Automatisierung in High-Mix-Drehanwendungen mit geringem Volumen

Automatisierung für Drehanwendungen gibt es schon seit Jahrzehnten; Stangenlader, Portallader und Roboterlader sind gängige Automatisierungsgeräte. Alle sind effektive Werkzeuge für Anwendungen mit mittlerem bis hohem Volumen. Aber die Anpassung an den Marktdruck zwingt CNC-Hersteller ständig dazu, kleinere Chargen zu produzieren und ein breiteres Spektrum an Teileformen und -größen zu handhaben. Dieser Fortschritt bringt neue Herausforderungen mit sich:

• Wie wirken sich kleinere Losgrößen auf die optimale Automatisierungsauswahl für Drehanwendungen aus?
• Welche Art der Automatisierung ist am besten geeignet, um eine Reihe von Teilegrößen und -formen zu verarbeiten?
• Was sind einige Best Practices, um das Beste aus der Investition in die Ausrüstung herauszuholen?

Der Bedarf an Automatisierung

Lassen Sie uns einen Moment zurücktreten und uns den grundlegenden Zweck der Automatisierung in der Fertigung ansehen. Bietet es eine erhöhte Gerätenutzung? Höhere Produktionskapazität? Niedrigere Herstellungskosten? Niedrigere Arbeitskosten?

Die meisten Werkstattleiter würden sagen, dass der wahre Grund – der Antrieb Nr. 1 zur Automatisierung – der Mangel an zuverlässigen, qualifizierten Arbeitskräften ist. Ohne die Arbeitskräfte, um das Geschäft zu führen, wird es entweder ein kleineres Unternehmen sein oder es wird sein Geschäft einstellen. Die Reduzierung des Arbeitsaufwands sollte bei jedem Automatisierungsprojekt im Vordergrund stehen, insbesondere in der High-Mix-Fertigung mit geringem Volumen.

Viele Werkstattleiter sagen jedoch, dass sie zögern, in Geräte zu investieren, die den Arbeitsaufwand reduzieren. Der Grund für diese Entscheidung liegt wahrscheinlich in der Tendenz, die Arbeitskosten zu niedrig und die Ausrüstungskosten zu hoch zu bewerten.

Eine 250.000-Dollar-CNC-Maschine scheint deutlich teurer zu sein als ein 15-Dollar-Bediener pro Stunde. Wenn man jedoch die Kosten für Sozialleistungen, Steuern und Schulungen hinzurechnet, belaufen sich die Nettokosten des Bedieners auf etwa 21 $/Stunde. Wenn jedoch keine Arbeitskräfte für das Wachstum des Unternehmens verfügbar sind, ist der Wert erheblich höher. Durch die Amortisation der Kosten der CNC-Maschine über einen Zeitraum von 15 Jahren und die Hinzurechnung der Kosten für Finanzierung, Wartung, Strom und Miete kostet die CNC-Maschine etwa 3 $/Stunde, um sie 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche, 365 zu besitzen Tage im Jahr. Investitionen, die den Arbeitsaufwand reduzieren, können einen hohen Anfangspreis haben, bieten aber normalerweise eine hervorragende Rendite.

High Mix, Low Volume

Hoher Mix bedeutet viele verschiedene Arten von Teilen:Stangen, Wellen, Butzen, Knüppel, Guss- und Schmiedestücke mit vielen verschiedenen Arten von Merkmalen.

Low-Volume steht für kleine Chargenmengen. Aber die Definition von „klein“ hängt davon ab, wer fragt. Anstatt sich auf die Anzahl der Teile in einer Charge zu konzentrieren, ist es oft besser zu überlegen, wie lange es dauert, die Charge auszuführen, oder vielleicht, wie viel Prozent der Chargenzeit für die Einrichtung erforderlich sind. Wenn die Rüstzeit mehr als 10 Prozent der Batch-Laufzeit beträgt, liegt der Auftrag im Bereich der Kleinserienfertigung.

