搬运：是否真的没有附加价值？

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：在生产中，搬运一般被认为是一个必需的过程。没有被优化过的生产工序会导致加工设备必须等待工件上下料的过程。这说明了搬运应用的设计对未来工序的可靠性和总体设备效率有着很大影响。通常来说，OEE数值是一个0～100%的指数，数值越高表明状况越好。表1.1中显示了不同搬运系统的加速度和速度大小。到目前为止，纯运动学已经成为了搬运工序中最严苛的因素，如果从更整体的角度去衡量OEE，定位精度等条件会被放在首位。

在生产中，搬运一般被认为是一个必需的过程。尽管在某些特殊的工艺中，搬运可以使产品产生附加价值，但是在更多的情况下，搬运这个工序更多地是造成产能的浪费，而并不是对产品本身产生附加价值。这也是为什么在精益生产中，人们认为工件从一个工位到另一个工位的转移是一种不经济而且需要尽量避免的行为。这种工位的转移通常指的是工件从一个加工中心到另外一个加工中心的转移，而很多生产现场优化措施的目标也是缩短工位之间的距离或是尽量减少搬运动作，如Kaizen方法就是一个例子。

工件搬运被视为“产能浪费的一个永恒来源”，曾经是20世纪60年代装配技术研究的一个焦点。目前来看，当时的主要观点核心是避免在生产工序、工件装配中的设备空闲时间，如对于机床的上下料时间。

搬运技术的重要性被认为低于真正的生产技术和加工工艺，从而其重要性是次等级的，因为搬运动作本身并没有对产品有增值的影响。生产中所必须花费的时间分为加工时间和搬运时间（图1.2）。加工时间指的是加工机器在生产中的运作时间，换句话说，这个过程是工件自身产生改变从而产生价值的过程（比如材料切割、形状重塑、镀层等）。加工时间可以进一步被划分成预处理时间、加工时间和后处理时间。

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图1.2　加工时间（操作时间）和搬运时间（预处理和后处理时间）

例如，钻床主轴被驱动到预定的转速和位置贴近工件进行实际金属加工工作，如在金属上钻一个孔，是在加工时间内完成的。过去，这些机器的空闲时间一直被缩短到最小以增加机器本身的效率和产出。但是，对于缩短机器本身加工时间的问题也在一直被推动着。例如，这个目的可以通过改变工具材料加工的手段来实现。

机器空闲时间和搬运时间进行的不同任务，可以针对在加工中心中工件被卡盘等夹具夹紧中的必需步骤来进行细分。通常来说，这些任务是在机外执行的，也包括为了确保工件质量而进行的任务，如图1.2所示。每个生产计划者都想要根据机器本身的主加工时间来协调同步机器的空闲时间。例如，这个过程包括使用上、下料设备，在加工设备运行时，预先把工件搬运到预加工的位置等待加工过程的完成。没有被优化过的生产工序会导致加工设备必须等待工件上下料的过程。假设机器人在注塑机加工工件中除了完成工件搬运动作以外还需要完成其他工序任务，如移除浇注口，这个动作要么是必须在一个更短节拍时间内完成，要么机器人必须将整体工件放置到单独的工位来进行处理。在这个过程中，机器人必须在下一个工件搬运准备就绪之前也达到预定的搬运准备就绪状态。

对这些工序的计划需要对工序时间的精确分析，因为让机器人在加工中心加工时间中的等待或是让加工中心等待机器人上料都是没有意义的。

在任何情况下，不同类型的组件和它们所对应的加工时间都会成为必须要考虑的因素，因为加工设备通常会用于不同组件以及对应不同的工序任务。

为了让设备空闲时间在不可避免的情况下变得更有生产效率，自动化解决方案就成为一种需求，它使操作执行的部件和加工设备分离开来。在加工之前预存储和加工后缓存工件材料使人工操作和机加工操作在工序周期结束后的立即分离成为可能。这种在加工设备上缓存和填充工件材料的方法也作为在生产线上预防干扰的一种缓冲方式。根据精益生产的方法，这种类型的缓冲方式并不具有优势，因为它阻止了人们把眼光放在当前工序操作上，从而忽略了工序本身可能发生的错误。这意味着这种缓冲方式允许不可靠的工序本身产生浪费，这种浪费可能在事后才能被发现，或者直接就被忽略了。这种浪费只有在移除了这些缓冲措施之后才能被发现。从这方面来看，这种减少生产错误但并不在错误发生后暂停生产的缓冲措施对于价值链或是生产工序链是有害的。

对于其他没有材料缓存或是储备并且包含连续生产流程的生产工艺，对生产技术和独立功能部件提出了更高的要求。在现实的技术和机械部件领域中，大多都是通过对功能部件长时间测试的方式，来保证其具有最高的工艺可用性。

这说明在没有缓冲措施的生产线中，存留的搬运工序的重要性是在增加的，而且高的功能可用性将会成为自动化操作中的一个焦点。

例如，一个机械手抓取工具被安装在机器人末端，执行操作设计的工程师将会依赖那些在数据表格中具有能满足高节拍性能的组件。因此，从所有者总成本（TCO）的角度来说，组件的价格并不是唯一的因素，组件的使用周期及其故障频率也是感兴趣的要点。通常来说，对功能性组件的单独自主设计有一定的缺陷，相对于经过长期测试验证的标准产品而言，它缺少广泛和有效的验证，并且不够成熟。

