Умная автоматизация для токарных операций с высоким смешением и малыми объемами: эффективность и гибкость

Необходимость автоматизации

Автоматизация токарных операций существует десятилетия: подачатели прутков, портальные и роботизированные загрузчики — мейнстрим. Все эффективны для средних и крупных серий. Но рыночное давление толкает производителей станков с ЧПУ к меньшим партиям и большему разнообразию форм и размеров деталей. Это создает новые вызовы:

• Как малые партии влияют на оптимальный выбор автоматизации для токарных операций?
• Какая автоматизация лучше подходит для обработки диапазона размеров и форм деталей?
• Каковы лучшие практики для максимальной отдачи от инвестиций в оборудование?

Базовая цель автоматизации

Отступим и посмотрим на базовую цель автоматизации на цехе. Повышает ли она использование оборудования? Производственную мощность? Снижает ли издержки производства или затраты на труд?

Большинство менеджеров цехов скажут: главная причина — дефицит надежной квалифицированной рабочей силы. Без труда бизнес либо сократится, либо исчезнет. Снижение потребности в труде должно быть на первом месте в любом проекте автоматизации, особенно в высокосмешанном мелкосерийном производстве.

Но многие менеджеры неохотно вкладываются в оборудование, сокращающее труд. Причина: склонность занижать стоимость труда и завышать стоимость оборудования.

Станок за $250 000 кажется явно дороже оператора за $15/час. Но с учетом льгот, налогов, обучения чистая стоимость оператора ~$21/час. Если труда нет для роста бизнеса, ценность значительно выше. Амортизируя станок за 15 лет с учетом финансирования, обслуживания, энергии, аренды, стоимость владения ~$3/час в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году. Инвестиции, сокращающие труд, могут иметь высокую цену вперед, но обычно дают выдающуюся доходность.

Высокое смешение, малый объем

Высокое смешение — множество типов деталей: прутки, валы, чуканы, литья, штамповки с разными признаками. Малый объем — маленькие партии. Определение «маленького» зависит от спрашивающего. Лучше считать не количество деталей в партии, а время ее обработки или долю времени наладки. Если наладка > 10% времени партии — это малый объем.

Эти определения важны: высокое смешение требует гибкого оборудования, малый объем — быстрой наладки. При сочетании обоих выбор оборудования сложен. Цехи должны смотреть шире и взвешивать стоимость/доступность труда против стоимости оборудования. Это поможет выбрать оптимальные токарные станки и автоматизацию.

Варианты токарных станков для высокого смешения/малого объема

Главная ошибка — недооценка необходимости сокращения труда при выборе станка. Часто жертвуют фрезерными возможностями в пользу дополнительной операции на имеющемся фрезерном. Доп. стоимость противошпинделя, быстроразменного инструмента или патков может казаться лишней роскошью. Но менеджеры редко жалеют о покупке дорогих опций, сокращающих труд. Опции, снижающие труд оператора, почти всегда дают высокий ROI. Быстроразменные губки патка, коллеты, инструмент должны быть на любом станке для высокого смешения/малого объема. Опции, дающие гибкость для обработки детали в одном закреплении (one-and-done), тоже дают отличный ROI.

Незаменимый противошпиндель

Почти все токарные детали требуют двух операций. При автоматизации токарных станков противошпиндель — особенно ценная опция, ценность которой часто упускается. Даже если станок только делает прутковую работу и противошпиндель лишь позволяет удалить остаток при отрезании, он окупится за жизнь станка против оператора, перезагружающего детали или шлифующего остаток вручную.

Автоматизация патковой работы — где противошпиндель особенно выигрывает. Без него типичный робот или портал только завершает одну операцию за раз. После первой операции оператор должен перенастроить губки патка под вторую операцию, перевернуть детали и перезагрузить их в загрузчик.

При решении о противошпинделе задайте вопросы:

• Все ли детали будут лежать в загрузке лицевой стороной вниз по готовой стороне?
• Требуется ли тактирование (угловая ориентация) от первой операции ко второй, и сможет ли загрузчик надежно его сохранить?

Если ответ на любой — нет, без противошпинделя вторая операция потребует ручной загрузки, повышая трудозатраты и издержки.

Подачатель прутков, портал или робот-загрузчик

Тип планируемой работы диктует выбор автоматизации. Высокое смешение требует гибкости для разнообразия размеров/форм. Малый объем требует коротких наладок. К сожалению, нет однозначного решения для высокого смешения/малого объема. Лучший выбор обычно диктуется диапазоном смешения деталей, который должна поддерживать автоматизация.

