Verticale Operaties Automatiseren: Het Ideale Moment voor Alle Werkplaatsen

Veel werkplaatsen zeggen dat ze operaties willen automatiseren, maar hoeveel hebben dat daadwerkelijk gedaan?

Een artikel in de augustus 2017-uitgave van Manufacturing Engineering over lineaire pallietsystemen citeerde een industrie-expert die zei dat elke winkel die hij bezoekt wil automatiseren. Toch zei Errol Burrell, product-specialist bij Okuma America Inc. (Charlotte, NC) onlangs dat slechts 10% van alle machine tools geautomatiseerd is. En, volgens John Lucier, national automation manager bij Methods Machine Tools Inc. (Sudbury, MA), rapporteert de Robotics Industries Association dat slechts 3-4% van nieuwe machines een robot heeft.

Of we nu praten over lineaire pallietsystemen, eenvoudige pallet-wisselaars, of robots, het is duidelijk dat er een enorme kans is om Amerikaanse bewerkingsoperaties te automatiseren. Terwijl horizontale machines vaker geautomatiseerd worden dan verticale, zijn verticale bewerkingscentra prevalenter dan horizontale, dus het grootste onbenutte potentieel zit in het automatiseren van verticale. Geen wonder dat Greg Feix, vicepresident en general manager van de automatiseringseenheid bij Gosiger (Dayton, OH), zei dat zijn bedrijf een vijf- tot zevenvoudige toename in de automatisering van verticale machines over de afgelopen twee jaar heeft gezien.

Goede Oude Pallet-Wisselaar

De eenvoudigste vorm van automatisering, of op een verticale of een horizontale, is een draaiende pallet-wisselaar. De operator laadt onderdelen op een fixatie gemonteerd op de buitenste pallet terwijl de machine werkt aan dezelfde opstelling binnen. Wanneer de eerste set onderdelen klaar is, draaien de pallets en de operator laadt de afgeronde onderdelen uit.

Lucier zei dat dit investeringsniveau past bij de gangbare praktijk van 10% van de waarde van de machine tool vast te houden voor spanen en andere fixaties, maar het vrijmaakt de operator niet echt lang op een verticale aangezien je typisch slechts een paar onderdelen op één pallet kunt bewerken. Dus, hoewel veel mensen vragen naar dergelijke systemen, kopen er heel weinig.

De economie is iets anders voor horizontale, waar de meest gangbare aanpak zou zijn om een vier- tot vijfzijdige tombstone op de pallet te zetten om 4, 8, 16 of meer onderdelen tegelijk te bewerken. Maar zelfs dan is het een dure aanpak als je een varietà aan onderdelen moet bewerken aangezien ze elk verschillende werkvastmaking zouden vereisen.

Andy McNamara, director of sales, Doosan Machine Tools America (Pine Brook, NJ), zei dat er een andere optie steeds gangbaarder wordt die iets meer mogelijkheden biedt dan twee-positie draaiende pallet-wisselaars: Een werk-wisselaar met een arm die een pallet van een aangrenzende multi-pallet-station tillen en in de machine beweegt. Het pallet-station heeft meestal een draaiende trommel van 4, 6, 8 of meer locaties, de Erowa Robot Easy is een goed voorbeeld.

"Het is niet echt een robot, hoewel de hogere-eind systemen een werk-planningssysteem kunnen hebben, wat het dichter bij de mogelijkheden van een lineair pallietsysteem brengt." McNamara zei dat Doosan veel verzoeken voor dergelijke systemen op vijf-as machines heeft ontvangen en ze zien belangstelling in ze voor drie- en vier-as machines in de vorm- en matrice-industrie om elektroden en vormen overnachten te draaien, wisselend tussen onderdelen zoals nodig.

"Je ziet veel verschillende versies van automatische werk-wisselaars en draaiende pallietsystemen op de hogere-eind verticale in vorm en matrice," zei hij. "In job shops zie je integral of add-on pallet-wisselaars het meest frequent."

Het integreren van een articulerende robot lijkt de zoetste oplossing voor verticale. Lucier ging zo ver te zeggen dat verticale een veel makkelijker platform zijn om op die manier te automatiseren.

"Bij Methods zien we een hoger percentage verticale geautomatiseerd dan horizontale. Het automatiseren van de deur en het integreren van een robot is hetzelfde voor elk type machine. Het verschil komt wanneer je de kosten van de bijbehorende tooling versus de voordelen overweegt."

