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实现自动化生产会带来哪些意想不到的好处?

 万科全书cailuo 2018-01-04

忘记是该淘气还是该乖巧吧。消费者所在意的是当他们想要一件东西的时候,他们立刻就能得到。制造商不得不提供市场所能承受的价格。就像对全世界的制造商来说,要快速把新产品推向市场,并努力削减成本,同时提高生产效率,这是一场激烈的角逐战,而今年和技术位于诸多愿望清单的前列。中国,过去是低成本劳动力的国家,现在是这场机器人角逐战的领导者。

预计随着全球劳动力成本上升和大规模定制化成为常态,自动化和机器人将激增。即使像传统的劳动密集型产业——鞋类和服装行业都在采用更多的机械自动化和无缝、粘合织物来改变产品设计,这有助于促进自动化生产。你的运动鞋生产中有没有机器人参与?耐克做到了自动化生产,而阿迪达斯也将在明年采用全自动化工厂。

设计工程师知道85%的产品成本是由设计阶段决定的。因此,越早开始实现自动化生产过程以及越早知道自动化如何影响设计越好。当你预先做出明智的设计决策时,你就可以降低成本、提高效率、提高质量以及加快产品上市时间。但你不能独自做到这一点。在这场较量中,你需要一个值得信赖的自动化合作伙伴。

Jabil Circuit 公司价值工程的高级主管Mike Answeeney 说:“在工业设计(ID)、人体工程学等领域有许多才华横溢的设计师,如机械工程师、电气工程师、系统架构师,他们能设计出令人惊叹的产品,但是,令人惊讶的有许多才华横溢的工程师对批量生产环境中的生产力没什么概念。”

DFX与生产力

生产力是指在规模经济里生产产品的容易程度。这往往取决于产品的性能和设计特点,以现有技术实现经济型加工、组装以及检验或测试。由于以疯狂的速度快速而可靠地运送产品已经成为全球竞争,因此自动化提高生产力生产力正受到人们越来越多的关注。

Jabil总部设在佛罗里达州圣彼得堡,是一个为全球最知名的品牌制造产品的大批量合同制造商。在2015年4月,Jabil公司在硅谷成立了一家为培养从视觉到原型再到全球生产思维的、具备未来工厂能力的创新中心——蓝天中心。凭借着一张读起来像高科技电子名人录的客户名单,Jabil知道不少自动化生产产品设计和在全球范围内加快产品上市速度的事情。

Answeeney解释道:“我运行的这个组织叫做价值工程,它所有的一切都是有关于产品优化,我们想要在初期就参与到产品中,而且我们的工作就是为了帮助那些才华横溢的设计工程师在制造业中为提高生产力做出更明智的决策。”

Jabil成为了自动化组装或DFAA设计的狂热拥护者。部分设计要素包括,如最大限度减少组装所需的机器人运动次数,以降低复杂性和成本;增加自定位嵌入式管理单元的功能,以最大限度地减少螺钉或其他紧固件的需求;以及防止自动点胶粘合剂流失的凹槽或通道。

DFX是为某某而设计的简称, 某某可以等同于任何的多项举措,如为组装、成本、测试、维修或物流而设计,它是一种积极主动的方式使得产品设计达到最佳的效果。自动化生产设计把人为因素排除在外,并且挑战性地让产品设计师和自动化工程师通力合作,以探索如何用机器人从固定自动化到柔性自动化,在少量或者没有人工干预的情况下使产品设计适应自动化流程。

越早越好

这样的协作什么时候才应该开始?在CAD设计阶段,还是在它仍处于餐巾上的涂鸦时?自动化专家认为越早越好。

Answeeney说:“我们想尽可能早地介入,在概念阶段,甚至在产品的人为因素和ID的开发阶段,能参与进来当然很好,并且这能给营销人员和ID的开发人员提供信息。因为基本上,一旦他们开始开发外观和触觉以及产品从人体工程学角度的实际使用,那将很大程度上确定了产品的形状和一些功能。这在设计中就像骨牌效应一样。

Answeeney警告说,如果你正在生产大批量的产品,但是你没有听过上面这些对话,那么生产线需要做些改变以降低成本。但是,一旦设计符合生产线的要求,那么改变产品设计的成本是很可观的。

