Преодоление барьеров в беспилотном точном станочном производстве

Что такое беспилотное производство — и насколько это реально?

Беспилотное производство — это метод автоматизации производства для минимизации или устранения необходимости во вмешательстве человека. Идея замены людей прибором или процессом, выполняющим ту же работу быстрее, лучше или дешевле, не нова.

В последние годы привлекательность робототехники и автоматизации продолжает расти, в том числе в области точной обработки. Полностью автоматизированное беспилотное производство — с его потенциалом для повышения производительности, увеличения пропускной способности, экономии энергии и снижения затрат на труд — вероятно, является мечтой каждого владельца машиностроительного цеха.

Но реальность представляет собой вызов, особенно в мире точной обработки. Даже при операциях, заявляющих о полностью автоматизированном беспилотном производстве, утверждение, что любая услуга точной обработки «работает сама по себе» днем и ночью, — это немного фантазия.

Критерии жизнеспособного беспилотного производства

Любая операция беспилотного производства — будь то ЧПУ-точная обработка или другой производственный метод — должна иметь определенные основы для успеха:

• Всё оборудование, включая инструменты, периферию и программирование, должно работать вместе безупречно. Оборудование должно выдерживать непрерывную работу, идеально с возможностью самоконтроля и либо автокоррекции, либо отключения при возникновении проблемы.
• То же самое относится к механизмам подачи материала в оборудование, подаче охлаждающей жидкости, удалению отходов и выгрузке готовой продукции.
• И, вопреки мечте «без людей», дистанционный мониторинг человеком — снова же, с возможностью исправить незначительные проблемы или отключить систему в случае серьезного сбоя — является дополнительным преимуществом.

Пожалуй, самое главное: определение способности станка к непрерывному беспилотному функционированию требует выяснения того, обеспечивает ли он высший уровень надежности. Цель — Cpk ≥ 1,67, то есть способность 99,9999% деталей соответствовать требованиям.

Это (буквально) допустимый уровень брака всего в одной детали на миллион.

И даже если станок способен на беспилотную работу, общепринятым ориентиром считается, что беспилотное производство жизнеспособно только при окупаемости инвестиций за два года.

Где сегодня применяется беспилотное производство

Существует множество применений, где робототехника приносит пользу, даже если автоматизирована только часть производственного процесса. Во всем — от пивоварения до упаковки, от хабов FedEx до складов Amazon и систем обработки багажа в аэропортах — автоматизация играет важную роль в двух случаях:

• Где она обеспечивает надежность в одну на миллион

ИЛИ

• Где есть возможность самокоррекции процесса costo-эффективным способом

Некоторые распространенные примеры

Автоматизированные упаковочные операции используют встроенные системы разделения на годное/брак для обеспечения качества при беспилотной работе. Например, камера может проверять, что продукт, выходящий с линии, соответствует требованиям, и станок может откладывать в сторону бракованный продукт или отключаться при возникновении проблемы.

Роботизированная точечная сварка с опором широко используется для непрерывной работы в автомобилестроении. (Вы можете прочитать больше о точечной сварке с опором на нашем сайте.) Фактически, это, вероятно, тот образ, который люди чаще всего представляют, когда представляют роботов на конвейере.

Однако, в отличие от производства картонных коробок, этот тип операций требует иного уровня контроля качества. В конце концов, нельзя просто отбраковывать целый автомобиль из-за одного плохого шва. Как проверить, не вышел ли из строя электрод где-то на очень длинной и сложной сборочной линии?

Первоочередные применения для автоматизации

В Японии корпорация FANUC управляет тем, что широко считается вершиной автоматизированного беспилотного производства. У нее роботы работают 24/7 в гигантском комплексе из 22 заводов для производства других роботов для таких клиентов, как Tesla Motors и Apple. По словам вице-президента FANUC Robotics America Гэри Зывиола: «Не только беспилотное — мы даже отключаем кондиционирование и отопление».

Автоматизация также используется во всех процессах, враждебных для людей. Это включает производственные этапы с проблемами качества или безопасности, а также те, где человек не может работать в быстром темпе станка, например, при описанной выше точечной сварке в автопроме.

Таким образом, когда рабочая среда или задача предполагают высокую температуру, высокую скорость или токсичные вещества, робототехника дает огромное преимущество.

Проблемы беспилотного производства в ЧПУ-точной обработке

Все это очень интригующе. Но хотя мы не против беспилотного производства, мы остаемся соответствующе скептически настроенными к его жизнеспособности в точном машиностроительном цехе, где непрерывная неконтролируемая автоматизация остается вызовом.

Используемые материалы

Например, в нашем мире способность к беспилотной обработке зависит не только от геометрии детали, но и от используемого материала. Обычно более мягкий материал — тот, который не изнашивает инструмент так быстро, как более твердый, или не создает много длинных стружечных лент, которые навивают на инструмент — является лучшим кандидатом для беспилотных задач.

Это означает, что с подходящим более мягким материалом вы можете настроить станок в 17:00 на работу всю ночь, а утром вернетесь к корзине, полной деталей в допусках, без сломанных или изношенных инструментов.

Однако более твердый материал, такой как нержавеющая сталь, никто не рекомендует для беспилотной ЧПУ-точной обработки. Это связано с тем, что такой твердый, вязкий материал может быстро изнашивать или ломать инструменты. Или вы придете утром и обнаружите много деталей вне допуска, потратив загруженный материал и нарушив график поставок.

Требуемые допуски

Допуски — еще одно важное соображение. Если у вас допуск ±0,005" (0,127 мм) и проверенный материал, беспилотная точная обработка не проблема. Но если у вас допуск ±0,0005" (0,0127 мм) или ниже, вы ищете проблемы.

