Talleres de Trabajo: Adopten la Automatización para Producción de Alta Mezcla, Bajo Volumen

¿Cree que la automatización es demasiado difícil en un entorno de alta mezcla, bajo volumen? Piénselo de nuevo

Los robots y los talleres de trabajo no se han hablado típicamente juntos. Después de todo, todos saben que la automatización solo es adecuada para producción de alto volumen, y la típica operación de papá y mamá es todo menos eso – su agenda llena de pedidos para alta mezcla, bajo volumen, y a menudo trabajo altamente complejo. ¿Quién necesita un robot en este entorno, donde los setups se realizan varias veces a la semana, o incluso cada día?

Antes de saltar al siguiente artículo, sin embargo, podría querer considerar algunas cosas. Para empezar, muchos expertos sugieren que, independientemente de lo que los propietarios puedan decirse a sí mismos, los talleres de trabajo sufren la utilización de máquina más baja en la industria. Valores de efectividad general del equipo (OEE) del 50 por ciento o menos no son inusuales. La automatización es una solución clara para mejorar este número.

Y debido a que el cambio de máquina es más frecuente en talleres de trabajo, se necesitan más torneros y programadores calificados para realizar actividades relacionadas con el setup – personas que exigen salarios más altos y son difíciles de encontrar. Esto aumenta los costos operativos, reduce oportunidades para trabajo adicional, y hace que la producción las 24 horas sea extremadamente desafiante. Dada la escasez de trabajadores calificados, la automatización debería, por lo tanto, ser el Santo Grial para cualquier taller de trabajo, incluso si la implementación no sea un camino fácil.

Posibilidades de Conectar y Usar

La pregunta es, ¿por dónde comienza? Zach Spencer tiene algunas ideas. Un ingeniero de propuestas personalizadas para Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., señaló que la automatización puede ser casi un asunto de conectar y usar, especialmente cuando se incluye como parte de la compra de una nueva máquina herramienta.

"Desarrollamos nuestra Celda JobShop hace casi 15 años, y desde entonces se ha convertido en una de nuestras soluciones de automatización más populares para el FANUC RoboDrill", dijo. "Está diseñada para talleres que tienen al menos algún cambio cada día, están restringidos en espacio de planta, y necesitan la flexibilidad para cambiar fácilmente de una pieza a otra".

La Celda JobShop está disponible en dos configuraciones, explicó. Una usa un arreglo de transportador superior/inferior para llevar material crudo al robot y llevarse las piezas terminadas, mientras que la otra usa un gabinete que contiene una serie de cajones para almacenamiento de piezas y material. Ambas emplean un robot FANUC para cargar y descargar la máquina (o par de máquinas, en el caso de la Celda JobShop Twin RoboDrill de Methods), y ambas proporcionan una forma de dejar un CNC desatendido por horas o incluso un turno completo, dependiendo de la pieza de trabajo.

Para volúmenes más altos, Methods ofrece su Plus-E, un sistema de automatización estilo elevador multi-pallet para trabajos de volumen medio a alto, así como el Plus-K para talleres que desean automatizar el setup de máquina así como la operación, con la capacidad de intercambiar portaherramientas, mordazas pre-cargadas y dispositivos. "Puede decirle al sistema que estas cinco mordazas son Pieza A, las siguientes dos mordazas son Pieza B, la siguiente es Pieza C, y las siguientes diez serán Pieza D", dijo Spencer. "Después de eso, solo lo carga con material y se va a casa. Ambas máquinas de la Serie Plus son unidades autónomas que se sientan junto a un RoboDrill, y son perfectas para talleres que buscan una forma fácil de entrar en la automatización".

Tome el Carrito

Methods no es el único proveedor que toma este enfoque. Eric Nekich, responsable de operaciones, tecnología y ventas internas en Lang Technovation Co., Hartland, Wis., dijo que los sistemas de automatización RoboTrex de la compañía usan un robot FANUC y hasta cuatro carritos móviles, cada uno conteniendo un número de mordazas pre-cargadas. El RoboTrex 52, por ejemplo, puede almacenar hasta 42 mordazas por carrito (basado en tamaño de pieza y configuración de carrito), potencialmente ofreciendo mecanizado desatendido de 168 piezas de trabajo.

