自动喷水处理是一项明智的商业决策

在过去五十年中，制造商面临着越来越大的生产压力，同时也面临着降低运营成本、提高运营效率、提高零件质量、减少浪费和降低劳动力含量的挑战。这些挑战是通过采用精益制造实践来应对的，精益制造的核心是基于机器人的柔性自动化系统。水射流作为工业过程的应用也得益于采用灵活的自动化技术。本文介绍了基于机器人的柔性自动化系统的概念，探讨了机器人技术的商业案例，并讨论了在喷水工艺环境中部署此类设备的独特考虑因素。

1什么是柔性自动化？
柔性自动化系统是基于机器人的自动化工业系统。通过使用机器人，这些系统能够快速响应市场需求的过程变化。

一个主要的例子是一个简单的码垛系统，袋子，盒子或其他容器的产品放置在木托盘上运输。之所以选择这个例子，是因为自动化的原理与许多其他过程相关，而且在许多制造环境中，自动化是一项很容易识别的任务。在工业环境中，有三种方法来码垛产品。

一种托盘化的方法是手动。手动指的是人们在一定的安全重量限制内取下包装材料，并将其放在一个木制托盘上装运。这些人经过培训，以创建层模式，堆叠到所需的高度，他们还提供了一个水平的质量控制，因为他们可能看到有缺陷的包装，可以选择从生产流程中消除它。为了提供灵活性，员工可以接受再培训。因此，新的码垛模式或新的高度可以创建。为了提高生产速度，可以增加人员，反过来减少生产，可以消除人员或从该地区撤除人员。

码垛的另一种方法是使用码垛机。这些机器机械地创造产品的模式，并将它们堆叠到托盘上。他们利用传送带，向导，滑板，滴管或其他机械手段来创建和放置产品的模式，并将它们堆叠到一个木制托盘上。系统的灵活性是由机械手段提供的，如改变或重新定位输送导轨，调整气动推杆或更改必须安装的部件。转换只能在机器关闭时进行。尺寸限于原始机器规格。在某些情况下，这些机器是为特定尺寸的包装而设计的，作为一种提供高速操作的手段，它们的设计与“设计”包装的尺寸和形状不一样。

第三种码垛方法是使用灵活的自动化系统或机器人单元。该机器人配备了一种工具，该工具的设计是用钳子或真空或组合和方法来抓取产品。这些工具被设计用于适应大范围的产品尺寸和重量，而不需要机械变化。该机器人被编程为一个运动轮廓，从一个给定的位置，通常是在一个进料输送机上，并将它们放在托盘上，在一个预先编程的模式和预先编程的层数或堆栈高度。灵活性被设计进了系统中，因为机器人工具被设计成满足工艺规定的尽可能多的产品尺寸，并且机器人被编程使产品被挑选和放置在“中心”。因此，在给定的系统内执行产品尺寸的改变仅仅包括重新定位中心线。不需要进行机械修改或更换部件。通过设计一个可以选择多个产品的工具，可以将额外的灵活性内置到系统中。在某些情况下，工具被设计用来处理袋子、盒子、桶或包裹过度的托盘。此外，他们可以被设计来拾取单个或多个部件，这允许灵活性，在拾取两个可以双倍的生产速度，在一个时间，当放置在托盘上，它允许在模式创建的灵活性。

为了使这些机器人系统发挥作用，产品必须以可重复的位置和方向馈入系统。这通常是在一个进料输送机与硬停止，有时使用挤料机，以保持一致的拾取位置。此外，托盘还必须在一个可重复和积极的位置。像层或滑片这样的辅助项目也必须是自动化的，这可以通过机器人工具或单独的机构来完成。在许多系统中，产品尺寸的变化是由操作人员在控制面板上进行选择手工完成的，或者可以自动调整，如果产品可以在进入电池时被识别出来，或者可以通过来自上游机器或流程的输入。例如，条形码阅读器或其他传感产品的手段可以用来完成这一任务。垛高也可以由操作人员输入，或通过识别托盘的包装自动确定。对于一个全新的产品或独特的模式，机器人程序本身可能需要修改。今天的工业机器人都使用编程语言，这些编程语言已经成熟到可以让训练有素的人员轻松完成这项任务。此外，系统构建者可以使用使用变量的模块或子例程来构造机器人程序，从而在需要时使任务更容易。

