外围机器人与注塑单元自动化 - 完整指南 2025

注塑单元自动化简介

在快速变化的塑料生产世界中,注塑单元自动化已不再是可选项,而是成为竞争力的基本要求。根据PARP"中小企业实践中的工业4.0"2023年报告,高达62%的波兰加工商指出缺乏熟练操作员是增长的关键障碍。面对这些挑战,外围机器人和集成自动化系统不再是奢侈品,而是确保生产稳定性、质量一致性和成本优势的战略必需品。

IFR"2023世界机器人"研究表明,化工和塑料行业已占欧洲所有机器人安装的6%,这一增长趋势逐年加速。Tederic DE、DH和NE系列注塑机可与机器人、视觉系统和外围设备无缝协作,创建新一代集成注塑单元。精心设计的注塑单元自动化可将循环时间减少多达40%,消除过程瓶颈。

什么是注塑单元自动化?

注塑单元自动化是一个全面的集成系统,包括设备、软件和工程解决方案,可全部或部分自动化塑料注塑过程及辅助操作。它涵盖生产的所有阶段 - 从原材料准备、注塑过程本身,到精整操作和成品零件质量控制。

现代注塑单元可包括以下关键组件:操纵机器人(拾取放置型、三轴型、六轴型、SCARA或协作机器人)、输送和质量控制系统(2D和3D相机)、自动材料供给和干燥系统、温度控制为±0.1°C的冷却系统、模具温度控制器,以及通过Euromap和OPC-UA标准通信的集成SCADA控制系统。

根据Euromap和VDMA"注塑单元自动化"2023年报告,使用拾取放置机器人和视觉系统的全面自动化可将循环时间减少20-30%,与手动操作相比,同时提高零件质量的一致性。

外围机器人类型

选择合适的注塑机机器人类型是决定自动化成功的关键决策。每种机器人类型都有特定的特性、优势和局限性,需要与实际生产要求相匹配。

拾取放置机器人

拾取放置机器人是注塑单元自动化中最流行的解决方案。它们具有简单的运动学结构,通常基于三个线性轴(X、Y、Z)。龙门式或横梁式结构直接安装在注塑机上方,最大限度地减少生产空间占用。

拾取放置机器人的优点:

• 最高的定位重复性 - 精度达±0.05 mm,对精确堆叠至关重要
• 极短的循环时间 - 根据零件质量和距离,0.8到2.5秒
• 最低的投资成本 - 含抓手和编程起价15,000欧元
• 直观的编程 - 15-30分钟内完成新零件编程
• 高可靠性 - 超过50,000小时无故障运行

拾取放置机器人的缺点:

• 有限的运动灵活性 - 复杂的空间操作困难
• 有限的负载能力 - 通常0.5-5 kg,最大15 kg
• 无法执行辅助操作 - 仅限拾取放置
• 需要机器上方空间 - 在低顶棚车间有问题

六轴机器人

六轴机器人代表了自动化中的最高灵活性水平。基于六个旋转轴的结构能够在工作空间内实现几乎任何位置和方向。

六轴机器人的优点:

• 完全的运动自由度 - 任意位置和任意工具方向
• 广泛的负载范围 - 从3 kg到210 kg
• 精确的轨迹控制 - 重复性达±0.03 mm
• 多任务操作能力 - 一个循环内完成取出、嵌件、装配、贴标
• 应用多功能性 - 快速更换工具和重新编程

六轴机器人的缺点:

• 高投资成本 - 从40,000欧元到超过150,000欧元
• 复杂的编程 - 需要3-5天培训
• 更大的空间占用 - 在密集车间中具有挑战性
• 更长的循环时间 - 比专用拾取放置机器人慢30-50%

SCARA机器人

SCARA机器人是为水平面内超快速操作而设计的专业类别。基于两个平行旋转轴和一个垂直轴的结构,在保持水平面灵活性的同时确保垂直方向的刚性。

SCARA机器人的优点:

• 最高的操作速度 - 0.3-0.8秒循环时间
• 卓越的精度 - 重复性达±0.01 mm
• 紧凑的结构 - 重量30-60 kg,易于安装
• 低运营成本 - 能耗0.4-1.2 kW

SCARA机器人的缺点:

• 有限的垂直运动范围 - 通常200-400 mm
• 无工具方向调整 - 始终垂直向下
• 有限的负载能力 - 通常1-20 kg

协作机器人

协作机器人代表了自动化的革命性方法,机器人设计用于与人类直接安全协作。先进的传感器系统能够在检测到与操作员接触时立即停止。

协作机器人的优点:

