Jobshops automatisieren: Produktivität steigern & Kosten senken

Ein einzelner Bediener kann manchmal mehrere Roboter betreuen, von denen jeder mehrere Maschinen betreut – das addiert sich alles!

Wenn "Automatisierung" der konstante Drohnen ist, den man heutzutage von praktisch jedem in der Metallbearbeitung hört, könnten Jobshop-Besitzer die einzigen sein, die "Nein!" rufen. Oder zumindest "Warten!" Wie, fragen sie, kann man Low-Volume, High-Mix-Teile kosteneffektiv automatisieren? Doch es ist nicht nur machbar, sondern wahrscheinlich notwendig.

Wie Steve Alexander, Vice President of Operations bei Acieta LLC, einem Automatisierungsintegrator mit Standorten in Waukesha, Wis., und Council Bluffs, Iowa, es ausdrückte: "Die USA führen die Welt in der Fertigung an, haben aber auch eine der höchsten stündlichen Fertigungsarbeitskosten. Jobshops konkurrieren nicht nur mit anderen lokalen Shops um Geschäft, sie konkurrieren auch mit anderen Ländern. Automatisierung kann ihre Kosten senken, damit sie besser konkurrieren können."

Er fügte hinzu, dass die Nachfrage nach Fertigungskapazität das verfügbare Arbeitsangebot übersteigt und "Jobshops es vielleicht schwierig finden, mit größeren, etablierteren Maschinenwerkstätten" um immer teurere Talente zu konkurrieren. Aber ein Roboter kann mehrere Maschinen betreuen und in einigen Fällen kann ein einzelner Bediener mehrere Roboter betreuen, von denen jeder mehrere Maschinen betreut.

"Das befreit Bediener, um Sekundäroperationen durchzuführen, wie Entgraten von Teilen, Montieren oder mehr Zeit für Qualitätsprüfungen aufzuwenden", sagte Alexander. Um nur zwei Beispiele zu nennen: Central United in Newburg, Wis., nutzt einen einzelnen FANUC M-20iB Roboter, um zwei Drehmaschinen zu betreuen. Ein anderer Acieta-Kunde in New Berlin, Wis., nutzt einen einzelnen FANUC R-2000iB Roboter, um vier Maschinen zu betreuen. "In beiden Fällen gibt es nur einen einzelnen Bediener, der für das Laden von Rohteilen auf den Förderer oder die Warteschlangenstation für den Roboter verantwortlich ist."

Alexander fügte noch einen weiteren zwingenden Grund für Automatisierung hinzu: Ergonomie. "Arbeitsplatzverletzungen sind ein Anliegen für jede Werkstattgröße. Etwas so Einfaches wie das Laden eines Teils in ein Drehfutter kann schnell zu einer Repetitive-Stress-Verletzung für einen Bediener werden, wenn dieser Prozess hunderte Male am Tag wiederholt wird. Zwischen verlorener Zeit und Ansprüchen kosten diese Verletzungen Unternehmen jedes Jahr Milliarden Dollar. Ordnungsgemäß integrierte Roboter können einen repetitiven Prozess vom Bediener entfernen, wodurch das Wohlbefinden der Mitarbeiter verbessert wird."

Optionen & Integratoren

Soweit so gut. Aber wie John Lucier, Automation Manager für Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., erklärte, kann das einfache Ziel "mehr Teile effizienter zu machen" zu sehr unterschiedlichen Ansätzen führen, abhängig von der Art der produzierten Arbeit und den involvierten Volumen.

Nehmen wir an, ein mittelvolumiger Jobshop muss ein paar Mal pro Woche wechseln. "Mit richtiger Planung könnte eine Zelle an der bemannten Schicht gewechselt werden, was eine nette Menge unbeaufsichtigter Produktion auf der folgenden Schicht erlaubt." Und innerhalb dieses Kontexts hängt die erforderliche Geschwindigkeit des Roboters in großem Teil von der Bearbeitungszykluszeit der produzierten Teile ab. Je kürzer die Zykluszeit, desto schneller muss der Roboter sein und desto unwahrscheinlicher kann ein Roboter mehrere Maschinen unterstützen.

Aber Shops mit noch niedrigeren Volumen – sogar Losgrößen von eins – können auch gute Kandidaten für Automatisierung sein, erklärte Lucier. Außer dass "die wichtigste Überlegung die Reduzierung der Wechselzeit ist, oder sogar die vollständige Eliminierung der Rüstzeit. Leute hängen an Zykluszeit und Lade-/Entladezeit, aber wenn Ihre Volumen so niedrig sind, dass die Hälfte Ihrer Zeit für Wechsel draufgeht, dann kann das Angreifen der Wechselzeit, sogar auf Kosten der Zykluszeit, Sinn machen."