作为一个定义总结，柔性自动化是使用机器人设备在工业过程中执行重复运动。机器人携带一个设计用来完成分配给它的任务的工具。点焊枪、焊炬、袋处理工具、真空夹持器、分配喷嘴和喷水喷嘴是示例工具，可连接到机械臂以执行运动轮廓或沿着路径执行工作。该程序以及在机器人设计标准范围内对其进行修改以适应任何情况的能力为当今的工业过程提供了最大的灵活性。基于机器人的系统是柔性自动化系统的字面定义。

2灵活自动化的商业案例
在考虑业务改进时，明显感兴趣的领域包括降低直接人工成本、提高产品质量、提高生产速度和减少执行任务时对人员的危害。所有这些改进都可以通过灵活的自动化系统实现，但最令人信服的原因是使用机器人系统可以节省运营成本。为了说明这一点，考虑到运行一个30公斤机器人的平均电力成本大约是每小时60美分(美元)。如果我们假设20年的寿命和每天两班倒的操作，这意味着机器人工作8万小时，电力或人工成本是48000美元。考虑到估计的目的，生命周期的维护等于生命周期的电力成本，这是一个很高的数字，这一活动。因此，一个30公斤重的机器人完成8万小时的工作，总成本不到10万美元。现在，让我们考虑工作8万小时，或者以每小时30美元的劳动负担率工作。这个人工的总成本是240万美元。当然，有购买资本设备、安装它、培训员工和其他成本，但根据这些数字，我们可以推测，使用Flexible Automation来完成这项工作将在这20年时间里为客户节省近200万美元。这就是机器人的商业案例。

3喷水应用中的灵活自动化
要将灵活的自动化应用于喷水过程，请记住，系统的核心是一个机器人，机器人的任务是移动一个称为工具的设备，以执行所需的工作。对于喷水系统，该工具应为喷水喷嘴。或者相反，工具可以是一个夹具，机器人可以捡起零件，然后机器人将零件围绕喷嘴移动。无论如何，机器人是系统的核心，在选择这一关键部件时应仔细考虑。以下是喷水柔性自动化系统中设备的规格说明。本文将不讨论喷水设备，但将详细介绍柔性自动化系统的其他组件。

在选择机器人和系统辅助设备时，防止水和湿度是需要解决的最突出的问题。作为一个电子设备，需要防止水侵入连接。寻找一个将连接点从底座底部伸出的机器人设计。这种设计应该在机器人底座上配置一个o形环密封，为安装板提供一个水密密封，这样水就不会侵入连接点。除了密封底座，密封臂的设计也非常重要，以防止水侵入机构。所有电机、连接器、齿轮箱或其他部件的盖子需要密封，以防止水入侵。平滑的手臂设计将允许冷凝和水，加上它消除了水可能聚集在水坑或池塘的区域，也允许容易清洁或干燥，如果需要的话。另一个要求是耐腐蚀涂层和硬件。这可以防止螺栓生锈，而且抗腐蚀涂层可以使机器人手臂保持在新的无锈状态。机器人设计的最后一个考虑是在手臂上使用一个清洗系统。 Purging with low pressure compressed air will maintain a slight positive pressure inside the arm and further guarantee that water will not intrude into the robot.

一些制造商建议使用防护罩，而不是设计合理的防水机器人。盖子可以防止水接触到机器人，但通常情况下会在这些盖子下凝结，在多年的操作后，油漆会生锈剥落。此外，螺栓和紧固件暴露在这种冷凝中，使得维修拆卸非常困难，成本也更高。最后，盖子可能会通过裂缝泄漏，或者可能只是没有安装或安装不当，然后机器人暴露在水中。在任何情况下，使用专为其工作环境设计的机器人都是谨慎的做法。

系统和机器人控制装置可以安装在净化柜或防水柜中，但更好的选择是将控制装置安装在远离直接接触水危险的位置。

在喷水系统中选择机器人设备的另一个标准类似于任何工业过程。机器人的有效载荷和可及范围为额定值。

有效载荷是机器人手臂设计用来承载的最大允许重量。在水射流系统的情况下，这将是喷嘴设备的重量加上机器人的安装方式。还需要进一步考虑施加在机器人手臂上的背压重量。典型的机器人有效载荷是安装在机械臂末端的工具安装板上的，但对于机械臂还有另一个规格规定了机械臂本身的最大有效载荷。在喷水系统中，有可能需要手臂来携带输水软管或其他电缆。如果超过了这个等级，那么这些物品可以安装在墙壁或天花板上，以承受重量，但足够灵活，可以根据机器人的运动需要移动。确定机器人的有效载荷大小是一个简单的练习，因为允许机器人的有效载荷不应超过所施加的力加上工具的重量加上电缆和水管的重量。关于有效载荷的最后一个注意事项是机器人有一个惯性额定值，这个标准需要检查以确定合适的尺寸。在水射流应用中，由于喷嘴的重量很低，这应该不会超过，但在选择机器人时，仔细检查这个负载将是一个谨慎的步骤。

