【全球播资讯】自动化革命: 从机械手到加工单元，从单独的设备到集成的系统

发布日期： 2022-11-27 15:44:50 来源：弗戈工业在线

在当今全球经济中，塑料成型商们正在不断地承受着降价和利润空间压缩所带来的压力，因此，对他们而言，找到能够提高效率和生产力的最佳途径至关重要！然而，这对于那些使用过时机器和设备的成型商们而言却是困难的。值得肯定的是，将机械手和自动化添加到他们的生产之中是一种立竿见影的获益方法。当成型商们跨越到采用“完全集成自动化的工业4.0加工单元”时，甚至能节省更多的成本。

(资料图片仅供参考)

这张金字塔形的降本图表明，技术投入越大，降本潜能和投资回报就越大（图片来自Wittmann USA）

从早期对机械手自动化技术的应用，到今天获得一个完全集成的工业4.0生产单元——通过回顾注射成型自动化的演变过程，本文将分析以下6个阶段的自动化技术在节约成本方面所发挥的作用：

1．斜臂式机械手；

2. 混合机械手；

3. 伺服机械手；

4. 先进的伺服机械手+自动化；

5. 完全集成的工业4.0加工单元；

6. 完全集成的“All-OEM”工业4.0加工单元。

除了展示上述6个层次的自动化在节约成本方面实际发挥的作用外，本文还将探讨有助于成型商在21世纪的竞争中继续取得成功的新技术。

斜臂式机械手：一切由此开始

让我们从头开始。利用注射成型自动化来节约成本的想法已存在了几十年。今天，机械手以这样或那样的形式几乎出现在了所有的成型车间。30多年前，在应用这项技术的早期阶段，简单的气动斜臂式机械手就被固定在成型机的顶部，用来去除浇口，而成型好的塑料部件则自由掉落到模具区的下方，被收集到储物箱中，或者通过输送带被送走。

大约在30多年前，简单的气动斜臂式机械手开辟了注射成型自动化的发展趋势（图片来自Wittmann USA）

通常，机械手的供应商们必须从节约成本的角度来向注射成型商们证明斜臂式机械手的价值，即使这些设备简单且相对便宜。采购斜臂式机械手的基本理由是，它能够减轻操作人员的工作负担，无需处理“从成型部件上分离浇口和流道”的工作。有了斜臂式机械手，操作人员就能将注意力集中到成型的部件上。按照今天的标准，虽然直接减少的工作量不多，但这却是真实存在的，在为成型商节约成本方面，这只是机械手和自动化发挥重要作用的起步阶段。

总之，简单的斜臂式机械手在节约成本方面发挥的作用包括：

1. 能直接降低1/4的人工成本：操作人员的人工成本每年可节省大约5000～15000美元；

2. 无需操作人员将浇口从部件上分离下来；

3. 从部件到浇口，无污染接触；

4. 保护模具免受卡住的流道和模具销导致的受损。

混合机械手：一大进步

大约在斜臂式机械手大量涌入注射成型市场的同时，更先进的顶入式线性气动和简单的电动/气动混合机械手也开始进入注射成型市场，参与整个注射成型过程的“拾起-放置”脱模操作。这些机械手不只限于去除浇口和流道，还能做更多的事情。

下一个进步是出现于20世纪80年代末、90年代初的电动/气动混合机械手，这种机械手不只限于去除浇口和流道，还能做更多的事情（图片来自Wittmann USA）

采用顶入式混合机械手的成本合理性在于，它能够轻柔、干净地将塑料部件从模具中取出，避免了部件通过模具顶出而在自由下落过程中可能遭受的污染和磕碰。按照今天的标准，这些早期的机械手相对较慢，而且用户的可编程性不强，但它们却减少了部件的损坏和废品率，从而提高了质量和产出，最终为成型商节约了成本。

有了这些顶入式机械手，操作人员不再需要在每一个成型周期都打开机门，然后用手取出部件。这种打开机门人工脱模的方式会延长循环时间，从而降低收益率。更糟糕的是，开门过程还会导致循环时间不一致，这对成型过程是不利的。顶入式机械手能缩短并调节循环时间，因而受到了成型商们的欢迎。