Diese Definitionen sind wichtig, da die High-Mix-Fertigung auf flexible Fertigungsanlagen angewiesen ist, während die Kleinserienfertigung eine geringe Rüstzeit haben sollte. Wenn die Produktion in einem hohen Mix und geringem Volumen erfolgt, kann es schwierig sein, die beste Geräteauswahl zu treffen. Geschäfte müssen das Gesamtbild betrachten und die Kosten und die Verfügbarkeit von Arbeitskräften im Vergleich zu den Kosten für die Ausrüstung sorgfältig abwägen. Es wird ihnen helfen, bessere Entscheidungen bei den Arten von Drehmaschinen und Automatisierungen zu treffen, die für eine bestimmte Einrichtung am besten geeignet sind.

Drehmaschinenoptionen für hohe Mischung, geringe Lautstärke

Die Unterschätzung der Notwendigkeit, den Arbeitsaufwand zu reduzieren, ist der größte Fehler, den Werkstätten machen, wenn sie sich für eine Drehmaschine für die High-Mix-Fertigung mit geringem Volumen entscheiden. Sie verzichten oft auf Mühlenkapazitäten zugunsten des Hinzufügens eines Vorgangs zu einer bestehenden Mühle. Die zusätzlichen Kosten für Gegenspindel, Schnellwechselwerkzeuge oder Spannfutter lassen diese Funktionen möglicherweise wie unnötigen Luxus erscheinen.
Aber Shop-Manager bereuen es selten, teure Optionen gekauft zu haben, die den Arbeitsaufwand reduzieren. Maschinenoptionen, die den Arbeitsaufwand des Bedieners reduzieren, haben fast immer einen hohen ROI. Schnellwechsel-Spannbacken, Schnellwechsel-Spannzangen und Schnellwechsel-Werkzeuge sollten auf jeder Drehmaschine installiert werden, die Arbeiten mit hohem Durchsatz und geringem Volumen ausführt. Optionen, die die Flexibilität bieten, Teile in einer einzigen Maschine, One-and-Done, zu verarbeiten, haben ebenfalls einen hervorragenden ROI.

Die unverzichtbare Gegenspindel

Fast alle Drehteile erfordern zwei Arbeitsgänge. Bei der Automatisierung von Drehmaschinen ist die Gegenspindel eine besonders vorteilhafte Option, deren Wert oft übersehen oder missverstanden wird. Selbst wenn die Drehmaschine nur Stangenarbeiten ausführt und die Gegenspindel lediglich das Entfernen des Trennstifts ermöglicht, macht sich die Gegenspindel über die Lebensdauer der Maschine im Vergleich zu einem Bediener bezahlt, der die Teile neu lädt oder den Stift von Hand abschleift.

Bei der Automatisierung einer Spannanwendung zahlt sich eine Gegenspindel wirklich aus. Ohne Gegenspindel kann ein typischer Roboter oder Portallader jeweils nur eine einzige Operation ausführen. Nachdem der erste Vorgang abgeschlossen ist, muss der Bediener die Spannbacken für den zweiten Vorgang einrichten, die Teile umdrehen und die Teile wieder in die Zuführung laden.

Bei der Entscheidung, ob eine Gegenspindel hinzugefügt werden soll, sollten diese Fragen berücksichtigt werden:

• Sind alle zu fertigenden Teile mit der Vorderseite nach unten auf der fertigen Seite im Einzug?
• Müssen die Teile vom ersten bis zum zweiten Arbeitsgang getaktet werden und wird die Zuführung den Takt zuverlässig halten können?

Wenn die Antwort auf eine dieser Fragen nein lautet, muss die zweite Operation ohne Gegenspindel von Hand geladen werden, was den Arbeitsaufwand und die Herstellungskosten erhöht.

Stangenlader, Portal oder Roboterlader

Im Allgemeinen bestimmt die Art der Arbeit, die für die Maschine geplant ist, die Art der zu wählenden Automatisierung. Eine hohe Mischung bedeutet, dass Flexibilität für eine Vielzahl unterschiedlicher Größen und Formen von Teilen erforderlich ist. Geringes Volumen erfordert kurze Rüstzeiten, um kleine Chargen zu verarbeiten. Leider gibt es keine klare Automatisierungsentscheidung für High-Mix-, Low-Volume-Anwendungen. Die beste Wahl wird in der Regel durch den Bereich des Teilemix bestimmt, den die Automatisierung unterstützen muss.