机器人到达的区域是机器人能够有效工作的区域。在六轴机器人中，这通常是一个全局形状。在其他机器人设计中，这更多的是一个矩形实体形状，因为手腕不是该设计的一部分。水射流的起始点是执行工作的点，因此这是完成任何工作必须移动的点。如果正在加工的零件形状不规则，且该过程要求机器人触及部分零件几何体的周围或上方，则在选择机器人尺寸时需要考虑这一点。根据喷嘴安装在机械臂上的方式，喷嘴可能会延伸到机械臂之外。在这种配置中，需要将喷嘴超出机械臂运动范围的量添加到机械臂范围中。这有效地扩展了机器人的运动范围。请注意，所有机器人制造商和大多数系统集成商将运行系统设计的软件模拟，以验证所选机器人能够到达需要到达的任何地方。该模拟还可以评估各种安装位置，从而提高系统设计的最大效率。

柔性自动化系统除机器人机构和喷水设备外，还包括辅助设备。这种额外的设备应该仔细选择，以在水射流系统的潮湿环境中生存。这些附加组件包括但不限于控制系统组件，如传感器。零件在场和位置传感器对成功的过程至关重要。系统控制需要知道一个零件是存在的，如果它不是在一个可重复和积极的夹具，那么我们需要知道它在哪里，以便运动可以自动调整，以适应这个交替的位置。传感器可以用来验证零件的几何形状或在加工前或加工后提供检查。事先检查和检测坏的零件意味着该零件可以被拒绝和不加工。处理后的检查是验证系统是否按预期运行的一种方法。近距离传感器，照片眼，手指开关和视觉系统可以被用来执行任何这些感觉反馈在水射流系统。注意，所有传感器必须采用防水设计，并按照湿环境标准布线。

在系统设计中必须考虑将零件引入单元进行加工并移除成品零件。根据零件几何结构的不同，这可以通过多种方式实现。顶部或其他类型的输送机可以呈现零件，操作员可以装载夹具或材料处理系统，包括其他机器人可以执行这些功能。意识到机器人是一个可重复的设备，这些夹具和零件转移必须具有积极的性质，以便除了机器人期望的方式外，零件不可能以任何方式呈现给机器人。建议使用键控定位的零件夹具，需要考虑使用零件存在传感器来验证零件是否正确，并在加工开始前正确放置。如果零件正在移动，并且必须在移动时进行处理，则使用跟踪功能可以实现这一点。在跟踪过程中，传感器需要确定初始位置以启动跟踪，输送机速度反馈需要保持位置。

电池安全也必须考虑。安装的系统需要符合最新适用的安全标准。北美机器人工业安全标准由(RIA)管理。机械工业协会. 本标准要求人员保护，如将机器人围在围栏或其他方式中，以防止意外进入系统。联锁门是一项要求，这意味着必须考虑进出单元的零件。在北美，所有出售的机器人都符合RIA安全标准。所有著名的系统建设者都将设计一个符合RIA安全标准要求的系统。最终用户有责任对其员工进行安全操作培训，并维护系统安全设备，以防止事故发生。
在许多喷水系统中，使用隔间或外壳进一步将喷水环境与工厂的其他部分隔离。必须考虑该结构的设计，以允许机器人自由移动、部件移动和维护整个系统。该结构还可将控制系统与潮湿环境进一步隔离。

4喷水应用中的灵活自动化系统
根据上述定义、理由和与喷水应用中使用机器人相关的问题，以下是该技术在各个行业中应用的一些示例。

这些是典型使用六轴机器人的多轴系统示例。六轴机器人运动由产生运动的机械关节定义。关节1是从左向右旋转，关节2是前后移动，关节3是上下移动，关节4是从水平到垂直移动的滚动，关节5是腕状运动，关节6是工具旋转。使用的最大角度取决于喷水喷嘴，但机器人在系统中提供了这种整体灵活性。它打开了一系列其他系统无法处理的可能应用程序。

