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機械手臂如何降低加工現場人力成本?

在後疫情時代下,缺工、缺料問題一直持續,但訂單需求越來越即時、客製化程度越來越高,傳統自動化流程已無法負荷彈性的生產需求,製造業者該如何度過重重危機來確保產能穩定,甚至是提高設備稼動率,縮短訂單交期呢?

作者

莊馥綺

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・2022/08/23

在疫情的衝擊下,製造業者面臨缺料、缺工、缺櫃這三缺的問題,而其中以「缺工」的議題最為嚴峻,但也因如此迫使多數製造業尋求建置自動化的生產,積極轉型智慧製造。但想要由自動化走向智慧化,首先要解決「人力」這個最大也最不可控的因素,但人力到底對整個CNC機台設備產線造成哪些影響呢?

 

缺工所導致的問題點

1.缺工議題持續延燒:無論是因Covid-19疫情,影響外籍移工的引入、少子化的關係,或是年輕人因為工作環境、地理位置而不願意到加工廠工作,都是影響缺工的主要因素。

2.老師傅經驗難傳承:在傳統CNC加工製程中,無論是機台設備上下料、更換刀模治具、甚至是最後品質檢測的環節,都是由資深人員操作,再將經驗和操作技術傳承給資歷較淺的人員,但就如前一點提到的缺工議題,工廠招不到新血,造成寶貴的經驗無法傳接、技術斷層的困擾。

3.品質良率提升瓶頸:每個人手感、經驗、標準都不一樣,即便有圖片、標準書可以做參考,但因個人主觀因素與產品多樣化,很難做到標準化和數據化,這都會影響產能的輸出,造成品檢率、產能不定的困擾。

4.無法即時產出交貨:工廠缺人的情況下,即便有訂單湧入,工廠卻因缺人手沒有足夠的產能可以交貨;或是訂單爆量時,人手不足以開三班輪替加速生產,最終導致交貨不及等。

 

在後疫情時代下,讓企業主們頭痛的除了上述因缺工而衍伸的問題以外,各國政府也在積極推動數位轉型ESG永續相關政策,因而衍生導入機械手臂的需求,但只要購買幾台機械手臂放在廠房內,上面所遇到的所有問題都可以迎刃而解嗎?

 

 

CNC加工現場還有哪些痛點?

生產製程問題點

1.CNC設備生產狀況無法掌握:無論是訂單無法即時交付,還是面臨高營業額低利潤的窘境,歸根究柢都是因為沒有做到可視化數據化聯網化,造成無法及時傳遞資訊、解決設備異常的問題。

2.CNC設備稼動率低下:無論一開始的暖機損失、還是換模換線調整損失、刀具交換損失、機台設備無預警故障損失等,都會造成機台設備的損失。

3.人因成為智慧化的阻礙:訂單生產模式改變加上缺工的影響,舊有的生產模式已無法滿足產線需求,即便人力充足,卻也因想導入自動化而遭到層層阻礙,人員無法適應等問題。

4.無法穩定產能,交期不準確:通常換模/換線是整個製程中最費時、費力也最需要經驗的工作,更會因此產生許多不可控的浪費,再加上CNC加工時間長,還有其他相關的損耗,都會降低整體效益,造成營收下降。

 

使用機械手臂的疑慮有哪些?

CNC加工現場會遇到的問題點大多都與「人」有關,那我們只要多增加幾台機器來處理,並設定好相關程式、參數,是否就可以提升整體效益呢?

 

這時候許多企業主們就會遇到另下列的難題了:

1.價位太高,成本攤提時間長。

2.只能執行單一料件重複操作,如果想要操作不同物件加工,換料後還要現場人員不斷調改程式,才能符合新料件生產狀態,整個過程所耗費時間和以前用人立換模、上下料的時間差不多。

3.使用時間短,但重複精度卻跑掉了,修也修不好,最後只能放在角落長灰塵。

 

那我們該如何解決上面這些疑慮呢?這時候我們要先瞭解到,機械手臂有非常多型號、品牌、功能,因此一開始的「選擇」就非常重要了,因此我們先來看機械手臂大至的分類以及選擇要點吧!

 

挑選機械手臂要點

◎協作型機械手臂

1.與勞工一同工作:不需要圍籬,人在旁邊被打到不會受傷,會自動停止,減少工安困擾。

2.調整手臂程式較容易:能在現有的環境中直接設置,且不需額外的裝置或流程,操作人員專業度需求降低。

3.重量較輕,方便搬運:因為體積較小,所以較容易移動,但也因為這一項特性影響手臂的承重量,只能搬運15公斤以下的物品,因此多著重在小型零組件的搬運。

 

◎工業型機械手臂

1.節省勞工工位:只要程式、參數設定好,不需要人員在旁邊時時盯著、動手操作,可以節省許多人力、時間。

2.搬運重物:無論工件的輕重皆有應對型號可以操作,而CNC加工廠中,大部分的工件加上托盤都會超過30公斤,因此挑選工業型機器人較合適。

3.防塵、抗汙能力佳:以工廠環境為考量點進行設計,因此在充滿鐵屑、重油汙、高溫的環境下較不易故障、損壞。

4.作業速度快:只要程式寫定,移載速度可以開到百分百。

5.重複定位精度高:在對同一指令位置且同一方向,重複操作的精準度可以達到0.01~0.07mm。

 

在CNC加工過程來說,以換模換線、上下料的部分不確定性因素最大,不僅過程費力、耗時,更因為這部分在以往是由「有經驗的人員」下去操作,而人為因素的問題是最難掌握的,透過上面分析機械手臂的要點後,我們可以知道工業型機械手臂是最適合CNC加工產業的類型,但機械手臂到底可以替我們帶來哪些效益呢?讓我們繼續往下看~


機械手臂帶來大效益

換模換線的痛點

1.產品多樣、標準化困難:機器設備在每換一種工件的加工時,都要更換夾治具、重新做設定,降低設備總合效率OEE。

2.停機時間長:傳統快速換模架機時間約為2~4小時,每一次換模換料的停等時間都會使稼動率下降。

3.人力成本提高:不僅缺工、人員流動率高的問題嚴重,對於操作人員門檻要求也相對提升。


CNC機械手臂如何應用?