Como la Celda JobShop, el RoboTrex es autónomo y completamente protegido, pero también puede integrarse con una variedad de marcas y modelos de centros de mecanizado. El único obstáculo es entender la necesidad de invertir en algunas de las mordazas de cinco ejes Makro-Grip de Lang, requeridas para usar con el sistema (y fabricadas, coincidentemente, en 50 centros de mecanizado equipados con RoboTrex en la fábrica de Lang en Alemania). "Es una inversión con un ROI muy rápido, sin embargo, porque su tiempo de actividad del husillo aumentará drásticamente con el sistema RoboTrex USA", dijo Nekich.

Michael Gamache es el gerente de desarrollo de negocio en Gamache Systems con sede en New Berlin, Wis., una división de Metalcraft of Mayville y el integrador exclusivo para sistemas RoboTrex en Estados Unidos. Reconoce que algunos clientes podrían resistirse a invertir en un nuevo sistema de sujeción de trabajo, pero ofreció algunas excelentes razones para hacerlo.

"Como propietario de negocio, entiendo el hecho de que las mordazas no son baratas, pero desde una perspectiva de automatización, la sujeción de trabajo de alta calidad es la mitad de la batalla", dijo. "Necesita llevar el material crudo al robot de manera repetitiva y precisa, y el sistema Makro-Grip es una de las mejores formas de lograr esto. Además, el sistema es muy fácil de configurar y operar porque el robot está manipulando las mordazas y no una amplia variedad de tamaños de material crudo; debido a esto, un programa funciona para cada pieza".

Consiga un Agarre

Tyler Mardaus, un ingeniero de diseño en Minneapolis-based Kurt Manufacturing – División de Productos Industriales, estuvo de acuerdo en la necesidad de sujeción de trabajo de alta calidad, aunque el enfoque de su compañía es significativamente diferente al propuesto por Lang. "Nuestro equipo de Sujeción de Trabajo Diseñada a Medida (CEW) diseña muchos sistemas hidráulicos de doble efecto controlados por solenoide", dijo. "La hidráulica proporciona mayor psi y por lo tanto mayor fuerza de sujeción que la sujeción de trabajo manual, mientras que el solenoide soporta la activación electrónica de la mordaza a través del robot o control de máquina, creando un sistema verdaderamente automatizado".

Agregó que los talleres deberían comenzar su viaje de automatización apuntando a los trabajos de mayor volumen. Y si hay piezas que pueden usar una mordaza (o múltiples mordazas) con mandíbulas mecanizables, estas pueden intercambiarse durante el cambio, reduciendo el tiempo de setup. En cuanto a la inversión, no hay forma de evitar la necesidad de una bomba hidráulica y plomería, pero podría ser posible modernizar las mordazas manuales existentes de un taller con ensamblajes de tuerca y tornillo compatibles con hidráulica.

"Debería esforzarse por crear un sistema de control de lazo cerrado", dijo Mardaus. "Esto comienza instalando algún dispositivo de confirmación de asentamiento de pieza, pero también necesita verificar que la mordaza ha sido sujecionada a la fuerza correcta antes de permitir que el ciclo comience, y que la mordaza está desbloqueada antes de que el robot intente remover la pieza de trabajo. Todos estos pasos son cruciales para cualquier solución de mecanizado automatizado".

Acelerando el Intercambio de Sujeción de Trabajo

El comentario de Mardaus sobre reducción de tiempo de setup es acertado. Después de todo, ¿para qué molestarse en reducir costos laborales a través de automatización si va a incurrir en horas de tiempo de inactividad costoso cada vez que cambia de trabajo? Las mandíbulas de cambio rápido que mencionó son un excelente lugar para comenzar, pero si el presupuesto lo permite, un sistema de posicionamiento de punto cero, como el de Makro-Grip de Lang (y otros), convierte el intercambio de sujeción de trabajo en un ejercicio de un minuto. También debería haber capacidades robustas de CAM, con software de simulación que evalúe las trayectorias de herramienta post-procesadas, portaherramientas, herramientas de corte, piezas de trabajo, sujeción de trabajo y la propia máquina herramienta.

Y como explicó Dietmar Moll, director de desarrollo de negocio en Zoller Inc., Ann Arbor, Mich., los talleres deberían dar alta prioridad a la gestión de herramientas, comenzando con un sistema de preajuste fuera de línea y software asociado. "Uno de los mayores beneficios de cualquier estrategia de automatización es que el cuidado de máquinas y otro trabajo sin valor agregado es asumido por un robot o cobot, liberando personal calificado para hacer tareas más importantes", dijo Moll.