独立自主的产品设计，如机械手，需要被避免，不仅是由于成本原因，也由于标准产品更具有经济性，从而不会给整体研发成本带来太大的影响。但是，对于批量情况而言，可能会有不同的结论。在这种情况下，所有的花费都将视为成本的影响因素，包括非标准件的储存费用或是任何长期测试费用。

这说明了搬运应用的设计对未来工序的可靠性和总体设备效率（OEE）有着很大影响。

通常来说，OEE数值是一个0～100%的指数，数值越高表明状况越好。在实际生产中，实际数值在有些情况下是十分低的。对于搬运工序的进一步审视是十分重要的，因为搬运工序对时间、效率和数量三个参数都产生了影响。这使得可靠的搬运工序能够产生良好的总体设备效率(图1.3)。

一台加工设备中协同的搬运工序越多，独立工序的可靠性就显得越重要。这意味着经过测试的组件和组件功能扮演着越来越重要的角色，否则有效运行时间或性能将会降低。

在现代搬运系统中由于高的动态性使得短的生产周期越来越多。最后的结果就是，加工设备的利用率得到了提升。

表1.1中显示了不同搬运系统的加速度和速度大小。

到目前为止，纯运动学已经成为了搬运工序中最严苛的因素，如果从更整体的角度去衡量OEE，定位精度等条件会被放在首位。甚至对于一个简单的打包任务，其中的定位要求在几毫米，可能也会有定位误差，它可能会引起累计误差的叠加，从而导致在打包工序中的错误中断。更进一步地去审视由高运动性决定的高节拍工序（如用机器人每分钟搬运100颗果仁糖），我们也会在高质量的工厂里看到在每一层托盘上可能会出现一些工件定位误差。

由于这个原因，搬运工序不应该单独由工件上下料的频率来进行分类。如果由于抓取技术和有效的传感器的原因，搬运工序变得对人们来说越来越直观（视觉和触觉），那么抓取任务有时会变得特别复杂。

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图1.3　在生产中OEE的数值判定的图表说明（来源：fme AG5）

表 1.1　不同驱动系统及其动态响应性能比较

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为了提高对搬运工序的分析能力，搬运工序分为不同的组成部分。这里可以把搬运工序分为单个部分：抓取、移动以及放置（图1.4）。

在抓取阶段，工件本身和抓取状态都是十分重要的因素。在抓取中工件所展现出来的特殊特征和特性必须被考虑到（如质量、几何形状、敏感性等）。此外，抓取场景也必须考虑，比如工件的可获取性和工件的运动。

运动阶段会由搬运任务来定义，所要求的节拍时间及其所必需的加速度数值在此显得尤为重要。根据运动路径和工件的质量，工件表面和机械手手指之间会产生不同大小的接触力。整体趋势是使运动时间尽可能短，换句话说，在搬运系统中需要选择可能的最大的速度和最短的运动路径。在某些情况下，与抓取工序有关的其他因素也很重要。因为如果抓取工件的时间延长，有些工件会对与其接触的机械手手指在两者的接触表面产生黏性力。对于高温工件的抓取，需要确定其最长的抓取时间，这是为了避免由高温工件热传递导致的机械手损坏。

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图1.4　工件从抓取到放置过程中的运动

在放置阶段，与抓取阶段类似的因素会对其产生影响。一方面，机械手的张开动作耗费的时间是一个重要影响因素，因为它可以让整个节拍时间变短。然而，重要的是，对于不同类型的机械手而言，由于机械手结构的不同，机械手关闭动作所耗费的时间可能和其打开动作所耗费的时间不一样。另一方面，工件的可获取性对于机械手选型的原则又十分重要。特别是对于短的搬运时间，相对于运动阶段所耗费的时间，花在抓取和放置阶段的大量时间会成为一个重要因素，如在并联运动系统中的搬运任务。其中对抓取放置所花费的时间需要精确定义到毫秒，同时整个抓取节拍时间会不必要地增加。

为了正确地定义抓取和放置阶段，对工件特殊的特征、可获取性的检查是十分有必要的。这些因素将会在第3章中介绍。

对于抓取，最基本的是确定在工件表面哪些区域可以被抓取。然而，弄清楚一个机器人是如何在加工区域被定位的也是十分重要的。换言之，需要弄清楚机械手是如何接触到工件的。只有在此之后才能确定机械手手指能够张开的行程大小、机械手手指能够多稳固地夹紧工件。机械手手指的张开对于放置工件也会十分重要，例如，如果在放置工件的动作中，放置动作必须在一种干涉特别严峻的条件下实现。整个工序可能会使用传感器进行检测，并使用相关的安全技术用于应对不同的危险情况。

由于效率原因，移动过程一般都会在短时间内完成。但是由于产品质量原因，工件在移动过程中的安全性也需要被考虑。图1.5所示为一个持续不断的抓取流程，展现了机器人位置是如何持续变化的。

相对于抓取力而言，在这个过程中，在机器人的行进路径上，加速和必要的减速是很严格的阶段。例如，敏感工件可能会由于过高的加速度而导致损坏。另外，也有可能在过高的侧向加速运动中，需要使用更高的夹持力来使工件被稳定夹持以避免工件在运动中掉落。但更高的夹持力有可能会导致工件被机械手本身损坏。

这些因素会在第4章中详细阐述。

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图1.5　并联运动系统中机械手的运动阶段（来源：REFORM DESIGN1）

搬运：是否真的没有附加价值？

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