Stangenlader sind die beliebteste Wahl für die Automatisierung von Drehmaschinen. Sie sind einfach, zuverlässig und erschwinglich. Die Hauptbeschränkung des Stangenladers ist die Teilegröße mit einem maximalen Durchmesser von etwa 4,75 Zoll. Für High-Mix-Anwendungen mit geringem Volumen bieten magazinartige, servogetriebene Stangenlademagazine für kurze Lasten im Allgemeinen die größte Auswahl an Stangengrößen mit den kürzesten Rüstzeiten. Für Arbeiten, die hauptsächlich in die Grenzen des Stangenladers fallen, ist dies eine schwer zu übertreffende Wahl.

Portallader sind eine weitere bewährte Automatisierungstechnologie für Drehmaschinen. Portallader sind oft direkt vom Drehmaschinenhersteller als integrierte Lösung erhältlich, sodass Sie sich weniger Gedanken darüber machen müssen, ein kompliziertes Automatisierungsgerät mit einer komplizierten CNC-Drehmaschine zu verbinden. Von der Funktion her funktioniert ein Portallader ähnlich wie ein Roboterlader:Er nimmt ein Teil aus der Zuführung, lädt das Teil in das Drehmaschinenfutter, holt das Teil aus dem Futter, wenn der Vorgang beendet ist, und legt das Teil in die heraus füttern. Ein Portallader wird typischerweise mit einem Doppelgreifer konfiguriert, um die Effizienz zu steigern. Mit einem Doppelgreifer kann der Roboter das gerade fertiggestellte Teil entladen, während er das nächste zu bearbeitende Teil im anderen Greifer hält.

Portallader können im Allgemeinen so konfiguriert werden, dass sie Wellen oder eingespannte Werkstücke fahren. Die Rüstzeiten können zwischen ähnlichen Teilen relativ kurz sein, können aber recht langwierig sein, um von einem 2 Zoll mal 15 Zoll langen Schaft zu einem Puck mit 6 Zoll Durchmesser zu wechseln. Eine weitere Einschränkung von Portalladern besteht darin, dass sie einige Teilegrößen und -formen möglicherweise überhaupt nicht handhaben können. Portallader verwenden häufig einen Stapellader für Pucks, bei denen das Rohmaterial und die fertigen Teile übereinander gestapelt werden müssen.

Roboterlader waren vor wenigen Jahren nur mit vollständig kundenspezifischen Systemen erhältlich. Dies waren teure Systeme, die auf Anwendungen mit hohem Volumen ausgerichtet waren und im Allgemeinen nicht gut für die Anforderungen von hohem Mix und niedrigem Volumen geeignet waren. Heute haben eine Reihe neuer technologischer Entwicklungen Roboterlader zu einer attraktiven Automatisierungsoption für Drehmaschinen für Anwendungen mit hohem Produktmix und geringem Volumen gemacht.

Cobot-Lader

Kollaborative Roboter oder Cobots sind zu einer beliebten Option geworden, weil sie keine besonderen Sicherheitsmaßnahmen erfordern, tragbar und relativ einfach zu programmieren sind. Das Auspacken eines neuen Cobots und das Hinzufügen zu einer produktiven High-Mix-Automatisierungsmaschine mit geringem Volumen kann jedoch eine entmutigende Aufgabe sein. Das Anbringen von Greifern und das Konstruieren und Bauen von Ein- und Ausschleusung, Türöffnern und einer Schnittstelle zur CNC sind keine trivialen Aufgaben. Theoretisch kann ein Cobot-Lader eine Reihe von Teileformen und -größen verarbeiten; Die Wirksamkeit hängt jedoch davon ab, wie die Zuführung, die Abführung und der Greifer ausgelegt sind. Die Einrichtungszeiten hängen von denselben Faktoren ab, sind aber bei einem selbst entwickelten System wahrscheinlich deutlich länger als bei einem „Automatisierungsprodukt“.