El preajuste de herramientas fuera de línea es una de estas tareas, pero también hay planificación exhaustiva de trabajos, mantenimiento y organización de portaherramientas, inspección de herramientas de corte, y análisis de datos de planta. Para este fin, Zoller ofrece una variedad de soluciones mucho más allá del ajuste de herramientas. Sus soluciones de gestión de herramientas (TMS) de nivel Bronce, Plata y Oro permiten a un taller aumentar sus capacidades según sea necesario, entregando una visibilidad significativamente mayor a los procesos de producción y activos relacionados con herramientas. Y porque estos pueden comunicarse con el robot colaborativo "cora" de Zoller, agregó Moll, sirven para "cerrar el lazo" automatizando tareas de sala de herramientas como limpieza y almacenamiento de herramientas.

De manera similar, las soluciones integradas de almacenamiento de herramientas de la compañía ayudan a organizar estos activos, reduciendo aún más el tiempo de inactividad e ineficiencia. Y cuando el trabajo está completo, estos mismos sistemas pueden usarse para registrar las herramientas de vuelta en el almacén, revisar su rendimiento, y registrar cualquier vida de herramienta restante. "Esto ayuda a los talleres a entender mejor qué herramientas de corte están funcionando bien y cuáles no, dándoles la capacidad de mejorar aún más los procesos y reducir costos de herramientas", dijo.

Sugerencias de Programación

La gestión robusta de herramientas también es una parte esencial de la programación de trabajos, algo crítico para la utilización de máquinas herramienta y robots por igual. Para Moll, esto significa saber qué trabajos son los siguientes en la línea y qué herramientas se necesitan para ejecutarlos. Para Daniel Carranco, significa más que eso, especialmente en el contexto de la automatización. El director de mejora continua en Global Shop Solutions Inc., The Woodlands, Texas, señaló que todos los talleres – automatizados o no – deberían tener un buen ERP y sistema de programación en su lugar, uno que también pueda monitorear la planta y recopilar información sobre el proceso de mecanizado.

Lograr la parte de monitoreo y recopilación de datos de esa ecuación requiere software ERP amigable con integración, máquinas herramienta y robótica, aunque. "Hemos tenido situaciones donde el cliente quería integrar su equipo con nuestro sistema pero encontró que la plataforma de software usada por ese equipo era casi imposible para nosotros trabajar", dijo. "Así que el primer consejo para cualquiera que persiga un entorno de producción integrado es asegurarse de que todo pueda comunicarse efectivamente, y que todos estén claros en cuanto a los tipos y volúmenes de datos que se intercambiarán".

La comunicación, parece, significa más de lo que una vez significó. Donde los sistemas ERP han destacado durante mucho tiempo en recopilar datos de los humanos en la planta, ahora deben recopilarlos de robots y controladores de máquina también. Además, estos datos no solo contienen el número de trabajo ubicuo, tiempo de producción y cantidad completada (o desechada) que los usuarios han llegado a esperar, sino que también podrían mostrar consumo de material en tiempo real, información de inspección y calidad de pieza, estado de máquina y robot, y así sucesivamente.

"Ciertamente hay mucha más información disponible hoy que antes, y dado el software ERP, equipo e integración correctos, todo puede ser recopilado de manera fluida y automática", dijo. "Hacerlo proporciona oportunidades completamente nuevas para mejora continua, pero más importante, libera a los empleados para enfocarse en cosas más importantes. No hay más tiempo desperdiciado en recopilación manual de datos, que a menudo es irregular de todos modos, y la gente puede trabajar en planificación y análisis de proceso".

Dando un Impulso a las Mejores Prácticas

Como sugirió Carranco, estas tecnologías deberían perseguirse independientemente de los planes de un taller para automatizar, ya que todas sirven para hacer las operaciones más eficientes y sus niveles de OEE mucho más altos. Y cuando el siguiente paso se tome – implementar un robot o sistema de manipulación de materiales – la inversión se amortizará mucho más rápido. Asumiendo que no le importe o no pueda usar ninguno de los sistemas preconfigurados ya discutidos, la pregunta entonces se convierte en, "¿qué robot deberíamos comprar, y cómo deberíamos implementarlo?"

