模具制造--逐步自动化创红利

　　在Prestige模具公司（位于加利福尼亚州Rancho Cucamonga市）装备精良的办公室入口处，来访者会受到一个黄铜海龟雕塑的欢迎。这是很相称的，因为塑料模具制造厂与这种带壳生物具有一些共同的特点。长寿、耐性及坚固性是二者的共性。懒惰不是它们的特征，因为过去多年该公司在加速自己设计和制造复杂多腔体模具方面已经迈出了巨大的步伐。

　　在关键的模具部件制造过程中增添机器人自动化已经对提高生产率和效率产生了最大的影响。至今为止，该模具制造厂已经引进了四台机器人机床单元，已经将模具交货时间与不用机器人时相比降低30%。公司在CEO兼共同创始人Donna Koebel的领导下，已经确定了将自动化整合到车间的最好办法是逐步完成此目标，系统地将目标瞄准那些被认为对作业流程具有抑制作用的工序和/或那些吸收最多劳动时间的工序。随着每个主要的瓶颈被展开，公司发现下一个最具制约性的过程快速暴露出来，并且成为自动化的下一个候选对象。

　　公司因两种原因选中了这种集中而巧妙的自动化整合方法。首先，它使得资本得到了最有效的利用。其次，与立即大刀阔斧应用自动化相比，它对车间工人带来文化冲击的可能性要小。

　　每当一个制造厂家往自动化迈出一步，车间工人的工作就成了变数。在Prestige模具公司中，自动化却没有让工人丢掉工作，相反却促使工人们发挥了更高的责任心，同时在整个工人队伍中逐渐灌输了一种连续改善的思想。以前给机床上下料的工人现在可以灵活地装夹车间的四个单元，以便在晚间以及周末无人看管操作中实现最大生产率。工人们还发现了对非加工过程实现自动化的途径，诸如模具设计及检测数据的管理等。

　　大多数模具制造厂家意识到，自动化是跨进全球化竞争市场所必须的，并且许多车间也确实这样做了。考察一下此模具制造厂如何将机器人自动化与人类创新相结合，对那些想实现自动化的厂家将很有帮助。

　　逐步自动化

　　6年前在给自己的滑座电火花加工（EDM）单元之一增添一个电极换刀装置时，Prestige模具就对自动化有点动心。在一夜之间可以完成多个电极燃耗操作，但是机床却缺乏工件更换功能。这一点意味着一旦完成单个工件的加工，机床在当晚剩余时间内就呆在那里无所事事。

　　采用机器人自动化来换刀和换工件的必要性，就如Rancho Cucamonga市最高的San Gabriel山脉一样明明白白。公司总裁Lance Spangler说，成本和交货时间是主要的推动因素。Spangler先生说：“我们不得不开始竞标多年来一直为我们所赢的工件。有可能走捷径我们可以降低成本，但是那样我们的质量也会受到影响。”缩短客户的交货周期也促使公司往自动化方向迈进。

　　尽管实现自动化这种需求在4年前就很明晰，而最终做决定却比较困难，因为2001年经济情况并不乐观。但是，Prestige模具对走自动化这条路充满信心，因为它发现其他大型模具制造厂家已经从机器人上下料获得了不少好处。

　　在决定逐步实施机器人自动化的战略后，公司紧接着必须确认起点。因为EDM代表了模具部件生产的一个重要部分，并且由于该过程从一根电极开始，电极加工过程是首先需要实现自动化的。一旦由一个由两台机床组成的单元打开瓶颈，单台滑座EDM机床拥有的电极多于自己可以在钢中产生火花的电极，因此每个单元由两台这样的机床组成。下一个作业流程障碍是淬硬钢部件的高速加工，从而来了第三个“两机床”单元。由于要测量的电极和模具部件过多，车间的三坐标测量机（CMM）接着也用一台机器人实现了自动化。尽管检测单元是最近完成的机器人设施，但它决不是最终的。

　　四个单元每个都配备一台System 3R (位于新泽西州Totowa市)Workmaster机器人及容纳电极、钢工件和刀具（CMM单元除外）的储存库。此外，四个单元中除一台以外所有机床都可以采用System 3R的整合式刀具系统。该刀具系统采用往安装在机床上的配套气动卡盘上料的标准工件托盘，允许在Prestige模具的滑座EDM单元、CMM、四台高速铣床中的三台上进行重复工件定位。以下是对四个单元的简短概述。

　　◆电极加工 —— 该单元结合了两台Bostomatic 12G 高速石墨铣床，主轴速度为30,000 r/min。该单元原来仅采用两个“书柜型”储存库来容纳电极和刀具，但是后来增添了一个回转式储存库来将储存容量增加到130个电极和52把刀具。此回转式储存库经过了修改以保证刀具存放空间，因为每台铣床只能容纳6把刀具，这对昼夜或周末无人看管加工是不够用的。

　　◆滑座EDM —— 由两台Charmilles Roboform 35P单元组成了滑座EDM单元。该单元有书柜式环形库，兼有回转库，可以提供127个电极存放位置。除了电极外，支架还可以储存20个电磁工件夹板，其上可以固定钢质零件。EDM单元采用一个存放在存储位置的接触式触发测头来在电极开始燃耗前定位固定到电磁铁上的零件。