在医疗器械市场尤其如此。进行自动化设计的早期干预是至关重要的,因为在监管机构审批之后,即使进行少量的设计变更也非常困难。

Answeeney说:“企业要早期介入可以做到成本规避,而不是在事后才开始介入和不得不进行降低成本。”

在有关自动化的竞争方面,没有任何地方会比硅谷更明显。在硅谷,初创公司和风险资本家的较量已经达到了白热化。

L2F是Lab2Fab™(从实验室到大规模制造)的缩写,它在硅谷是一种“罕见物种”。L2F成立于2011年6月,是少数位于西海岸的工业机器人集成商之一,也是在加州唯一被RIA认证的机器人系统集成商。这家位于弗里蒙特的集成商拥有丰富的电子、食品和饮料、汽车、包装和生物医学行业等其他行业的自动化生产流程经验。

尽管属于硅谷快节奏的初创公司,L2F的两位共同创始人都毕业于位于密歇根州的凯特林大学,在那里他们获得了本科工程学位。

L2F的CEO Shawn Lange说:“我们是喜爱制造的中东人,而且我们只是碰巧真的很喜欢硅谷的初创氛围,我们今天所做的一切都是有关机器人。” Shawn Lange在创办L2F之前,在Mitsubishi电机自动化公司工作了6年。

Shawn Lange的共同创始人、以及L2F的总裁——Derek Pietz解释道:“通过将我们的工作文化和敏捷的方法带入到我们所接触的项目管理方式,现在我们可以追逐所有这些不同的市场。”他们两个人还在圣塔克拉拉大学攻读他们的硕士学位。

Pietz继续说道:“我们能够在设计上非常快速的迭代,并且快速了解我们客户的产品、内部流程以及生产工艺,从而工程和产品开发的专业知识得到了紧密的结合。我们取得一系列成功的关键就在于这种敏捷的开发方法,这种方法是由硅谷提出来的。你必须跟你的客户从一开始就一起开发产品。在开发过程中,你和客户有越多的互动,那么结果就会越好。”

Pietz认为敏捷的开发方法和L2F的协作环境是集成商成功的保证。

他解释道:“我们有许多客户,那种只有桑耳但拿着一大笔钱的客户,他们试图推出自己的产品,我们必须与他们共同合作对产品、工序和设备进行调整。他们甚至不知道自己到底想要什么,所以你一定要协同工作以在一开始就开发这种概念。”

值得信赖的自动化合作伙伴

Lange说公司应该尽可能早地实现自动化。

他说:“和我们关系最好的、现在依然在合作的其中一个客户,是我们从这家公司成立刚刚30天就建立了合作关系。在早期,我们在寻求这些类型的公司。现在,他们正在向我们走来。凡是在硅谷出现的那些机器人制造商都在向我们走来。因为在这里我们是唯一被(RIA)认证的公司。”

他说,大部分客户最初都不明白机器人工业协会是做什么的,以及严格的集成认证过程的意义。

“但是,我们向他们解释认证过程是什么、RIA实际上是如何看待我们的工艺,以及我们如何完成工作、拥有什么类型的人才、我们怎样训练和所有的一切。我们要解释一下作为一个被ISO认证的公司,我们需要做什么。”

RIA认证的机器人集成方案支持为集成商提供最佳方案,并应保护终端用户和供应商。

来自密歇根州湖口镇的被RIA认证的机器人系统集成商——应用制造技术(AMT)的业务发展总监Jordan Merhib 说:“人们会打电话叫我们过去以及帮助他们走出困境,这对我们来说是一个很常见的故事情节。他们通常需要花更多的钱来走出困境。”

这个自动化工程公司更宁愿你省钱,然后把让他们帮你摆脱麻烦放在首位。AMT专门从事物料搬运、机械管理、涂料、点胶、装配、包装、堆垛、焊接应用。

Merhib解释道:“我们不针对某个市场,因为我们位于底特律,并且我们公司已经成立了一段时间(26年),我们在车身车间和动力总成部件进行了大量的汽车工作。在过去的八年里,我们进行了多元化发展,也涉猎了很多其他行业。其中包括食品饮料、医疗器械制造、生命科学与可替代能源。

