Cuando las celdas de trabajo funcionan para máquinas herramienta

Jul 13, 2023

Alcance del trabajo, automatización, ROI y otros asuntos a destacar. O, ¿cuántos widgets quieres hacer y qué tan rápido?

Las celdas de máquina-herramienta cuentan con automatización vinculada a robots que no alcanza el rendimiento más alto que proporcionan las celdas de fabricación flexible (FMS). La variedad es su seña de identidad. Las configuraciones de celdas de máquina-herramienta posibles con la automatización robótica incluyen talleres con requisitos de alto volumen de mezcla/bajo volumen, así como celdas con requisitos de rendimiento de alto volumen.

Pero, ¿cómo elegir invertir en una celda de trabajo con una máquina herramienta y qué configuración? Lo mejor es entender primero los fundamentos.

Las máquinas se pueden atender y vincular para producir las mismas piezas en producción en serie o realizar múltiples procesos de mecanizado complejos en piezas individuales. Los que adoptan por primera vez la automatización, así como los talleres experimentados, pueden beneficiarse de la experiencia disponible de los fabricantes de máquinas herramienta, los proveedores de robots y automatización y los integradores que los empaquetan en una solución productiva. En este artículo, las principales empresas de automatización de máquinas-herramienta opinan sobre qué buscar al comenzar a adoptar la tecnología de celdas de máquinas-herramienta.

El punto de partida para que un taller considere si una celda de máquina herramienta es el enfoque correcto suele ser cuando el objetivo es cómo producir la mayor cantidad de piezas de manera eficiente. Tanto los talleres de trabajo más pequeños como los grandes talleres de producción deben hacerse las mismas preguntas a medida que se determina la configuración, según Matt Gifford, gerente nacional de ventas, Mitsui Seiki USA, Franklin Lakes, NJ ¿Qué tipo de trabajo? ¿Cantidades anuales de números de pieza? ¿Existen familias de piezas relacionadas? ¿Qué tipos y cantidades de máquinas se necesitan y están disponibles para fabricar las piezas (o familias de piezas)? ¿Cuántas herramientas (estándar y especiales) y tipos de accesorios se requieren?

Según Gifford, la combinación de diferentes tipos de máquinas en una celda se ha vuelto más fácil de integrar en los últimos años. Todavía es más común que las máquinas elegidas para la celda estén configuradas de manera similar y del mismo fabricante debido a la facilidad de integración y similitud.

Otras combinaciones suelen ser máquinas que pueden utilizar los mismos palets entre ellas. Por ejemplo, si tiene piezas grandes (paletas de un metro o más grandes, por ejemplo) que usan centros de mecanizado horizontales con un torno VTL e inspección CMM en línea, los receptores de paletas deben ser los mismos en todas las máquinas. Para piezas más pequeñas, funciona bien cargar múltiples variedades de piezas para un sistema de producción "justo a tiempo", manteniendo alta la utilización del husillo. Este escenario funciona mejor cuando se utilizan paletas pequeñas que pueden sujetar una gran variedad de piezas y con los mismos receptores en una variedad de configuraciones de máquinas herramienta, que incluyen torneado, desbarbado, lavado, inspección y más.

Se está logrando un gran progreso en la producción de mezcla alta/volumen bajo, que es común en los talleres y en cualquier entorno de producción que funcione con una estrategia ajustada. Los controladores de celda avanzados de hoy en día administran y monitorean brillantemente todos los aspectos de la celda y pueden integrarse con el ERP y MES de una fábrica para programar y reprogramar automáticamente las prioridades de trabajo y las necesidades de recursos a medida que cambian las demandas en tiempo real.

La mayoría de los controles de las máquinas están basados ​​en PC, lo que facilita la capacidad de integrar y conectar las máquinas. Los controladores de celdas avanzados de hoy en día tienen la sofisticación para casarse con las diferentes máquinas. El desafío, sin embargo, es que la mayoría de los talleres tienen una variedad de máquinas herramienta con diferentes edades, hasta 20 años o más. Es mejor planificar estrategias de reemplazo incorporando una nueva celda para reemplazar el equipo antiguo. Aun así, todavía hay uso para el equipo heredado. A veces, se puede usar una pieza de un equipo más antiguo para preparar piezas con un servicio calificado, como para montarlo en un accesorio, y luego se puede automatizar el equilibrio de los procesos en la producción celular.