在水射流中提供角度的能力可用于焊接准备等应用，其中需要在稍后将要焊接的零件的所有侧面切割斜角。对于锥度补偿，切口角度可以转移到废料上，从而消除水射流切割零件上常见的锥度。所有这些都可以通过应用于喷水系统的灵活自动化系统来实现。

以下是一些机器人存在于水射流系统的工业和应用的简要列表。

4.1航空航天
航空航天制造中使用的许多材料非常适合于水射流，如钛、锆、铝、黄铜和其他材料。大腿质量标准要求的复杂形状决定了精度的需要。带有喷水系统的六轴机器人具有可重复、精确的特性，可在灵活的包装中实现这一点。

4.2汽车
喷水机器人通常被用于切割汽车内部部件，如门饰、标题衬垫和地毯。金属部件，如底板和车身面板也有可能。在汽车行业，理念是创建一个标准平台，并做许多这样的事情，以获得规模经济。为满足市场需求，需要对该标准进行修改。例如，标准车辆地板上的印章用于自动变速器的使用。当构建菜单需要手动变速器，然后使用喷水系统修改标准地板，以增加离合器踏板连接孔和手动变速箱换挡器。同样地，对于阳光屋顶，车身覆层，后甲板扰流板或其他项目，水射流削减到标准车身面板。

4.3建筑
商业建筑的地砖可以用喷水系统切割，在建筑的地板上创造马赛克、图案或场景。基于机器人的水射流系统的灵活性给了艺术家设计地板的自由表达，这在过去是手工切割的限制。该系统的精确和干净的切割大大简化了施工现场的安装工作。其他项目，如家庭车库门的导轨，是用机器人水射流系统处理的。当这些导轨被挤压时，机器人系统就会在部件运动时为门闩切割所需的孔。这增加了安装、冲压或钻孔的生产时间。

4.4电子
电路板、绝缘材料、塑料外壳和外壳都可以使用喷水系统和机器人切割或修整。这种应用的重要特点是零件准确、清洁、无尘，一般数量都很高。水射流与机器人结合提供了所需的精度、速度和可重复性，在一个无损的、低热的环境中加工这些部件。

4.5食品
水射流提供了一种清洁、有效的方法来切割食品，如奶酪块、切肉或去除附着在生长介质上的贝类。水可以是清洁或无菌的介质，因此减少了产品污染的机会。

4.6纺织品
水枪是切割多层织物的理想工具。卫生用品、尿布、地毯、织物、绝缘材料和其他物品都可以使用机器人进行水射流处理。机器人的关节与水射流将产生最低成本的方法，提供独特的形状所需的市场需求。

4.7休闲车
摩托艇盖和船壳是基于机器人的水喷射系统处理的常规候选人的例子。这些部件可以修剪和去毛刺，然后在它们中放置准确的孔，以安装额外的项目，如甲板轨道或其他部分。在此之前，钻孔和锯切都是一个持续存在的问题。如果需要在现场维修时更换零件，这些没有对准的孔就是一个问题，而且这些孔中的零件没有对准是泄漏的一个原因。机器人安装水射流系统的准确性提供了准确和可重复的孔位置，这是一个辅助的好处，这些制造商现在可以采用汽车模型建立一个标准，然后这些客户驱动的修改订单变得更容易处理的任务。

4.8卡车
与休闲车辆类似，半卡车的整流罩和卧铺驾驶室是作为标准的玻璃纤维部件制造的，然后使用基于机器人的水喷射系统来修改这些部件，以根据客户的规格订购。诸如天线孔、车顶安装附件、窗户或枕木中可供选择的通用部件安装孔等项目，都可以根据机器人系统的菜单添加。

这些例子只是许多工业过程中的一小部分，这些工业过程得益于实施基于机器人的喷水系统的智能商业决策。

5总结
安装在机器人上的喷水系统是精益制造革命的一个组成部分，因为水的力量和自动化的灵活性相结合。这些系统具有许多优点，例如能够使用多种材料，并且能够在许多工业过程中提供巨大的通用性。他们可以在降低成本和改进流程的同时提供这些优势。这些系统是当今工业领域许多精明商人的选择。

最初由BHR集团发表，并于2012年9月19- 22日在加拿大安大略省渥太华举行的第21届国际喷水会议上发表。