　　◆高速加工 —— 高速加工单元可能是四个单元中柔性最高的。它将Bostomatic 18石墨铣床与一台米克朗 HSM 400立式加工中心（VMC）结合为一体，用于铣削淬硬钢件。米克朗VMC是唯一一台没有整合式托盘刀具系统的机床。相反，它采用容纳大型钢件的System 3R Dynafix托盘。该单元的回转库为这些托盘提供18个存放位置，以及90个存放电极的位置。该单元中的两台机床，以及电极加工中心中的两台机床，拥有Blum激光对刀仪，可以实现非接触式、自动刀具测量。

　　◆CMM检测 —— 某些车间可能发现很难将如CMM检测这样实际上不生产任何东西的过程自动化，但是当检测成为主要瓶颈时，自动化很关键。这也正是Prestige模具所发生的情况，因为电极和钢件生产的速度要快于公司唯一一台Zeiss Contura CMM测量这些件的速度。因此，在CMM上整合了一台Workmaster机器人以及一个140位的储存库，以便每天24小时连续检测。

　　Prestige模具现在每天只有一班有人值班，且单元监管员的职责主要是将四台单元准备好，让其夜晚和周末可以完成无人值班操作。白天，单元监管员尽力完成尽可能多的第一道电极或钢件加工操作，并将这些件送去检测。然后，测量认可的元件被堆放在储存库中，每个单元都进行适当编程，以完成晚上的加工。

　　预先设计工作

　　公司的模具设计过程面向自动化，在模具设计开始前，要花大量时间与客户商讨确定零件设计。每个新工件都从Solidworks 3D CAD零件模型的生成开始，模型要经过仔细推敲以确保其设计角度、半径等合适，从而简化模具制作。Spangler先生说：“我们的设计能力对新客户很有吸引力，因为我们通常可以在一个模具中挤压进更多腔体。要求的预先工作有点赌博的味道，但是当客户看到我们设计改善的结果后，我们发现这种工作物有所值。”

　　利用模具部件的3D可视化功能，设计者可以在将设计发送给（在采购材料前审查模具设计的）工件检查员之前，捕捉到模具设计方面的问题。这样做还可以大大压缩部件制造时间。在整个设计过程中，得到认可的部件，诸如插件等将在模具设计最终确定之前提前发送给车间。这样车间就可以抓紧时间先加工特定部件。

　　自动化的风潮还扩展到了电极设计。公司已经基于标准电极形状的3D电极模板开发了一个专有过程。电极设计者可以选择某种模板并依据所需要的电极形状修改它。这样做完后，在电极零件打印图纸上自动生成尺寸，每根电极可以节省30分钟的图纸时间，并且使得新雇员可以更简单地适应电极设计。

　　除了自动零件打印件生成外，系统还自动计算电极过烧量（电极产生火花间隙的欠尺寸量）。这样就消除了机械师或CMM检测者计算火花间隙的必要，同时让他们可以直接从原始零件CAD图纸进行加工。公司的目标是为模具基质和插件的设计开发类似的自动化模板过程。

　　自动化检测

　　CMM检测程序的编程在部件被发送到检测室之前开始。质量检测员Jose Palomares在CMM软件中引进了电极或钢零件3D模型。这些模型可以从一个（包含公司每个工件信息之文件夹的）中央计算机网络加以评价。然后，他会识别出部件的关键测量点，产生检测程序，给单元的转盘式储存库装上工件，并将工件插到队列中。

　　Palomares先生通过一个自己生成的将测量数据统一成简单报告格式的文件维护程序来自动处理检测数据。这个报告无须涉及大量零件测量数据，仅仅列出那些被发现超差的零件和零件特征。这种自动化的报告功能每天为他大约节省了4小时。

　　Prestige模具很可能将在检测单元上增添另一台CMM，以提高测量能力。此外，它还可能不久给机器人配备一个线切割EDM，以进行无人看管生产。保持对瓶颈问题以及可能的自动化整合方式的关注是此模具制造厂家维持自己不断改善步伐的一种方式。该步伐，以耐心铸就，已经对Prestige模具起到了很大作用，正如龟兔赛跑中乌龟赢了兔子一样。同时它还证明任何机器人都不可能替代富有创新意识的熟练工人。

　　公司内采样的价值

　　Prestige模具已经增添了两台注射制模机（IMM）—— 一台电液混合型，一台全电动型——并增设了一名公司内塑料零件采样和模具质量检查的专职工艺技师。利用IMM，车间可以在给客户发货前在工厂内进行自己的模具测试，而不必依赖于外部模具厂检测质量。事实上，没有内部采样能力的模具制造厂甚至不允许给某些OEM的工件报价——因为存在保密性问题以及送到外面模具厂而固有的时间拖延问题。

　　在公司注意到许多模具厂一直在从液压IMM转向全电动单元后购买了一台全电动IMM。与液压机床相比，全电动IMM更安静，能量效率更高，可以保证更好的重复性。某些OEM甚至要求其新模具在全电动IMM上加工以保证质量。毫不奇怪，Prestige模具的全电动IMM也实施了自动化，在每个模具循环后用一台机器人拾起塑料浇口，并将浇口射到磨床中回收（也就是说，如果塑料可以回收的话）。

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