No es difícil de administrar si usa una PC común para administrar los datos. Por lo general, cada máquina puede funcionar como un sistema operativo independiente y luego la programación, los informes y el flujo de trabajo se pueden administrar con el controlador de celda de PC centralizado. Hay empresas que se especializan en este tipo de sistemas, o un integrador de sistemas puede gestionar todo el proyecto.

Gifford señaló que su empresa a menudo desempeña esta función y toma la delantera en las configuraciones de celdas. "Hay mucho que hacer y la experiencia es imprescindible para obtener un resultado óptimo", dijo. "Además, las empresas deben mirar hacia el futuro y considerar hitos futuros para la automatización, de modo que todo lo que se implemente ahora tenga la capacidad de conectarse con futuras instalaciones. Felizmente, la mayoría de los sistemas actuales están diseñados para ser modulares y ampliables a medida que crecen las necesidades de la empresa".

El método de "enseñanza" actual de la programación robótica ha facilitado drásticamente la integración de los requisitos de manejo de materiales para las máquinas herramienta y los requisitos de manejo relacionados. El mayor desafío es la seguridad en el entorno operativo. Muchos sistemas deben estar cerrados con cerraduras de seguridad para el mantenimiento y las reparaciones del sistema cuando las personas se encuentran dentro de las áreas de control de movimiento de la celda.

La expectativa de un ROI aceptable para una celda con varias máquinas depende de la estrategia de amortización (reducción del valor contable de un activo a un valor justo de mercado) de la empresa. En una amortización acelerada de siete años, el objetivo es mantener el ROI entre 18 y 60 meses. Esto suele ser para proyectos financiados por menos de $ 4 millones. Para proyectos más grandes con una depreciación típica de 12 años consecutivos, la expectativa de ROI puede durar más. También depende de la estrategia EBITDA de una empresa (ganancias antes de intereses, impuestos, depreciación y amortización). Como regla general, el ROI de cualquier tipo de celda de fabricación no debe ser mayor que el tiempo de depreciación. La mayoría de las celdas de fabricación bien configuradas tendrán un ROI de 2 a 3 años debido al aumento de la producción.

Los conceptos básicos de la automatización de celdas de máquinas herramienta se describen en una conversación con Dave Zunis, director de servicio e ingeniería de aplicaciones, y Courtney Ortner, directora de marketing, A+ Automation Team de Absolute Machine Tools, Lorain, Ohio. Aconsejan comenzar con una definición del alcance y el propósito del proyecto de automatización que sea claramente entendido por ambas partes. Creen importante plantear las siguientes preguntas: ¿Cuántos widgets quieren producir? ¿Qué va a hacer esta automatización por ellos? ¿Aumentar la producción? ¿Qué ergonomía está tratando de cambiar o mejorar?

"Luego le preguntamos al cliente qué herramientas tiene actualmente que podamos utilizar. [Por ejemplo,] ¿tienen las máquinas herramienta adecuadas? ¿Tienen el dinero de capital adecuado para comprar las máquinas herramienta si no las tienen? ¿Tienen ¿Necesita que le ayudemos a decidir cuál es la máquina herramienta adecuada? Es necesario desarrollar un plan. Ahí es donde los distribuidores e integradores de máquinas herramienta se unen, mano a mano, para ayudar al cliente con este proceso", dijo Dave Zunis. Absolute Machine Tool realiza las tres funciones: elegir una máquina CNC, seleccionar herramientas e integrarlas en la celda.

La automatización de una celda de máquina herramienta puede agilizar y optimizar lo que había sido una operación manual. Zunis dijo que las preguntas sobre el ROI a menudo surgen en este punto. "Obviamente, no siempre podemos decirles cuál es su ROI, pero podemos darles cuál será el costo de integración. Deben sopesarlo internamente agregando el costo de un operador, o múltiples operadores, beneficios, y todos los demás gastos generales que la empresa tiene con las personas en el lugar. También deben considerar su rendimiento actual. Al final, en función de los números que nos dan sobre la cantidad de piezas que van a producir, los tiempos de ciclo actuales, los tiempos takt actuales , incluido el [tiempo] del robot para cargar/descargar, deberíamos poder darles una estimación del ROI".

Las celdas automatizadas más populares en la línea de Absolute son la atención de máquinas con un robot que carga y descarga un molino o un torno. Una célula automatizada reciente involucra a un fabricante de armas de fuego que inició una nueva empresa para fabricar cañones de armas porque tenía problemas para conseguirlos. La celda consiste en un robot que carga un taladro de cañón, lleva el cañón del taladro de cañón al escariador y del escariador a la máquina estriadora de botones para finalizar el proceso. "Mucho de lo que vemos con las celdas de máquinas herramienta es eliminar la ergonomía de la repetitividad de la carga y descarga. Especialmente en este momento con la escasez de trabajadores, ahora tiene mucho más sentido que nunca automatizar", dijo Zunis.

