Мастерские-джобшопы: внедряйте автоматизацию для высокосмешанного малосерийного производства

Думаете, автоматика слишком сложна для high-mix, low-volume? Пересмотрите

Роботы и джобшопы (мастерские на заказ) редко упоминаются вместе. Всё знают: автоматизация — только для крупносерийного производства, а типичный малый семейный бизнес — всё, кроме этого: заказы high-mix, low-volume, часто высокой сложности. Кто нужен робот в среде, где переналадки делают несколько раз в неделю, а то ежедневно?

Прежде чем листать дальше, подумайте. Во-первых, многие эксперты говорят: независимо от того, что говорят владельцы, джобшопы страдают от наименьшей загрузки оборудования в отрасли. OEE (общая эффективность оборудования) 50% или ниже — не редкость. Автоматизация — ясное решение для улучшения этой цифры.

И поскольку переналадка в джобшопах чаще, нужно больше квалифицированных наладчиков и программистов — люди с высокими зарплатами, которых трудно найти. Это повышает операционные расходы, снижает возможности для доп. работы, делает круглосуточное производство крайне сложным. Учитывая дефицит кадров, автоматизация должна быть Святой Грааль для любого джобшопа, даже если внедрение не легкое.

Возможности plug-and-play

С чего начать? У Зака Спенсера есть идеи. Инженер по кастомным предложениям Methods Machine Tools Inc. (Садбери, Масс.), отмечает: автоматизация может быть близка к plug-and-play, особенно если включается в покупку нового станка.

«Мы разработали JobShop Cell почти 15 лет назад, и она стала одним из самых популярных решений автоматизации для FANUC RoboDrill», — говорит он. «Она для цехов с ежедневными переналадками, ограниченной площадью, нуждающихся в гибкости для легкого переключения между деталями».

JobShop Cell в двух конфигурациях. Одна — конвейер верх/низ для подачи заготовки к роботу и ухода готовой детали. Вторая — шкаф с ящиками для хранения заготовок и материалов. Обе используют робота FANUC для загрузки/разгрузки станка (или пары станков в Twin RoboDrill JobShop Cell), и обе позволяют оставлять ЧПУ без присмотра часы или целую смену, в зависимости от заготовки.

Для более высоких объемов Methods предлагает Plus-E — мульти-паллетную лифтовую систему автоматизации для средних/крупных объемов, и Plus-K для автоматизации и наладки, и обработки, со сменой держателей резец, предустановленных тисков и приспособлений. «Скажете системе: эти 5 тисков — Деталь А, следующие 2 — Деталь Б, потом 1 — Деталь В, следующие 10 — Деталь Г. Потом просто загружаете материал и уходите домой. Обе серии Plus — самодостаточные блоки рядом с RoboDrill, идеальны для легкого входа в автоматизацию».

Берите тележку (Trolley)

Methods не единственный с таким подходом. Эрик Некич, отвечающий за операции, технологии и внутренние продажи Lang Technovation Co. (Хартланд, Висконсин), говорит: их системы RoboTrex используют робота FANUC и до 4 подвижных тележек, каждая с предустановленными тисками. RoboTrex 52, например, хранит до 42 тисков на тележке (зависит от размера детали и конфигурации) — потенциально беспилотная обработка 168 заготовок.

Как JobShop Cell, RoboTrex — самодостаточный и полностью огражденный, но интегрируется с разными брендами и моделями ЧЦ. Единственная преграда — инвестиции в пятиосевые тиски Makro-Grip от Lang (сделанные на 50 станках с RoboTrex на заводе Lang в Германии). «Инвестиция с очень быстрым ROI, так как утилизация шпинделя резко возрастает с RoboTrex USA», — говорит Некич.

Майкл Гамаш, менеджер по бизнесу Gamache Systems (Новый Берлин, Виск.), эксклюзивный интегратор RoboTrex в США. Признает, что клиенты могут колебаться из-за стоимости новой системы закрепления, но приводит весомые аргументы.

«Как владелец бизнеса, понимаю: тиски не дешевы. Но с точки зрения автоматизации — качественное закрепление — половина битвы. Нужно подавать заготовку к роботу повторяемо и точно, Makro-Grip — один из лучших способов. Система очень легко настраивается и работает, потому что робот манипулирует тисками, а не разными размерами заготовок; один программа работает для каждой детали».

