加工中對(duì)繁雜而多樣的生產(chǎn)環(huán)境提供有效的技術(shù)解決方案，Trumpf公司和IPA公司也對(duì)部分自動(dòng)化的過渡性技術(shù)方案進(jìn)行了探索，即操作人員在其工作中可以通過信息連接而獲得支持，現(xiàn)有的生產(chǎn)流程在無需昂貴的自動(dòng)化技術(shù)的情況下也能得到改善。”IPA公司的Schneider如是說。兩家公司的合作期限為五年。除了直接合作的方式之外，對(duì)公共資助的研究項(xiàng)目框架內(nèi)的協(xié)作也進(jìn)行了探討。IfW公司也在積極探索自動(dòng)化機(jī)床領(lǐng)域的課題，既有基礎(chǔ)性的方面，也有與工業(yè)口合作伙伴直接合作的方面，例如機(jī)床制造企業(yè)和機(jī)器人制造企業(yè)、搬運(yùn)裝置供應(yīng)商和設(shè)備使用單位等。如果說從最初看來還缺少合適的連接界面和需要較高的投資成本這些因素成為了最大的障礙的話，在Kuka公司Schuhbauer看來，其實(shí)還存在著其他一些障礙。最大的挑戰(zhàn)在于各個(gè)項(xiàng)目合作伙伴之間的工作協(xié)調(diào)。在項(xiàng)目初期往往還不太清楚必須要做哪些工作，而當(dāng)項(xiàng)目行將結(jié)束時(shí)卻不再有很多時(shí)間來完成設(shè)備配備和測(cè)試了。
通過技術(shù)優(yōu)勢(shì)來說服用戶
為了減輕項(xiàng)目合作單位的工作強(qiáng)度，Kuka公司參與了VDW工作組的通用接口規(guī)范化工作。Kuka公司自己的技術(shù)包(如ready2grip)應(yīng)該也可以為用戶贏得更多時(shí)間，即在Kuka公司那里的集成商可以直接訂購帶有抓爪的機(jī)器人，而機(jī)器人設(shè)備運(yùn)抵使用現(xiàn)場(chǎng)之后便可直接投入使用。鑒于自動(dòng)化技術(shù)的復(fù)雜性而向用戶提供的這種前瞻性的支持可以成為用戶決定選用自動(dòng)化機(jī)床的極具說服力的理由。
“從障礙角度上看，我認(rèn)為目前的緊迫性工作更應(yīng)該放在設(shè)備與機(jī)器人制造廠商這邊，因?yàn)樗麄円?尤其是中小產(chǎn)量的)用戶們信服擁有適當(dāng)自動(dòng)化程度的自動(dòng)化機(jī)床的諸多好處。”IfW公司Stehle這樣總結(jié)說。同樣具有說服力的還有這樣一個(gè)事實(shí)，即擁有自動(dòng)化機(jī)床設(shè)備的用戶更接近于同樣具有決定未來意義的工業(yè)4.0的表征。“自動(dòng)化技術(shù)方案不僅僅是要更快、更靈活和更具經(jīng)濟(jì)性地集成到機(jī)床設(shè)備上，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化。在這里，我們可以看出從工業(yè)4.0角度積極參與到生產(chǎn)規(guī)劃中去的機(jī)床設(shè)備所具有的潛力。由于具備很多認(rèn)知系統(tǒng)，因此一臺(tái)‘一起思考’的機(jī)器人可以擴(kuò)大機(jī)床設(shè)備的視野，但這還仍然只是未來的一個(gè)夢(mèng)想。”Vollmer公司的Brand總結(jié)說道。