Zoals besproken, is het meest populaire gebruik van een horizontale het bewerken van onderdelen op een tombstone. Je kunt een robot gebruiken om pallets met tombstones in een machine te laden, en zelfs een robot op een rail gebruiken om een aantal machines te laden. Maar deze aanpak zou een substantiële robot vereisen en je zou nog steeds een operator nodig hebben om onderdelen op elke tombstone te bevestigen.

Als je het laden van de onderdelen op de tombstones wilt automatiseren, moet elke spaan voor hydraulica of pneumatica geleid worden, en een varietà aan onderdelen zou een varietà aan dergelijke fixaties vereisen, wat de hoge kosten van deze aanpak verder vermenigvuldigt. In veel gevallen is de betere aanpak, argumenteerden Lucier en Feix, om een kleinere robot te gebruiken om individuele onderdelen in een automatische spaan op een goedkopere verticale machine te laden.

"We hebben dergelijke automatisering vanaf onder de $100.000," zei Lucier, "compleet met in-feed, out-feed, en robot met end-of-arm tool. Vergelijk dat met een pallietsysteem waar de robot zelf $100.000 kost, laat staan de rail, de planken, de controle, enz."

Methods' meest populaire cel heeft twee spannen in de machine (Op 10 en Op 20) en de robot bedient beide spannen. "Vaker dan niet, zet ik die twee spannen op een trunnion-tafel zodat je omhoog en omlaag kunt draaien in een enkele as om drie zijden van het deel in elke greep te krijgen," legde Lucier uit. "De robot kantelt het deel, roteert het, en legt het in de tweede spaan om de andere drie zijden te krijgen. Op die manier kunnen we een deel in twee operaties voltooien en de robot doet je kantelen en herpositioneren."

'Aap in het Midden'

De inherente flexibiliteit van een robot maakt het ook mogelijk om meerdere machines te bedienen. Bijvoorbeeld, Methods, Doosan en Okuma leveren allemaal systemen waarbij drie machines drie zijden van een vierkant vormen, de vierde zijde is het in-feed/out-feed-station, en een robot speelt "aap in het midden," zoals Lucier het noemde. "Eenmaal je verder gaat dan drie machines, kun je niet echt alles om de robot passen dus gaan we naar een robot op een rail, die elk aantal machines kan bedienen door de rail te verlengen."

Natuurlijk wil je geen machines die wachten op de robot, dus de sleutelfactor is de deeltcyclus-tijd. Lucier's rule of thumb is dat als een deels cyclus-tijd 30-40 seconden is, één robot één machine kan bedienen. Voor een cyclus-tijd van 60 seconden, kan één robot twee machines bedienen. Als het 90 seconden is, drie machines en zo verder. Hetzelfde geldt voor een robot op een rail. Lucier gaf het gangbare voorbeeld van een vijf-as medisch deel met een zes-minuten cyclus-tijd, waarvoor "een robot op een rail vijf of zes FANUC Robodrills heel goed kan bedienen."

Snelle Wissels, Robot-Integratie

Naast de relatief lage kosten van verticale machine-tooling, is het makkelijk te wisselen. Zoals Lucier het formulierte, "Wisselen tussen deeltypes op een verticale betreft typisch alleen het wisselen van de spankaken. En op een tweede plaats na het wisselen van platen, weet een verticale machine-operator hoe spankaken te wisselen omdat hij het de hele tijd doet."

Een nog snellere en misschien meer kosteneffectieve aanpak is het gebruik van nul-punt-spansystemen aangeboden door Schunk, 3R, en Erowa. Met deze systemen kan een operator de nieuwe spaan buiten de machine opzetten en in seconden wisselen zonder de positie te hoeven hernul len.

"Je kunt deze spannen net zo snel wisselen als je pallets in een pallet-wisselaar kunt wisselen, hoewel je het handmatig moet doen," zei Lucier.

Het is mogelijk de handmatige werkvastmakingswisseling te elimineren. Gosiger's Feix zei dat Schunk en ATI automatische end-of-arm-tooling quick-change units maken. Gosiger heeft aangepaste automatisering geïnstalleerd waarin de robot de deelfixatie in de machine laadt, dan de end-of-arm-tooling wisselt, en dan de onderdelen laadt voor het bewerkingsproces.