Merhib说:“我们在很多行业和很多应用中都积累了一定的经验,所以我们能够客观地看待别人的制造问题,并帮助他们找出正确的解决方法,在制造业中,各个行业的许多工序是相似的。我们能够帮助很多第一次启用自动化的公司。他们可能认为有个问题在他们行业是独一无二的,但我们在其他行业已经遇到过了,因此,我们可以帮助他们解决怎样实现自动化的问题。”

他同意要尽可能早地在产品设计过程中找到自动化合作伙伴的说法。

Merhib举了一个具体的例子。他说;“一旦你考虑如何生产产品,那么就请马上联系我们。如果我们能及早得到被呼叫的机会,那么很多时候,我们会对如何改变产品给出相关的建议以促进自动化。”

Merhib解释道:“有一家为水工业使用而设计产品的公司找到我们,他们产品的神奇之处就在于这个软件以及他们如何把这个软件引入到一个你可以通过一个蓝牙设备进行远程控制的产品中。然后他们不得不先设计和构建一个可以进入水系统中的具体产品。但是他们不知道任何有关制造方面的东西。”

该公司求助于AMT以帮助他们完成自动化装配。

Merhib解释道:“这个产品的部件有一个电子元器件,它必须用电线来焊接,我们看了他们的原型设计,觉得很好,这个设计非常棒,但如果你按此顺序构建它,那么你需要一个人去把它拆开焊接电线,然后把它重新组合在一起,这是极其不切实际的。我们向他们解释他们可以使用快速断开,从而使你无需违背设计目的就可以按顺序来构建产品。”

Merhib说仿真在自动化制造设计中起着关键的作用。

Merhib说:“我们称之为数字化制造的当前状态,实际上就是仿真工具和3D建模,该软件就是在我们实际上制造产品之前,我们可以进行虚拟制造,这样一来,我们就可以在产品出现之前预见许多问题,并提出工序或改变产品设计来解决这个问题。”

他描述了一个特定应用——轻微的调整就能使成功安装了机器人水刀切割工艺变得与众不同。

Merhib解释道:“我们正在与一家太阳能公司合作,帮助他们把产品从原型到实现大批量制造,其中的一部分工作包括为他们的加工和装配过程的各个部分寻找自动化解决方案。当我们在评估是否把机器人水刀切割作为他们某一玻璃部件的选择时,我们意识到他们的指定设计公差超出了现有的机器人水刀切割解决方案的性能。”

与水刀集成商一起,我们调查了该系统精确度的技术选择,但最终,经过进一步评估,并与客户讨论之后,我们确定了玻璃部件的规定公差没必要定的那么严格。我们证明了松动的部件公差不会对最终产品的性能产生影响,而且会让他们的工厂实现标准的全自动水刀解决方案。而这正是他们成功的关键所在。”

Merhib 补充道:“任何人都可以进入一个集成系统购买这些产品和部件。许多人就说太好了,那么我就不需要集成商了。我自己购买全部的材料,然后自己把它们组装起来。但是大多数时候,试着自己组装的那些人都没有避免自动化程度低的陷阱的经验。”

上市时间

Pietz说,为L2F的客户和他们所服务的硅谷和硅谷之外、以技术导向的市场的自动化设计的最大优势在于上市时间。

“新产品、新发明、新公司的上市时间是非常关键的。通过早期实现自动化,也许你可以跳过一些开发步骤。也许你可以证明试点开发的水平,这可以让你更有效地调整你的产品。而且甚至可能跳过一些你以后不会需要的自动化步骤。在初期你也许会拥有一次飞跃,并在几个月内首次推出你的产品,也许早些年因为你成功地管理风险,因此你的最终用户体验会更有效。”

他说这对风险投资的角逐也是至关重要的。

Pietz解释道:“风险投资家真正希望看到的是几个主要的实证,首先,他们希望看到一个可行的产品和后来扩展此产品能力的实证。而这正证明了早期拥有一个自动化合作伙伴的重要性。我们可能比其他系统集成商拥有更多一点机械性能和产品研发能力。我们能够在原理验证的初次步骤提供帮助,我们可以帮助他们在投资者或者客户面前获得一个有形的原型。然后向他们演示小批量生产以证明他们可以有效管理大规模生产。这将帮助他们在提高他们的首轮投资时获得筹码。”

