设计您的产品，为自动化设计设计

忘记调皮或善良吧。消费者想要什么就想要什么。制造商必须按市场能承受的价格交货。随着全球制造商竞相向市场推出新产品，并努力在提高制造效率的同时削减成本，自动化和机器人成为今年许多人的头号愿望。中国曾经是低成本劳动力的故乡，如今在机器人竞赛中处于领先地位.

随着全球劳动力成本上升，大规模定制成为常态，自动化和机器人技术预计只会激增。即使是传统的劳动密集型行业鞋类和服装行业正在采用更多的机器人自动化以及改变产品设计，以利于无缝粘合织物的自动化生产。你运动鞋里的机器人？耐克做到了，而且阿迪达斯明年也会这么做.

设计工程师知道产品成本的85%是在设计阶段决定的。所以你越早开始关注自动化制造过程，以及它如何影响你的设计，就越好。当您预先做出明智的设计决策时，您就可以降低成本，提高效率，提高质量，并加快上市时间。但你不能独自完成。在这场竞赛中，你需要一个值得信赖的自动化合作伙伴。

“有很多杰出的设计师——工业设计、人体工程学、机械工程师、电气工程师、系统建筑师——他们设计出了令人惊叹的产品。”Jabil Circuit Inc.价值工程高级总监Mike Answeeney说，“但令人惊讶的是，这些才华横溢的工程师中有许多人对批量生产环境中的生产能力几乎没有概念。”

DFX和Producability
可生产性是指在规模经济下生产产品的容易程度。这通常取决于产品的特性和设计特性，使其具有经济的制造、装配和可用技术的检验或测试。随着快速、可靠地交付产品的全球竞争达到疯狂的速度，自动化生产能力日益受到关注。

捷普总部位于美国佛罗里达州的圣彼得堡，是全球知名品牌的高产量代工制造商。2015年4月，Jabil在硅谷成立了蓝天中心，这是一个具有未来工厂能力的创新中心，可以孵化从视觉到原型，再到全球生产的想法。贾比尔的客户名单读起来就像高科技电子行业的名人榜，他对如何为自动化制造设计产品以及如何加快产品在全球范围内推向市场略知一二。

“我经营的公司叫做价值工程，主要是关于产品优化，”Answeeney解释道。“我们希望尽早参与产品开发，我们的工作是帮助这些优秀的设计工程师在生产环境中做出良好的生产决策。”

Jabil一直是自动化装配(DFAA)设计的热心倡导者。零件设计考虑，如最小化装配所需的机器人运动数量，以降低复杂性和成本;增加自动调整的管理单元功能，以减少对螺丝或其他紧固件的需要;在这篇关于自动化装配设计的文章中，Jabil的工程师分享了DFAA的几个例子，其中包括防止自动分配胶粘剂流失的沟槽或通道。

DFX，或为X设计，其中X可以等同于任何一种举措，如为装配设计、为成本设计、为测试设计、为维修设计或为物流设计，是一种主动的方法，以优化产品的结果。自动化制造的设计从等式中去掉了人的因素，并要求产品设计师和自动化工程师共同研究产品设计如何在很少或没有人干预的情况下适应自动化过程，从固定的自动化到有机器人的灵活自动化。

早越好
该协作什么时候应该发生？在CAD设计阶段或凌乱涂上鸡尾酒餐巾纸的涂鸦？自动化专家同意，较早的同意。

“我们希望尽早参与进来，”斯威尼说。“在概念阶段，甚至是在产品的人的因素和ID开发阶段，如果能参与进来，并向市场营销人员和ID开发人员提供建议，那就再好不过了。因为最终，一旦他们开始开发外观和感觉，以及产品如何从人体工程学的角度实际使用，这将定义很多形状和产品本身的一些功能。这些都是设计中的多米诺效应。”

如果你的产品是大批量生产的，而你没有在早期进行这些讨论，那么你可能需要改变设计以降低成本。但一旦设计进入生产线，改变产品设计的成本可能是巨大的。

在医疗器械市场尤其如此。自动化设计的早期干预是至关重要的，因为在监管部门批准后，即使是很小的设计更改也非常困难。看看这个关于自动医疗设备组件设计的文章.

