工業(yè)自動化改造探究

目前在我國機(jī)械行業(yè)整體水平不高的態(tài)勢下，自動化改造只能是基于現(xiàn)狀進(jìn)行優(yōu)化，最大化的努力，將我們現(xiàn)有的設(shè)備資源加深利用，為企業(yè)謀取最大利益。本文是作者將親身經(jīng)歷的兩次成功自動化改造案例中的一些經(jīng)驗和失誤都做一剖析分享，希望能為今后需要改造的企業(yè)提供一些借鑒。

自動化在改造前后需要幾點(diǎn)支持，首先是設(shè)備資源和人力資源的這兩大核心資產(chǎn)的支持，其次就是建立工藝數(shù)字化，及時高效優(yōu)化，再加上信息化的支撐，通過整體的信息規(guī)劃布局，建立多種信息溝通渠道，達(dá)到制造過程的協(xié)同統(tǒng)一。自動化整線運(yùn)行如圖1所示。

1. 設(shè)備的選型

在自動化改造開啟之前，設(shè)備的選型有三點(diǎn)要求：

（1）通過對產(chǎn)品進(jìn)行評估，從現(xiàn)有設(shè)備資源中找出能夠滿足我們加工的產(chǎn)品需求及產(chǎn)品工藝要求的設(shè)備。比如，車床類就需要看兩軸的有效行程范圍能否滿足加工產(chǎn)品尺寸要求，主軸轉(zhuǎn)矩與切削半徑能否滿足切削力矩要求，刀臺工位數(shù)是否與加工零件工藝相匹配。

（2）設(shè)備是否具有自動化改造的先天條件，包括設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)的開放程度，能否進(jìn)行控制方面的改造。

（3）選型設(shè)備的統(tǒng)一性，自動化設(shè)備選型的重要特征就是能夠最大限度的統(tǒng)一設(shè)備類型，設(shè)備種類繁多容易引起備件的種類繁多復(fù)雜，儲備備件不易，不利于在設(shè)備故障后快速恢復(fù)，也不利于企業(yè)資金占用成本控制。

2. 精度、可靠性的檢查及恢復(fù)

自動化最重要的一個環(huán)節(jié)就是設(shè)備精度的穩(wěn)定可靠性。穩(wěn)定可靠的設(shè)備狀態(tài)是指連續(xù)加工過程中能夠確保加工產(chǎn)品的一致性，確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好平穩(wěn)，不出或少出故障，出現(xiàn)故障能夠及時高效恢復(fù)并投入到生產(chǎn)中去。

圖1 自動化整線運(yùn)行

穩(wěn)定的設(shè)備狀態(tài)是加工的前提，設(shè)備一旦進(jìn)入自動化生產(chǎn)線，以后再要進(jìn)行精度方面大的維修很麻煩，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)拍。因此，對設(shè)備選型有幾個重點(diǎn)工作需要做，逐臺針對設(shè)備進(jìn)行各方面精度檢查。比如車床類，各軸的幾何精度包括定位精度、重復(fù)定位精度、平面度垂直度、主軸的回轉(zhuǎn)精度，還有包括刀架回轉(zhuǎn)定位的精度以及可靠性；再比如立加臥加類，除了各直線軸的精度檢查，還有回轉(zhuǎn)軸的精度檢查，交換臺、機(jī)械手及刀庫的動作可靠性檢查，及其各功能的恢復(fù)。機(jī)床工裝的確認(rèn)，自動化生產(chǎn)線工裝不同于單機(jī)運(yùn)行的工裝，必須滿足自動裝夾工件功能。機(jī)床輔件功能的檢查及恢復(fù)，冷卻、排屑系統(tǒng)檢查，確保輔件功能的完好性。

3. 設(shè)備控制改造

設(shè)備控制改造是自動化改造項目實(shí)施過程中最重要最復(fù)雜而且關(guān)鍵的一環(huán)，直接影響到自動化整線功能的成功實(shí)現(xiàn)，能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計節(jié)拍效率的要求。設(shè)備控制改造初期，針對已選設(shè)備整理思路，根據(jù)工藝流程控制方案及自動控制原理，結(jié)合總控特點(diǎn)梳理出需要改造的項目。大致有以下幾點(diǎn)：①自動化工裝控制信號，包括工裝檢測裝置、增加工件氣密檢測到位信號。②自動門控制及反饋信號。③切屑清理裝置控制。④機(jī)床與總控柜聯(lián)機(jī)信號等。

根據(jù)梳理出來的控制動作以及各種反饋信號統(tǒng)一整理，再根據(jù)所選型設(shè)備特點(diǎn)，編制邏輯控制梯形圖，編制M代碼。這個過程需要預(yù)先和工藝、設(shè)備、自動化廠家相關(guān)人員相互協(xié)調(diào)聯(lián)系，要本著整體布局的思路，相互協(xié)調(diào)解決問題的方式，實(shí)現(xiàn)自動控制的整體運(yùn)行。還需要學(xué)習(xí)新的知識，攻克在邏輯控制程序編制經(jīng)驗方面的不足，尋求各種資源，查閱相關(guān)資料，虛心請教機(jī)床及系統(tǒng)售后廠家技術(shù)人員，共同探討面臨的各種問題。自動化線實(shí)時運(yùn)行如圖2所示。

