灵活组合:事实与虚构

制造商希望今天的自动化装配系统能够生产一系列类似的产品，但也有权衡。

如果高速、自动化的组装系统就像电视剧《星际迷航》(Star Trek)中企业号(Enterprise)星船上的厨房，那不是很棒吗?就像宇航员可以在几秒钟内输入他们想要的任何食物一样，原始设备制造商也可以输入订单，比如说，一天输入200万个电子连接器，第二天输入100万个打火机，这样机器就可以既快速又便宜地生产。

当然，即使在遥远的未来，这样的机器也不太可能出现。尽管如此，考虑到一个典型的自动化装配系统的六位数价格，原始设备制造商可以合理地期望他们的设备具有一定的灵活性。

Sibos Ascor公司(美国宾夕法尼亚州约克市)的工程经理James Smith说:“装配机器通常受到工艺、运动、精度、周期率、部件尺寸和重量以及组件送料等属性的限制。“当另一种产品的特性符合这些参数时，(即使它不在同一行业)，这台机器就有转换的潜力。”

Rapid Development Services Inc.(密苏里州切斯特菲尔德)的执行副总裁拉尔夫·维特洛特(Ralph Vatterott)对此表示赞同。他说:“你可以期望在相同的系统上运行相似但完全不同的产品。”“我们的系统可以运行七到八种不同的产品。这些产品通常必须属于同一家族，但不一定是同一种产品。”

Vatterott说，汽车整流器就是一个很好的例子。他的公司最近为一家汽车后市场供应商建立了一个组装六种整流器的系统。不管整流器是为哪些车辆制造的，它们都共享相似的部件和电路。“同时，它们可能具有完全不同的形状、部件位置甚至装配方法。有些可能需要环氧树脂，有些可能需要压型。”他解释道。

有些arial，需要灵活性的不是部件的排列或种类，而是部件的大小。Vatterott回忆了Rapid Development公司为组装电线螺母而开发的一个系统。该系统生产六种尺寸的金属丝螺母可以互换，尽管最大和最小的螺母之间存在显著的尺寸差异。可调节的工具使这成为可能。

除了需要组装一系列产品的需求，还有其他原因在自动化装配系统中寻求灵活性。一个是能够应对短产品寿命周期。Mikron Corp. Denver（Aurora，Co）的商业发展经理Paul Betuze表示，请考虑手机。

“手机在一年内就会过时，”他指出。“像诺基亚这样的制造商……我们不想每年都在生产线上投入巨资，生产出与上一款产品相似但又不同的产品。”

灵活性的另一个好处是，产品和流程可以与装配系统同时开发。事实上，制造商经常使用灵活的、标准化的系统向市场推出新产品，直到专用机器可以上线。这使产品迅速进入市场。如果市场反馈改变了产品设计，资本投资的风险是最小的。当设计完成，生产数量增加时，产品及其工具被迁移到专用系统。

Sortimat Technology (Schaumburg, IL)的客户对话部门主管Howard Speiden回忆说，他曾与一位客户就这样的解决方案进行过合作。

Speiden说:“制造商知道他的产量最终会高到足以证明全自动化系统的合理性。”“然而，他知道在产品设计冻结之前使用专用系统存在很大风险，所以他最初选择了一个灵活的系统，然后计划稍后使用专用系统。

“结果证明这是一个很好的决定，因为设计工程师发现他们需要在组装中添加一些组件。因为他们投资了一个灵活的系统，我们只是添加了另一个模块来处理新的组件。当公司准备使用专用系统时，我们在切割钢材之前就将新模块纳入了设计中。”

另一方面

灵活性的实现离不开一些权衡，而最大的权衡就是成本。Vatterott承认:“通常情况下，一台柔性机器(比专用机器)更贵。”“但是，它不会高出50%。它更像是15%或20%，而不是购买两三个系统，你只买一个。”

为什么柔性机器比专用系统更贵?东部自动化系统公司(Eastern Automation Systems Inc.， NJ)总裁斯科特·贝洛斯(Scott Bellows)说，这一切都归结于硬件。伺服电机比气动执行器贵。多件可调节的固定装置比简单磨铣出来的固定装置更贵。