Jack Cardin, projectmanager voor automatisering bij Doosan, was het eens. "Als de verandering in grootte te groot is voor een gripper-vinger-wisseling, of je wisselt van ID naar OD, ben je beter af de hele hand vanaf het polsgewricht van de robot te wisselen," zei hij. "We hebben er vier om te kiezen, allemaal van Schunk."

Lucier zei dat het deze "omringende" technologie is die de grootste verbetering in recente jaren heeft gemaakt, "automatisering flexibeler makend, en dus een makkelijkere keuze om te maken."

Het opzetten van de robot voor een volledig nieuwe job neemt een ervaren operator ongeveer 30 minuten, zei Lucier. Als het een herhalingsjob is en je het robotprogramma hebt opgeslagen, is de opstelling slechts ongeveer 15 minuten. Dus als je bedenkt dat een typische job een dag of langer draait, benadert de changeover-tijd onbetekenendheid.

Toegestaan, de niet-bewerkingstijd voor een systeem dat een robot in en uit een machine beweegt voor elke deelswisseling is hoger dan een typische pallet-wisselaar-opstelling met meerdere onderdelen op de pallet. Maar de flexibiliteit van robotautomatisering stelt gebruikers in staat om een hogere mix van laag-volume jobs te automatiseren met minimale tooling-kosten.

In sommige opzichten is de robot zelf het makkelijkste deel van het systeem om te begrijpen als je automatisering overweegt. Lucier zei dat het engineerings van het in-feed/out-feed-systeem het grootste deel van zijn tijd in beslag neemt. Methods partner exclusief met FANUC en zijn faam geel robot. Zoals Lucier het formuleerde, "De robot is geel. Ik kies de juiste grootte voor de job en dat is het." Het uitdagendere probleem is of de onderdelen aan de robot gepresenteerd moeten worden vanuit een transportbandsysteem, in een bak, in lades, of een andere optie.

Okuma's aanpak is om een verticale machine te leveren met zes-poort hydraulische en pneumatische manifolds die het makkelijk maken geautomatiseerde werkvastmaking te integreren, terwijl het vertrouwt op partners zoals Morris, Gosiger, en Hartwig om de eindgebruiker te helpen met automatiseringsoplossingen. Okuma heeft ook een rapid deployment-team bij zijn VS-hoofdkwartier in Charlotte om elke machine die uit Japan binnenkomt te wijzigen met geautomatiseerde deuren, lasers, en tasten om automatiseringsintegratie mogelijk te maken.

"Al onze machines kunnen ook gekit worden met een Anybus-systeem zodat ze kunnen communiceren met diverse automatiseringssystemen, of het nu FANUC, Erowa, of wat dan ook is," voegde Okuma's Burrell toe. Anybus-producten stellen industriële apparaten in staat om met elk fieldbus of industriële Ethernet te communiceren, of draadloos of met kabel. Anybus-producten worden gemaakt door HMS Industrial Networks Inc. (Chicago).

"We dwingen geen specifieke leveranciers op voor deze systemen," zei hij. "Veel mensen vechten voor supremaat als het gaat om werkvastmaking en robotica, net zoals wij vechten met veel bedrijven voor supremaat in machines."

Doosan's aanpak is drievoudig: Het biedt elke robot-interface die nodig is om lokale integrators automatisering op hun machines on-site te installeren. Het zal ook een aangepaste automatiseringsoplossing engineeringsen bij zijn hoofdkwartier in New Jersey. Derde, het biedt eindgebruikers standaard, voorgebouwde systemen genaamd DooCells die "een job shop een kosteneffectieve manier geven om in automatisering te komen," zei McNamara.

Elke DooCell heeft een robot en tot drie bewerkingscentra of draaibanken in elke combinatie. Het in-feed/out-feed-station is een lade-eenheid met drie tot vijf lades, afhankelijk van de hoogte en diameter van het deel.

"De lades openen in beide richtingen, dus de operator is aan de ene kant raw stock ladend of afgeronde onderdelen lossend terwijl de robot aan de overkant onderdelen verwerkt," legde Cardini uit.

McNamara voegde toe dat "veel klanten in een haast zijn en ze achtervolgen low-risk oplossingen die ze eerder gebruikt hebben en gewoon willen dat het gedaan wordt." Een eenvoudige, standaard oplossing als DooCell past goed in die aanpak.