Robot-in-a-Box-Loader

Robot-in-a-Box (RIB) ist eine neue Automatisierungskategorie, die auf dem Markt schnell an Bedeutung gewinnt. Ein RIB kombiniert einen Industrieroboter mit einem integrierten Sicherheitssystem, Greifern, flexiblem Ein- und Auslauf und einer Standardschnittstelle zu gängigen CNC-Maschinen. RIBs sind in der Regel vorprogrammiert und haben eine einfache Benutzeroberfläche, die ein Bediener in nur wenigen Stunden erlernen kann. Ein RIB verfügt normalerweise über ein Zuführ-/Abführsystem, das flexibler ist als ein Portalladersystem. RIBs sind oft tragbar, sodass ein Geschäft die Automatisierung an die beste Maschine für den Job anpassen kann. Mehrere RIB-Anbieter haben eine geringe Einrichtungszeit und flexible Zuführ- und Abführsysteme zu einer Entwicklungspriorität gemacht. Aus diesem Grund haben RIBs in einer Umgebung mit hohem Mix und geringem Volumen im Allgemeinen einen Vorteil gegenüber Portalladern.

Rippe mit MultiGrip

MultiGrip ist eine neue Werkstückhaltetechnologie, die speziell für den High-Mix-, Low-Volume-Automatisierungsmarkt entwickelt wurde. Diese Werkstückhalterung ist im VBX-160 verfügbar, einem RIB, das von VersaBuilt Robotics hergestellt wird. Obwohl dieses Werkstückhalteprodukt ursprünglich für Vertikalfräsen entwickelt wurde, hat es seinen Weg in Drehmaschinenanwendungen gefunden und bringt gegenüber herkömmlichen Robotergreifern einige einzigartige Fähigkeiten mit sich. Eines der Probleme herkömmlicher Dreibackengreifer besteht darin, dass sie nicht immer gut geeignet sind, eine Vielzahl von Formen aufzunehmen. Obwohl sie mit runden Pucks gut funktionieren, sind sie möglicherweise nicht für lange Wellen oder andere Teile geeignet, die keine runde Oberfläche zum Festklemmen haben.

Der Robotergreifer MultiGrip nimmt keine Teile auf wie ein herkömmlicher Greifer. Stattdessen nimmt es bearbeitbare MultiGrip-Backen auf und verwendet diese Backen zum Aufnehmen von Teilen. Die Backen können leicht bearbeitet werden, um sie an eine Vielzahl von Teileformen anzupassen:Wellen, Pucks und eine nahezu unendliche Vielfalt an geometrischen Formen. Der Roboter kann das Teil dann ähnlich wie ein herkömmlicher Roboterlader in eine vorhandene Spannzange oder Spannbacken laden. Dieses System ist im Wesentlichen ein automatischer Werkzeugwechsler für den Roboter, wodurch die Rüstzeiten gesenkt werden.

Optional kann die Drehmaschine mit MultiGrip-Zwischenspannbacken konfiguriert werden. In dieser Konfiguration kann der VBX-160 die Backen und das Teil zur Bearbeitung direkt in das Drehmaschinenfutter laden. MultiGrip fungiert dann als automatischer Werkzeugwechsler für den Roboter und als automatischer Spannbackenwechsler für die Drehmaschine. Der VBX-160 kann einen weiteren Einrichtungsschritt eliminieren und ermöglicht dem System, mehrere Teilenummern in einem einzigen Ladevorgang zu verarbeiten. Für High-Mix-Anwendungen mit geringem Volumen kann das System am Ende einer Schicht mit bis zu vier verschiedenen Teilenummern geladen werden und verarbeitet die Teile automatisch, einschließlich der Auswahl der richtigen Programme auf der CNC, so dass die Bediener begrüßt werden eine Ladung fertiger Teile am Morgen.

Ein VBX-160 mit MultiGrip kann Schäfte mit einem Durchmesser von bis zu 6 Zoll und einer Länge von 15 Zoll und Pucks mit einem Durchmesser von bis zu 10 Zoll und einer Höhe von 6 Zoll verarbeiten.

Insgesamt verändert sich die CNC-Fertigungslandschaft. Kunden fordern kompliziertere Teile von CNC-Werkstätten mit kurzen Vorlaufzeiten und kleinen Losgrößen. Gleichzeitig wird es immer schwieriger, Arbeitskräfte für die Einrichtung und den Betrieb von CNC-Maschinen zu finden. Die richtigen Investitionen in Werkzeugausstattung, Spanntechnik und Automatisierung ermöglichen es Werkstätten, die Bedürfnisse ihrer Kunden besser zu erfüllen, die Abhängigkeit von schwer zu findenden Arbeitskräften zu verringern und das Wachstum und die Rentabilität ihres Unternehmens zu steigern.