筆者通過兩次自動化改造，在改造過程中遇到的問題主要有：

（1）整線開機(jī)運(yùn)行加工時的首件工件有料無料的檢測判斷問題。針對這一問題，首先通過機(jī)床工裝預(yù)夾緊動作檢測及其工件氣密檢測信號聯(lián)合起來準(zhǔn)確判斷，然后編制宏程序指令控制程序，完整可靠實(shí)現(xiàn)機(jī)床首件工件自動判斷有無料，最后在加工程序前插入宏程序，默認(rèn)后續(xù)有料運(yùn)行，來節(jié)省機(jī)床判斷頻率，減少判斷失誤，實(shí)現(xiàn)高效可靠加工。

（2）機(jī)床呼叫機(jī)器人上料換料后，工件放置可靠性問題。通過機(jī)器人與機(jī)床位置的精確對點(diǎn)保證位置可靠唯一性，依靠定位銷二次確認(rèn)準(zhǔn)確位置。

（3）機(jī)床切屑的問題。在自動化加工過程中，除了機(jī)床自身精度外，遺留切屑是影響加工精度的重要問題。切屑的來源主要有兩個方面，即加工過程中產(chǎn)生和隨著工件由上道工序帶到下道工序的切削。根據(jù)這個思路，我們首先對上道工序加工完后再加裝清理切屑裝置工序，保證切屑不在兩道工序間傳遞。針對加工過程中產(chǎn)生的切屑，通過改制原有工裝減少切屑停留，再增加專門的沖屑裝置，快速徹底清理。工件內(nèi)部也能會有一些死角的切屑無法清理，在換料過程正掉落到工裝的裝夾定位面上，通過在裝夾定位面上增加吹氣孔，清理定位面切屑。

（4）設(shè)備備件的儲備。針對已選型設(shè)備，總結(jié)平時維修經(jīng)驗，整理常用易損件明細(xì)，做好合理數(shù)量的儲備，對于不經(jīng)常損壞的大備件，也要做一定數(shù)量的儲備，要防止一旦設(shè)備出現(xiàn)狀況后能夠在很短時間內(nèi)不因為設(shè)備備件停機(jī)造成的損失。

總之，在自動化過程中會遇到種種問題，我們需要做的就是針對發(fā)現(xiàn)的問題，分析根本原因，研究解決實(shí)施方案。

圖2 自動化線運(yùn)行

4. 工藝流程的確立及方案實(shí)施

工藝流程是在自動化方案確立初期就應(yīng)該設(shè)計好的，因為整個自動化方案的實(shí)施過程就是建立在工藝流程基礎(chǔ)之上的，工藝流程方案就是整個自動化方案的預(yù)先邏輯推演，確定好了工藝流程就是確定了自動化的整線框架，這也涉及到方方面面的問題。首先就是根據(jù)自動化線體設(shè)備情況選用什么樣的走線方式，包括機(jī)器人的選型方式，是桁架式還是地軌式，這是自動化初期必須確立的方案；其次就是機(jī)床的擺放形式及擺放位置，比如直線式還是環(huán)繞式，或者小單元型，這直接關(guān)系到自動化線整體布局問題；再就是加工工藝工序方案的確立，加工工藝方案的確立涉及到許多因素，比如單工序加工能力的測試，總工序節(jié)拍合理規(guī)劃，各個設(shè)備呼叫機(jī)器人上下料的時間分配等，其中還涉及到刀具刀片選型等諸多因素，當(dāng)然還有毛坯料尺寸穩(wěn)定性也是自動化線平穩(wěn)運(yùn)行的因素之一。

生產(chǎn)過程中加工零件的尺寸控制是保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠的根源，產(chǎn)品質(zhì)量一致性問題是困擾我們生產(chǎn)的重要因素，我們采用在重要加工環(huán)節(jié)加入在線測量裝置，將一些重要尺寸納入監(jiān)測范圍內(nèi)，并將在線測量裝置與每臺設(shè)備相連接，保證加工尺寸能夠?qū)崟r反饋，進(jìn)行刀補(bǔ)，得以實(shí)時矯正（見圖3）。

5. 設(shè)備、產(chǎn)品等多種信息數(shù)據(jù)的采集，建立整體信息化支撐

設(shè)備、產(chǎn)品信息化是實(shí)現(xiàn)自動化整線生產(chǎn)的有力保障，信息化涵蓋的內(nèi)容也是多方面的。從設(shè)備方面看，設(shè)備備件信息化處理要準(zhǔn)確無誤處理好各個設(shè)備備件明細(xì)，處理好備件及設(shè)備全生命周期的大數(shù)據(jù)，處理好設(shè)備控制程序、加工程序，及各種參數(shù)備份等。從生產(chǎn)加工方面看，包含毛坯料廠家的各種信息、加工工序、操作人員、加工日期及流水號等各種加工過程中涵蓋的信息。