Een Emmer en Warm Water

Naast de mogelijkheid om machine-types te mixen zoals verticale bewerkingscentra en draaibanken, geeft het gebruik van een articulerende robot om individuele onderdelen te laden je de flexibiliteit om andere taken te automatiseren, zoals wassen en ontgraten.

"Vergeet het $20.000 wassysteem," zei Methods' Lucier. "Geef me een emmer en warm water en de robot kan wonderen voor je doen. Het is een goedkope manier om onderdelen te wassen. Volgende stap: afblazen. Meer klanten leren hun robot gebruiken door een was- en droogcyclus te programmeren dan iets anders."

Lucier waarschuwde tegen te veel focus op het elimineren van wachttijd. "Laten we ervoor zorgen dat we de machine laden. Als je extra tijd hebt, is een beetje ontgraten of wassen geen slecht ding, maar er is geen reden om geobsedeerd te zijn daarmee. Als je geen robot had, had je een operator daar staan die je jaar na jaar moet betalen. Je koopt de robot een keer en hoeft nooit meer voor te betalen."

Return on Investment

Okuma's Burrell zei "de meeste mensen die investeren in automatiseringstechnologie zoeken een return on investment in 18 tot 24 maanden" terwijl ze gedreven worden om automatisering aan te nemen door een tekort aan arbeid. Maar dan realiseren ze zich dat robots die kloof kunnen vullen."

Lucier zei dat het makkelijk is om automatisering te rechtvaardigen wanneer de kosten ervan ruwweg gelijk zijn aan de kosten van de machine tool, en in de meeste gevallen betaalt een kleine automatiseringscel zichzelf in minder dan een jaar terug.

"Begin met basis," zei Lucier. "Half uur lunch. Twee 15-minuten pauzes. Dat ene uur per dag op een acht-uurs-dienst voegt 12% toe aan je werkdag. Wat anders kun je in je machine tool doen om je output met meer dan 10% te verhogen?"

Bovenop dat, zei hij, zal de output hoger zijn zelfs tijdens uren waarin een operator beschikbaar is omdat robots onderdelen consistent de hele dag wisselen.

"Als een kerel onderdelen in 10 seconden kan wisselen als eerste ding in de ochtend, zal hij waarschijnlijk niet nog steeds in 10 seconden wisselen om 15 uur. Je kunt ruwweg 85% actuele runtime met een operator berekenen, maar de robot levert tot 95% op omdat de enige tijd dat je moet stoppen is bij het wisselen van tools. Tel hierbij de mogelijkheid om onbegeleid uren na de dienst onderdelen te maken."

De graad waarin Industrie 4.0 en gerelateerde concepten geadopteerd zijn is debatterbaar. Maar als iets, helpt het automatisering verkopen. "We houwen van het wanneer mensen systemen implementeren die machine uptime tracken omdat ze geschokt zijn wanneer ze realiseren dat de daadwerkelijke spindle-benutting op hun verticale bewerkingscentrum gemiddeld maar liefst 40% is," zei Lucier. "Het is niet John Lucier de robot-kerel die je vertelt hoe slecht je een robot nodig hebt – het is jouw data."

Burrell zei dat hij nu automatisering ziet geïmplementeerd in winkels van maar 10 mensen en hij voorspelt dat zelfs job shops het een "must have" zullen overwegen. Hij voegde toe dat deze systemen in kosten dalen terwijl ze in intelligentie toenemen, dus hij verwacht enorme groei in verticale machine-automatisering.

Ten slotte, een case study van een contract-job-shop, verteld door Gosiger's Feix. De winkel wilde een verticaal bewerkingscentrum gebruiken voor kleine-lot jobs overdag en een volume-job overnachten automatiseren.

"Ze overwoogen een 30 x 16" [762 x 406 mm] capaciteits-frees en wilden een manier om de geautomatiseerde werkvastmaking te halen en te vervangen door een spaan elke dag. We stelden voor een grotere frees te kopen, 40 x 20" [1016 x 508 mm], en de werkvastmaking voor automatisering op de rechterkant van de tafel te zetten en de spannen die ze voor dagwerk nodig hadden op de linkerkant, zodat ze niet hoefden over te schakelen. Je zou dat nooit op een horizontale doen."

Maar het is het soort flexibele automatisering dat nu gemakkelijk beschikbaar is voor verticale.