Job Shops: Omarm automatisering voor high-mix, low-volume productie

Denkt u dat automatisering te moeilijk is in een high-mix, low-volume omgeving? Denk opnieuw

Robots en job shops zijn doorgaans niet samen genoemd. Immers, iedereen weet dat automatisering alleen geschikt is voor high-volume productie, en de typische moeder-en-vader operatie is alles behalve dat – het schema vol met orders voor high-mix, low-volume, en vaak hoog complexe werk. Wie heeft een robot nodig in deze omgeving, waar setups meerdere keren per week, of zelfs dagelijks uitgevoerd worden?

Voordat u naar het volgende artikel slaat, wilt u misschien een paar dingen overwegen. Voor een ding, suggereren veel experts dat, ongeacht wat de eigenaren zich misschien vertellen, job shops de laagste machinebenutting in de industrie lijden. Overall equipment effectiveness (OEE) waarden van 50 procent of lager zijn niet ongewoon. Automatisering is een duidelijke oplossing om dit cijfer te verbeteren.

En omdat machine changeover vaker is in job shops, zijn meer gespecialiseerde freeskundigen en programmeurs nodig om setup-gerelateerde activiteiten uit te voeren – mensen die hogere salarissen eisen en moeilijk te vinden zijn. Dit drijft de operationele kosten op, vermindert kansen voor extra werk, en maakt rond-de-klok productie uiterst uitdagend. Gegeven het tekort aan gespecialiseerde werknemers, zou automatisering daarom de Heilige Graal moeten zijn voor elke job shop, zelfs als implementatie misschien geen makkelijk pad is.

Mogelijkheden voor Plug and Play

De vraag is, waar begin je? Zach Spencer heeft een paar ideeën. Een custom proposal engineer voor Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., merkte hij op dat automatisering dicht bij een plug-and-play aangelegenheid kan zijn, vooral wanneer inbegrepen als onderdeel van een nieuwe machine tool aankoop.

"We hebben onze JobShop Cell bijna 15 jaar geleden ontwikkeld, en het is sindsdien een van onze populairste automatiseringsoplossingen voor de FANUC RoboDrill geworden," zei hij. "Het is ontworpen voor winkels die tenminste enige changeover per dag hebben, beperkt zijn in vloerruimte, en de flexibiliteit nodig hebben om gemakkelijk van het ene naar het andere onderdeel te schakelen."

De JobShop Cell is beschikbaar in twee configuraties, legde hij uit. Één gebruikt een over/under transportbandregeling om rauwmateriaal naar de robot te brengen en afgeronde onderdelen weg te nemen, terwijl de andere een kast gebruikt met een reeks laden voor werkstuk- en materiaalopslag. Beide gebruiken een FANUC-robot om de machine (of paar machines, in het geval van Methods' Twin RoboDrill JobShop Cell) te laden en lossen, en beide bieden een manier om een CNC onbegeleid te laten voor uren of zelfs een complete shift, afhankelijk van het werkstuk.

Voor hogere volumes biedt Methods zijn Plus-E aan, een multi-pallet, elevator-stijl automatiseringssysteem voor mid- tot high-volume jobs, alsook de Plus-K voor winkels die machine setup en operatie willen automatiseren, met de mogelijkheid om toolhouders, voorge Laden schroefspannen, en fixateurs uit te wisselen. "U kunt het systeem vertellen dat deze vijf schroefspannen Deel A zijn, de volgende twee schroefspannen Deel B, de erna Deel C, en de volgende tien Deel D," zei Spencer. "Daarna laadt u het op met materiaal en gaat u naar huis. Beide Plus Series machines zijn zelfstandige eenheden die naast een RoboDrill staan, en perfect voor winkels die zoeken naar een gemakkelijke manier om in automatisering te stappen."

Neem De Trolley

Methods is niet de enige aanbieder die deze benadering hanteert. Eric Nekich, verantwoordelijk voor operaties, technologie, en inside sales bij Lang Technovation Co., Hartland, Wis., zei dat het bedrijf's RoboTrex automatiseringssystemen een FANUC-robot en tot vier bewegbare trolleys gebruiken, elk met een aantal voorge Laden schroefspannen. De RoboTrex 52 kan bijvoorbeeld tot 42 schroefspannen per trolley opslaan (gebaseerd op onderdeelgrootte en trolley-configuratie), potentieel biedend onbegeleide bewerking van 168 werkstukken.