Lange 说:“硅谷沙丘路的投资家、风险投资家都聚集在那里,他们都没有耐心。他们希望看到事情快速发生。我们很擅长在技术路线图与我们的客户合作,并且了解什么是你需要展示给你的投资者看的。我们会帮助你达到这些里程碑,因此你就可以得到下一部分的资金释放。这就是硅谷比其他世界上的任何地方做得好的原因,它把工程师们聚集在一起,并非常快速地进行创新。”

无论你信赖的合作伙伴是一个自动化解决方案的集成商还是一个合同制造商,自动化设计都可以让你扩大全球产量。

有自动化就去闯

设计一款自动化生产的产品能够为你的生产设备提供更多的灵活性。

Jabil 的Answeeney说:“如果你设计一个自动化组装,那么这可以让你把它放在世界的任何地方,你不会再被人力成本所束缚。如果你已经设计了自动化组装,那么你几乎完全可以把整个组装流程进行自动化,因此你可以把这个流程放在任何地方,无论是高成本劳动力区还是低成本劳动力区,因为你真正谈到资本设备成本,而且这不会给区域与地区之间批号带来太多的变化。”

Answeeney说:“我们遇到过很多这样的情况,即客户会把产品从一家合同制造商(CM)转移到另一家,因为他们现有的CM可能存在质量问题或产量问题,或者他们不能满足供给和需求,甚至可能是成本问题。也许他们是一线或者二线的制造商,也可能是一个总部位于美国的制造商,也许他们在亚洲或低成本的地区没有任何制造能力。他们的产量已经增长到一个点,因此他们去寻找一个更大的合同CM,然后将其移动到成本较低的地区也在情理之中。他们会寻找像Jabil这样的公司。”

手工和机器哪种更容易?

你的计划之中并没有实现自动化这一项?所以,你认为在产品设计中没有必要考虑自动化?请三思。使用自动化来设计产品往往最终会比手工安装更容易。

Jabil 公司的Answeeney说:“我认为在前期进行自动化设计会比事后试着塞入自动化会更容易得多,如果你以自动化组装或者部分自动化组装来设计一款产品,那么这通常只是一种比较好的设计实践。即使你最终还是需要手工组装,那么当进行了自动化设计之后,对于一个装配工而言,手动组装可能会变得更容易,因为你在讨论的是镜像部件以及一个自下而上或自上而下的组装。这是一个更简单的、有序的工艺。”

当一款产品是专为手工装配而设计,那么人类装配工具有触觉反馈的优势。如果一个零件刚好不适合组装在一起,那么他们可能会重新调整组件的位置,甚至是扭曲和弯曲它们,让他们能够更好地组装在一起。

Answeeney说:“当你在使用自动化进行生产时,你不会拥有那么多的触觉反馈,因为自动化机械是非常重复和排列整齐的,并且公差一定要相匹配,这是好的设计实践的全部。我认为每一款产品都应该实现自动化设计。最终,到了最后,无论你是自动或手工组装,自动化都会使生产变得更加便捷。”

灵活、精确的自动化

消费类电子产品变得越来越小,而且组装公差变得越来越严格。当产品生产不能满足精确、一致性或使用手工加工的成本的要求时,灵活的自动化在生产过程中就显得极其重要。

Answeeney说:“可穿戴设备的市场正在急剧增长,这个市场的潜力是巨大的!现在每个人都有某种手环,在你的身上有五六个监控功能,大多数功能要么是防泼溅或防水。但是也有面临表面被液体渗入的挑战,因此,这种设备要能够隔绝流体和液体。在一个非常小的设备里,你可以拥有很多的功能,它们具备一定的灵活性。如果你总是戴着某样东西,那么它可能会被水淹没,而这种设备需要能够在淋浴的时候戴着。某些东西需要更容易地组装,而某些东西需要实现大批量生产。你如何完成这些挑战呢?”