这些新的顶入式混合机械手可以拾起部件并将其放到工作台上或出口处的输送带上，同时将浇口扔进垃圾箱或直接放入粉碎机中进行回收利用，粉碎后的浇口料按比例被加入料筒中，用于向成型机供料。在此过程中，塑料部件通过输送带被送给操作人员进行检测，然后包装并放入箱中准备发运。通过验证部件和流道是否已从模具中取出，还能降低模具受损的风险。总之，这是一大技术进步，带来了更大的降本潜力。

顶入式混合机械手的价格是斜臂式机械手的数倍，平均需要1～2年才能收回购买成本，但大多数成型商表示，这一投资回报率（ROI）令他们非常满意。按今天的标准来看，这些简单的机械手比较原始，且比斜臂式机械手更贵，然而，它们的确带来了更多的节省。就像任何其他的投资一样，只有当投资本身在经济上是合理的时间内没有带来回报时才显得昂贵。在进行商业决策时，只要能使成型商提高竞争力，这样的成本支出就是合理的、可接受的。

对顶入式混合机械手在节约成本方面的算法与斜臂式机械手的基本相同，此外，它还确保了更多的部件免受损坏，因为它能够轻柔地拾起部件，然后将部件放到出口处的输送带上，从而避免了部件自由落下可能导致的损坏或被污垢和油脂玷污的风险。虽然节省的成本随材料成本、机器吨位和终端用户的要求而有所不同，但这种混合机械手却在质量控制方面展示了其优势，从而在那个时代证明了其价值，因而被大量购买、用于整个行业的加工之中。

总之，顶入式混合机械手在节约成本方面发挥的作用包括：

1. 能直接降低1/2的人工成本：操作人员的人工成本平均每年可节省大约25000～50000美元；

2. 去除浇口时不会损坏部件;

3. 无需从部件上分拣浇口；

4. 不会损坏模具；

5. 将部件摆放到输送带上，确保了部件干净、不受损；

6. 缩短了循环时间，无需人工打开机门。

伺服机械手：更高的性能，更大的节约

随着时间的推移，机器看护机械手也在不断进步，从而带来了更大的成本节约。20世纪80年代后期及90年代初期是注射成型自动化在全球形成永久性大规模应用趋势的初级阶段，年复一年，机械手变得越来越先进，证明了它们可以为成型商作更多的工作。随着机械手技术的不断进步，成本节约的潜力也在不断提高。

20世纪90年代中期出现了全伺服数控线性机械手，这种机械手要比任何简单的气动或混合电动机械手先进得多，除拾起和放置操作外，它还能做更多的事情，而且更加精准、更加快速，当然，购买价格也是混合机械手的两倍或三倍，这对于成型商而言，意味着需要仔细考虑投资回报率。因此，在这项技术出现的早期阶段，让成型商们购买并非是易事，价格常常让他们望而却步。

20世纪90年代中期，全伺服的三至五轴笛卡尔机械手为注射成型自动化设立了新的增值基准（图片来自Wittmann USA）

这种线性机械手或笛卡尔伺服机械手的平均价格范围是：适用于小型注射机的机械手价格是25000美元/台，适用于大型注射机的机械手价格是10万美元/台，因此，需要认真考虑投资回报率。而事实上，对投资回报率的计算却起了作用，在成型商们看来，这是一个明智的投资。伺服机械手为工作台带来的部件分类、装箱、检测、称重、计数、贴标和嵌入等增值能力，远远超出了任何斜臂式机械手或混合机械手的能力。此外，它们还拥有更多的伺服轴(3个以上的轴和5个轴是常见的)和更大的运动控制能力，能适应更繁琐的增值操作，速度更快，且完全可由用户订制编程。随着时间的推移，成型商们体验到了其带来的价值，并学会了利用伺服机械手的能力来规划他们的生产，而不只是在购买成型机后再事后补救。

更先进的伺服机械手在节约成本方面的价值涵盖了混合机械手和斜臂式机械手所能提供的所有价值，此外还包括在缩短循环时间、增加机器产出以及在机器上作更多增值操作方面的贡献。只需一年左右的时间，这些能力更强的机械手所带来的成本节约就足以支付其购买成本。早期使用这种伺服机械手的成型商们占据了市场先机，成为市场的领先者。随后，数以千计的伺服机械手不断地被购买、用于操作注射成型的部件。现在，这类机械手在行业中已无处不在，成为成型商们参与竞争必不可少的利器。

