Productie revolutioneren: Geavanceerde palletsystemen en robotica

Het bereik en de eisen van flexibele bewerkingscellen nemen toe

Naarmate geautomatiseerde productieprocessen evolueren van "leuk om te hebben" naar "moet hebben" in het kielzog van kwesties als tekorten aan gespecialiseerde werknemers, duiken flexibele productiesysteemconfiguraties op in nieuwe en spannende vormen.

Duidelijk is dat de COVID-19-pandemie fabrikanten heeft gestimuleerd om de toevoeging van robots aan palletsystemen te versnellen. Maar dat is niet de enige intrigerende wending die het FMS (Flexibel Productiesysteem) recentelijk heeft genomen.

"Flexibele productiesystemen kunnen vandaag de dag heel andere dingen betekenen dan in het verleden," legt Automatiseringsmanager Zach Spencer van Methods Machine Tools in Sudbury, Mass., uit. "In het verleden was iedereen gewend aan palletwisselssystemen om maximale flexibiliteit met hun machines te bereiken. Deze palletpools stelden klanten in staat om diverse spanningsmiddelen op diverse pallets te monteren en hun machines onbeheerd te laten draaien.

Vandaag de dag kan flexibele automatisering veel vormen aannemen. Dit kan variëren van gepalletiseerde machines, robots die pallets verplaatsen – zoals onze Plus-K en Plus-K60 automatiseringssystemen – tot complexere maar nog steeds gebruiksvriendelijke systemen als flexibele visiesystemen om onderdelen in te stellen."

Voor nieuwkomers in de automatisering adviseert Spencer om simpel te beginnen.

"We adviseren doorgaans om te beginnen met een kleiner en minder complex systeem om hun voeten nat te maken met automatisering – comfortabel ermee raken voordat een grote sprong wordt gemaakt. Voor ons kan dit kleinere of slimme type systeem betekenen: één machine bedienen in plaats van veel, en één batchrun uitvoeren in plaats van veel verschillende typen werkstukken tegelijk."

Oplossingen, groot en klein

Omdat het palletautomatiseringsbedrijf "het hart" is van Fastems, staat het Finse bedrijf aan de voorhoede van opkomende automatiseringstrends. De pandemie heeft de toevoeging van robots om onderdelen in FMS-opstellingen te laden en lossen versneld, aldus Mika Laitinen, solution sales director bij Fastems.

Andere bijkomende bewerkingen worden steeds vaker binnen dezelfde systemen geïntegreerd, voegt Christopher Rezny, Central U.S. regional manager voor Fastems, toe. Bijvoorbeeld, of een gedraaid of bewerkt wordt, het moet gewassen worden. Daarnaast moeten onderdelen gecontroleerd worden – of afzonderlijk of na een run van misschien 100. Gratvrije verwerking en automatische spanningladen kunnen ook uitgevoerd worden, en connectiviteit met AGV-systemen (automatisch geleide voertuigen) houdt materialen in de operatie stromen.

Oorspronkelijk ontworpen voor horizontale bewerkingscentra, kan het Fastems FPC (flexibele pallet container) systeem uitgebreid worden om tot vier werktuigmachines te bedienen.

"Voor de eerste keer, tenminste in Finland, zal deze motorblok automatisch geladen en gelost worden in dit type werktuigmachine met behulp van AGV's," aangezien het systeem zonder stapelkraan is gebouwd. De AGV verplaatst de bewerkingspallet van locatie tot locatie voor wassen, inspectie, gratvrije verwerking en afwerking. "We hebben ook sub-assemblage taken om bepaalde finale bewerkingsoperaties uit te voeren. En we hebben opslag. Dus we hebben alle elementen die we zouden hebben op een traditionele stapelkraan-gebaseerde FMS, maar nu is alles op één niveau" vanwege het componentgewicht.

Het gebruik van AGV's in plaats van een kraan is ideaal in een situatie als deze, vervolgt Laitinen, aangezien de bewerkingstijd vrij lang is – enkele uren – dus is er geen probleem met het langzamere laad- en losvoertuig voor de palletwissel.

Draaitijd en robots

Of palletsystemen nu lineair of rotatief zijn, met single of multiple-machine opstelling, de smaken van FMS lopen de gamut.