Answeeney解释道:“你开始使用粘合剂来组装这些产品,获得一致的产品的唯一的方法就是在你正在使用粘合剂的一些小地方实现自动化。但是回到如何设计单元的话题,当你把产品组合在一起时,你就不必再使用粘合剂了。”

他继续说:“与手工加工可能会产生的分配量不均的情况截然相反的是,自动化可以让你更准确地分配粘合剂的量,如果你实现自动化,你就会有一个非常明确的路线来涂覆粘合剂,并且以非常明确的量来进行分配。然后实际的组装过程可以实现自动化,所以你可以在产品的不同区域施加一致的单位面积压力来把它们组装在一起。然后你就可以采用视觉系统,以确保你在组装过程中没有任何的外观问题和缺陷。”

关键因素——获取抓取位置

L2F的Pietz说,他们公司的大部分机器人应用是应用在材料搬运或组装,经常是小零件组装。在材料搬运中,所用到的零件的体积可能比较大,在700千克范围内。他详述了几个在自动化处理中设计产品的重要的考虑因素。

他说:“通常我们设计整个臂端工具和送料系统,为机器人提供零件,确保在某位置拾取这些东西是非常重要的,零件上的某些安全处理区域。如果零件是易碎的,那么用吸盘来抓取或者拾取零件都是非常困难的。有时有一个额外的凸缘或者至少一个能够安全抓取的区域都是非常有利的。如果有一个我们不应该被抚摸的装饰表面,那么他们需要的是确保为机器人提供一个非装饰表面以方便抓取。”

他补充道:“了解有多少种不同的产品需要运行在同一个自动化系统中以及以智能方式组合这些产品也是非常重要的,所以在进程内就不要弄得太复杂了。”

他还说组装的校准功能也是很重要的,这些功能包括引入线、导销、锥拔或倒角。

“如果你试着把一个轴推入一个孔中,如果这个轴的第一部分的直径比较小,那么就会比较容易进入孔中,然后你就可以直接就把它放进去开口中。在你成功地把它们组装在一起后,这些东西在检测组装时是非常有用的,你可以知道你正在进行良好的组装,这一点是非常重要的。这可能是标签或凸缘,又或者是可以使用机器视觉来进行识别的标记。”

Pietz补充道,使用一个严谨的对称功能来设计零件是一个很好的策略。

Pietz解释道:“如果零件可以是无限对称的,那么在我们得到这个零件之后,它们的定位是绝对不会有任何问题的,这是好事,因为它可以让抓取变得更加容易。又或者如果零件是明显不对称的,那么我们也可以通过处理来保持该系统简单,以及使用校准、抓取功能或者是识别和鉴别功能来处理不对称。”

装配视觉系统

由于相机和配套软件的成本不断下降,因此日益成为自动化生产过程中不可或缺的一部分。

L2F的Lange说:“我们真的很喜欢视觉或者说是非接触式传感器,如今很多机器人制造商的机器人包装都很良好。视觉的关键在于消除尽你所能消除零件的反射。每个人都喜欢制造出漂亮又有光泽的产品,但是让视觉来识别零件的细节是很困难的,因为被反射干扰之后,它感知的物体就模糊了。你可以发挥照明功能以及做各种事情,但是从那个时候起,视觉研发成本开始变得更高。当你需要纠正标准的检测相机以及每个机器人时,那么你的成本就要上升了。”

Jabil的Answeeney举了一个关于配备了机器视觉、已经实现自动化的人工检测流程的例子。

他解释道;“我们过去在亚洲开发了一种机架式安装系统产品,这种产品在用户界面面板有一堆LED,它包含人工检测,所以会有真人来进行校准以及检测LED的亮度、强度和颜色一致性。如果你拥有两个彼此相邻的红色LED,那么你想要的红色是相同的。你可以在一批LED中得到类似的变化。”

Answeeney说:“在人工检测中,你需要考虑人的主观性。”他指出当人类进行检测的时候,总会出现更高风险的“失效逃逸”。因此,在与他们的客户进行讨论并进行测试显示这种影响之后,Jabil开始使视觉检测流程实现自动化。