总之，伺服线性机械手在节约成本方面发挥的作用包括：

1. 直接人工成本：1～2个操作人员的人工成本平均每年可节省大约5万～12.5万美元；

2. 除拥有混合机械手的所有优势外，还具有以下优势：减少了操作人员的重复动作所导致的健康保险索赔风险；成型周期更快，产出更大；去除浇口、分拣、检测、装箱、贴标、嵌件装入和组装等增值操作节约了更多的成本。

市场全球化进一步推动了降本需求

毫无疑问，注射成型商们体验到了由斜臂式机械手、混合机械手和更强大的全伺服机械手带来的好处和降本优势。然而，随着不断进步的机械手技术使成型商们获得了更大的成本收益，塑料成型市场也在不断走向全球化，国际竞争日趋激烈。

今天，在市场全球化、竞争日趋激烈的背景下，无论是发达国家还是发展中国家，都在利用机械手和自动化来降低成本、提升质量、增加产出以及优化生产。

订制自动化带来更多的成本节省

为进一步降低成本以便在全球市场中更具竞争优势，大约从2000年开始，成型商们不得不考虑使用“机械手+自动化”，订制的机边自动化自然成为在现代全伺服机械手基础上延伸出来的一个增值方案。正如我们所介绍的，机械手已经进化到具有更强的能力，从而带来了更大的降本效益。虽然如此，随着时间的推移，许多机械手供应商的内部集成能力和订制工程能力也在不断提高，从而能够为成型商提供订制的自动化增值解决方案，以最大程度地降低加工单元的直接人工成本，优化机器的运行成本，最终实现成本节约最大化。这些能力更强的机械手及自动化供应商还能帮助成型商节省向第三方集成商订制产品所需的成本。对于成型商们而言，参与项目的供应商越少，成本支出就越少，项目管理也更简单和高效——这，就是一家好的增值机械手供应商所能够做到的。

大约从2000年开始，全球竞争将“机械手+自动化”的加工单元推向了注射成型市场（图片来自Wittmann USA）

低成本的小型机械手供应商通常只能提供简单的拾取-放置类型的解决方案而不能订制自动化，因而无法赋予成型商全球竞争力。对于成型商们而言，如果想要节省购买机械手的前期成本，就不得不去寻找第三方集成商，或者不得不使用人力来完成本可以由机械手在机边完成的二次操作，最终，就会花费更多的成本而不利于市场竞争。

从专业的角度，成型商们应在完成一个新项目的模具设计前，依靠一家有能力的机械手供应商来为其规划新项目，因为订制的“机械手+自动化”不应在购买好成型机和（或）模具后才想到。然而，成型商们通常的做法是，在设计好模具、购买好机器后才联系机械手和自动化供应商，让他们对其成型机或工艺实施自动化，这时，要想最大程度地降低加工单元的成本为时已晚。比如，在制造模具前，应按照机械手供应商的建议，针对模后部件的操作（如分拣、修边、检测和包装等）所需的订制自动化来对模具型腔的布局进行精心设计，这样才能显著降低成本。

降本顶峰

今天，当你参观成型工厂时，看到的许多加工单元通常是由彼此不同步、不互联的混合品牌的设备混杂而成的：它们采用不同的软件，拥有不同的用户界面、设置程序和学习曲线；它们不像工业4.0配置那样能集中连接到成型机控制器的显示屏上进行统一的设置、查看和控制。

因此，加工单元的管理人员必须照看好每一台设备，如干燥机、混料机、TCU、机械手、上料机和粉碎机等，而且，每当更换模具和工艺时都要对它们进行调整以确保满足加工单元的加工需求，这种操作费事而又多余，自然会浪费时间。值得注意的是，用多品牌的设备来构成一个非工业4.0的加工单元，虽然每一个单独的设备和品牌可能都是耳熟能详的，技术品质也都不错，但是，在将它们作为一个整体来考察时，往往不是设计和管理一个加工单元的最佳方法。

工业4.0能够将加工单元中的各种设备与作为中央控制枢纽的成型机连接起来，而“All-OEM”工业4.0则是采用同样的品牌、同样的软件以及便于各种设备与成型机互联的同样的接口，确保了更加卓越的设备控制和数据管理，令“All-OEM”工业4.0加工单元的优势在工业4.0加工单元的基础上有了更大的提升。如果能够锁定一家供应商进行一站式采购，还使得购买更加简单。

