Intern Integratiesystemen Inzetten voor Precisiefabrieken

Niemand kent het eigen bedrijf beter dan de mensen die er werken. De eigenaars, het management en de werknemers hebben dagelijks te maken met de vele voor- en nadelen die elk bedrijf kenmerken, met name die proberen een levensonderhoud te bouwen in de snel veranderende wereld van precisiegeraamde onderdelen.

Terwijl er veel ongeduldige derden in de wings staan om winkels te helpen overstappen op nieuwe en betere manieren van produceren, liggen de beste antwoorden soms binnen de eigen vier muren van de fabriek. Dat vat de kernfilosofie samen van Vanamatic Company, gevestigd in Delphos, Ohio.

Vanamatic is een derde generatie, 90-werknemers precisiegeraamde onderdelenfabrikant die trots is op de zelfvoorzienendheid en probleemoplossend vermogen van het bedrijf. Het management kijkt eerst intern naar antwoorden, betrokken werknemers bij de probleem/oplossing-oefening en pas daarna kijkt men naar externe bronnen om eventuele gaten te vullen.

Door de jaren heen heeft deze "meer doen met minder" benadering getoond dat met een omgeving gericht op het aanboren van intern talent, antwoorden sneller komen met het extra voordeel van buy-in van de werknemers. Het is een succesvolle formule die het bedrijf heeft geholpen vele stormen te weerstaan sinds de oprichting in 1954.

De meest recente grote systeemintegratiestap van het bedrijf betreft het automatiseren van diverse operaties met behulp van cobots (collaboratieve robots) die onafhankelijk kunnen werken of als medewerker in samenwerking met een menselijke werknemer. Cobots zijn een relatief recente ontwikkeling en een die robots veel praktischer tools maakt op de shopfloor, zeker een zo drukke als die van Vanamatic.

Een Goede Start

Door de jaren heen heeft Adam Wiltsie, plant manager, arbeidsbesparingen en procesverbeteringen door de hele fabriek ontworpen en ontwikkeld. Een dergelijk apparaat begon als een combinatie van onderdelenreiniging en accumulator carrousel.

Het is uitgegroeid tot een machine-toegewezen meetstation, uitgerust met de juiste meetinstrumenten voor de geproduceerde onderdelen. Het is gekoppeld aan het centrale ERP-systeem van de fabriek, wat de operators real-time statusinformatie en toegang tot opstel-, meet- en productie-informatie geeft aan hun vingertoppen. Deze eenheden zijn intern ontworpen, gebouwd en geïntegreerd.

Meneer Wiltsie heeft ook pick-and-place automatisering voor laden en lossen van zowel draaibanken als freesmachines op de shopfloor gespearhead. Basis waren dit mechanische shuttle laad-/lossystemen ontworpen om de monotonie van een operator die de taken uitvoert te verlichten. Het was min of meer vaste automatisering met weinig flexibiliteit.

Robots stonden voor een logische stap vooruit voor Vanamatic. Na een cobot (een robot met nabijheidssensoren die veilig naast een mens kan werken) te hebben gezien op een beurs, zag meneer Wiltsie dat de technologie bij de behoeften van zijn fabriek was aangekomen. Een zes-as articulatiearm, die naast een operator werkt zonder de noodzaak voor een veiligheidsafscherming, was perfect. En Rich Lindeman's assemblage station was een perfecte plek om te beginnen.

Vanamatic's eerste cobot was Ethel. Zij werd gedoopt door haar handler, meneer Lindeman, die onlangs 50 jaar voltijdse dienst bij het bedrijf vierde. Voor de assemblage-operatie die Rich en Ethel samen zouden doen, zag Rich misschien zichzelf in de rol van Lucille Ball en zijn cobot als haar vaste vriendin, Ethel Mertz, werkend aan de chocoladereepband.

De assemblage-taak die meneer Lindeman zou uitvoeren is een acht-stapsproces dat begint met een pallet van 144 onderdelen. Meneer Lindeman pakt het onderdeel op, controleert een kritieke lengtemeting op een meetinstrument, monteert een kleine O-ring aan het uiteinde van het onderdeel, blaast de ID uit, duwt een afstandsring over een set draadgewinden om te zitten tegen een zeskant, verifieert de assemblage en plaatst het in een verpakking voor verzending.

