Quand les cellules de travail fonctionnent pour les machines-outils

Jul 13, 2023

Étendue des travaux, automatisation, retour sur investissement et autres points à noter. Ou combien de widgets voulez-vous créer et à quelle vitesse ?

Les cellules de machine-outil sont dotées d'une automatisation liée à un robot qui s'arrête en deçà du débit le plus élevé fourni par les cellules de fabrication flexibles (FMS). La variété est leur marque de fabrique. Les configurations de cellule de machine-outil possibles avec l'automatisation robotique comprennent les ateliers avec des exigences de mixité/faible volume ainsi que des cellules avec des exigences de débit élevé.

Mais comment choisir d'investir dans une cellule de travail avec une machine-outil, et quelle configuration ? Il est préférable de comprendre d'abord les principes fondamentaux.

Les machines peuvent être entretenues et reliées pour produire les mêmes pièces en série ou effectuer plusieurs processus d'usinage complexes sur des pièces individuelles. Les nouveaux utilisateurs de l'automatisation ainsi que les ateliers expérimentés peuvent bénéficier de l'expertise disponible des constructeurs de machines-outils, des fournisseurs de robots et d'automatisation et des intégrateurs qui les regroupent dans une solution productive. Dans cet article, les principales sociétés d'automatisation de machines-outils expliquent ce qu'il faut rechercher lors du démarrage de l'adoption de la technologie des cellules de machines-outils.

Le point de départ pour un atelier pour déterminer si une cellule de machine-outil est la bonne approche est généralement lorsque l'objectif est de savoir comment produire efficacement le plus grand nombre de pièces. Selon Matt Gifford, directeur national des ventes, Mitsui Seiki USA, Franklin Lakes, NJ, les petits ateliers de travail et les grands ateliers de production doivent se poser les mêmes questions lorsque la configuration est déterminée. Quel type de travail ? Quantités annuelles de références ? Existe-t-il des familles de pièces apparentées ? Quels types et quantités de machines sont nécessaires et disponibles pour fabriquer les pièces (ou familles de pièces) ? Combien d'outils (standards et spéciaux) et de types d'accessoires sont nécessaires ?

Selon Gifford, la combinaison de différents types de machines dans une cellule est devenue plus facile à intégrer ces dernières années. Il est encore plus courant que les machines choisies pour la cellule soient configurées de la même manière et proviennent du même constructeur en raison de la facilité d'intégration et de la similitude.

D'autres combinaisons sont généralement des machines qui peuvent utiliser les mêmes palettes entre elles. Par exemple, si vous avez de grandes pièces (palettes d'un mètre ou plus par exemple) qui utilisent des centres d'usinage horizontaux avec un tour VTL et une inspection CMM en ligne, les récepteurs de palettes doivent être les mêmes sur toutes les machines. Pour les pièces plus petites, il convient de charger plusieurs variétés de pièces pour un système de production "juste à temps", en maintenant une utilisation élevée de la broche. Ce scénario fonctionne mieux lors de l'utilisation de petites palettes pouvant fixer une grande variété de pièces et avec les mêmes récepteurs sur une variété de configurations de machines-outils, y compris le tournage, l'ébavurage, le lavage, l'inspection et plus encore.

De grands progrès sont réalisés pour la production mixte/faible volume, ce qui est courant dans les ateliers et dans tout environnement de production fonctionnant avec une stratégie allégée. Les contrôleurs de cellule avancés d'aujourd'hui gèrent et surveillent avec brio tous les aspects de la cellule et peuvent être intégrés à l'ERP et au MES d'une usine pour planifier et reprogrammer automatiquement les priorités de travail et les besoins en ressources à mesure que les demandes changent en temps réel.

La plupart des commandes de machine sont basées sur PC, ce qui facilite l'intégration et la connexion des machines. Les contrôleurs de cellules avancés ont aujourd'hui la sophistication nécessaire pour épouser les différentes machines. Le défi, cependant, est que la plupart des ateliers disposent d'une variété de machines-outils d'âges différents allant jusqu'à 20 ans ou plus. Il est préférable de prévoir des stratégies de remplacement en faisant intervenir une nouvelle cellule pour remplacer les équipements plus anciens. Même ainsi, l'équipement hérité est toujours utilisé. Parfois, une pièce d'équipement plus ancien peut être utilisée pour préparer des pièces avec un service qualifié, par exemple pour le montage dans un appareil, puis l'équilibre des processus peut être automatisé en production cellulaire.

