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KR AGILUS 参与内窥镜生产,帮助人看清内部情况

2021 年夏,位于瑞士维德瑙的 KARL STORZ 公司开始自动化生产内窥镜目镜罩。从那时起,一台 KR AGILUS 机器人减轻了团队负担——并加快了生产速度。这是来自德国施瓦本地区和瑞士的两家公司成功合作的印证。


“我们的焊机已经用了很多个年头,工作起来不那么可靠了。”KARL STORZ 公司位于瑞士维德瑙的生产基地负责人 Sarah Mühleck 这样介绍他们开展自动化的缘由。当时是 2020 年底,她的团队正在寻找一项高效创新的解决方案KARL STORZ 公司成立于 1945 年,专业生产高级内窥镜、高质量的医疗仪器和设备。它在全球拥有 8300 名员工,负责 15000 项产品的研发、生产、销售和售后服务。公司总部位于符腾堡图特林根,另外还在美国、爱沙尼亚和瑞士开展生产。离博登湖不远的维德瑙工厂负责生产内窥镜光学部件,如目镜,它可以看清人体内部,因此必须确保其密封并可清洁。
拾取和放置:一台 KR AGILUS 是维德瑙内窥镜生产的一部分。它负责放入坯件,并取出完成的工件 © Stefan Hobmaier,TRUMPF

从单调的手工劳动到激光焊接设备

新的焊接系统需要完成的具体流程包括将不锈钢套筒与镶在不锈钢环内的盖板玻璃相连。这两者都是所谓的内窥镜目镜罩的组成部分。内窥镜帮助外科医生在进行内窥镜手术时看清中空器官或体腔。以前,在生产中少不了手工劳动。员工将工件放入机器内,然后在焊接过程结束后将其重新取出——每次都是一个套筒和一个要焊接在上面的镶有盖板玻璃的环。“类似这种单调、重复、繁重的任务,我们已经逐步不让员工去做了。”Sarah Mühleck 介绍说。 
将盖板玻璃放在套筒上需要的动作十分精巧,由机器人进行拾取和放置也是如此。这项任务非常适合分配给 KR AGILUS © Stefan Hobmaier,TRUMPF

自动化第一步:找到焊接系统

维德瑙团队目标明确,要寻找一种自动化解决方案。说到实际的焊接过程,他们青睐的系统就已脱颖而出:数月以来,KARL STORZ 公司已经在测试来自施瓦本地区迪琴根的 TRUMPF 公司推出的 3D 焊接系统 TruLaser Station 7000,并对其十分满意。TRUMPF 公司创办于 1923 年,是一家在激光和系统技术方面成绩斐然的跨国企业,目前还将业务成功拓展到了自动化解决方案领域。其业务重点在于激光切割、激光焊接和激光打标。 
KARL STORZ 公司维德瑙团队很快就习惯了使用全新 3D 激光焊接系统开展作业 © Stefan Hobmaier,TRUMPF
医疗技术行业负责拾取和放置的一支强大团队:TruLaser Station 7000 和 KR AGILUS 在 KARL STORZ 公司携手生产内窥镜

第二步:推荐附近的企业

TRUMPF 公司拥有 15000 名员工,它与 KARL STORZ 公司开展的合作已经持续将近 30 年。双方说到要实现 TruLaser Station 7000 的自动化,这时 TRUMPF 团队推荐了一家集成商——巧的是也是位于附近的企业。wbt automation 公司位于戈斯海姆,当时拥有 18 名员工。wbt 公司总经理 Joachim Burkert 很快就对将目镜罩生产部分自动化的想法十分感兴趣。“wbt 这个名字本身就代表‘我们让零件动起来’,所以我们很高兴参与进来。”他回忆道,“虽然他们提出的要求很高。”
wbt automation 公司总经理 Joachim Burkert。他的企业优先采用 KUKA 机器人 © wbt

第三步:弄清激光焊接设备的技术细节

Joachim Burkert 详细介绍说:“我们必须用一台装在紧凑单元中的小型机器人,在极其狭窄的空间内容纳非常多的工件,然后将其准确定位并放置在焊机内。此外,我们还要相互协商确定机器人如何准确运输零件,因为我们的每个动作都要抓取并接合两个工件。”据 Burkert 介绍,wbt automation 在 98% 的自动化项目中都用到了 KUKA 机器人。“为此所需的高精度要求采用一台能够精确测量的机器人,而不是成品的大路货。我们选择了一台型号为 KR10 R1100 的 KR AGILUS 机器人。在给我们发货之前,KUKA 还专门对它再次进行了集中训练。”现在,这台机器人主要能够利用其激光传感系统检查工件的位置,并除了四指抓爪外,还使用一根细的真空吸管来精确定位每一片盖板玻璃。
天衣无缝的团队:KR AGILUS 作为搬运机器人,TRUMPF 公司的 TruLaser Station 7000 则负责 3D 激光焊接 © Stefan Hobmaier,TRUMPF