“在事实之后，不再进入并不得不进行成本降低，并且在早期涉及并避免成本，”Answeeney说。

这一点在硅谷表现得最为明显，那里的初创企业和风险投资家的竞争已经达到了白热化的程度。

L2F，代表Lab2Lab™ （从实验室到大规模制造）是硅谷的稀有物种。L2F成立于2011年6月，是西海岸少数几个工业机器人集成商之一，也是唯一RIA认证机器人集成商在加利福尼亚。基于Fremont的Integrator在电子设备，食品和饮料，汽车，包装和生物医学行业中提供了自动化制造工艺的体验。

虽然谷谷的快节奏启动世界，但L2F的Cofounds都是密歇根州肯特大学的毕业生，在那里他们赢得了本科工程学位。

首席执行官肖恩•兰格表示:“我们是中西部人，热爱制造业，恰好非常喜欢硅谷的创业氛围。”在联合创立L2F之前，肖恩•兰格曾在三菱电气自动化公司(Mitsubishi Electric Automation)工作了六年。“如今我们做的几乎所有事情都是机器人。”

“通过将我们的工作文化和敏捷方法引入到项目管理的方式中，我们已经能够追逐所有这些不同的市场，”他的共同创始人兼L2F总裁德里克·皮耶茨解释道。两人还参加了圣克拉拉大学的硕士课程。

Pietz继续说道:“我们能够快速迭代设计，并快速了解客户的产品、内部流程和制造流程。“工程技术和产品开发专业知识紧密结合在一起。我们成功的关键在于这种源自硅谷的敏捷开发方法。你必须和你的客户一起从零开始开发产品。在开发过程中，你与客户的互动越多，结果就越好。”

Pietz将集成商的成功归功于这种敏捷开发方法和L2F的协作环境。

他解释说:“我们有很多客户，他们只有三个人，手里拿着一大堆钱，在一幢空楼里，试图推出自己的产品。”“我们必须与他们一起迭代产品、流程和设备。他们甚至可能不知道自己到底想要什么，所以你必须从一开始就合作开发这个概念。”

值得信赖的自动化合作伙伴
兰格说，公司应该尽早引进这些技术。

他表示:“我们目前最好的合作关系之一是，我们在客户成立公司30天内就与他们建立了联系。”“早期，我们一直在寻找这类公司。现在他们正向我们走来。只是需要在硅谷立足的机器人制造商正在向我们走来。我们是这里唯一通过RIA认证的公司。”

他说，他们的大多数客户最初并不了解机器人工业协会是做什么的，以及严格的集成商认证过程的重要性。

“然后我们向他们解释什么是认证过程，RIA如何看待我们的过程，我们如何做事，我们拥有什么类型的人才，我们进行什么样的培训，等等。我们喜欢将其解释为我们所做工作的ISO认证。”

RIA认证机器人集成商计划支持集成商的最佳实践，并将保护终端用户和供应商.

“人们会打电话给我们，帮助他们摆脱困境，”应用制造技术(AMT)的业务发展总监乔丹·梅里布(Jordan Merhib)说。AMT是一家获得RIA认证的密歇根州猎户座机器人集成商。“对我们来说，这是一个非常常见的故事情节。他们通常会花更多的钱来摆脱困境。”

这家自动化工程公司希望你能省钱，让他们把你从麻烦中解救出来。AMT专业从事物料搬运、机器抚平、涂层、点胶、组装、包装、码垛和焊接应用。

Merhib解释道:“我们并不是真正专注于特定的市场。“因为我们在底特律已经有一段时间了(26年)，我们在车身车间和动力总成部件方面做了很多工作。在过去的8年里，我们在其他行业进行了相当多的多元化经营。这包括食品和饮料、医疗设备制造、生命科学和替代能源。