在產(chǎn)品加工過程中，我們采用每臺設(shè)備單獨(dú)標(biāo)識信息反饋到總控系統(tǒng)，在加工完成后再由總控系統(tǒng)反饋給打標(biāo)機(jī)，通過二維碼和明碼的形式，在每個工件上做好共有信息及單獨(dú)標(biāo)記，做到產(chǎn)品標(biāo)識的唯一性（見圖4）。

最終我們將這些數(shù)據(jù)通過建立一整套信息化方案布局，通過將各種工藝方案、圖樣等數(shù)字化，部署MES系統(tǒng)等來解決產(chǎn)品追溯性等許多問題（見圖5）。通過設(shè)備與系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，建立產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫，將計劃、物流、質(zhì)量過程與設(shè)備集成制造過程的協(xié)同，來支撐生產(chǎn)組織實(shí)施，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈信息互通共享，確保生產(chǎn)組織高效運(yùn)行，為資源匹配奠定基礎(chǔ)。

6. 人員素質(zhì)和能力的提升及培養(yǎng)

圖3 工件在線實(shí)時測量

圖4 工件信息標(biāo)刻

圖5 信息實(shí)時采集

人員素質(zhì)和能力的培養(yǎng)提升是一個較為漫長的過程，人員不僅包含操作人員，還包括設(shè)備維修、工藝技術(shù)、管理人員整體的素質(zhì)能力提升。

對于自動化線操作人員要求，由原來的單機(jī)操作變成自動化整體監(jiān)控，要擺脫單機(jī)操作的定式思維，做到整體掌握自動化線所有設(shè)備的全局思維，熟悉整線設(shè)備生產(chǎn)流程（包含單機(jī)操作能力），做到會簡單預(yù)判設(shè)備故障，能夠快速開機(jī)運(yùn)行投產(chǎn)。

設(shè)備維修人員能力也需要上一個大的臺階，有如下三個方面要求：一是加大日常巡檢巡查力度，做好預(yù)防預(yù)見性維修工作；二是加強(qiáng)對自動化線設(shè)備的學(xué)習(xí)，熟練掌握單機(jī)工作原理及整線工作流程，努力提升自身工作能力和水平，并對新增設(shè)備及其新技術(shù)新知識加快學(xué)習(xí)；三是做好合理準(zhǔn)確儲備整線設(shè)備備件，根據(jù)平時經(jīng)驗積累，判斷設(shè)備備件壽命周期，做好合理安排儲備數(shù)量，在保證安全運(yùn)行前提下盡可能減少庫存占用，降低消耗指標(biāo)。

工藝技術(shù)也要轉(zhuǎn)換，由單機(jī)運(yùn)行模式到整線聯(lián)機(jī)模式，計算整線生產(chǎn)節(jié)拍，合理安排加工流程，實(shí)現(xiàn)最大化排產(chǎn)，在自動化線整體改造前期做好換產(chǎn)準(zhǔn)備，以備后續(xù)運(yùn)行時換產(chǎn)順利進(jìn)行。特別是做好日常刀具壽命管理工作，在刀具磨損方面積累數(shù)據(jù)，并能將大量的記錄數(shù)據(jù)合理有效轉(zhuǎn)換為經(jīng)驗積累，有效分析當(dāng)前生產(chǎn)中存在的刀補(bǔ)問題，為自動化刀具補(bǔ)償加工做好準(zhǔn)確有效的鋪墊。

7. 安全因素

自動化改造除了上述幾點(diǎn)外，安全方面也是一個不可忽略的重要因素。安全主要是設(shè)備與總控聯(lián)機(jī)后要實(shí)現(xiàn)不漏一個細(xì)節(jié)，做到安全互鎖的完善、可靠性。

但在這個過程中可能也會發(fā)生一些難以預(yù)料的問題，比如在機(jī)床加工中，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)報警提示信號處理起來還是比較容易，但是當(dāng)設(shè)備異常時并沒有報警提示信息時，我們還難以處理。

為此，除了加強(qiáng)人員巡檢力度，我們通過正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)積累，利用超時報警方法監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，利用遠(yuǎn)程遙控來控制異常設(shè)備，及時處理設(shè)備異常但又無法及時處理的情況（見圖6）。在機(jī)器人控制程序中增加防撞力矩設(shè)計，將力矩在每段程序中調(diào)節(jié)到合適大小，保證既能正常生產(chǎn)又能在出現(xiàn)意外時檢測到力矩異常而報警停止。

圖6 遠(yuǎn)程控制

自動化改造是一個未知的道路，是一個需要永遠(yuǎn)前進(jìn)的道路，前面不管我們遇到什么困難，都需要通過自身努力探索，不斷完善加強(qiáng)學(xué)習(xí)，才能取得更大的進(jìn)步。