• 最高的安全级别 - 符合ISO/TS 15066的150N力限制
• 最小的安装要求 - 无需围栏
• 直观的编程 - 通过"手动引导"方法
• 低门槛 - 起价25,000欧元
• 人机协作能力 - 生产灵活性

协作机器人的缺点:

• 有限的速度 - 250-1000 mm/s限制循环40-80%
• 较小的负载能力 - 通常3-20 kg,极少35 kg
• 精度妥协 - 重复性±0.05-0.1 mm
• 有限的范围 - 500-1300 mm

注塑单元外围设备和附加设备

现代注塑单元远不止机器人和注塑机。外围设备是生产生态系统的关键要素,通常决定最终效率和质量。优化外围设备可带来高达25%的运营成本降低。

关键外围设备包括:

• 材料准备系统 - 露点达-40°C的吸附式干燥机、中央供料机、精度±0.5%的混料站、回收粉碎机
• 温度控制系统 - 精度±0.1°C的精密冷却机、多区域模具温度控制器、热流道系统
• 质量控制系统 - 2D/3D相机、剔除系统、精度0.01 g的动态称重器
• 输送系统 - 带式输送机、中间缓冲器、振动定向器、自动包装系统

控制集成和通信标准

有效自动化的关键是所有设备的无缝通信。Tederic DE、DH和NE系列注塑机配备了最先进的控制器,支持所有关键的工业通信标准。

Euromap 12 - 定义注塑机和机器人之间8个输入和8个输出信号的基本电气接口标准(就绪、开模、启动循环、报警)。Tederic将Euromap 12作为标准配置,确保与Star Seiki、Yushin、Wittmann、Sepro或Engel机器人的兼容性。

Euromap 67 - 现代RS-232或以太网串行通信协议,可实现过程数据、诊断和实时消息的双向交换。允许从注塑机面板远程编程机器人。

OPC-UA - 工业4.0通用标准,用于IoT架构中的数据交换。带有OPC-UA选项的Tederic注塑机可以将数百个参数发布到MES、ERP、SCADA系统,无需额外转换器。确保生产完全透明和高级分析能力。

机器人选择的关键技术参数

选择合适的机器人需要分析关键技术参数并将其与应用的实际要求进行对比。

1. 机器人额定负载(kg)

机器人可以安全搬运的最大质量,包括抓手、零件和附加工具的质量。应用150%安全系数原则 - 如果零件重3 kg,抓手重1.5 kg,选择至少7 kg负载的机器人。典型范围:拾取放置型0.5-15 kg,SCARA 1-20 kg,六轴型3-210 kg,协作机器人3-35 kg。

2. 工作范围/作用半径(mm)

机器人从安装基座可以达到的最大距离。必须覆盖整个工作区域:从模具中心通过放置区到辅助操作站。典型范围:拾取放置型400-1500 mm,SCARA 400-1000 mm,六轴型500-3100 mm,协作机器人500-1300 mm。

3. 定位重复性(mm)

定义多次循环后返回同一位置精度的关键参数。根据ISO 9283:拾取放置型±0.05-0.1 mm,SCARA ±0.01-0.02 mm,六轴型±0.03-0.08 mm,协作机器人±0.05-0.1 mm。对于IT7-IT8公差要求<0.05 mm。

4. 最大速度/循环时间(mm/s或s)

运动速度直接影响循环时间。对于短注塑循环(2-5 s),选择最快的拾取放置机器人(0.8-1.5 s/循环)。典型速度:拾取放置型2000-4000 mm/s,SCARA 5000-10000 mm/s,六轴型1000-2500 mm/s,协作机器人250-1000 mm/s。

5. 防护等级IP

标准机器人具有IP54防护等级(防尘和防溅水)。对于潮湿环境,选择IP65(防喷射)或IP67(防浸入)。

6. 工作环境温度(°C)

标准范围为+5°C至+45°C。对于无暖气车间,选择扩展版本-10°C至+55°C。对于高温环境,需要高温版本至+60°C。

7. 生命周期循环数/MTBF(循环或小时)

高级机器人设计为在主要检修前可完成100-200万次循环或50,000-80,000小时。在24/7运行和10秒循环的情况下,机器人每年将完成约300万次循环。

注塑单元自动化的行业应用

汽车工业 - 车门面板、控制台、发动机罩、LED照明零件。要求:完全自动化、100%视觉检测、15-50 kg六轴机器人、重复性<0.05 mm、循环30-90秒。

消费电子和家电 - 智能手机、笔记本电脑、电视机外壳、小型家电。要求:转换灵活性、检测划痕的视觉系统、循环15-45秒、高表面美观度。

医疗行业 - 注射器、输液系统、便携式诊断设备。要求:ISO 7-8洁净室生产、不锈钢机器人、100%文档记录、USP Class VI生物相容性材料。

包装和食品工业 - 封盖、杯子、容器、一次性餐具。要求:超快速拾取放置机器人(0.8-2秒)、多腔注塑(16-96腔)、IML系统、食品接触认证材料。

电气工业 - 开关外壳、安装盒、连接器、LED灯具。要求:UL94 V-0阻燃材料、金属嵌件注塑、电气性能控制、VDE、UL、CSA认证。

如何为您的单元选择机器人和外围设备?