第四步:天作之合

机器人单元对接在 TruLaser Station 7000 上,但可以灵活地拆卸下来进行保养。单元的工件仓包含四个抽屉,总共可以容纳最多 960 个工件。KR AGILUS 拾取这些工件,将其运输至激光焊接设备中——每个焊接过程分别加工两个套筒和准确放在上面的盖板玻璃。焊接完毕的目镜罩被同样重新放置在工件仓内。据 Joachim Burkert 介绍,这台 KUKA 机器人具备了非常合适的技术前提条件:“我们将久经考验的 KUKA 控制系统和熟悉的操作面板与我们公司的组件结合在一起。机器人安装在专门为其研发的 MRC flextray 单元上。我们经由 Profibus 与西门子控制系统建立了安全连接,从而能够顺利与 TRUMPF 系统进行通信。”
用 wbt automation 公司设计的专用抓爪进行拾取和放置。它使用一根真空吸管确保定位坯件 © wbt

第五步:赢得质疑者的信任

Wolfgang Karl 已在 KARL STORZ 公司工作四十年,是公司的激光专家。他承认自己刚开始曾持怀疑态度。“我当然对研发有疑问。机器人如何抓取零件?可靠性有多高?如果因为发生故障,抓爪一次只放入一个零件,但要向外运输两个零件,该怎么办?我们怎样百分百保证不会有问题?”Joachim Burkert 介绍说,wbt automation 给出的答案是“运用 KUKA.Sim 模拟软件事先进行完整的模拟”。Burkert 说,该集成商借助数字孪生技术,能够“在硬件完成之前就展示出整个产品”。“这完全扫除了我的疑虑。”Wolfgang Karl 强调。 
Wolfgang Karl 是 KARL STORZ 公司负责全部激光工艺的专家 © Stefan Hobmaier,TRUMPF

第六步:经受日常生产考验,输出高品质

结合合适的激光器——这里是一台功率 500 瓦的光纤辅助型 TruFiber 500——开启了自动化生产的序幕。最后只剩下让员工放心。他们现在尽管不再需要给焊机装卸料,但主要是负责装填抽屉、操作机器人,以及进行质量检查。Sarah Mühleck 介绍说:“我们没有辞退任何人,反而是通过自动化抵消了一名员工退休而减少的人力。不过有些员工怀疑自己能否胜任这项新的技术。”wbt 公司对 KARL STORZ 公司员工开展了培训,包括图特林根和维德瑙生产基地,最终打消了他们的顾虑。
灵活的 3D 激光焊接设备:机器人随时可与激光系统脱开 © Stefan Hobmaier,TRUMPF

“焊缝优异”

过了半年多,Sarah Mühleck 总结道:“我们的每位员工都能操作这台机器人,在我们的整个轮转的系统中,这个工作站最受欢迎。”该项目的所有参与方首次会面六个月后,配备 KR AGILUS 机器人单元的 TruLaser Station 7000 在维德瑙工厂投入使用。它取得的成效可以清楚量化:装卸料工作在手工劳动时平均需要十秒,机器人只需要两秒。不过据 Sarah Mühleck 称,最重要的是:“质量有保证,焊缝极其优异。而且系统十分可靠,不会有东西掉出来。”
Sarah Mühleck 正在进行质量检查:只有将盖板玻璃和套筒完美焊接在一起,做好的目镜罩才能使用 © Stefan Hobmaier,TRUMPF

结论:此次自动化具有灯塔效应

TRUMPF 公司产品经理 Axel Frey 博士同样对该自动化项目大为赞赏。“将零件放入激光焊接系统内再从中取出,而且具有相当高的流程可靠性——这样的任务真人员工尽管可以做到,但一是达不到这样高的速度,二是没法保证百分百恒定。但是这个流程要求全天候保持恒定,并且质量始终很高。”维德瑙工厂的 TruLaser Station 7000 就成功做到了。此外,“我向一些美国医疗技术工作者介绍了这个项目,得到了他们非常正面的反馈。从许多方面来讲,这次的自动化都是具有灯塔效应的项目。”
拾取 – 放置 – 焊接!激光焊接设备提供了极高质量的内窥镜 © Stefan Hobmaier,TRUMPF

我们的每位员工都能操作这台 KUKA 机器人,在我们的整个轮转的系统中,这个工作站很受欢迎。

KARL STORZ 公司维德瑙生产基地负责人 Sarah Mühleck

坦然面对新的挑战

对于 Joachim Burkert 而言,激光焊接系统和机器人随时可以快速相互脱开的事实,使得该解决方案特别适合未来的发展。“如果五年后 KARL STORZ 公司给机器人找到了另一项任务,员工可以在不到一分钟时间内脱开单元的对接,并给 KR AGILUS 分配新的任务。或者给 KR AGILUS 分配两台不同的激光器:白天用其中一台激光器工作,晚上则用另一台。”不过目前 KARL STORZ 公司的所有人都不想有任何改变。大家都很满意人、机器和 KUKA 机器人能够各司其职。“我们认为,”生产基地负责人 Sarah Mühleck 总结道,“这样的合作非常成功。这让我们都有兴趣去重复做这样的事。”

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