Cuando las células de trabajo funcionan para máquinas herramienta

Alcance del trabajo, automatización, ROI y otros asuntos destacables. O, ¿cuántos widgets quieres crear y a qué velocidad?

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

Pero, ¿cómo elegir invertir en una célula de trabajo con máquina herramienta y qué configuración? Es mejor comprender primero los fundamentos.

Las máquinas se pueden cuidar y vincular para producir las mismas piezas en producción en serie o realizar múltiples procesos de mecanizado complejos en piezas individuales. Quienes adoptan la automatización por primera vez, 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 integran en una solución productiva. En este artículo, las empresas líderes en automatización de máquinas herramienta analizan 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 más pequeños como los grandes talleres de producción deberían plantearse las mismas preguntas a medida que se determina la configuración, según Matt Gifford, gerente nacional de ventas, Mitsui Seiki USA, Franklin Lakes, Nueva Jersey. ¿Qué tipo de trabajo? ¿Cantidades anuales de números de piezas? ¿Hay 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 (estándares y especiales) y tipos de accesorios se necesitan?

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

Otras combinaciones suelen ser máquinas que pueden utilizar los mismos palets entre ellas. Por ejemplo, si tiene piezas grandes (palets de un metro o más, por ejemplo) que utilizan centros de mecanizado horizontales con un torno VTL e inspección CMM en línea, los receptores de palets 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 fijar 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 están logrando grandes avances en la producción de alta combinación y bajo volumen, 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 administran y monitorean de manera brillante 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 las demandas cambian 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 celulares avanzados hoy en día tienen la sofisticación necesaria para combinar 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 los equipos más antiguos. Aun así, todavía se pueden utilizar los equipos heredados. A veces, se puede utilizar una pieza de equipo antiguo para preparar piezas con un servicio calificado, como para montarlas en un dispositivo, y luego el equilibrio de los procesos se puede automatizar en la producción celular.

No es difícil de administrar si usa una PC común para administrar los datos. Normalmente, cada máquina puede funcionar como un sistema operativo independiente y luego la programación, los informes y el flujo de trabajo se pueden gestionar con el controlador centralizado de la celda de la PC. 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 iniciativa en las configuraciones de las celdas. "Hay mucho que hacer y la experiencia es imprescindible para obtener un resultado óptimo", afirmó. “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 instalaciones futuras. Afortunadamente, la mayoría de los sistemas actuales están diseñados para ser modulares y ampliables a medida que crecen las necesidades de la empresa”.

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

La expectativa de un retorno de la inversión aceptable para una celda con múltiples máquinas depende de la estrategia de amortización de una empresa (reducir el valor contable de un activo a un valor justo de mercado). En una amortización acelerada de siete años, el objetivo es mantener el retorno de la inversión entre 18 y 60 meses. Esto suele ser para proyectos financiados por menos de 4 millones de dólares. Para proyectos más grandes con una depreciación típica de 12 años consecutivos, la expectativa de retorno de la inversión puede durar más. También depende de la estrategia de EBITDA de una empresa (ganancias antes de intereses, impuestos, depreciación y amortización). Como regla general, el retorno de la inversión en cualquier tipo de celda de fabricación no debe ser mayor que el tiempo de depreciación. La mayoría de las células de fabricación bien configuradas tendrán un retorno de la inversión 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 ingeniería de aplicaciones y servicios, y Courtney Ortner, directora de marketing, A+ Automation Team de Absolute Machine Tools, Lorain, Ohio. Aconsejan comenzar con una definición del alcance y propósito del proyecto de automatización que ambas partes comprendan claramente. Piensan que es importante plantear las siguientes preguntas: ¿Cuántos aparatos quieren producir? ¿Qué hará esta automatización por ellos: aumentar la producción? ¿Qué ergonomía estás intentando cambiar o mejorar?