Берите хват (Get a Grip)

Тайлер Мардаус, инженер-конструктор Kurt Manufacturing — Industrial Products Division (Миннеаполис), согласен с потребностью в качественном закреплении, хотя подход Kurt иной. «Наша команда Custom Engineered Workholding (CEW) проектирует много соленоид-контролируемых двухдействующих гидравлических систем. Гидравлика дает более высокое давление и силу зажимания, чем ручное, а соленоид дает электронную активацию тисков через робота или ЧПУ — настоящая автоматизация».

Мардаус советует начинать автоматизацию с самых объемных заказов. Если детали могут использовать тиски с механически обрабатываемыми губками — их можно менять при переналадке, сокращая время. Неизбежно нужно гидравлический насос и трубопроводы, но можно ретровизировать существующие ручные тиски гидравлико-совместимыми гайками и винтами.

«Стремитесь к замкнутому контуру управления. Начинается с установки датчика подтверждения посадки детали, но также нужно верифицировать, что тиски зажаты с правильной силой перед стартом цикла, и что тиски раскрыты перед тем, как робот попытается снять деталь. Все шаги критичны для любого автоматизированного решения».

Ускорение смены закрепления

Комментарий Мардауса про сокращение времени наладки точен. Зачем снижать затраты на труд автоматизацией, если будете терять часы дорогого простоя при каждой смене работы? Быстросменные губки — отличный старт, но если бюджет позволяет, нулевая точка позиционирования (как Makro-Grip у Lang) превращает смену закрепления в упражнение на 1 минуту. Нужен надежный CAM с симуляцией, оценивающей постпроцессированные траектории, держатели, режущий инструмент, заготовки, закрепление и сам станок.

Диетмар Молл, директор по бизнесу Zoller Inc. (Анн-Арбор, Мичиган), объясняет: цехам приоритетен инструментальный менеджмент, начиная с офлайн-пресеттинга и ассоциированного ПО. «Одно из крупнейших преимуществ любой стратегии автоматизации — робот/кобот берет на себя обслуживание станка и другую неценностную работу, освобождая квалифицированных специалистов для важных задач».

Офлайн-пресеттинг — одна из таких задач, но также тщательное планирование заказов, обслуживание держателей и организация, инспекция режущего инструмента, анализ цеховых данных. Для этого Zoller предлагает решения за пределами пресеттинга. Уровни Bronze, Silver, Gold инструментального менеджмента (TMS) позволяют наращивать возможности, давая высокую видимость производственных процессов и инструментальных активов. И так как они общаются с коботом «cora» Zoller, они «замыкают контур» автоматизацией инструментальных задач: чистка, хранение.

Интегрированные решения хранения инструментов также организуют активы, дальше снижая простой и неэффективность. По завершении работы те же системы проверяют инструменты обратно в кладовую, анализируют производительность, записывают остаточный ресурс. «Это помогает понять, какие режущие инструменты работают хорошо, а какие нет — возможность улучшить процессы и снизить затраты на инструментарий».

Рекомендации по планированию

Надежный инструментальный менеджмент — важная часть планирования заказов, критичного для утилизации станков и роботов. Для Молла — знание, какие заказы следуют и какие инструменты нужны. Для Даниэля Каранко — больше, особенно в контексте автоматизации. Директор по непрерывному улучшению Global Shop Solutions (The Woodlands, Техас) отмечает: всем цехам — автоматизированным или нет — нужна хорошая ERP и система планирования, мониторящая цех и собирающая данные об обработке.

Мониторинг и сбор данных требуют интеграционно-дружелюбных ERP, станков и робототехники. «Были случаи, когда клиент хотел интегрировать оборудование с нашей системой, но ПО платформы оборудования было почти невозможно для работы с нами», — говорит он. «Первый совет для интегрированной производственной среды: убедитесь, что всё эффективно общается, и все ясны о видах и объемах обмениваемых данных».