效率是另一个权衡。高度灵活的系统可能无法与专用系统的速度相匹配。而且，花费在转换上的时间是系统没有构建产品的时间。

史密斯说:“零件的输送和机器的效用会影响灵活性的优势。”“如果通过喂料碗、卷轴或托盘提供的组件在不同产品之间存在显著差异，那么灵活性可能过于极端，难以实现。对于设计用于运行多个产品的机器，转换机器所需的时间和资源与生产运行的长度可能会导致更高的运营费用和低生产率。”

其他的权衡是空间利用率和可维护性。与专用机器相比，灵活的机器通常具有更大的大小与吞吐量的比率。而且，由于灵活的系统有许多可调节的机构，易于维护和设置是一个问题。

Speiden补充说，并不是每个制造商都需要灵活性。在非常高的量，设备利用率将如此之高，将没有时间或需要频繁更换。如果年产量至少是500万台，或者如果产品的市场寿命预计至少是5年，制造商最好使用专用机器。

灵活性的要素

Teamtechnik公司负责工程和销售的副总裁Joerg Starkmann说，让装配系统变得灵活的一个方法是将装配过程分解成多个模块。这些模块可以是与托盘输送机连接的独立单元，也可以是插入基站的独立机器。无论哪种方式，标准化的I/O和控制软件使模块之间和中央控制器进行通信。

“标准化提供了灵活性，”斯塔克曼说。“重要的不是你添加了什么，而是你如何添加。”

另一种实现灵活性的方法是用伺服驱动执行器来控制运动，而不是气动执行器或凸轮。伺服驱动驱动器虽然价格更高，但只需在控制软件中输入一个新值，就可以使装配商改变动作。

柔韧性的另一种成分是机器人。“如果您想要一个高度灵活的系统，机器人绝对是关键，”瓦迪特·塔特说。“机器人系统的可编程性使您能够快速且轻松地更改组件之间的位置或更改组件之间的距离。您只需更改程序。”

灵活装配系统中的夹具对于快速转换至关重要。例如，可以制作一个fixture，使产品变化在其中重叠。在设计这种夹具时，机器制造商寻找产品家族中的共同特性。Speiden解释道:“它可能是一个注册孔，也可能是一个边缘，所有的进展或大小增加都偏向一边，远离这个特征。”

或者，固定装置可以调整。夹具的一个或多个侧面可以建立在幻灯片上，这样就可以改变夹具的长度和宽度。在幻灯片上刻上刻度或勾号将有助于操作人员转换幻灯片。

如果夹具必须移动或更换，定位销、键和综合测量仪器将确保新夹具的位置正确。

至于流程，机器建设者同意没有一个过程比另一个流程更灵活。但是，他们确实建议制造商尽可能地标准化进程和操作序列。

Smith说:“如果产品工程师接触到组装设备的方法和局限性，那么将新产品或修改后的产品投入生产所需的时间和费用就可以最小化。”

使它发生

使自动化装配系统的灵活性最大化需要的不仅仅是机器人或伺服驱动器。这也需要仔细的计划，从产品设计开始。工程师应该预测产品在未来1到3年的发展。哪些功能将会改变?哪个会保持不变?可能从一个迭代延续到下一个迭代的特性是理想的固定关键。

贝洛斯警告说:“一旦你以某种方式制造了一台机器，你就不能让它用于其他任何东西了。”“所以，如果你知道，在设计上，你的产品5年后会是什么样子，你可以留出额外的空间或打额外的洞，以适应这种变化。机器制造商可以设计一个系统来处理替代方案，而不必为这些替代方案调试。他们可以设计替代工具而不用制造它们。这样一来，当原来的部件过时时，你就不用花钱买新机器了，你只需要花钱买新工具就行了。”

贝洛斯记得有一位客户想要一台机器来组装两个电子连接器。一个是当前的生产;另一件是几年后推出的产品。“这两部分看起来一点也不像，”他回忆道。“幸运的是，我们的喂料碗供应商能够做出一个足够灵活的碗来处理两个部分。这使我们能够在组装机上使用伺服驱动控制和硬件。

“当要生产新的连接器时，我们很容易地重新编程机器来处理新部件。连接器公司不需要购买新机器，但多年前就为这种灵活性付出了代价。”

Speiden建议，创建一个可以在同一系统上组装的产品系列的方法之一是围绕一个固定的外壳或包装轮廓来设计产品。然后，可以添加或删除功能，以描绘产品在家族内。