Dean Elkins puede recomendar uno. Un líder de segmento para manipulación de materiales en la División de Robótica Motoman de Yaskawa America Inc., Miamisburg, Ohio, Elkins dijo que los talleres de trabajo a menudo presentan una gama de aplicaciones robóticas adecuadas, ya sea cuidado de máquinas, desbarbado de piezas, ensamblaje automatizado, o soldadura robótica. Encontrar el equipo adecuado para estas aplicaciones, sin embargo, requiere una buena cantidad de evaluación y hablar con gente conocedora.

"Justificar una inversión en automatización depende de varios factores", dijo Elkins. "Obviamente, cuanto mayor la cantidad de producción, más sentido tiene automatizarla. Pero incluso trabajo repetido de menor volumen puede ser rentable, siempre que el taller tome los pasos necesarios para reducir el tiempo de setup lo más posible. Las piezas con tiempos de corrida más largos también son buenos candidatos, al igual que piezas con requisitos de manipulación simples".

Elkins señaló que la mayoría de los talleres de trabajo encuentran que un robot de piso pequeño a mediano – significando una carga útil de 5-25 kg – es todo lo que se necesita para desbarbar un lote de piezas, soldar una caja de soportes, o atender un torno CNC después de que todos se hayan ido a casa por la noche. Con eso, sin embargo, se requerirá algún nivel de protección de seguridad, así como garras, una interfaz a la máquina herramienta, y posiblemente software de programación y simulación.

Mañana, Hoy

Y no olvide la capacitación, advirtió. La automatización es mucho más simple de lo que era, sin embargo, el propietario de taller más astuto aún hará una inversión adicional en capacitación, y tendrá una persona dedicada en el personal para gestionar la robótica del taller. Dicho esto, robots colaborativos y de limitación de fuerza se están volviendo bastante populares, especialmente donde el espacio de planta es una preocupación. Los robots pueden equiparse con garras de auto-cambio o cambio rápido, aumentando la flexibilidad. Los sistemas de visión a menudo pueden eliminar o al menos simplificar sistemas de transporte de piezas, y la capacidad de enseñar un robot sus tareas ayuda a reducir la necesidad de sistemas de programación fuera de línea. "Hay mucho que considerar", dijo Elkins. "Por eso animo a cualquiera interesado en automatización a hacer su tarea, hacer preguntas, y asociarse con un integrador de reputación".

Acieta LLC, Waukesha, Wis., es una de esas compañías. Steve Alexander, vicepresidente de operaciones, advierte que no todos los integradores son creados iguales. "Asegúrese de trabajar con alguien que tenga experiencia con su tipo de trabajo y el nivel de habilidad para implementar su proyecto de automatización robótica", dijo. "Obtenga referencias, vaya a ver sus instalaciones previas, y entienda la calidad de su trabajo. Los robots industriales están diseñados para durar bien más de 10 años, así que quiere asegurarse de que todo lo demás en la celda esté diseñado para un entorno automatizado y sea tan confiable como el robot en sí".

Hacerlo puede llevar a un retorno de inversión (ROI) de solo unos meses, aunque un año o dos es probablemente una expectativa más realista. Gran parte de eso depende de la aplicación, por supuesto, pero el tipo de robot también juega un papel. Como señaló Elkins, los robots colaborativos – o cobots – se han vuelto toda la rabia en los últimos años, principalmente debido a su facilidad de uso y operación aparentemente más segura en proximidad a humanos. Sin embargo, las apariencias pueden ser engañosas. Los cobots pueden ser más lentos y menos precisos que los llamados "robots industriales", posiblemente ralentizando el ROI, e incluso el cobot más amigable puede dañar a un humano si no se siguen los procedimientos de seguridad establecidos.

Es por esto que Elkins y otros recomiendan fuertemente una evaluación de riesgos con cualquier instalación de robot. También sugirió que el mejor enfoque para novatos en automatización es comenzar pequeño y fácil. "Encuentre un solo punto de dolor y conquiste ese primero antes de buscar agregar procesos adicionales o complejidad", dijo. "Quiere tener éxito desde el principio para que todos – el propietario del taller, los operadores de máquina, y la gente haciendo la integración – estén cómodos avanzando a proyectos más grandes o complejos. A veces, el mayor desafío es obtener la aceptación de los empleados. Siempre está el miedo de que los robots reemplacen a los humanos, así que es importante hacerlos parte de la implementación. Eduque, involúcrelos en el despliegue, y cuando encuentren que el robot en realidad hace su trabajo más fácil e interesante, terminarán siendo sus mayores animadores".