Bij DMG Mori vinden de LPP (lineaire pallet pool) en het basis RPS (rotatief palletsysteem) hun plaats in meerdere configuraties.

Voor een LPP is "het typische zoete punt voor een jobshop 24 tot 36 pallets en twee of drie machines en twee laadstations," aldus John McDonald, general manager voor ontwikkeling bij DMG MORI's productiefaciliteit in Davis, Calif. "Je hebt materiaalstroom in en uit de laadstations, werk in de wachtrij in het palletpoolsysteem, en de machines werken dag en nacht door."

Daarentegen is de RPS "een single-machine, single-pallet systeem," vervolgt McDonald. "Er zitten doorgaans vijf pallets in, en we gaan tot 21 pallets. Deze zijn geweldig voor, weer, werk in de wachtrij plaatsen. Je hebt niet zoveel deelvarianten, of je combineert het met een soort quick-change spanning zodat je je werkopstelling kunt veranderen."

Uiteindelijk is het juiste FMS voor een gegeven werkplaats degene die de onbeheerde draaitijd optimaliseert. Het gaat erom meer spindeluren per dag te krijgen en meer "walkaway"-tijd zodat werknemers andere taken kunnen uitvoeren, zegt hij.

De andere taak van het FMS is natuurlijk meer werk binnen te krijgen. "Ik heb klanten die aan mijn deur kloppen en zeggen: 'Hier is een job om te bieden, daar is een job om te bieden.' Wat ik zie wat op de meeste mensen drukt, is: 'Kan ik dit ding echt implementeren?' Onze privés technologie tours en educatieve evenementen laten deze klanten zien hoe deze tools daadwerkelijk samenwerken om die onbeheerde draaitijd te bereiken."

DMG Mori's LPS 4 software, gelanceerd in 2021, is de vierde generatie van het automatiseringssysteembeheer van het bedrijf. Hiermee kunnen fabrikanten enkele materiaalbeheerstappen elimineren door direct verbinding te maken met een ERP. Bijvoorbeeld, als een klant 500 blokken 6061 aluminium bestelt om waterpompen te produceren, legt McDonald uit: "Zodra je die waterpompjob hebt aangemaakt, kan je ERP-systeem de vraag naar het palletpoolsysteem sturen wat het als volgende gaat produceren. We hebben die handmatige link van iemand die data van het ERP in de LPS 4 software invoert, verwijderd; we hebben die lus gesloten door die twee te koppelen. Niet alle klanten zijn klaar om die niveau vandaag te gebruiken – maar sommige van de productievere winkels wel."

Ter illustratie van wat het FMS kan, draait DMG Mori een één-meter LPP met drie machines in de eigen machine shop, merkt McDonald op. "Het heeft een deelwassingstation, robotlading, hydraulische spannen en materiaalpallets. We bewerken de gietstukken waarmee we onze machines bouwen hier in onze Davis-fabriek. Een operator laadt het gietstuk op de materiaalpallet. Bijna al deze gietstukken moeten gekraand worden; ze zijn veel te zwaar om op te tillen. Ze worden gekraand op een pallet die lijkt op een vorkheftpallet. Het deel wordt daarop geplaatst, gaat dan in de palletrekken. De materiaalpallet gaat in de robotlaadstation, evenals de spanningpallet. Dus de robot pakt het deel op en laadt het op de spanning, waarna het deel bevestigd wordt met hydraulische spanking. En dan gaat het deel in het bewerkingscentrum.

Zodra die operatie klaar is, gaat het in de deelwassing; het deel wordt schoongemaakt om eventuele spanen of grit van getapte gaten te verwijderen. We hebben klanten die dat nog verder hebben genomen, waar we meetmachines en lasermarkercellen hebben geïntegreerd. Ook gebruiken sommige klanten de LPP in combinatie met ons gecentraliseerde gereedschapsbeheersysteem – dus niet alleen de werkstukken maar ook de gereedschappen in het machinemagazijn worden automatisch gewisseld. Typisch zien we OEM's dit soort cellen implementeren."

Methods dient ook de evolutie van simpele palletwisselssystemen naar robotgetende oplossingen met palletbeheersturingen, aldus Spencer.