“我们在很多行业和大量应用程序中都有经验，因此我们可以客观地看待某人的制造问题，并帮助他们弄清楚解决它的正确方法，”梅兰安说。“在制造中，有许多在行业中类似的过程。我们能够帮助许多新的自动化公司。他们可能有一个问题，他们认为他们的行业是独一无二的，但我们在其他行业看到它，所以我们可以帮助他们弄清楚如何自动化它。“

他赞同其他人关于尽早让自动化合作伙伴参与产品设计过程的观点。

“一旦你在考虑如何生产产品，就把我们带进来，”Merhib说。“如果我们得到一个足够早的机会，很多时候我们会就他们可能如何改变自己的产品来帮助实现自动化提出建议。”他举了一个具体的例子。

“我们有一家公司来到我们，设计用于水产品的产品，”Merbip解释道。“他们的产品的魔力是在软件中以及他们将如何将该软件介绍到您可以通过蓝牙设备远程控制的产品。然后他们必须实际设计并建立一个可以进入水系统的物理产品。但他们对制造有任何了解。

该公司转而求助于AMT来帮助他们实现自动化装配。

“产品的一部分有一个电子元件，它有电线，必须焊接到它，”Merhib解释。“我们看了他们的原型设计，然后说，好吧，这很好，但如果你按照这个顺序建造它，你需要一个人把它拆开，焊接电线，然后再把它重新组装起来，这是非常不切实际的。我们向他们解释，他们可以使用快速断开连接，这使你能够在不损害功能的情况下按顺序构建产品。”

Merhib说，模拟在自动化制造的设计中起着关键作用。

Merhib说：“我们称之为数字制造的当前状态，实际上是模拟工具和3D建模，该软件现在处于一种状态，我们可以在实际生产之前虚拟制造零件。”。“通过这种方式，我们可以在许多问题出现之前预测它们，并建议对流程或产品设计进行更改以解决问题。”

他描述了一个特定的应用，其中略微调整所有差异成功地实施机器人水射流切割过程。

“我们正在使用一家太阳能公司，帮助他们的产品从原型到大批量制造，”梅布利爆炸。“这部分努力包括为其制造和装配过程的各个部分找到自动化解决方案。当评估机器人水射流切割作为其中一个玻璃部件的选择时，我们意识到其特定的设计公差超出了易于可用的机器人水射流解决方案的能力。

“随着Waterjet Integrators，我们调查了拨打其系统准确性的技术选择，但最终在进一步评估和讨论我们的客户之后，我们确定了玻璃组分的特定公差是不必要的紧张。我们证明，松动组件公差对最终产品性能没有影响，但它将允许它们在其工厂中实施标准的机器人水流解决方案。这正是他们所做的。

“任何人都可以购买集成系统的产品和组件，”Merhib补充说。“很多人会说，我不需要整合商。我去买这些东西，自己组装。但大多数时候，试图这么做的人没有经验，无法避免糟糕的自动化体验带来的缺陷。”

上市时间
皮茨说，对L2F的客户和他们在硅谷及其他地区服务的技术导向市场来说，自动化设计的最大优势是上市时间。

“新产品、新创新、新公司的上市时间，这才是关键。通过尽早观察自动化，您可能会跳过一些开发步骤。你也许可以证明某种程度的试点开发，让你更有效地迭代你的产品。甚至可能跳过一些以后不需要的自动化步骤。因为你成功地管理了风险，更有效地管理了终端用户体验，所以你可以提前几个月，甚至几年推出游戏。”