他说:“我们有一个可以让我们检查LED的校准过程的相机,它可以让我们来检查产品的颜色、亮度是否一致,产品是否实际被安装,以及机器是否正常运转。因此,生产线上就不必再安排在线检测员了。它能够实现更大量、更快速以及更一致性的检测过程。我们的产量上升了,我们产品的退还率下降了。这让我们的客户非常高兴。”

Answeeney补充说:“客户总是希望降低成本,这也是我们一直希望解决的问题——即在生产组装时能否实现自动化过程。虽然有时候前期会投入较多的成本,但是在产品寿命周期内,自动化会使成本降低。它会减少体力劳动者的总人数以及减少总会带来风险的产品的身体接触。人类越少参与组装越好。”

Answeeney说,虽然人类在组装线上可以提供信息反馈,但是这具有主观性。

他解释道:“两个检测员可能会见证同样的错误,但是他们会把它进行不同的分类,所以应该在检测过程中使用视觉系统和传感器来实现电子自动化流程,以及把全部产品放进一个具有一致性、能够远程访问以及运行数据分析的数据库中,这是未来工厂的很大一部分。”

未来即现在——互联性、物联网以及数据

L2F的CEO认为未来工厂应该是这样的。机器对机器(M2M)通信、、云计算以及他们在工厂车间里大量生产的全部数据都可以快速获得。

Lange:“我们非常相信在任何地方数据都可以生成、得到以及预测其发展趋向,所以那就马上去做吧,在全部东西都被全部组装之后,许多检测才会发生。但是如今随着技术和自动化的发展,它们可以采集数据,因此你可以进行实时监控。你可以命令它们不要把剩下的放进去或者不要浪费零件。无故障前进,对汽车制造来说有很大意义。不要让故障阻碍我们前行。如果故障发生,那么就立即进行修复或者直接把它剔出系统之外。”

Lange 说:“物联网与工业物联网(IIoT)都在这,你要获取尽可能多的数据。仔细查看一下电流、电压和电机。从机器上得来的数据才能真正改善你的生产流程。我们已经自主研发出可以用于MES连接的产品,你可以直接从我们这里购买。该系统几乎可以连接到任何PLC上,而且我们可以深入到地面上的工具,并提取信息以帮助提高产量、利润和生产能力。这款产品的功能是非常强大的。”

“我们的大多数机器上都安装了能源监控,因此人们可以减少能源的使用,这对客户来说具有很大的意义。数据和IIoT更适合于创新。我们从一开始就把它设计到我们的系统中。”

Lange说:“没有数据你就不能进行持续的改良。我认为这就是为什么有很多人不了解IoT和弄不清楚它如何在制造业中起作用的原因,因为说实在的,你必须先进行数据采集,并在了解它多么有用之前就应该仔细分析这份数据。”

Lange引用了一个从未实现自动化的食品饮料行业的应用实例。

“整个项目的决定因素是为了减少体力劳动。它是一种高度集约型作业,因此人类不能连续工作超过10分钟或者15分钟。所以我们研发了一种具有多个机器人的自动化解决方案,这种解决方案能让该集约型作业的用工从5个人减少到3个人。因此,从一开始就可以让企业在两年或者少于两年内获得投资回报。”

但是他说真正的优势是相当出乎意料的。

“在我们部署我们的系统之后,我们有远见地先进行了质量检测,然后我们拒绝了他们的一大批产品。因为我们做了全部的修正,等到我们完成这个系统之后,我们创下了我们有史以来最快的单日总生产率。”

他说在具有50多年历史的客户当中,这是最高的纪录。

“我们不只是勉强才创下这个纪录,我们是完全突破了这个记录。现在,他们平均每天可以生产出多于25%的产品。它们打破了90%的理论极限,然而大多数食品饮料行业的理论值大约在80%。”

Lange说直到你开始安装传感器和软件以及研究数据时,你才会意识到你有多少空间来进行改良。

在产品设计的早期阶段就开始探索自动化的可能性(和挑战)、从一开始就雇用自动化专家以及注重能够在很大程度上影响周期时间、质量、成本的各种小细节,这些都是2016年及以后各个企业应该采取的良好的生产策略。你得有所行动!

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