"Eén heel succesvol systeem dat we hebben ontwikkeld en geïmplementeerd is ons RoboDrill Plus-K systeem," legt Spencer uit. "Dit systeem gebruikt een FANUC RoboDrill met een FANUC Robot om het te bedienen. Aan de robotkant zit de mogelijkheid om tot 60 werkstukken in het systeem op te slaan. Dit systeem heeft een palletbeheerfunctie ingebouwd in de machinebesturing die de operator in staat stelt specifieke programmamnummers toe te wijzen aan de diverse 60 stations waar onderdelen opgeslagen kunnen worden. Dit flexibele systeem stelt ook uitgebreide tooling op de machine toe, wat massaal nuttig kan zijn bij het werken aan diverse typen onderdelen in de 60 verschillende werkstations."

En high-mix, low-volume productie ligt niet van de hand, voegt Spencer toe. In die gevallen "raden we doorgaans een meer rigide oplossing aan. Bij elke automatisering of werktuigmachineverkoop proberen we de klant de ROI-berekeningen voor hun winkel te tonen om de verkoop van de apparatuur goed te keuren. We doen wat we kunnen om een ROI van 18 tot 20 maanden voor de klant te halen." Het Plus-K systeem van het bedrijf is op maat gemaakt voor high-mix/low-volume werk, voegt hij toe.

"We hebben groot succes gehad met de medische industrie met flexibele systemen. Ik denk dat een belangrijke reden hiervoor is de behoefte in de medische industrie aan een high-mix type applicatie. Hiermee bedoel ik dat ze doorgaans kleine batches kunnen draaien – tot misschien 10 onderdelen per keer – voordat ze een ander type onderdeel moeten maken. Dit leent zich perfect voor een flexibele oplossing die extreem makkelijk te veranderen is van het ene deelnummer naar het volgende."

Voor track-and-trace eisen, vervolgt hij, "bieden we celcontrollers die klanten helpen bij traceerbaarheid van onderdelen door systemen. Celcontrollers kunnen de uptime van apparatuur, alarmstatussen en geschiedenis, en machinegebruik monitoren. Deze systemen hebben doorgaans QR-code, barcode of RFID-scan mogelijkheden die de operator in staat stellen onderdelen in en uit de cellen te scannen tijdens productie. Deze informatie wordt doorgaans opgeslagen in een database lokaal aan de cel, waar het naar de server van de klant gekopieerd kan worden."

De laserhoek

Als lasersnijden en -lassen in het spel komen, krijgt een FMS een iets andere definitie, aldus Dominic Rickard, North America sales manager voor Prima Power Laserdyne, gevestigd in Brooklyn Park, Minn.

"Een flexibel productiesysteem voor 3D laserverwerking betekent een systeem bieden dat een breed scala aan laserprocessen kan ondersteunen, namelijk laslassen, lasboren en 3D lasersnijden," legt Rickard uit. "Het systeem moet de productiebehoeftes ondersteunen en aanpasbaar zijn voor toekomstige behoeften van het bedrijf."

Die aanpasbaarheid zou ondersteuning moeten omvatten voor:

-- Laag volume vandaag en hoger volume in de toekomst.

-- Een reeks materialen, van zachte staal, roestvrij staal en aluminium tot specialiteitsmaterialen. Schakelen van het ene hulpgas naar het andere via elektronische en programmatische controle is belangrijk.

-- Snelle veranderingen van het ene productieproces naar het andere – van lassen naar snijden naar boren en vice versa. Bijvoorbeeld, zegt hij, "LASERDYNE systemen kunnen schakelen van 3D lasersnijden naar 3D lassen in één tot twee minuten."

Verder adviseert hij, laser-gebaseerde FMS moeten real-time parameter- en procesinformatie leveren aan productie-/operatiemonitoringssystemen – en die informatie moet ook worden vastgelegd en opgeslagen voor toekomstige referentie en analyse.

"Vanuit ons perspectief is de grootte van het systeem of de machine onafhankelijk van flexibiliteit," zegt Rickard. "De grootte van het systeem wordt bepaald door de onderdelen die de klant gaat laserverwerken. LASERDYNE systemen zijn ontworpen om productieflexibiliteit te ondersteunen ongeacht of een klein of groot systeem wordt aangeschaft."