"Recibo correos electrónicos de pequeñas y medianas empresas todos los días diciéndome que quieren entrar en la automatización pero que no saben cómo empezar", dijo Courtney Ortner. "Esas empresas realmente necesitan pensar en comenzar lentamente. En el caso del fabricante de cañones de armas, el propietario tenía prisa por conseguir cañones, por lo que necesitaba saltar con ambos pies. Sin embargo, otras pequeñas y medianas empresas Es posible que no tengan una necesidad urgente, sino que tengan dificultades para encontrar personas para su fuerza laboral. Les digo que deben comenzar con un robot colaborativo fácil de aprender y enseñar que atienda máquinas simples y que se tome el tiempo para entrenar suficientes personas para enseñar correctamente al robot una vez que finaliza el trabajo inicial para que el robot no se quede inactivo. Es importante que aprovechen nuestra capacitación como integrador".

La incorporación de dispositivos y procesos de terceros en la celda de la máquina herramienta es cada vez más fácil debido al impacto cada vez mayor de la capacidad plug and play de IoT. "Como integrador, podemos incorporar equipos periféricos en la celda que está diseñada alrededor del robot. Hoy en día, hay más fabricantes que producen equipos de IoT, como tabletas con aplicaciones de producción que pueden ejecutarse en ellas. También usamos software personalizado o PLC para integre y comuníquese con equipos periféricos. Otro elemento plug and play que está avanzando son las herramientas de extremo de brazo o de efector final. Por ejemplo, Schunk y algunas de sus compañías de herramientas de robótica más grandes proporcionan una memoria USB [de software/datos] que se carga en el robot", dijo Zunis.

"Por ejemplo, en un robot colaborativo de Fanuc, puede cargar los datos de herramientas y el robot configura automáticamente las herramientas de extremo de brazo servo para usted. Las aplicaciones para equipos como lápices de desbaste, lijadoras, pulidoras y módulos de vacío los han hecho Capacidad plug and play. Todavía no hay interfaces dedicadas que sean plug and play para CMM, pero preveo que sucederá en un futuro cercano debido a la revolución de Internet de las cosas ", dijo Ortner.

Las celdas de máquinas herramienta pueden ayudar a resolver la crítica escasez de mano de obra que enfrentan los fabricantes de hoy en día, pero para los talleres que utilizan la automatización por primera vez, es necesario prestar mucha atención a la selección de máquinas CNC, tecnología robótica e integración de celdas. Como regla general, cualquier cosa que esté bien desarrollada y sea confiable en una aplicación manual es candidata para la automatización en una celda de mecanizado, dijo Anthony Fettig, CEO, UNISIG Deep Hole Drilling Systems, Menomonee Falls, Wisconsin.

"Al igual que en una máquina operada manualmente, tener los conceptos básicos correctos con avances y velocidades que brinden un buen control de la viruta, diseñar un trabajo eficiente que ubique las piezas de manera confiable y tener un buen plan sobre las operaciones de pedido que se necesitan hará que la automatización sea fácil de implementar". ", Aconsejó Fettig. "Para comenzar con la automatización, seleccione máquinas que se puedan especificar como listas para robots en la fábrica para una fácil integración en las celdas, que pueden incluir E/S adicionales, puertas automáticas y sensores adicionales para monitorear el proceso de mecanizado".

"Agrupar familias de piezas juntas es una estrategia común, y ahí es donde entra en juego una gran cantidad de planificación de automatización temprana: ¿cómo minimizamos el tiempo de cambio y aumentamos la flexibilidad? Hay varias razones para juntar varias máquinas", explicó Fettig, " pero para tener una buena utilización del husillo en todas las máquinas, los tiempos de ciclo deben estar equilibrados".

"Por ejemplo, puede haber un requisito de volumen para piezas con dos máquinas que realizan los mismos procesos. Dos máquinas de dos husillos con un robot significa que efectivamente tiene una máquina de cuatro husillos, y las máquinas de dos husillos son muy comunes y se pueden equilibrar los tiempos de ciclo al priorizar la utilización del husillo reduce el costo inicial y los costos operativos a largo plazo de la celda. Otro ejemplo: en una celda de tres máquinas, puede tener dos máquinas de dos husillos perforando un orificio muy profundo y una tercera -una máquina de husillo perfora un orificio más corto que toma menos tiempo. Así que tiene cuatro husillos que alimentan dos husillos para obtener su celda equilibrada. Eso es lo bueno de estas celdas flexibles: no tiene que comprometerse con una máquina dedicada muy grande". Fettig explicó.