Il n'est pas difficile à gérer si vous utilisez un PC commun pour gérer les données. En règle générale, chaque machine peut fonctionner comme un système d'exploitation autonome, puis la planification, les rapports et le flux de travail peuvent être gérés avec le contrôleur de cellule PC centralisé. Il existe des entreprises spécialisées dans ces types de systèmes, ou un intégrateur système peut gérer l'ensemble du projet.

Gifford a noté que son entreprise remplit souvent ce rôle et prend la tête des configurations de cellules. "Il y a beaucoup à faire et l'expérience est indispensable pour un résultat optimal", a-t-il déclaré. "De plus, les entreprises doivent regarder vers l'avenir et envisager les étapes futures de l'automatisation afin que tout ce qui est mis en place ait maintenant la capacité de se connecter aux futures installations. Heureusement, la plupart des systèmes actuels sont conçus pour être modulaires et extensibles à mesure que les besoins d'une entreprise augmentent."

La méthode "d'apprentissage" actuelle de la programmation robotique a considérablement facilité l'intégration des exigences de manipulation des matériaux pour les machines-outils et des exigences de manipulation associées. Le plus grand défi est la sécurité autour de l'environnement d'exploitation. De nombreux systèmes doivent être fermés avec des verrous de sécurité pour l'entretien et les réparations du système lorsque les individus se trouvent à l'intérieur des zones de la cellule à mouvement contrôlé.

L'attente d'un retour sur investissement acceptable pour une cellule dotée de plusieurs machines dépend de la stratégie de dépréciation de l'entreprise (réduction de la valeur comptable d'un actif à une juste valeur marchande). Sur une dépréciation accélérée de sept ans, l'objectif est de maintenir le retour sur investissement entre 18 et 60 mois. Il s'agit généralement de projets financés pour moins de 4 millions de dollars. Pour les grands projets avec un amortissement typique de 12 ans, l'attente de retour sur investissement peut durer plus longtemps. Cela dépend également de la stratégie d'EBITDA d'une entreprise (bénéfice avant intérêts, impôts, dépréciation et amortissement). En règle générale, le retour sur investissement de tout type de cellule de fabrication ne doit pas dépasser le temps d'amortissement. La plupart des cellules de fabrication bien configurées auront un retour sur investissement de 2 à 3 ans en raison de l'augmentation de la production.

Les bases de l'automatisation des cellules de machines-outils sont décrites dans une conversation avec Dave Zunis, directeur de l'ingénierie des services et des applications et Courtney Ortner, directeur du marketing, A+ Automation Team of Absolute Machine Tools, Lorain, Ohio. Ils conseillent de commencer par une définition de la portée et de l'objectif du projet d'automatisation qui soit clairement comprise par les deux parties. Ils pensent qu'il est important de se poser les questions suivantes : Combien de widgets veulent-ils produire ? Qu'est-ce que cette automatisation va faire pour eux - augmenter la production ? Quelle ergonomie essayez-vous de changer ou d'améliorer ?

« Ensuite, nous demandons au client quels outils il possède actuellement et que nous pouvons utiliser. [Par exemple,] ont-ils les bonnes machines-outils ? Disposent-ils de suffisamment d'argent pour acheter les machines-outils s'ils ne les ont pas ? Ont-ils besoin de nous pour les aider à choisir la bonne machine-outil ? Un plan doit être élaboré. Absolute Machine Tool remplit les trois fonctions : choisir une machine CNC, sélectionner les outils et les intégrer dans la cellule.