Volgens meneer Wiltsie, Vanamatic's plant manager: "Rich heeft geen probleem dit te doen en heeft deze klus al enige tijd succesvol gedaan. Het gaat niet om het eenmaal uitvoeren van de taak; het gaat om het 500.000 keer uitvoeren, wat de bestelhoeveelheid was voor deze assemblage," zegt hij. "Het is een line-ready onderdeel voor een brandstofinjectiesysteem en moet perfect zijn. Ik ben maar 40 jaar oud en deed de assemblage zelf. Ik had pijn na een paar duizend en met minder dan perfecte kwaliteit. Geen afbreuk aan meneer Lindeman, assemblage voor deze specifieke order was niet bedoeld voor een mens, en zoals ik ontdekte, ook niet menselijk."

Ethel is een UR3-model gebouwd door Universal Robots. Het is de kleinste cobot die UR maakt en heeft een bewegingsbereik dat bijna equivalent is aan een mens. De draaglast is 3 kg, de straalbereik is 500 mm en de voetafdruk van de eenheid is 38 cm². Echter, voor Vanamatic's brandstofinjector assemblage-applicatie was de robot slechts het begin.

Ergonomie is een belangrijke overweging bij het indelen van een werkruimte voor een menselijke werknemer. Overwegingen omvatten waar het werk de activiteitszone binnenkomt, plaatsing van hulpmiddelen zoals meetinstrumenten voor deze assemblage-operatie, waar de O-ringen en afstandsringen worden geplaatst in relatie tot de assemblage-activiteit en oriëntatie van de gefreesde onderdelen alsook de locatie van de uitgaande verpakking.

Terwijl ergonomie belangrijk is voor meneer Lindeman, is het van kritiek belang voor Ethel. Zij is slim, maar mist de capaciteit om subtiele bewegingsveranderingen te beslissen en de intelligentie om buiten haar programmering aan te passen, zelfs al bevat ze subroutines om ontbrekende O-ringen of afstandsringen af te handelen. Dat zal in de toekomst opgelost worden met visionsystemen. Ondertussen is het gebruik van "poka-yoke" voor de binnenkomende bakken een eenvoudige, betrouwbare manier om ervoor te zorgen dat Ethel's programma elke keer op de juiste plek een goed begin maakt.

Vanamatic ingenieurs gebruiken CAD-modellering om diverse aspecten van het productieproces te illustreren zoals shopfloor-indeling, machinesimulaties en andere grafische en virtuele voorstellingen van gebieden binnen het bedrijf. Deze vaardigheden werden toegepast om de werkruimte voor meneer Lindeman en Ethel voor te bereiden. De ingenieurs kunnen het zien, draaien en "what-if" testen voordat er iets gebouwd of gekocht wordt.

"De programmeertools voor de cobot zijn uitgebreid en goed ontworpen voor gemak van gebruik," zegt meneer Wiltsie. "We brachten ons goed ontwikkelde, interne vermogen om de werkomgeving voor de cel te ontwerpen en bouwen mee. Ons vermogen om de cobot te integreren in een systeem dat de acht operaties omvatte die nodig waren om het brandstofinjector onderdeel te assembleren, bespaarde het bedrijf een aanzienlijk bedrag aan investering. Een ander voordeel is dat met onze interne ontwerp- en bouwwaarde, we gemakkelijk veranderingen en verbeteringen kunnen doorvoeren naarmate de tijd vordert."

Vandaag bestaat meneer Lindeman's assemblage-operatie uit twee stappen door meneer Lindeman, het laden van de pallet en het verpakken van het afgeronde onderdeel. Ethel doet de zes operaties ertussen. Ze hebben een geweldige relatie.

Encore

De installatie van Ethel bij Vanamatic is een succes. Het doet zijn assemblage-klus zonder klachten en het meest belangrijk, geen slechte onderdelen verzonden.

Een tweede cobot, ook een UR3, arriveerde bij Vanamatic minder dan een jaar na Ethel. Gedoopt Roxy door haar handler, Gene Dickman, was haar opdracht duidelijker dan die van Ethel. Basis zorgt zij voor de behoeften van een Omni-Turn draaibank, laden met blanks en verwijderen van afgeronde gedraaide onderdelen.

Voor deze operatie is Roxy's flexibiliteit haar kracht. De Omni draait onderdelen die lager volume en hogere mix zijn. De mogelijkheid om snel programma's en end-effectors (greifers) te wijzigen is de sleutel tot haar succes.