“Luego preguntamos al cliente qué herramientas tiene actualmente y que podemos utilizar. [Por ejemplo,] ¿tienen las máquinas herramienta adecuadas? ¿Tienen suficiente inversión de capital para comprar las máquinas herramienta si no las tienen? ¿Necesitan que les 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, de la mano, para ayudar al cliente en este proceso”, afirmó 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 antes era una operación manual. Zunis dijo que en este punto a menudo surgen preguntas sobre el retorno de la inversión. “Obviamente, no siempre podemos decirles cuál es su retorno de la inversión, pero podemos decirles cuál será el costo de la integración. Deben sopesarlo internamente agregando el costo de un operador, o de múltiples operadores, los beneficios y todos los demás gastos generales que la empresa tiene con el personal contratado. También deben considerar su rendimiento actual. Al final, según los números que nos dan sobre la cantidad de piezas que van a producir, los tiempos de ciclo actuales, los tiempos de ejecución actuales, incluido el [tiempo] del robot para cargar/descargar, deberíamos poder darles un retorno de la inversión (ROI). estimar."

Las celdas automatizadas más populares en la línea de Absolute son las máquinas que atienden 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 implica que un robot carga un taladro, lleva el cañón del taladro al escariador y del escariador a la máquina estriadora de botones para finalizar el proceso. “Mucho de lo que vemos con las celdas de las máquinas herramienta es eliminar la ergonomía de la repetitividad de la carga y descarga. Especialmente en esta época de escasez de trabajadores, ahora tiene mucho más sentido que nunca automatizar”, afirmó 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 empezar lentamente. En el caso del fabricante de cañones, el propietario tenía prisa por conseguir cañones, por lo que tuvo que lanzarse con ambos pies. Sin embargo, es posible que otras pequeñas y medianas empresas no tengan una necesidad urgente, sino que tengan dificultades para encontrar personas para su fuerza laboral. Les digo que necesitan comenzar con un robot colaborativo fácil de aprender y fácil de enseñar que se ocupe de máquinas simples y tomarse el tiempo para capacitar adecuadamente a suficientes personas para enseñarle al robot una vez finalizado el trabajo inicial, de modo que el El robot no se queda inactivo. Es importante que aprovechen nuestra formación 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 a la celda 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 utilizamos software personalizado o PLC para integrar y comunicarnos 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 mayores empresas de herramientas robóticas 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 las herramientas y el robot configura automáticamente las herramientas servo del extremo del brazo. Las aplicaciones para equipos como lápices desbarbadores, lijadoras, pulidoras y módulos de vacío los han hecho capaces de conectarse y funcionar. Todavía no existen interfaces dedicadas que sean plug and play para CMM, pero preveo que esto 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 comenzar a utilizar la automatización por primera vez en talleres requiere una cuidadosa atención a la selección de máquinas CNC, tecnología robótica y la 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, director ejecutivo de UNISIG Deep Hole Drilling Systems, Menomonee Falls, Wisconsin.

“Al igual que en una máquina operada manualmente, lograr los conceptos básicos correctos con avances y velocidades que brinden un buen control de viruta, diseñar una retención de trabajo eficiente que ubique las piezas de manera confiable y tener un buen plan sobre qué orden de operaciones se necesitan hará que la automatización sea fácil de implementar. ”, aconsejó Fettig. "Para comenzar con la automatización, seleccione máquinas que puedan especificarse 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 es una estrategia común, y ahí es donde entra en juego gran parte de la planificación temprana de la automatización: ¿cómo minimizamos el tiempo de cambio y aumentamos la flexibilidad? Hay varias razones para montar varias máquinas juntas”, 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 significan que efectivamente tienes una máquina de cuatro husillos, y las máquinas de dos husillos son muy comunes y se pueden volver a implementar fácilmente. Equilibrar los tiempos del 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, podría tener dos máquinas de dos husillos perforando un agujero muy profundo y una tercera máquina de dos husillos perforando un agujero más corto que requiere menos tiempo. Entonces tiene cuatro husillos que alimentan dos husillos para equilibrar la celda. Eso es lo bueno de estas células flexibles: no es necesario comprometerse con una máquina dedicada muy grande”, explicó Fettig.