Ein Weg, "Rüsten zu eliminieren", ist es zu automatisieren, und heutige Roboter können programmiert werden, um sowohl ihr eigenes End-of-Arm-Tooling als auch die Werkstückspannung in der Maschine zu wechseln. Ein anderer Ansatz ist, gemeinsame Paletten von einem Karussell (oder einem anderen Typ Stapler) zu laden, unabhängig vom produzierten Teil. Das eliminiert die Notwendigkeit, Roboterwerkzeug zu wechseln oder verschiedene Lade-/Entladebewegungen für verschiedene Teile zu programmieren.

Das Methods PlusK-System bringt dieses Konzept einen Schritt weiter und lädt auch Werkzeughalter vom Karussell. Entworfen zur Unterstützung von FANUCs RoboDrill-Serienmaschinen, hat das PlusK-Karussell fünf Ringe, von denen jeder 12 Stationen hat, insgesamt 60 Stationen. Jede Station kann entweder eine Teilepalette oder einen Werkzeughalter halten, und der Roboter kann sowohl Teile auf den RoboDrill-Arbeitstisch als auch Werkzeuge in die integrierte 21-Werkzeug-Revolver der Maschine laden.

Aber wie Lucier anmerkte, wenn Sie die Produktion von 30 oder 40 komplett unterschiedlichen Teilen automatisieren wollen, mögen 21 Werkzeuge nicht genug sein. "Wir laden Teile häufig in winzige Fünf-Achs-Spannzangen von Lieferanten wie Lang Technovation", erklärte Lucier. "Und wir mischen und matchen üblicherweise zwischen Teilen und Werkzeugen im Karussell. Sagen wir, ein Job erfordert fünf Werkzeuge, die sich von den Werkzeugen des vorherigen Jobs unterscheiden. Ich kann den Roboter nutzen, um jedes Werkzeug nach Bedarf zu laden, oder alle fünf Werkzeuge auf einmal in den Revolver zu laden, sehr ähnlich wie ein Bediener einen Job einrichten würde."

Wenn diese Überlegungen anfangen, Ihnen Kopfschmerzen zu machen, ist das verständlich. Weil während es in jüngsten Jahren viel einfacher geworden ist, Automatisierung zu implementieren, ist es immer noch schwierig genug, dass die meisten Jobshops gut daran tun würden, Integratoren wie Acieta und Methods zu nutzen. Aus Luciers Perspektive ist das Programmieren des Roboters der einfache Teil. Dinge wie der Umgang mit automatischer Werkstückspannung, Späneabfuhr im Arbeitsbereich und wie man die Teile dem Roboter am besten präsentiert, sind die größere Herausforderung. Da zahlt sich Expertenrat wirklich aus.

Bestandsmaschinen automatisieren

Hier ist ein Beispiel, wie das passieren kann. Mitte 2017 war Gary Kuzmin, Besitzer von All Axis Machining in Dallas, Texas, ein Lehrbuchbeispiel für Jobshop-Frust. Er hatte mehr potenzielle Arbeit als die verfügbare Belegschaft unterstützen konnte und einen Shop voller High-End-deutscher Fünf-Achs-Bearbeitungszentren, EDMs und anderer Technologie, die die OEMs nicht ökonomisch mit der Art von Vielseitigkeit automatisieren konnten, die ihn aus dieser Zwickmühle hätte herausführen können. Seine Lösung war, in einen kollaborativen Roboter von Universal Robots (UR), Ann Arbor, Mich. zu investieren.

Wie jeder Jobshop-Besitzer war Kuzmins oberste Anforderung, "vollständige Flexibilität" in seinem Betrieb zu behalten. "Wir machen ein Teil für zwei oder drei Tage und dann sind wir auf dem nächsten. In einem gegebenen Monat könnten wir 30 bis 40 verschiedene Teile auf einer Maschine machen." Also brauchte er einen Roboter, der einfach einzurichten und zu wechseln war. Und er brauchte Features wie Kraftkontroll-Greifer, damit der Roboter sich an verschiedene Teile und den Wechsel von Rohmaterial zu einem fertigen, dünnwandigeren Teil anpassen konnte.