工业4.0使得智能加工单元中的互联设备都能被集成到注射机的控制器上进行统一设置和监控。由单独一家供应商提供的“All-OEM”工业4.0加工单元，使得对注射机和其他周边设备的集成变得更加方便、更加全面（图片来自Wittmann USA）

这种整体方案为市场带来了全新而又独特的工业4.0水平，而且已经可以买到。现在，“All-OEM”工业4.0实现了真正的“即插即用”。

在采购设备时，人们总是习惯于检查、比较不同供应商的设备特点，但实际上，应将项目管理、风险和执行作为一个整体来考虑，而不应过多地考虑加工单元中的单个设备——一个执行良好的项目要比一些独立的品牌特征更重要。

未来节约成本的理念是实现智能化的成型生产以及规划工业4.0或“All-OEM”工业4.0的加工单元，因此，项目经理应该将加工单元看作是一个协同的“管弦乐队”来统筹考虑其中的各台设备。虽然每台设备都有各自的重要作用，但工作必须“协调一致”。就好比一个运动队，最成功的运动队往往是那些在协同工作中做得最出色的运动队，而不仅仅是一群有才华的个体。他们的成功取决于团队的表现, 生产加工单元也应如此。

加工单元要具有良好的生产表现，就必须更同步、更互联（采用同样的协议）且集成得更好。因此，成型商们应改变“按照模具、成型机、机械手、自动化和周边辅助设备的顺序，从一系列的品牌中选择自己最喜欢的品牌来依次购买”的方式，相反，为了获得一个协调更好、“团队管理”更好的项目，他们应该考虑以更加并行的方式来指定设备，这将使“即插即用”达到新的项目管理水平，从而为注射成型加工单元设立新的基准。

将数据集中储存到工业4.0加工单元的成型机中，就能快速、简单地对这些“志同道合”的设备进行配方设置。通过互联网连接，加工单元的管理人员还能随时随地对机器和加工故障作出快速响应，以及直接获得供应商的支持。值得注意的是，“All-OEM”设备不只是简单地“镜像”加工单元中各种设备的用户界面，实际上它们还共享相连软件，从而更好地实现设备间的通信和中央的精确控制。工艺工程师们会认识到，对设备的实际控制要比简单地在机器用户界面上查看或更改数据更有好处。在对一台设备或一个加工单元进行配置或调试时，所有的设备都会立即从初始的插入和设置开始相互照应并作出反应，以优化调整加工单元，提高从停机事故中恢复过来的速度和精度。如果要求加工单元拥有更长的正常运行时间，就需要更快地从停机事故中恢复过来，这，正是工业4.0和“All-OEM”工业4.0展示其价值和降本优势的用武之地。

总之，“All-OEM”工业4.0在节约成本方面发挥的作用包括：

1. 采用与OEM品牌相匹配的接口将加工单元中的有所设备都集成到成型机的控制中枢中；

2. 能够更快速、自适应、可重复以及更方便地设置加工单元，确保更好地实施加工管理；

3. 利用匹配的OEM软件监控加工单元中的多台设备的运行状况，而不仅限于在机器屏幕上的“镜像”；

4. 机械手紧随模具运行，缩短了循环时间，提高了加工单元的产量；

5. 无需第三方集成商，围绕成型机订制的自动化实现了增值；

6. 访问可输出的数据，可以更好地进行质量控制和追溯，包括使用ERP和MES工具；

7. 预防性维护和状态监控确保了更好地管理正常运行时间以及从停机事故中恢复过来；

8. 安全的在线支持可随时、随地排除成型机及加工单元中所有OEM 匹配设备的故障。

这一切是否花费更高？

当然，成型商可以购买一台“低成本”的通用成型机，然后再购买所有其他必要的设备，但通常，这种一开始就从“节省初期投资费用”中尝到的甜头，可能因失去机会成本而付出代价。价格与成本是不同的，现在错失的机会成本可能就是未来将要失去的降本机遇。

工业4.0以及特殊的“All-OEM”工业4.0所集成的设备和技术可以防止错过降本机遇，而源自一家供应商的一站式采购不仅具有价格优势，还提供了匹配的控制DNA，在本质上更便于项目管理。