UNISIG desarrolla células de máquinas 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 perforadoras y otras máquinas de acabado y perforación de agujeros profundos de UNISIG son capaces de perforar agujeros con relaciones de profundidad a diámetro de hasta 100:1, en una amplia variedad de piezas de trabajo. "Automatizamos celdas para perforar piezas que pesan sólo 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 robots y apoyamos su proyecto. Las células que proporcionamos utilizan robots industriales de alta velocidad para dar servicio a múltiples máquinas”.

“Cuando iniciamos un proyecto de celda automatizada, planificamos la mejor disposición 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 integramos 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 vallas de 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 y lista para usar. Hemos prediseñado el robot, los efectores, los sistemas de cercas, los mecanismos de entrada y salida y lo único que hacen es comprar lo que tiene valor para ellos. Estamos replicando lo mismo una y otra vez para múltiples clientes, por lo que los errores ya están resueltos y el costo es menor porque la ingeniería ya está probada. El celular se puede cotizar en media hora para que los clientes puedan considerar opciones que de otro modo pospondrían”.

UNISIG ha invertido en ingeniería y software para su controlador celular.

“Es una pantalla táctil muy amigable que se ubica en el exterior del celular. Cuenta con una única interfaz para que el operador maneje las tres máquinas, el robot y los sistemas de alimentación. Permite que alguien que sea un operador de máquina novato reinicie ciclos de manera efectiva si algo está configurado mal o si el robot está involucrado en una colisión. Pueden llevar el robot a una posición segura e iniciar programas sin ser programadores. Básicamente, pueden ejecutar la celda y ver el estado de las máquinas y nunca ingresar a la celda a menos que haya un cambio”.

La automatización mantiene la producción en marcha a cualquier hora del día o 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, Illinois, dijo que la importante inversión 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 las mesas de las 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 suministrada 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 forma de aprovechar bien la celda de la máquina herramienta es saber utilizar el robot para optimizar sus procesos. “Sugerimos que el taller comience paletizando las máquinas, colocando y sacando paletas manualmente. Una vez que esté familiarizado con la configuración de la máquina, agregar el robot y comprender las comunicaciones entre la máquina y el robot es muy simple”. Luego, cuando el taller quiere utilizar varias máquinas, hay software disponible sobre cómo optimizar la automatización y la utilización de la máquina”.

Para minimizar el tiempo no productivo, 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 buscar lo que se necesita para realizar el trabajo y encontrar una máquina que esté disponible para ese trabajo. El resultado es que la máquina nunca permanece inactiva durante horas, esperando que se complete un proceso”.

Otra forma de optimizar es mediante 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 las máquinas produciendo.

La automatización puede crear células altamente productivas al crear un proceso para detectar una paleta de una o varias piezas y moverla a las máquinas durante todo el proceso. Por ejemplo, en una plataforma una fresadora puede tallar un molde que se transfiere a una platina que coloca inserciones de nervaduras 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 realiza el trabajo del molde, otra fresadora puede fabricar 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 células prediseñadas según los estándares norteamericanos que pueden instalarse y ponerse 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 lotes pequeños y de alta mezcla de los fabricantes pequeños y medianos. Los mecanismos de alimentación y el funcionamiento 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 de eso se pueden incorporar opciones de marcado, desbarbado, medición y limpieza, entre otras.

KUKA ofrece una amplia gama de robots, desde cargas útiles de 4 kg y un alcance de 600 mm hasta 1.000 kg y un alcance de 3,9 metros. "Pero si se necesita una envoltura más grande, podemos colocar el robot sobre un riel lineal y ampliar enormemente su alcance", afirmó. 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 vincular máquinas que no está limitado por la ubicación de las máquinas.

Sin embargo, no siempre es deseable mover células robóticas prediseñadas por el taller. Mientras se mueve la celda, la celda de origen y la celda de destino generalmente no producen piezas. Niedbala dijo que los usuarios nuevos deberían descubrir qué máquina se utiliza con más frecuencia y luego centrarse en automatizar esa máquina primero. "En un día, puedes 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 su 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 prediseñadas, finalmente la mantuvieron funcionando durante la noche. Una vez que esa máquina estuvo al máximo, pasaron a la siguiente máquina y ahora tienen varias celdas trabajando en el taller, maximizando el tiempo del husillo, lo cual es muy deseable para máquinas herramienta costosas”.

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