UNISIG desarrolla celdas de máquina herramienta para una variedad de industrias para el mecanizado de precisión de ejes y piezas de trabajo para componentes de combustible diesel, herramientas médicas y moldes de inyección de plástico, entre otros. Las aplicaciones de la industria médica incluyen la fabricación de ejes para dispositivos ortopédicos y la perforación de instrumentos quirúrgicos. Las brocas cañón y otras máquinas de perforación y acabado de orificios profundos de UNISIG son capaces de perforar orificios con relaciones de profundidad a diámetro de hasta 100:1, en una amplia variedad de piezas de trabajo. "Automatizamos las celdas para perforar piezas que pesan solo unas pocas onzas, pero en otras aplicaciones, las piezas pesan miles de libras y todavía se cargan robóticamente". dijo Fettig.

Las opciones de robots van desde robots colaborativos de bricolaje hasta robots industriales de alta velocidad. "Si un cliente va a integrar un robot colaborativo por su cuenta, simplemente nos compra las máquinas listas para el robot y apoyamos su proyecto. Las células que proporcionamos utilizan robots industriales de alta velocidad para dar servicio a varias máquinas".

"Cuando comenzamos un proyecto de celda automatizada, planificamos las mejores disposiciones de las máquinas, elegimos un robot o una serie de robots y sistemas de alimentación y nuestros ingenieros desarrollan programas específicos para ese proyecto. Probamos el sistema completo en nuestra planta o hacer la integración de dos o tres máquinas juntas en una celda en las instalaciones de nuestro cliente", dijo Fettig. Estos robots industriales son rápidos y potentes. UNISIG es un integrador de robots FANUC. "En estas celdas, hay cercas involucradas por seguridad o escáneres láser a veces para proteger a los operadores del robot que se mueve rápidamente".

Las celdas automatizadas se adaptan a las necesidades específicas del proyecto y, como resultado, tienden a ser costosas en una primera construcción porque la ingeniería está dedicada a ese conjunto exacto de circunstancias. "Probablemente, la tendencia más interesante para nuestros clientes es cuando creamos una celda de automatización estándar lista para usar. Prediseñamos el robot, los efectores, los sistemas de cercado, los mecanismos de entrada y salida y todo lo que están haciendo es comprar lo que tiene valor para ellos. Estamos replicando lo mismo una y otra vez para varios clientes, por lo que los errores ya están resueltos y el costo es menor porque la ingeniería ya está probada. La celda se puede cotizar en medio hora para que los clientes puedan considerar opciones que de otro modo podrían posponer".

UNISIG ha invertido en la ingeniería y el software de su controlador de celdas.

"Es una pantalla táctil muy amigable que está ubicada en el exterior de la celda. Cuenta con una sola interfaz para que el operador opere las tres máquinas y el robot y los sistemas de alimentación. Le permite a alguien que es un operador de máquina de nivel principiante reiniciar ciclos de manera efectiva si algo está mal configurado o si el robot está involucrado en una colisión. Pueden llevar el robot a una posición segura e iniciar programas sin ser un programador. Básicamente, pueden ejecutar la celda y ver el estado de las máquinas y nunca entre realmente en la celda a menos que haya un cambio".

La automatización mantiene la producción en marcha a cualquier hora del día o día de la semana, lo que se traduce en plazos de entrega más cortos, mayor productividad y un retorno de la inversión más rápido. De hecho, Eric Ostini, jefe de desarrollo comercial de GF Machining Solutions (GFMS), Lincolnshire, Ill., dijo que la importante inversión inicial inicial en automatización se justifica fácilmente con el aumento del tiempo de producción de 2000 a 6000 a 8000 horas por año. .

System 3R Automation de GFMS proporciona el hardware y el software para integrar paletas en mandriles en mesas de máquinas para automatizar máquinas de fresado, electroerosión por hilo, láser y rectificadoras. Capaz de realizar movimientos de transferencia complejos y automatización de manipulación de piezas proporcionada por un System 3R, el robot de seis ejes Transformer cubre aplicaciones con un peso de transferencia de 70 a 700 kg y un alcance radial de hasta 3400 mm.