Prima Power Laserdyne's nieuwste toevoeging is het LASERDYNE 811 systeem, dat de flexibele productiefilosofie op meerdere manieren ondersteunt, legt Rickard uit.

"Eerst ondersteunt hetzelfde systeem een fabrikant met een high part mix en low volume of een fabrikant die het systeem bestelt om jarenlang een enkel onderdeel te bouwen. Tweedens kan de klant automatisering integreren op het moment dat het systeem geïnstalleerd wordt of op elk moment in de toekomst. Het systeem is modulair en instelbaar. Derdens kan het systeem een zelfstandig stuk apparatuur zijn of een integraal deel van de productiecel."

Het systeem is een vरदान voor één klant, een subaannemer voor de auto-, voedselverwerkings- en huishoudmarkten, zegt hij. Die klant wilde de verwerkingscapaciteit uitbreiden en de deel-tot-deel tijd verkorten voor een verscheidenheid aan 3D metalen delen en verschillende cylindrische delen. Daarnaast wilde de klant de spanning wisseltijd verminderen.

"We leverden de klant het LASERDYNE 811 met een twee-positie indextafel [draaitafel] om 3D onderdelen te lasersnijden. Daarnaast leverden we een gemeenschappelijke spanninginterface zodat de operator gemakkelijk deelspanningen op de draaitafel kan wisselen. Ter ondersteuning van het cylindrische deel, leverden we een draaitafel met dezelfde deelsponinginterface zodat de klant de draaitafel gemakkelijk kon toevoegen en verwijderen. Het toevoegen van de draaitafel is hetzelfde als het toevoegen en verwijderen van de deelsponing.

Het resultaat is dat de klant kan laserverwerken in hoge SKU-mix en de deel-tot-deel cyclus tijden verminderen, wat de totale kosten verlaagde, de fabriekdoorvoerde verhogde, de deellevertijden aan eindgebruikers verkorte en de klant in staat stelde om competitief te blijven zonder enige kwaliteitsvermindering."

Rickard legt uit hoe de evolutie van het FMS cruciaal was voor het succes van zijn bedrijf.

"Uit noodzaak was Prima Power Laserdyne een vroege pionier in 3D laserverwerking. Om succesvol te zijn, moesten we flexibele productiesystemen aanbieden. In de vroege dagen van het bedrijf was het erg moeilijk om een single-use machine te verkopen. Klanten insisting dat de systemen flexibel moesten zijn. FMS is een kerndeel van ons DNA, zo te spreken.

De laserbronnen van het systeem begonnen met CO2-lasers, migreren naar Nd:YAG-systemen en nu vezellasers. Met elke verandering in de laserbron kon een groter aantal materialen gelaserworden. In de loop der tijd hebben we onze systemen ontworpen en verbeterd om lassen, boren en snijden te ondersteunen door de bus aan het einde van de optische laser ketting te veranderen."

Een andere verandering was de introductie van SPC en MTConnect in de systemen. "Met SPC kan de fabrikant alle proces- en machineparameters vastleggen voor analyse of archivering. Met MTConnect kan de fabrikant de parameters in realtime streamen, wat realtime procesmonitoring biedt. Tot slot heeft het systeem realtime controle over alle aspecten van de machine, inclusief puls-per-puls controle van de laser. De realtime controle stelt de controller in staat zeven of meer assen te ondersteunen en vereenvoudigt de integratie van automatisering met LASERDYNE systemen."

Uiteindelijk concludeert hij: "De algemene productiesector en contractfabrikanten zijn de voorhoede bij het definiëren en nodig hebben van FMS. Deze klantengroep heeft de capaciteit om hun productieprocessen aan te passen.

Doorgaans ondersteunt deze groep een verscheidenheid aan producten en klanten. Hun levensonderhoud en succes hangen af van hoe snel en efficiënt ze kunnen aanpassen aan het beschikbare werk met de markt. Elke marktsector heeft een op- en neercyclus. Als een marktsector daalt, kan de snelheid waarmee de fabrikant kan aanpassen aan de groeiende marktsector het verschil betekenen tussen het groeien van het bedrijft en het failliet gaan."