他说这对风险投资竞争也至关重要。

皮茨解释说:“风险投资家真正想看到的是几个关键的示范。”“首先，他们希望看到一个可行产品的演示，然后是产品的规模化能力。这就是早期拥有一个自动化合作伙伴的重要性所在。我们可能比其他系统集成商有更多的机械能力和产品开发能力。我们能够帮助完成最初的原则证明步骤，我们可以帮助某人在他们的投资者或客户面前获得有形的原型。然后演示一个试生产，以表明他们将能够有效地管理大规模生产。这将帮助他们获得A轮融资的吸引力。”

兰格说:“硅谷沙丘路的投资者和风险投资家没有耐心。“他们希望看到事情迅速发生。我们非常擅长与客户就这些技术路线图进行合作，并理解你需要向投资者展示什么。我们会帮助你达到这些里程碑，这样你就可以获得下一部分资金。硅谷在这方面做得比世界上任何地方都好，它让工程师们走到一起，非常迅速地创新。”

无论您的信任合作伙伴是一家自动化解决方案集成商还是合同制造商，自动化设计允许您扩展全球生产。

有自动化，将旅行
为自动化制造设计产品可以在制造设施的布局上提供更大的灵活性。

“如果您正在设计自动化组件，它还允许您将其放在世界上任何地方，”Jabil的Answeeney说。“你没有遵守劳动力成本。If you’ve designed it so you’re almost fully automating the assembly process, you can put that process anywhere, whether it’s in a high-cost labor region or a low-cost labor region, because you’re really talking about capital equipment cost at that point and that doesn’t change a whole lot from region to region.

“我们有很多情况下，客户将产品从一个CM（合同制造商）转移到另一个CM（合同制造商）”，Answeeney说。“他们现有的CM可能存在质量问题或产量问题，或者无法满足供需，甚至可能存在成本问题。他们可能在一级或二级制造商，也可能是美国制造商，在亚洲或低成本地区没有任何制造能力。他们的产量已经增长到一定程度在这方面，有必要签订更大的CM合同，然后将其转移到成本更低的地区。他们会找捷普这样的公司。”

手工或机器更容易
没有自动化的计划?所以你认为在产品设计中没有必要考虑自动化?再想想。在设计时考虑到自动化的产品通常也更容易手工组装。

Jabil公司的斯威尼表示:“我认为，提前为自动化设计要比事后强行实施自动化容易得多。”“如果你设计产品的目的是自动化组装或部分组装，这通常只是良好的设计实践。即使你最终还是手工组装它，当它被设计为自动化时，对组装者来说手工组装可能更容易，因为你在谈论镜像部件和自下而上或自上而下的组装。这是一个更简单的顺序过程。”

当产品设计为手工装配时，人工装配具有触觉反馈的优势。如果一个部件不能正确地组合在一起，他们可能会重新定位组件的位置，甚至扭曲和弯曲它们，以使它们更容易地组合在一起。

“当你将某件事自动化时，你就没有那么多的触觉反馈，”斯威尼说。“它必须具有非常高的可重复性和校准性，公差必须匹配，这些都是良好的设计实践的一部分。我认为每个产品都应该为自动化而设计。最终，无论你是自动化还是手工组装，它都会让事情变得更容易。”

灵活、精确的自动化
消费类电子产品越来越小，装配公差越来越小。灵活的自动化对于生产过程来说是至关重要的，当产品无法通过人工过程达到令人满意的精度、一致性或成本时。

看看这个由Jabil提供的关于灵活自动化的视频。

“可穿戴设备市场正在爆炸式增长，非常巨大!每个人都有某种腕带，可以监控身体的六种功能，”斯维尼说。“它们中的大多数要么是防溅的，要么是防水的。但在液体进入的水平上，要想让液体和液体不进入设备是有挑战的。你在一个非常小的设备里装了很多功能，有点灵活。可以一直穿，可以浸在水中，可以在淋浴时穿。一些需要容易组装的东西，一些大批量生产的东西。你是如何做到这一切的?