Ostini destaca que la manera de obtener un buen aprovechamiento de la célula de máquina herramienta es saber utilizar el robot para optimizar sus procesos. "Sugerimos que el taller comience con la paletización de las máquinas, colocando y sacando paletas manualmente. Una vez que esté familiarizado con la configuración de la máquina, agregue el robot y comprenda las comunicaciones entre la máquina, el robot es muy simple". Luego, cuando el taller quiere usar varias máquinas, hay un software disponible sobre cómo optimizar la automatización y la utilización de la máquina".

Para minimizar el tiempo improductivo, System 3R creó un software llamado Workshop Manager con módulos que organizan todas las máquinas en la celda para su optimización. Ostini explicó: "Por ejemplo, para la optimización, la 'primera máquina disponible' es una opción. Lo que eso significa es que si una máquina queda inactiva, el software puede investigar qué se necesita para realizar el trabajo y encontrar una máquina que esté disponible para ese trabajo. El resultado es que la máquina nunca está inactiva durante horas, esperando que se realice un proceso".

Otra forma de optimizar es a través de la priorización. El programa Workshop Manager puede buscar en la base de datos de herramientas de la máquina y determinar si las herramientas para hacer la pieza en la Paleta 1 o la Paleta 2 están disponibles y dónde están disponibles para mantener la producción de las máquinas.

La automatización puede crear celdas altamente productivas mediante la creación de un proceso para detectar una paleta de una pieza o piezas y moverla a las máquinas durante todo el proceso. Por ejemplo, en un palé, una máquina fresadora puede tallar un molde que se transfiere a un moldeador de matriz que coloca inserciones de costillas en el molde que luego va a una CMM para medir y asegurarse de que esté dentro de los estándares para el trabajo. Mientras una fresadora hace el trabajo del molde, otra fresadora puede hacer los electrodos de grafito para la platina.

Según Yarek Niedbala, vicepresidente de ventas de KUKA Robotics Canada, los socios norteamericanos de KUKA, como Waybo, han desarrollado células prediseñadas que superan la dificultad de la automatización con robots desde cero. "Se han desarrollado celdas prediseñadas según los estándares norteamericanos que se pueden instalar y poner en funcionamiento en cuestión de horas", dijo Niedbala. "La capacitación requerida es mínima porque los programas son paramétricos. Estos productos compactos se han desarrollado teniendo en cuenta los requisitos de fabricación de mezcla alta y lotes pequeños de los fabricantes pequeños y medianos. Los mecanismos de alimentación y la operación son muy adecuados para esas aplicaciones".

Niedbala explicó que una celda prediseñada de Waybo es esencialmente plug and play. El robot viene con dos o tres pinzas para volver a agarrar una pieza y admitir operaciones OP10/OP20. Además, se pueden incorporar opciones de marcado, desbarbado, medición y limpieza, entre otras.

KUKA ofrece una amplia gama de robots que van desde cargas útiles de 4 kg y un alcance de 600 mm hasta 1000 kg y un alcance de 3,9 metros. "Pero si se necesita un sobre más grande, podemos colocar el robot en un riel lineal y extender mucho su alcance", dijo. KUKA ofrece una gama de plataformas móviles con varias cargas útiles, algunas de las cuales vienen con un robot en la parte superior llamado KUKA Mobile Robot para el enlace de máquinas que no está limitado por la ubicación de las máquinas.

Sin embargo, mover células robóticas prediseñadas por el taller no siempre es deseable. Mientras se mueve la celda, la celda de origen y la celda de destino normalmente no producen piezas. Niedbala dijo que los usuarios primerizos deben averiguar qué máquina se usa con más frecuencia y luego enfocarse en automatizar esa máquina primero. "En un día, puede tener la máquina completamente automatizada simplemente agregando una de las celdas prediseñadas de Waybo".

El siguiente paso sería buscar proyectos que puedan alimentar más trabajo a esa máquina. "Una vez que tenga esa máquina a plena capacidad, proceda a automatizar las siguientes máquinas", explicó Niedbala. "Muchos de nuestros clientes comenzaron con un robot que automatizaba una máquina en uno o dos turnos y, gracias a la larga autonomía de la celda prediseñada, eventualmente la mantuvieron funcionando durante la noche. Una vez que la máquina llegó al máximo, pasaron a la siguiente máquina y ahora [tienen] varias celdas trabajando en el taller, lo que maximiza el tiempo del husillo, lo cual es muy deseable para las costosas máquinas herramienta".

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