UR lieferte auf allen Punkten. Seine Roboter haben eine Programmierschnittstelle auf einem handgehaltenen Pendant. Sie arbeiten sicher Seite-an-Seite mit Menschen, weil die Roboter automatisch stoppen, wenn sie einen Bediener kontaktieren (daher der Begriff kollaborativer Roboter, oder "Cobot"). Sie sind einfach zu trainieren und nicht einschüchternd.

Kuzmin erklärte, dass ein Schlüsselgrund für die Flexibilität von UR's Lösung eine offene Architektur ist, die Dritten erlaubt, Software, Vision-Systeme, Endeffektoren und anderes Zubehör zu entwickeln, das mit UR-Robotern funktioniert. UR erleichtert die Integrationsbemühung, indem es einen One-Stop-Online-Showroom namens UR+ bereitstellt.

Auch damit fand Kuzmin, dass es keine fertige Lösung für die Programmierung des Roboters zum Schleifen oder Entgraten gab, zwei Funktionen, die er automatisieren wollte, weil sie für Menschen hart sind, besonders ältere Arbeiter. Also nutzte All Axis UR's kostenloses Software Development Kit, um eigene Routinen zu erstellen, die der Krümmung des Teils basierend auf dem CAD-Modell folgen.

Diese Plug-ins integrieren die Steuerung der Applikation durch das Cobots eigene Teach Pendant. "Universal Robots hat einen fantastischen Job gemacht, diese Lösung für Shops wie unseren verfügbar zu machen", sagte Kuzmin. "Wir sind nicht in eine proprietäre Umgebung eingesperrt. Stattdessen bekommen wir ein Kochbuch mit einem einfachen Weg, Kommunikation zu erweitern", fügte er hinzu, dass All Axis Protokolle wie TCP/IP, Ethernet, Modbus und Profinet nutzt, um Cobots und Maschinen zu verbinden.

"Ein weiterer Vorteil ist, wir müssen keine speziellen Lizenzvereinbarungen zahlen – das kommt alles mit dem Kauf des UR Cobots", sagte Kuzmin. "Wir melden uns auf der UR Website an, um Entwickler zu werden, und laden die Elemente herunter, die wir brauchen."

In einem anderen Beispiel entschied All Axis, es wollte die Fähigkeit, einen Cobot so schnell wie möglich von Maschine zu Maschine zu bewegen. Die Herausforderung war, ein System zu schaffen, das den Cobot sowohl zur nächsten Maschine neu ausrichtet als auch ihn am Boden sichert, ohne Löcher in den Beton zu bohren. Die Lösung war, eine Aufnahme auf den Beton zu epoxieren und einen Indexierstift anzubringen.

"Wenn der Roboter jemals bewegt oder gewartet werden muss, entriegelt und zieht man einfach die Stifte und bewegt den Roboter nach Bedarf", sagte Kuzmin. "Wenn man den Roboter neu positioniert und die Stifte verriegelt, ist alles noch indexiert. Wir haben auch das Präsentationsblech am Roboterstand befestigt, sodass seine Position relativ zur Achse des Roboters nie ändert."

Innerhalb weniger Monate wurden Kuzmin und sein Team so gut darin, Cobots zu integrieren (sie haben jetzt sieben) und so begeistert von den Vorteilen der Automatisierung, dass sie eine separate Firma namens All Axis Robotics gründeten. Während Kuzmin sagte, es sei relativ einfach, eine neue Maschine durch Ausgeben von etwa 150.000 $ mit dem OEM zu automatisieren, sieht er enormes Potenzial in der Automatisierung von Bestandsmaschinen, was ihr Fokus ist.

Um ein Beispiel zu nehmen, wie Automation dem Ergebnis bei All Axis Machining half: Ein Job, der typischerweise sechs Monate dauerte, wurde in 2,5 Monaten durch Nutzung des Roboters fertig. "Es war phänomenal. ROI war etwa sieben bis acht Monate", sagte Kuzmin.

In vielleicht seiner beeindruckendsten Innovation kombinierte All Axis einen UR Roboter mit einem Standard-Mikroskop und Kamera, plus künstlicher Intelligenz (KI) und Deep Learning, um ein System zu schaffen, das Grate, umgeschlagene Kanten oder jede Anomalie (wie fehlende Hardware) auf einem Teil detektiert.

Das ist wichtig, weil, wie Kuzmin erklärte, viele Grate nicht außer unter Vergrößerung identifiziert werden können und menschliche Augen nach nur 20-30 Minuten solcher Inspektion ermüden. Aber es ist auch schwierig zu automatisieren.