Als de JobShop Cell, is de RoboTrex zelfstandig en volledig afgeschermd, maar kan ook geïntegreerd worden met een verscheidenheid aan bewerkingscentrum merken en modellen. De enige struikelblok is het om je hoofd te wrappen om de noodzaak om te investeren in een paar van Lang's Makro-Grip vijf-as schroefspannen, vereist voor gebruik met het systeem (en gemaakt, toevallig, op 50 RoboTrex-uitgeruste bewerkingscentra bij Lang's fabriek in Duitsland). "Het is een investering met een erg snelle ROI, echter, want uw spindel-uptime zal drastisch stijgen met het RoboTrex USA-systeem," zei Nekich.

Michael Gamache is de business development manager bij New Berlin, Wis.-gebaseerde Gamache Systems, een divisie van Metalcraft of Mayville en de exclusieve integrator voor RoboTrex-systemen in de Verenigde Staten. Hij erkent dat sommige klanten kunnen schrikken van het investeren in een nieuw werkhouderysteem, maar bood enkele uitstekende redenen om dat juist te doen.

"Als bedrijfseigenaar begrijp ik het feit dat schroefspannen niet goedkoop zijn, maar vanuit een automatiseringsperspectief, is hoogwaardige werkhouderij de helft van de strijd," zei hij. "U moet het rauwmateriaal op een repetitieve, nauwkeurige manier naar de robot krijgen, en het Makro-Grip-systeem is een van de beste manieren om dit te bereiken. Verder is het systeem erg eenvoudig in te stellen en te bedienen omdat de robot de schroefspannen hankeert en niet een grote verscheidenheid aan rauwmateriaalgroottes; daardoor werkt één programma voor elk onderdeel."

Krijg Een Grip

Tyler Mardaus, een ontwerpingenieur bij Minneapolis-gebaseerde Kurt Manufacturing – Industrial Products Division, was het eens over de noodzaak voor hoogwaardige werkhouderij, hoewel zijn bedrijfsbenadering significant anders is dan die voorgesteld door Lang. "Ons Custom Engineered Workholding (CEW) team ontwerpt veel solenoïde-gecontroleerde, dubbelwerkende hydraulische systemen," zei hij. "Hydrauliek biedt hogere psi en daarmee grotere spankracht dan handmatige werkhouderij, terwijl de solenoïde elektronische activering van de schroefspanning via de robot of machinecontrole ondersteunt, wat een echt geautomatiseerd systeem creëert."

Hij voegde toe dat winkels hun automatiseringsreis moeten beginnen door de hoogste-volume jobs te targeten. En als er onderdelen zijn die een schroefspanning (of meerdere schroefspanningen) met bewerkbare kaken kunnen gebruiken, kunnen deze tijdens changeover uitgewisseld worden, wat de setup-tijd vermindert. Wat de investering betreft, is er geen ontwijken van de noodzaak voor een hydraulische pomp en leidingen, maar het kan mogelijk zijn om de bestaande handmatige schroefspanningen van een winkel te retrofitten met hydraulisch-vriendelijke moer-en-spindel assemblages.

"U moet streven naar het creëren van een gesloten-lus controlsysteem," zei Mardaus. "Dit begint met het installeren van een of ander onderdeel-zetbevestigingsapparaat, maar u moet ook verifiëren dat de schroefspanning op de juiste kracht gespannen is voordat de cyclus mag starten, en dat de schroefspanning losgemaakt is voordat de robot probeert het werkstuk te verwijderen. Al deze stappen zijn cruciaal voor elke geautomatiseerde bewerkingsoplossing."

Versnellen Van Werkhouderij Uitwisseling

Mardaus' opmerking over setup-tijdvermindering is spot on. Immers, waarom zou u arbeidskosten verminderen door automatisering als u uren dure downtime gaat incasseren elke keer dat u van job wisselt? De quick-change kaken die hij noemde zijn een uitstekende plek om te beginnen, maar als het budget toelaat, maakt een zero-point positioneringssysteem, zoals dat van Lang's Makro-Grip (en anderen), werkhouderijuitwisseling een een-minuut-oefening. Er moeten ook robuuste CAM-mogelijkheden zijn, met simulatiesoftware die de post-verwerkte toolpaths, toolhouders, snijgereedschappen, werkstukken, werkhouderij, en de machine tool zelf evalueert.

En zoals Dietmar Moll, director of business development bij Zoller Inc., Ann Arbor, Mich., uitlegde, moeten winkels een hoge prioriteit geven aan gereedschapsbeheer, beginnend met een offline vooraf-instelsysteem en geassocieerde software. "Een van de grootste voordelen van elke automatiseringsstrategie is dat machine tending en ander non-value-added werk overgenomen wordt door een robot of cobot, wat gekwalificeerd personeel vrijmaakt om belangrijkere taken te doen," zei Moll.