选择最佳自动化配置需要系统分析多个因素。

零件和过程特性:零件质量、几何形状、材料、尺寸公差、美观要求。

生产参数:年产量、注塑循环时间、型号数量、工作模式(24/7或班次)、ROI假设(通常18-36个月)。

空间限制:注塑机周围可用空间、顶棚高度、媒介可用性(400V、6-8 bar压缩空气)、环境条件。

集成要求:与注塑机的兼容性(Euromap、OPC-UA)、与MES/ERP的集成、要集成的外围设备、未来扩展可能性。

团队能力:编程经验、24/7服务可用性、备件可用性、应用支持、10年总拥有成本。

外围机器人的维护和保养

正确的维护是长期无故障运行的基础。系统的预防性维护可将无故障运行时间延长40-60%,并将计划外停机成本降低70-80%。

每日任务(5-10分钟):

• 目视检查抓手和吸盘
• 清洁机器人末端的灰尘和污垢
• 检查气动软管和电缆
• 无零件验证运动测试
• 清洁视觉系统相机镜头

每周任务(30-45分钟):

• 彻底清洁外部和通风口
• 检查机械间隙和螺栓连接
• 检查自动系统中的润滑油位
• 验证参考点精度
• 检查气压,排放冷凝水
• 备份程序配置

每月任务(2-3小时):

• 用NLGI 2锂基润滑脂润滑导轨和关节
• 检查电源线,拧紧端子
• 检查运动部件磨损
• 清洁或更换FRL过滤器
• 校准TCP(工具中心点)
• 测试安全系统(停止、光幕、联锁)
• 查看事件日志和报警

每年任务(主要检修,1-2天,授权服务):

• 全面机械检查 - 轴承、齿轮、皮带
• 测量关节间隙并评估磨损
• 电气检查 - 绕组绝缘电阻
• 更换润滑脂、密封件、过滤器、控制器电池
• 使用测量设备重新校准所有轴
• 固件更新和安全补丁
• 技术报告,包括状态和建议

需要定期更换的消耗品:

• 机械抓手 - 每500,000-1,000,000次循环
• 真空吸盘 - 每200,000-500,000次循环
• 气动密封件 - 每12-24个月
• FRL单元过滤器 - 每3-6个月
• 控制器电池 - 每24-36个月
• 润滑脂和油 - 每6-12个月补充

总结

使用外围机器人的注塑单元自动化不是未来,而是现代竞争性塑料生产的现实。面对熟练操作员短缺、日益增长的质量要求和降低成本的压力,全面的注塑单元自动化成为成功的关键因素。

指南的关键结论:

• 机器人解决方案的多样性 - 从简单的拾取放置机器人到灵活的六轴机器人再到协作机器人,每种类型都有其最佳应用
• 循环时间减少高达40% - 带有机器人和视觉系统的全面自动化可将循环时间缩短20-30%,通过外围设备优化甚至可达40%
• 18-36个月的投资回报期 - 考虑到人工成本节省、废品率降低和OEE提升
• 单元的整体方法 - 成功需要集成外围设备、控制系统、输送和数据管理
• 通信标准化 - Euromap 12/67和OPC-UA是不同制造商即插即用集成的基础
• 安全性和人体工程学 - 协作机器人实现人机安全协作,提高灵活性
• 预防性维护是关键 - 可将无故障运行时间延长40-60%,并将停机成本降低70-80%

选择最佳自动化解决方案需要深入分析零件特性、生产参数、基础设施限制和长期业务目标。没有通用解决方案 - 每个应用都是独特的,需要个性化的工程方法。

如果您正在计划注塑单元自动化或实施机器人化,请联系TEDESolutions专家。作为Tederic的授权合作伙伴,我们提供机器人和外围设备选择的全面咨询、单元布局设计、控制系统集成、交钥匙解决方案实施以及全面的技术和服务支持。

另请参阅我们关于塑料加工中的自动化和工业4.0以及合同注塑服务和合同制造的文章。