“你开始使用粘合剂把东西放在一起，”斯威尼解释说。他说:“要想让产品与你涂上胶水的小物件保持一致，唯一的办法就是自动化。但这又回到了如何设计装置本身，所以当你把产品放在一起时，不会有粘合剂被挤出来。

他继续说：“自动化将使你能够更准确地分配特定数量的粘合剂，而不是手动过程，即有人坐在那里用注射器，可能会或可能不会在该区域放置一整束粘合剂，而在该区域很少放置。”。“如果你是自动化的，你有一个非常确定的铺设粘合剂的路线和一个非常确定的分配量。然后，实际的装配过程可以自动化，所以你在产品的不同区域施加一致的压力，使它们结合在一起。然后你可以有视觉系统来确保t组装过程中没有任何外观问题或间隙。”

关键注意事项——把握住
L2F的Pietz说，他们的大多数机器人应用于材料处理或组装，通常是小零件组装。使用物料搬运时，零件可能会更大，在700千克范围内。他详细阐述了设计自动化处理产品时的几个重要考虑因素。

他说:“我们通常设计整个手臂末端的工具和送料系统，以及向机器人展示部件。”“确保有地方把这个讨厌的东西捡起来是非常重要的，有一些安全的操作区域。如果这个部位很脆弱，就很难找到地方抓住它，或者用吸盘把它吸走。有时，有一个额外的法兰或至少一个区域是安全的抓地力是有帮助的。如果有一个我们不应该接触的装饰性表面，他们需要确保提供一个非装饰性表面，让机器人进行接触。”

“了解有多少不同的产品需要在同一块自动化中运行和以智能方式组建这些产品也非常重要，因此您不会为您的进程增添太多复杂性，”他补充道。

他还表示，包括包括允许对齐组件对齐的功能是很重要的。这些可包括引导件，导销，棘爪或倒角。

“如果你想把轴推进孔里，如果轴的第一部分直径更小，更容易进入孔里，那么你可以直接把它推进孔里。同样重要的是，在组装好组件后，要包含一些对检查组件有用的东西，这样您就知道您正在生产良好的组件。这些可能是可以用机器视觉识别的标签、法兰或标记。”

皮茨补充道，仔细使用对称来设计各个部分是一个很好的策略。

“如果部件可以是无限的对称的，那么在我们得到部分之后，他们的方向无关紧要，这很好，因为它可以让抓握更容易，”Pietz解释道。“或者如果部件显然是不对称的，那么我们也可以利用它来保持系统简单，并使用对准，抓握特征或识别和识别来利用不对称。”

把它放在你的景点中
随着摄像机和支持软件的成本继续下降，机器视觉越来越多地成为自动制造过程的组成部分。

“我们真的很喜欢视觉或非接触式传感器，”L2F的兰格说。“现在很多机器人制造商都有很好的机器人包装。视觉的关键是尽可能消除部分的反射率。每个人都喜欢把东西做得漂亮闪亮，但视觉很难识别零件的细节，因为它们会反射，会模糊东西。你可以摆弄灯光，做各种各样的事情，但那时候视觉的开发成本开始变得很高。当你需要开始偏离每个机器人配备的标准检查摄像头时，你将增加成本。”

快速接受最新的机器视觉功能，退房最新的传感器提供更高的速率-分辨率.

Jabil公司的Answeeney提供了一个使用机器视觉实现自动化的人工检查过程的例子。

他解释说:“我们当时在亚洲制造一种产品，是一种安装在机架上的系统，在前端用户界面面板上有一堆led。”“这涉及人工检查，所以有一个真正的人来寻找校准，亮度或强度，led的颜色一致性。如果你有两个相邻的红色led，你希望红色是相同的。你可以在成批的led中得到类似的变化。

“手动过程涉及到主观性，”Answeeney说，并指出，当人类进行检查时，“失败逃逸”的风险总是更高。因此，在与客户讨论并进行测试以显示影响之后，Jabil继续自动化视觉检查过程。