Offline gereedschapsvooraf-instelling is een van deze taken, maar er is ook grondige jobplanning, toolhouderonderhoud en organisatie, snijgereedschapsinspectie, en analyse van shopfloor data. Hiertoe biedt Zoller een verscheidenheid aan oplossingen ver ver voorbij toolsetting. De Bronze, Silver, en Gold level tool management solutions (TMS) laten een winkel zijn mogelijkheden verhogen zoals nodig, leverend significant hogere zichtbaarheid op productieprocessen en gereedschapsgerelateerde activa. En omdat deze kunnen communiceren met Zoller's "cora" collaboratieve robot, voegde Moll toe, dienen ze om "de lus te sluiten" door toolruimte-taken zoals gereedschapsreiniging en opslag te automatiseren.

Vergelijkbaar helpen de geïntegreerde gereedschapsopslagoplossingen van het bedrijf deze activa te organiseren, downtime en inefficiëntie verder reducerend. En wanneer de job voltooid is, kunnen deze zelfde systemen gebruikt worden om gereedschappen terug in de crib te checken, hun prestaties te beoordelen, en eventuele resterende tool life te registreren. "Dit helpt winkels beter te begrijpen welke snijgereedschappen goed werken en welke niet, hen de mogelijkheid gevend om processen verder te verbeteren en toolingkosten te verlagen," zei hij.

Planningsuggesties

Robuust gereedschapsbeheer is ook een essentieel deel van jobplanning, iets cruciaals voor zowel machine tool als robotbenutting. Voor Moll betekent dit weten welke jobs er als volgende in de rij staan en welke gereedschappen nodig zijn om ze te draaien. Voor Daniel Carranco betekent het meer dan dat, vooral in de context van automatisering. De director of continuous improvement bij Global Shop Solutions Inc., The Woodlands, Texas, merkte hij op dat alle winkels – geautomatiseerd of niet – een goed ERP- en planningsysteem moeten hebben, één dat ook de shopfloor kan monitoren en informatie over het bewerkingsproces kan verzamelen.

Het bereiken van de monitoring en dataverzameling deel van die vergelijking vereist integratie-vriendelijke ERP-software, machine tools, en robotica, wel. "We hebben situaties gehad waar de klant hun apparatuur met ons systeem wilde integreren maar ontdekte dat het softwareplatform gebruikt door die apparatuur bijna onmogelijk was voor ons om mee te werken," zei hij. "Dus het eerste advies voor iedereen die een geïntegreerde productieomgeving nastreeft is ervoor te zorgen dat alles effectief kan communiceren, en dat iedereen duidelijk is over de soorten en volumes van data die uitgewisseld zullen worden."

Communicatie, lijkt het, betekent meer dan het eens was. Waar ERP-systemen lang hebben uitgeblinken in het verzamelen van data van de mensen op de shopfloor, moeten ze nu ook data van robots en machinecontrollers verzamelen. Verder bevat deze data niet alleen de alomtegenwoordige jobnummer, productietijd, en hoeveelheid voltooid (of afkeur) die gebruikers gewend zijn, maar kan ook real-time materiaalverbruik, inspectie- en onderdeelkwaliteitsinformatie, machine- en robotstatus, enzovoort tonen.

"Er is zeker veel meer informatie beschikbaar vandaag dan er ooit was, en gegeven de juiste ERP-software, apparatuur, en integratie, kan al het naadloos en automatisch verzameld worden," zei hij. "Dit biedt volledig nieuwe kansen voor continuous improvement, maar belangrijker, het vrijmaakt werknemers om zich te richten op belangrijker dingen. Er is geen getijde tijd meer verspild aan handmatige dataverzameling, die vaak vlekkerig is, en mensen kunnen werken aan procesplanning en analyse."

Best Practices Een Boost Geven

Zoals Carranco suggereerde, moeten deze technologieën nagevolgd worden ongeacht een winkel's plannen om te automatiseren, aangezien allen dienen om operaties efficiënter te maken en de OEE-niveaus veel hoger. En wanneer de volgende stap wel genomen wordt – een robot of materiaalhanteringssysteem implementeren – zal de investering zich sneller terugverdienen. Aannemende dat u niet houdt van of geen van de pre-geconfigureerde systemen al besproken kunt gebruiken, wordt de vraag dan, "welke robot moeten we kopen, en hoe moeten we het implementeren?"

Dean Elkins kan er een aanbevelen. Een segmentleider voor materiaalhantering bij de Motoman Robotics Division van Yaskawa America Inc., Miamisburg, Ohio, zei Elkins dat job shops vaak een reeks geschikte robotische toepassingen presenteren, of het nu machine tending, onderdeel ontgraten, geautomatiseerde assemblage, of robotlas is. Het vinden van de juiste apparatuur voor deze toepassingen vereist echter een goed deel evaluatie en praten met kundige mensen.