透過物聯網(IoT)和感測器等技術連接生產設備,利用數位系統軟體工具,將OTIT的數據資料整合,以數據模型的應用,完成自動上下料、快速換模/換線、刀具設備定期保養管理/異常通知等、達到工作中即時的人機協作。

 

利用機械手臂實現快速換模應用與效益

◎應用方式

快速換模系統由交換盤和母座所組成,在進行快速換模時,交換盤會變成工件的治具,將待加工的工件鎖在上面,母座可以抓取下面的定位栓,進行自動補正且用氣壓或油壓做夾持,讓手臂回到原本設定的原點,可以標準化產品。即使更換不同的產品還是可以鎖在一樣的tray盤上,讓手臂做夾取,不需重新換夾具、做動作變更,解決產品無法標準化的問題,之後如果要換不一樣的工件只要更改程式即可。


◎效益

1.降低架機時間、增加稼動率:不僅能快速夾持且精確定位,更換後不用再校正,能快速交換加工模具和工件,同時維持加工精度,將模具更換時間縮至短短幾分鐘,提高產線效能,讓CNC機械設備停等時間減少90%。

2.降低作業員技術門檻:不會有鎖固的問題,只要學習按鈕標準化的操作,便可以完成。

3.降低產線自動化成本:手臂換不一樣的程式、更換夾角時,都是工程師下去撰寫。

4.自動補償定位拉栓使用損耗:以專利的快速換模「補償系統」,自動補正模治具因經常使用的損耗,重複定位精準,讓誤差縮小到只有0.005 mm。

 

利用機械手臂實現自動上下料應用與效益

應用方式

利用ABB機械手臂搭配快速換模系統進行自動上下料。

實現效益

1.解決缺工問題:機械手臂可以應用在許多製程環節上,不僅可以解決缺工、高流動率等問題,大幅縮減人力的需求,也降低對產線作業員的技術門檻、還能取代較危險的工作崗位減少工安問題發生。

2.提高產品良率:排除人為因素的影響、以標準化的程式和參數進行加工製造和篩檢,不僅可以提升產品品質,還能穩定產量。

3.減少設備損失提高OEE:將CNC機械手臂利用IoT聯網,將刀具、夾治具使用次數、狀況的數據資料記錄保存,進一步達到預防保養/異常通知、減少設備損耗,提高設備總和效率OEE和稼動率

4.減少生產成本:以標準化的模式來降低產線自動化成本,且機械手臂可以做到24小時不間斷生產,減少CNC設備投資成本,且每年攤平設備投資,五年後成本大幅低於同業

5.資訊即時化利用工業APP將數據連傳接到手機,即時接收設備狀況(手臂稼動/異常狀況/生產時間),不僅可以進行工單指派生產、生產程式拋轉、設備保養紀錄/提醒等,即時掌握製造現場所有情況,有利於管理者掌握人員效率的分配。



機械手臂利用第七軸進化,效益大躍進

機械手臂主要由手臂主體、控制器、伺服器和感應器所組成,並以關節的轉動以及精細的程式控制,來完成各種傳統機台無法達到的任務。

而機械手臂依照其靈活度(轉動的自由度)分為三軸~七軸,軸數越高靈活度越高,並利用增加手臂作業範圍減少停等,來解決CNC加工時間長,機械手臂停等降低效益的問題。

接下來我們以七軸為例,來看七軸機械手臂如何幫助製造現場提升效益吧!

 

1.延長機械手臂作業範圍:模組化設計讓企業們可以依照現場的產線規劃,自由加多種軌道和行程長度。軌道的模組化大幅增加了使用的彈性,延伸機械手臂作業範圍。

2.重覆精度達0.01 mm:若利用高精度的ABB伺服馬達,就能提供穩定的運行和高重複精度。

3.增加機械手臂稼動率:除了最大荷重達 800 Kg以外,也因增加手臂作業範圍減少停等、提高機台稼動率,並提升六倍效益。

 

 

在工業4.0的催化下,製造業正面臨著大環境的改變,而如何減少設備損失、降低人力成本來達到縮短訂單交期正是大環境帶給企業主們一道難題,因此可以先從小規模導入快速換模和自動上下料系統開始嘗試,利用機械手臂遵守設定的參數執行動作的特性,再匯入模組化的系統資料庫,做到更換製作不同料件時,可以一鍵下載檔案,更換夾爪後即可同線處理不同料件加工,省去換線流程的停機時間。同時搭配機聯網做到產線IT+OT的整合,讓生產數據自動即時更新,不僅讓管理者即時掌控現場情形,也能成為面對未來時勢的最佳助力。

 

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參考資料:巨緯科技

自動化專家

巨緯科技-產線自動化的專家

巨緯科技深耕自動化產業,為ABB台灣代理商,提供提供ABB變頻器、機械手臂、系統整合和整線自動化建置

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