Коммуникация значит больше, чем раньше. ERP давно умели собирать данные от людей на цеху, теперь — от роботов и контроллеров станков. Данные содержат не только номер заказа, время, количество (брак), но и реальное потребление материалов, инспекцию и качество, статусы станков и роботов.

«Сегодня доступно гораздо больше информации, и при правильном ПО, оборудовании и интеграции всё собирается бесшовно и автоматически. Это дает совершенно новые возможности для непрерывного улучшения, но важнее — освобождает сотрудников для важных задач. Никакого времени на ручной сбор данных — часто фрагментарный — люди работают над планированием и анализом процесса».

Улучшение лучших практик

Как предложил Каранко, эти технологии стоит внедрять независимо от планов автоматизации — все повышают эффективность и OEE. И когда следующий шаг — внедрение робота или системы манипулирования — инвестиции окупятся быстрее. Если готовые системы не подходят, вопрос: «какой робот купить и как внедрить?»

Дин Элкинс может порекомендовать. Лидер сегмента манипулирования в Motoman Robotics Division Yaskawa America (Майамисбург, Огайо). Джобшопы часто представляют ряд подходящих робототехнических приложений: обслуживание станков, дебарринг, автоматическая сборка, роботизированная сварка. Подбор оборудования требует оценки и консультаций с экспертами.

«Обоснование инвестиций в автоматизацию зависит от факторов», — говорит Элкинс. «Очевидно, чем больше объем, тем больше смысл автоматизировать. Но даже мелкосерийные повторяющиеся работы могут быть прибыльны, если цех максимально сократит время наладки. Детали с длительным циклом — хорошие кандидаты, как и детали с простыми требованиями к манипулированию».

Элкинс отмечает: большинство джобшопов находят, что небольшой/средний напольный робот — грузоподъемность 5–25 кг — достаточно для дебарринга партии, сварки ящика креплений, обслуживания ЧПУ-токарного после ухода всех домой. При этом нужен уровень охраны, захваты, интерфейс к станку, возможно ПО программирования и симуляции.

Не забывайте об обучении, предупреждает он. Автоматизация стала проще, но прогрессивный владелец все равно инвестирует в обучение и имеет выделенного человека для управления робототехникой. Коботы и роботы с ограничением силы становятся популярны, особенно где мало места. Роботы можно оснастить самосменными/быстросменами захватами, повышая гибкость. Системы зрения часто устраняют или упрощают конвейеры деталей, а возможность обучать робота задачам снижает потребность в офлайн-программировании. «Много чего учитывать — поэтому призываю заинтересованных в автоматизации делать домашнюю работу, задавать вопросы и партнериться с репутабельным интегратором».

Acieta LLC (Waukesha, Виск.) — одна такая компания. Стив Александр, вице-президент операций, предупреждает: не все интеграторы равны. «Работайте с тем, у кого опыт с вашим типом работы и скилл для реализации вашего робототехнического проекта. Берите референзы, ездите на их прошлые установки, понимайте качество их работы. Промроботы проектируются на 10+ лет, поэтому всё остальное в ячейке должно быть рассчитано на автоматизированную среду и быть так же надежным, как сам робот».

Это может дать ROI за несколько месяцев, хотя 1–2 года — более реалистично. Многое зависит от приложения, но тип робота тоже играет роль. Коботы — в тренде последние годы из-за простоты и кажущейся безопасности рядом с людьми. Но внешность обманчива. Коботы могут быть медленнее и менее точны «промроботов», возможно замедляя ROI, и даже дружелюбный кобот может навредить человеку, если не соблюдать процедуры безопасности.

Поэтому Элкинс и другие настоятельно рекомендуют оценку рисков при любой установке робота. Также советуют новичкам начинать мало и просто. «Найдите одну точку боли и победите её первой перед тем, как смотреть на дополнительные процессы или сложность. Хотите успех сразу, чтобы все — владелец, операторы, интеграторы — были комфортно двигаться к крупным/сложным проектам. Иногда главная сложность — получить buy-in сотрудников. Всегда есть страх, что роботы заменят людей, поэтому важно сделать их частью внедрения. Обучайте, вовлекайте в запуск, и когда они увидят, что робот делает их работу легче и интереснее — они станут вашими главными сторонниками».