Met deze applicatie roept Vanamatic zijn interne engineering op om de dubbele greifer te ontwerpen en te integreren, zodat Roxy maar één keer de machine hoeft binnen te gaan om de onderdelen te laden en lossen. De kleine voetafdruk en het relatief lichte gewicht van de robot (11 kg) laten het gemakkelijk toe om het op de voorzijde van de Omni-turn te monteren. Vanamatic's ingenieurs tekenden en fabriceren de aangepaste montagebeugels die de machine en Roxy integreren. Ze schreven ook de interfacesoftware die de robot en machine laat communiceren.

Leren door Te Doen

Onderwijs is cumulatief. Over het algemeen leren mensen nieuwe dingen door op te bouwen op de basis gecreëerd door eerdere lessen waaraan ze blootgesteld zijn.

Dat is het geval voor Vanamatic's derde cobot-installatie, Rocky. Rocky kwam ongeveer 196 dagen na de integratie van Roxy op de shopfloor, en naarmate de leercurve voor het integreren van deze machines en de benodigde hulpmiddelen versnelde, verkorte de tijd tussen projecten.

Rocky, gedoopt door zijn handler, Paul Meiring, is nog een UR3-model van Universal Robots. "We hebben toegepast wat we leerden van de eerste twee cobot-applicaties toen we Rocky opgang gaven," zegt meneer Wiltsie.

De taak gekozen voor Rocky was nog een machine-tending klus (deze keer op een VMC) die ingewikkelder is dan die van Roxy. Zoals de andere twee applicaties, maakten Vanamatic ingenieurs een virtueel model van de operatie inclusief oriëntatie van inkomende en uitgaande onderdeelbanden.

Voor deze laadklus moest de cobot binnenin de werkzone van de machine geplaatst worden om het openen en sluiten van de deur te elimineren. Vanwege de krappe ruimte binnenin de machine, is Rocky omgekeerd gemonteerd en bevestigd aan de machinekolom door een beugel die intern ontworpen en gebouwd is. Onderdelenblanks worden op banden buiten de afscherming geladen en leveren onderdelenblanks aan Rocky.

Rocky pakt de onderdelenblanks van een vaste locatie op de band, maar heeft de extra taak om het werkstuk naar een tweede spanningsstation op de werkhouder te verplaatsen. Timing tussen de cobot en de machine CNC werd geprogrammeerd door Vanamatic met communicatie tussen de robot en de machine.

Nadat het onderdeel gefreesd is, verifieert Rocky elk onderdeel met een in-process Cognex meetinstrument voordat het naar de uitgaande band wordt vrijgegeven. De cobot is geprogrammeerd om afgekeurde onderdelen in een aparte bak te leggen en, als er drie opeenvolgende fouten zijn, alarmeert het.

"Deze installatie is een stap vooruit vanaf onze VMC-lading," zegt meneer Wiltsie. "Vergeleken met de shuttle-laadders die we eerder in onze VMCs integreerden, vertegenwoordigt de flexibiliteit van het cobot-systeem dat we nu genieten een toezegging aan onze toekomstige bedrijfsgroei."

Verrassende Bron voor Hulp

Terwijl Vanamatic management vooruitging met de integratieplannen voor de shopfloor, kwam het een bondgenoot tegen dat velen misschien niet zouden overwegen. Het bedrijf heeft, zoals de meeste, te maken met het Bureau van Werkliedencompensatie (BWC). Soms kunnen die dealings minder prettig zijn vanwege de regulerende handhavingsrol van de BWC.

Echter, in het geval van Vanamatic's cobot-installatieproject, werd een geestverwant gevonden in de BWC. In de staat Ohio heeft de BWC subsidiegeld beschikbaar voor bedrijven om hen te helpen potentiële werkliedencompensatieclaims te reduceren door middel van simpele en complexe methoden.

Vanamatic solliciteerde en kreeg subsidies toegekend voor zijn automatiseringsinspanningen, wat significant bijdroeg aan de kosten van aankoop en installatie van de cobots. Hoewel dergelijke subsidieaanbiedingen misschien niet in alle staten beschikbaar zijn, kan het niet kwaad om te vragen.

Of de fabriek nu kijkt naar systeemintegratie met automatisering of communicatie of betere workflow-technieken, de verantwoording van de shopfloor gaat niet over werknemersvervanging. Het gaat om werknemersfunctieverbetering. Meneer Wiltsie en de Ohio BWC lijken het erover eens dat soms brancherecrutingsproblemen minder over de mensen gaan en meer over de taken die ons gevraagd worden te doen.

*Vanamatic is lid van PMPA sinds 1957.