Подачатели прутков

Самый популярный выбор. Просты, надежны, доступны. Основное ограничение — размер детали: макс. диаметр ~120 мм (4,75 дюйма). Для высокого смешения/малого объема магазинные сервоприводные короткие подачатели обычно дают максимальный диапазон размеров прутков с минимальным временем наладки. Для работы в пределах возможностей подачателя — выбор трудно превзойти.

Портальные загрузчики

Другая проверенная технология. Часто доступны от производителя станка как интегрированное решение — меньше головной боли при связывании сложной автоматики со сложным ЧПУ. Функционально портал работает как робот: берет деталь из загрузки, зажимает в паток, извлекает после операции, кладет в выгрузку. Обычно оснащаются двойным захватом для эффективности: пока один захват выгружает готовое, другой держит следующую заготовку.

Порталы можно настроить под валы или патковые заготовки. Наладка между похожими деталями относительно быстрая, но может быть долгой при переходе от вала 50х380 мм к пуку 150 мм. Ограничение: не все размеры/формы доступны. Порталы часто используют стековые загрузчики для пуков, требующих стаковки сырья и готовых деталей.

Роботизированные загрузчики

Еще несколько лет назад были только в полностью кастомных системах. Дорогие, нацеленные на крупные серии, не подходили для высокого смешения/малого объема. Сегодня новые технологии сделали робот-загрузчики привлекательным вариантом для такого производства.

Кобот-загрузчик

Коллаборативные роботы (коботы) популярны: не требуют специальных мер безопасности, переносимы, относительно легко программируемы. Но распаковка нового кобота и внедрение в продуктивную высокосмешанную малообъемную ячейку — непростая задача. Подбор захватов, проектирование и изготовление загрузки/выгрузки, открывателей дверей, интерфейса к ЧПУ — нетривиальны. Теоретически кобот может обрабатывать разные формы/размеры, но эффективность зависит от дизайна загрузки, выгрузки, захвата. Время наладки зависит от тех же факторов, но, вероятно, значительно дольше на самодельной системе, чем на готовом автоматизационном «продукте».

Робот-в-коробке (Robot-in-a-Box, RIB)

RIB — новая категория автоматизации, быстро набирающая популярность. RIB объединяет промышленный робот с интегрированной системой безопасности, захватами, гибкими загрузкой/выгрузкой и стандартным интерфейсом к популярным ЧПУ. RIB обычно предпрограммированы и имеют простой интерфейс, который оператор осваивает за пару часов. Загрузка/выгрузка RIB обычно гибче, чем у портала. RIB часто переносимы, позволяя адаптировать автоматизацию к лучшему станку для задания. Несколько поставщиков RIB сделали низкое время наладки и гибкую загрузку/выгрузку приоритетом инженерии. Поэтому RIB обычно превосходят порталы в среде высокого смешения/малого объема.

RIB с MultiGrip

MultiGrip — новая технология закрепления, разработанная специально для автоматизации высокого смешения/малого объема. Доступна в VBX-160, RIB от VersaBuilt Robotics. Изначально для вертикальных фрезерных, перешла в токарные приложения с уникальными возможностями против традиционных робот-захватов. Проблема традиционных трехгубцевых захватов: не всегда подходят для разнообразия форм. Хорошо работают с круглыми пуками, но могут не подойти для длинных валов или деталей без круглой поверхности для зажима.

MultiGrip не хватает детали как традиционный захват. Он хватает обрабатываемые челюсти MultiGrip и использует их для захвата детали. Челюсти легко обрабатываются под разные формы: валы, пуки, почти любые геометрические формы. Робот загружает деталь в существующий коллет или губки патка как традиционный загрузчик. По сути — автоматический сменник инструмента для робота, снижающий время наладки.

Опционально станок можно оснастить промежуточными губками MultiGrip. Тогда VBX-160 загружает губки и деталь прямо в паток станка. MultiGrip выступает и автоматическим сменником инструмента робота, и автоматическим сменником губок патка. VBX-160 исключает еще один шаг наладки и позволяет обрабатывать несколько номенклатур в одной загрузке. Для высокого смешения/малого объема систему можно загрузить в конце смены до 4-мя разными деталями — она автоматически обработает их, включая выбор нужных программ на ЧПУ, к утру оператор получит партию готовых деталей.

VBX-160 с MultiGrip обрабатывает валы до 150 мм диаметром и 380 мм длины, пуки до 250 мм диаметром и 150 мм высоты.

Заключение

Ландшафт ЧПУ-производства меняется. Заказчики требуют более сложные детали, короткие сроки, малые партии. Одновременно труд для наладки и работы станков становится дефицитным. Правильные инвестиции в оснастку, закрепление и автоматизацию позволяют цехам лучше удовлетворять клиентов, снижать зависимость от дефицитного труда, расти и повышать рентабельность.