“我们有一个摄像头，可以让我们看到led的排列，”他说。“这让我们可以观察颜色的一致性，亮度，以及它们是否真的安装和运行。它消除了生产线上在线检验员的需要。它允许更大，更快的检查过程，和更一致的检查过程。我们的产量上升了，(产品)收益下降了。这使我们的客户非常高兴。

“客户总是希望降低成本，所以这是我们一直在关注的问题，看看我们能否在制造组装过程中实现自动化，”斯威尼补充说。“有时会有更高的前期成本，但在产品的生命周期中，自动化会降低成本。它减少了经常带来风险的手工工人，减少了对产品的身体接触。不干涉组装越多越好。”

Answeeney说，人类在装配线上可以提供反馈，但它是主观的。

他解释说:“两名检查员可能目睹了同样的失败，但对它的分类却不同。”“因此，用视觉系统和传感器实现这一电子自动化过程，并将其全部放入一个能够远程访问和运行数据分析的数据库中，这是未来工厂的一个重要组成部分。”

连接、物联网和数据——现在的未来
L2F的首席执行官说未来的工厂就在这里。机器对机器（M2M）通信、物联网（IoT）、云计算以及它们所产生的所有数据正在工厂内迅速增加势头，甚至比我们在1月份的1月版上预测的还要快2015年及以后的机器人技术：协作、连接、融合.

兰格说:“我们坚信任何地方的数据都可以生成、捕捉和趋势化——去做吧。”“如果你能在被拒绝的时候拒绝，那就更好了。很多检查都是在整个组装完成后进行的。但是今天有了技术和自动化，他们可以收集数据，你可以实时看到事情发生。你可以说不要把剩下的部分放进去，不要浪费这些部分。没有缺点，这在汽车制造业是很重要的。让我们不要让错误继续前进。要么马上解决，要么把它赶出系统。”

“物联网和工业物联网(IIoT)就在这里，”兰格说。“尽可能多地获取数据。看看电流，看看电压和马达。来自机器的数据可以真正改善你的制造过程。我们已经有一个自己的MES连接产品，你可以从我们的货架上购买。该系统几乎可以连接到任何PLC，我们可以深入到地板上的工具和提取信息，以帮助提高生产，产量和吞吐量。这是非常强大的。”

“我们包括大多数机器的能源监控，以便人们可以减少他们的能源使用情况，这对于客户来说是巨大的。数据和IIOT是创新的成熟。我们将其设计为从Get-Go的系统中。“

兰格说:“没有数据，你就无法进行持续的改进。”“我认为这就是为什么很多人搞不清楚物联网及其在制造业中的工作原理，因为实际上你必须首先进行数据收集，并在知道它有多有用之前查看数据。”

兰格引用了一个在食品和饮料行业从未实现过自动化的应用实例。

“整个项目参数是减少体力劳动。这是一个非常密集的操作，人们无法处理超过10或15分钟。因此，我们开发了一个具有多个机器人的自动化解决方案，它将他们的运营从五个人到两个人。从Get-Go的情况下给了他们两年或更短的投资回报率。“

但他表示，真正的优势是出乎意料的。

“在我们部署了我们的系统并对质量检查有了设想之后，我们开始拒绝接受他们的一批产品。当我们进行了所有这些修复后，我们达到了有史以来最高的一天总生产率。”

他说，这是该客户50多年历史上的最高价格。

“我们并没有勉强达到目标。我们砸碎它!他们现在平均每天能多生产25%的产品。它们达到了理论上限的90%左右，而大多数食品和饮料行业的理论上限约为80%。”

兰格说，在你开始安装传感器和软件并检查数据之前，你不会意识到你有多大的改进空间。

在产品设计的早期阶段探索自动化的可能性(和挑战)，从一开始就邀请自动化专家，并关注可能在很大程度上影响周期时间、质量和成本的小细节，这些都是2016年及以后良好的制造策略。你的举动。

本文介绍的RIA成员：

• 应用制造技术有限责任公司
• Jabil Circuit Inc.（用户成员）
• L2F公司