"Het verantwoorden van een investering in automatisering hangt af van verschillende factoren," zei Elkins. "Natuurlijk, hoe groter de productiehoeveelheid, hoe meer het zinvol is om te automatiseren. Maar zelfs lagere volume, herhalend werk kan winstgevend zijn, mits de winkel de nodige stappen neemt om setup-tijd zoveel mogelijk te verminderen. Onderdelen met langere looptijden zijn ook goede kandidaten, evenals onderdelen met eenvoudige hanteringsvereisten."

Elkins merkte op dat de meeste job shops een kleine tot middelgrote vloer-gemonteerde robot – betekenis een payload van 5-25 kg – is alles wat nodig is om een batch onderdelen te ontgraten, een kist vol beugels te lassen, of een CNC-draaimachine te tenden nadat iedereen 's nachts naar huis gegaan is. Daarbij is echter een bepaald niveau van veiligheidsbeveiliging vereist, evenals grippers, een interface naar de machine tool, en mogelijk programmerings- en simulatiesoftware.

Morgen, Vandaag

En vergeet de training niet, waarschuwde hij. Automatisering is veel eenvoudiger dan het ooit was, toch gaat de slimmere job shop-eigenaar nog een extra investering in training doen, en een toegewijde persoon op de personeelslijst hebben om de robotica van de winkel te managen. Dat gezegd, collaboratieve en kracht-beperkende robots worden nogal populair, vooral waar vloerruimte een bezwaar is. Robots kunnen uitgerust worden met self-changing of quick-change grippers, wat de flexibiliteit vergroot. Visiesystemen kunnen vaak onderdeeltransportbanden elimineren of tenminste vereenvoudigen, en de mogelijkheid om een robot zijn taken te leren helpt de behoefte aan offline programmeringssystemen te verminderen. "Er is veel te overwegen," zei Elkins. "Daarom moedig ik iedereen die geïnteresseerd is in automatisering aan om hun huiswerk te doen, vragen te stellen, en te partneren met een betrouwbare integrator."

Acieta LLC, Waukesha, Wis., is zo een bedrijf. Steve Alexander, vicepresident van operaties, waarschuwt dat niet alle integratoren gelijk zijn. "Zorg dat u met iemand werkt die ervaring heeft met uw type werk en het vaardigheidsniveau om uw robotautomatiseringsproject te implementeren," zei hij. "Krijg referenties, ga hun eerdere installaties bekijken, en begrijp de kwaliteit van hun werk. Industriële robots zijn ontworpen om goed over 10 jaar te duren, dus u wilt ervoor zorgen dat alles anders in de cel ontworpen is voor een geautomatiseerde omgeving en net zo betrouwbaar is als de robot zelf."

Dit kan leiden tot een return on investment (ROI) van slechts een paar maanden, hoewel een jaar of twee waarschijnlijk een realistischere verwachting is. Veel daarvan hangt af van de toepassing, natuurlijk, maar het type robot speelt ook een rol. Zoals Elkins opmerkte, zijn collaboratieve robots – of cobots – de laatste paar jaar alle rage geworden, voornamelijk door hun gebruiksgemak en blijkbaar veiliger operatie in de buurt van mensen. Maar schijn kan bedriegen. Cobots kunnen langzamer en minder nauwkeurig zijn dan zogenaamde "industriële robots," wat de ROI kan vertragen, en zelfs de vriendelijkste cobot kan een mens schaden als gevestigde veiligheidsprocedures niet gevolgd worden.

Dit is waarom Elkins en anderen ten strengste een risicobeoordeling aanbevelen bij elke robotinstallatie. Hij stelde ook voor dat de beste benadering voor automatisering-nieuwkomers is om klein en makkelijk te beginnen. "Vind een enkel pijnpunt en versla dat eerst voordat u kijkt naar het toevoegen van additionele processen of complexiteit," zei hij. "U wilt succes hebben direct uit de startblokken zodat iedereen – de winkel-eigenaar, de machine-operators, en de mensen die de integratie doen – comfortabel zijn om door te gaan naar grotere of complexere projecten. Soms is de grootste uitdaging het krijgen van medewerker buy-in. Er is altijd de vrees dat robots mensen zullen vervangen, dus het is belangrijk om ze deel te maken van de implementatie. Educeer hen, betrek hen bij de roll-out, en wanneer ze ontdekken dat de robot hun werk eigenlijk makkelijker en interessanter maakt, zullen ze uiteindelijk uw grootste cheerleaders worden."