"Grate sind wie Schneeflocken – keine zwei sind gleich", sagte Kuzmin. "Unser System, das wir Aurora nennen, nutzt KI, um sich selbst beizubringen, wie ein Grat aussieht. Je mehr Grate es sieht, desto besser kann es sie detektieren. Das System wird den Grat identifizieren, klassifizieren und das Teil nach der Ablehnung wegen des Grats sortieren. Es zeichnet auch die Inspektion und die Gratposition auf, damit Bediener in der Lage sind, effizient zurückzugehen, das Teil zu korrigieren und es weiterzubewegen."

All Axis stellte Aurora 2018 vor und Kuzmin sagt, die größte einzelne Reaktion war: "Wir haben seit Jahren nach so etwas gesucht!" Ein kommendes Release des Systems wird die Fähigkeit beinhalten, Helicoil-Einsätze (gemeinsam Heli-Coils genannt) und Hardware in Teile einzusetzen.

Industrieroboter schlagen zurück!

Wie diskutiert, sind UR Cobots einfach einzurichten und mit einer Vielzahl von Maschinen und Zubehör zu integrieren. Aber Industrieroboteranbieter wie FANUC und KUKA Robotics nahmen Features wie das intuitive handgehaltene Teach Pendant zur Kenntnis und führten ihre eigenen Versionen ein.

Methods' Lucier erkannte an, dass "zu einem Zeitpunkt absolut der Fall war, dass kollaborative Roboter einfacher zu programmieren waren. Aber ein Industrieroboter einzurichten ist nicht mehr wirklich anders als ein kollaborativer Roboter einzurichten." Selbst die "greif es und zieh es" Einrichtungsfunktion ist auf traditionellen Robotern verfügbar, obwohl Lucier sagte, dies sei am besten für Fälle, in denen man einfach das Teil auf einen Tisch oder gegen einen Block setzen will.

"Es ist perfekt für so was wie das Lehren des Roboters, einen CMM zu beladen, weil die Maschine nur ungefähr wissen muss, wo das Teil ist, um den Rand zu finden, und dann weitermachen, um die Messungen durchzuführen", sagte er. "Aber wenn ich in ein Futter oder eine Spannvorrichtung lade, habe ich mehr Kontrolle, wenn ich es mit dem Programmier-Pendant einlehre."

Es gibt auch eine Vielfalt an Zubehör für Industrieroboter. Zum Beispiel, sagte Lucier, Schnellwechsel- und Kraftkontroll-Greifer sind nicht einzigartig für Cobots. "Schunk hat eine Linie kraftsensorischer Greifer, die Servomotoren nutzen, weg von Pneumatik, die schwerer zu wechseln sind. Man kann die Elektrik wirklich fein abstimmen."

Die Industrieroboter-Leute haben auch Lösungen, die es erlauben, den Roboter schnell von Maschine zu Maschine zu repositionieren. Im Fall von FANUC scannt eine Kamera am Roboter drei Decals an der "neuen" Maschine, um sich automatisch neu auszurichten.

Aber in Monaten des Versuchens sagte Lucier, sie können keine Situation finden, in der so eine Fähigkeit nützlich ist. "Einen Roboter von Maschine zu Maschine zu bewegen, beinhaltet mehr als nur den Roboter zu bewegen. Denken Sie an all die Dinge, die Sie ändern müssen: Vielleicht das End-of-Arm-Tooling, die Zufuhr, die Abfuhr..." Die bessere Lösung ist eine, in der jede Maschine ihren eigenen Roboter hat oder ein Roboter mehrere Maschinen bedient, vielleicht mit dualen Endeffektoren, damit er zwischen Teilarten ohne Intervention wechseln kann.

Es ist auch der Fall, dass Integratoren wie Acieta und Methods traditionelle Roboter zu Bestandsmaschinen hinzufügen können, und Roboter sind etwa gleich teuer wie Cobots. Also unter Berücksichtigung aktueller Angebote ist der größte Vorteil von Cobots ihre Fähigkeit, in der Nähe von Menschen ohne den Platz und die Kosten von Zäunen zu funktionieren.

Der Nachteil ist, dass sie langsamer sind als traditionelle Industrieroboter und auf leichtere Teile limitiert sind. UR's größtes Modell handhabt Teile bis 24 lb (10 kg). Langsamere Lade-/Entladezeiten sind bei Teilen mit langen Zykluszeiten nicht signifikant, aber sie können den Output bei mittel- bis hochvolumigen Jobs mit kürzeren Zykluszeiten verringern.