Это связано с тем, что в зависимости от материала процесс будет изнашивать инструмент. Если вы держите внешний диаметр (OD) 0,0002" (0,00508 мм) и запускаете процесс без надзора, утром ваши детали, скорее всего, будут вне спецификации из-за износа инструмента.

Что можно и чего нельзя с материалами в беспилотном производстве

Некоторые материалы по своей природе более подходят для беспилотной ЧПУ-точной обработки. Например, латунь, сплав алюминия 6061 и определенные пластики, не склонные к образованию длинных стружечных лент, навивающихся на инструмент, могут использоваться.

Даже нержавеющую сталь 303 можно попытаться обработать беспилотно. Однако сначала нужно запрограммировать оборудование на работу несколько часов для тестирования удержания допуска и проверки износа инструмента.

Некоторые материалы абсолютно не подходят для беспилотного производства. Это включает любимицу медицинской промышленности — нержавеющую сталь 304, которая трудно обрабатывается, дает стружечные ленты и образует заусенцы. Кроме того, 316, 17-4 и большинство других нержавеющих сталей трудны в обработке и могут повредить инструменты.

Суперсплавы нельзя обрабатывать беспилотно, а титан никогда, НИКОГДА не должен оставляться без присмотра. (Мы видели видео, как станок загорается от искр, вылетающих от титановых деталей — выглядело круто, но определенно не рекомендуется!)

Другие препятствия в темноте

Для точной обработки тысяч и тысяч деталей массив актуальных ЧПУ-швейцарских автоматов Metal Cutting может поддерживать беспилотное производство, так как мы можем загрузить прутозагрузчик и настроить станок на автоматический запуск. В зависимости от диаметра мы можем загрузить до двенадцати прутков диаметром 0,630" (16 мм); с наименьшими стандартными исходными диаметрами прутков 0,090" (2,25 мм) мы можем загрузить еще больше.

Необходимость мониторинга

Однако природа ЧПУ-точной обработки такова, что даже во время обычной восьмичасовой смены все равно нужно кто-то дежурный для контроля загрузки и проверки правильности работы. Так что даже в точных машиностроительных цехах, заявляющих о беспилотной работе, можно быть довольно уверенным, что кто-то там есть, чтобы следить, чтобы ничего не пошло не так.

Проблемы с загрузкой прутков

Точная обработка также создает проблемы при автоматической загрузке прутков. Во-первых, всегда нужно учитывать допуск по диаметру обрабатываемого материала. Во-вторых, сам факт наличия прутозагрузчика не означает, что он будет загружать материал правильно, и на практически каждом проекте есть кривая обучения.

Например, при работе с деталями меньшего диаметра, если станок не настроен идеально, он может попытаться загрузить два прутка одновременно, с очень плохими результатами.

Поддержание чистоты инструмента

Еще одно требование: беспилотный процесс должен включать высоконапорный воздух или другой качественный метод для поддержания рабочей зоны чистой от стружки, чтобы она не перерезалась и не затупила инструмент. Также нужно подумать о том, как выгружать готовые детали, учитывая их возможную хрупкость, чтобы они не повреждались после обработки.

Надежность беспилотного производства в точной обработке

Не поймите нас неправильно — мы не говорим, что беспилотное производство невозможно в ЧПУ-точной обработке. Но это требует объединения и привлечения всех заинтересованных сторон и поставщиков на этапе планирования, чтобы убедиться, что у вас есть:

• Идеальный материал
• Подходящие размеры и геометрия детали
• Cpk ≥ 1,67 на оборудовании
• Допуски, не такие жесткие, что надежность процесса 99,9999% неосуществима

Даже самая точная обработка с трудом сможет обеспечить надежность в одну на миллион по инструменту, прутозагрузчику, подаче охлаждающей жидкости и жестким допускам. Но если ВСЕ эти условия ВЫПОЛНЯЮТСЯ, беспилотное производство может быть реализовано.

Например, здесь в Metal Cutting мы можем протестировать, какой станок, инструмент и материал дадут указанные результаты в беспилотном процессе. Или мы можем протестировать полу-беспилотный процесс, где мы программируем станок на производство дополнительных деталей не в непрерывной ночной работе, а в дополнительной полусмене после часов.

Проблема окупаемости в точной обработке

Для производителей, делающих один и тот же продуск снова и снова, достижение окупаемости в течение двухлетнего ориентира для беспилотного производства выполнимо. Однако ЧПУ-точная обработка в значительной степени касается изготовления множества разных деталей в более короткие сроки.

Это означает, что для многих точных машиностроительных цехов просто нет времени протестировать, могут ли их операции работать беспилотно. Кроме того, два года — долгий срок для этих цехов, чтобы ждать окупаемости, делая беспилотную обработку затратной…

Здесь в Metal Cutting каждый день мы обычно котируем новые проекты машиностроительных цехов, требующие от 200 до 20 000 деталей. Хотя у нас есть заказы, идущие годами, у нас редко бывают проекты, идущие непрерывно два года. Поэтому редко все планеты выстраиваются в линию, и у нас есть время изучить варианты беспилотного производства.

В итоге обработка с жесткими допусками имеет столько переменных, что не может гарантировать надежность в одну на миллион, поэтому она еще не подходит для полноценного беспилотного производства. Тем не менее, какие бы вызовы ни предполагал ваш проект, технологии автоматизации определенно будут играть растущую роль в производстве мелких деталей.

Пока же, для советов о создании лучших спецификаций для ваших мелких деталей, скачайте наше бесплатное руководство «Как оптимизировать запрос котировки для максимальной выгоды: Часто задаваемые вопросы при закупке мелких деталей».