建设适用于小批量生产的智能工厂

　　位于德国Ohlsbach的第二代家族企业WTO Werkzeug- Einrichtungen有限公司（以下简称“WTO”），是开发和制造用于数控车削中心的精密动力刀座的领先者，今年他们迎来了成立40周年。

　　多年来，随着生产成本急剧上升，市场对低价格制造的需求逐渐增大，以及熟练工人的缺乏，这些都对包括WTO在内的许多制造商造成了挑战。如何解决这一问题？方案似乎显而易见：一个完全自动化的生产车间。

　　智能工厂是唯一的选择

　　WTO的总部设在奥芬堡附近的Ohlsbach，该地区远离主要城市且缺乏熟练工人，考虑到人口的发展情况，这种情况可能还将继续恶化。此外，想成为机器操作员和愿意轮班工作的人也越来越少。WTO董事总经理Sascha Tschiggfrei先生认识到这一点，并于2016年开始思考解决方案。“熟练工人是一个难题，成本上升是另一个难题。因为我们是国际化经营，竞争压力很大。一些公司选择迁往成本较低的海外，然而我们希望保持我们在德国的位置，所以必须做出反应，以确保公司能长期保持竞争力。我们的未来依赖于智能工厂⸺全天候生产和全自动操作。这给我们带来了竞争优势，也让我们能吸引更多高素质的人才。”

　　确立了建设智能工厂的决策以后，对于这个庞大的项目，WTO需要一个夹具设备的独家合作伙伴，这家公司必须能给出承诺，并具备专业知识和适合的技术。

　　批量生产总是依赖于已有的生产方式，但对于小批量生产，必须开发新的工艺并将其集成到整体系统中。为什么？因为夹具，例如，如果必须每天更换几次，这在工艺和安全方面提出了巨大的挑战。

　　“我们的项目团队制定了技术细节，其中包括：我们如何装夹工件，如何实现装夹自动化，以及如何自动更换装夹装置？目标是让机器完全自主地执行更换。这就需要具有这种快换能力的装夹装置。此外，我们拥有高精度的磨削工艺，最大公差范围为3μm。”Tschiggfrei先生说。智能工厂的概念确认后，WTO下一步就是寻找合作伙伴。由于WTO 和总部位于Marbach的夹具制造商HAINBUCH已经在多个国际项目上有过成功合作，因此他们是首选的合作伙伴。2019 年底，两家公司开始初步讨论，以确定装夹装置的要求， HAINBUCH提出的设计方案被采纳。

　　按下启动按钮 vWTO现有的生产车间拥有50多台数控机床。这些机器上的装夹主要用夹爪（jaw chuck）完成，并且每一次更换和找正的操作都是手动完成。在智能工厂中实施的第一个完全无人化的制造过程是生产一个外壳，先进行软加工，然后进行硬加工。Tschiggfrei先生进一步解释说：“智能工厂中的机器都是新的。这些标准的机器都经过专门的改造，以适用机器人自动切换装夹装置。”HAINBUCH将为四台机器配备夹具系统。一个生产单元中是两台车削/铣削中心，配备的内部夹持涨装置在主副轴上；另一个单元中是两台外圆磨床，一台配备外夹夹具，另一台配备内涨夹具。

　　HAINBUCH配备了一个标准的卡盘用于在磨削时从外部夹紧⸺TOPlus AC 100轴向后拉卡盘。无论是哪种外壳，都有18个夹持单元可供选择，每一个都包含带有定位块的夹头，它们可以在卡盘上自动快换。对于用于车削和磨削的内涨夹具，他们基于需求开发了一个全新的版本。它是基于现有的MAXXOS T211芯轴，不过这种新的带有安全检查的版本开发了一个特定的芯轴。

　　HAINBUCH自动化部门的设计工程师Björn Schiesling从一开始就参与了这个项目，他认为对于自动化有一些必须考虑的基本要求。快换夹具的自动化中缺失了什么？答案是清洁接触表面的员工，即使是最小的污垢颗粒也会导致精度不够；然后是安全检查。主轴能转动吗？预拉是否正确？位置正确吗？有东西松动吗？一般来说，所有事项都由操作员正常检查和调整，而自动化则改变了情况。

　　“对我们来说，在装夹装置中实施这些检查是一个巨大的挑战。当然，我们还必须与机器制造商合作，通过监测行程位置来实现控制技术。例如，提供装夹装置中的通道以实现气检，从而可以实施气检。但机器制造商必须安装气体供应装置以及能与机器控制系统通信的传感器。在通往最终解决方案的道路上有许多障碍，但我们成功地克服了它们。”Schiesling说道。

　　对于内涨夹具，HAINBUCH还考虑改变夹持涨套和定位块。在评估了安全性、准确性和污染等方面，并比较了不同方法后，很明显，只有预先配备芯轴才能确保安全。现在，磨削单元和车削/铣削单元各有10个MAXXOS芯轴和centroteX AC快换接口。这些都可供不同外壳与适合的设置来进行选择，并由机器人自动进行快换。

　　超出预期的建设成果

　　在WTO新智能工厂中，所有流程都是自动化的，机器人放入部件，更换装夹装置，无人驾驶运输系统将所有东西从 A点运送到B点。自2022年底以来，动力刀座的一个部件的生产一直在自动运行，24/7锥柄生产数量从1到100不等。这是 WTO和HAINBUCH合作开发三年以来的一个里程碑。

　　WTO研磨部门经理Philipp Wußler最初对这一切是否能实现心存疑虑。“幸运的是，结果超出我的预期。这些夹具满足所有的要求，无论是清洁、精度以及非常重要的重复性。每次更换芯轴时，我们的误差都在要求的3μm范围内。”Wußler满意地说。与原来的方法相比，这种自动化制造过程将安装时间缩短了25%，原来需要手动更换和找正夹爪，并修磨卡盘以确保精度。“废品率也大幅下降，几乎为零。这是因为过去的夹持不太准确。现在我们在定位块进行轴向后拉式夹持，更为准确。一旦开始加工工件，我就能知道下一个设置过程将运转良好。这意味着我再也不用担心装夹装置了。”Wußler补充道。对于WTO来说，显而易见的是：如果夹持更安全，那么整个过程也更安全。

　　“智能工厂的设计让原材料输送成为唯一的人工操作。一个无人运输系统甚至会把成品外壳拣起来，在生产单元中进行检查和测量，然后把它们从机器中取出并放入仓库。智能工厂包括一个指挥中心和用于规划制造过程和编程的办公室。夹具和自动化操作参数的定义也在那里进行。”Tschiggfrei先生说，进一步的项目已经在计划当中， HAINBUCH将再次提供夹具并参与启动过程。