Kuzmin von Axis Machining sieht den Bedarf an Geschwindigkeit nicht, "nur Konsistenz und Zuverlässigkeit – besonders bei Teilen mit langer Zykluszeit. Es ist besser, einen Cobot Teile zuverlässig laden zu lassen und ihn dann zu nutzen, um andere Teile zu entgraten, während die Maschine läuft. Und wenn man die Geschwindigkeit nicht braucht, warum sie riskieren?"

Lucier und Alexander warnen davor, den Vorteil, direkt neben dem Roboter arbeiten zu können, zu übertreiben. Zum einen wies Lucier darauf hin, dass man den Bediener ohnehin vom Bearbeitungsbereich abschirmen muss. Alexander fügte hinzu, dass wenn ein Cobot ein Teil mit scharfen Kanten handhabt (wie häufig in der Bearbeitung der Fall), "es nicht kollaborativ oder sicher für einen Bediener ist, in seiner Nähe zu arbeiten."

Beide Experten stimmen zu, wie Alexander zusammenfasste, dass "Industrieroboter in der Mehrheit der Jobshop- und Fertigungsanwendungen viel anwendbarer sind als Cobots."

Software-Überlegungen

Laut Greg Mercurio, Präsident von Shop Floor Automations, La Mesa, Calif, "ist Software die essenziellste Komponente in Jobshop-Automatisierung." Er sagte, Direct Numerical Control (DNC) Software (auch bekannt als Distributed Numerical Control Software oder "Drip Feed" Software) "erlaubt gestraffte Maschinenkommunikation, sowie Revisionskontrolle für Qualitäts-/Ausschussmanagement, und ein Mittel, tausende Programme zu organisieren."

Die Hauptfunktion von DNC-Software ist, Bearbeitungsprogramme direkt an die Maschine zu senden, was einer Maschine mit relativ niedrigem Steuerungsgrad erlaubt, eine komplexe Oberfläche zu handhaben.

Mercurio und alle Experten stimmen zu, dass ein gewisses Maß an Maschinenüberwachung hilfreich ist "um Betriebszeit und Maschinenkapazität zu erhöhen." Mercurio fügte hinzu, dass Production Data Management Software Unternehmen ermöglicht, papierlos zu werden und dass "Werkzeuglager-Management auch eine Notwendigkeit ist. Der beste Teil ist, dass diese Lösungen alle mit CAD/CAM, ERP, MES, CMMS und mehr integriert werden können."

Andererseits wies er darauf hin, dass kleinere Shops stark von einer einfachen Hardware-Ergänzung profitieren können, bevor sie Tausende für Software ausgeben. Zum Beispiel macht das Hinzufügen einer RS232-zu-USB-Schnittstelle zu älterer Ausrüstung Drip-Feeding von Programmen einfacher.

"Die Hardware ist einfach zu nutzen, einzurichten und zu warten, also ist es die am wenigsten zeitaufwendige Automatisierungsoption für einen kleineren Shop. Ältere RS232-Maschinen können ein USB-Laufwerk nutzen wie neuere CNC-Maschinen, die diese Funktion ab Werk eingebaut haben. Es erlaubt auch erschwingliche Speichererweiterungen", fügte Mercurio hinzu.

Zurück zu Robotern, sagte Alexander, es gibt zahlreiche Softwarepakete, die von Roboter-OEMs und Drittanbietern angeboten werden, die Roboter-Offline-Programmierung auf einem PC ermöglichen, während der Roboter weiterarbeitet. "Diese Softwarepakete erlauben Ihnen, eine CAD-Datei zu laden und dann Ihnen die Freiheit zu geben, Ihren Roboterpfad mit einem Stift oder einer Maus zu 'zeichnen'", erklärte Alexander. "Die Software wird dann Ihren gezeichneten Pfad in Robotercode konvertieren, der direkt in den Roboter geladen werden kann."

Es ist passend, dass Jobshop-Besitzer Kuzmin das letzte Wort bekommt: "Ich wollte Produktivität verbessern. Ich habe es durch Hinzufügen von Robotern getan. Und ich bin sehr zufrieden mit dem, was wir erreicht haben. Während ich es tat, sagte ich, wir sollten das für alle da draußen verfügbar machen, weil das das ist, was Fertigung in unserem Land viel wettbewerbsfähiger machen wird."