L'automatisation d'une cellule de machine-outil peut rationaliser et optimiser ce qui était auparavant une opération manuelle. Zunis a déclaré que les questions sur le retour sur investissement sont souvent soulevées à ce stade. "Évidemment, nous ne pouvons pas toujours leur dire quel est leur retour sur investissement, mais nous pouvons leur donner le coût d'intégration. Ils doivent le peser en interne en ajoutant le coût d'un opérateur ou de plusieurs opérateurs, les avantages et tous les autres frais généraux que l'entreprise a avec les personnes en place. Ils doivent également tenir compte de leur débit actuel. être en mesure de leur donner une estimation du retour sur investissement."

Les cellules automatisées les plus populaires de la gamme Absolute sont la surveillance des machines avec un robot chargeant et déchargeant une fraiseuse ou un tour. Une cellule automatisée récente implique un fabricant d'armes à feu qui a créé une nouvelle entreprise pour fabriquer des canons d'armes à feu parce qu'il avait du mal à les obtenir. La cellule implique un robot chargeant une perceuse à arme à feu, prenant le canon de la perceuse à arme à feu à l'alésoir et de l'alésoir à la machine à rayures pour terminer le processus. "Une grande partie de ce que nous voyons avec les cellules de machines-outils consiste à éliminer l'ergonomie de la répétitivité du chargement et du déchargement. Surtout en cette période de pénurie de travailleurs, il est plus logique que jamais d'automatiser", a déclaré Zunis.

"Je reçois chaque jour des e-mails de petites et moyennes entreprises me disant qu'elles veulent se lancer dans l'automatisation mais qu'elles ne savent pas par où commencer", a déclaré Courtney Ortner. "Ces entreprises doivent vraiment commencer lentement. Dans le cas du fabricant de canons d'armes à feu, le propriétaire était pressé d'obtenir des canons, il devait donc se lancer à pieds joints. Cependant, d'autres petites et moyennes entreprises n'ont peut-être pas un besoin urgent mais ont plutôt du mal à trouver des personnes pour leur main-d'œuvre. le robot ne reste pas inactif. Il est important qu'ils profitent de notre formation en tant qu'intégrateur.

L'intégration de dispositifs et de processus tiers dans la cellule de la machine-outil devient plus facile en raison de l'impact croissant de la capacité plug and play de l'IoT. « En tant qu'intégrateur, nous pouvons incorporer des équipements périphériques dans la cellule conçue autour du robot. Aujourd'hui, de plus en plus de fabricants produisent des équipements IoT, tels que des tablettes PC avec des applications de production pouvant s'exécuter dessus. nis.

« Par exemple, sur un robot collaboratif Fanuc, vous pouvez charger les données d'outillage et le robot configure automatiquement l'outillage d'extrémité de bras servo pour vous. Les applications pour des équipements tels que les crayons d'ébavurage, les ponceuses, les polisseuses et les modules d'aspiration les ont rendus compatibles plug and play. Il n'existe pas encore d'interfaces dédiées plug and play pour les MMT, mais je prévois que cela se produira dans un avenir proche en raison de la révolution de l'Internet des objets », a déclaré Ortner.

Les cellules de machines-outils peuvent aider à résoudre la pénurie de main-d'œuvre critique à laquelle sont confrontés les fabricants d'aujourd'hui, mais le démarrage des ateliers utilisant l'automatisation pour la première fois nécessite une attention particulière à la sélection des machines CNC, de la technologie robotique et de l'intégration des cellules. En règle générale, tout ce qui est bien développé et fiable dans une application manuelle est un candidat pour l'automatisation dans une cellule d'usinage, a déclaré Anthony Fettig, PDG, UNISIG Deep Hole Drilling Systems, Menomonee Falls, Wis.

"Tout comme dans une machine à commande manuelle, obtenir les bases correctes avec des avances et des vitesses qui permettent un bon contrôle des copeaux, concevoir un maintien de travail efficace qui localise de manière fiable les pièces et avoir un bon plan sur les opérations de commande nécessaires facilitera la mise en œuvre de l'automatisation", a conseillé Fettig. "Pour commencer l'automatisation, sélectionnez des machines qui peuvent être spécifiées comme prêtes pour les robots en usine pour une intégration facile dans les cellules, qui peuvent inclure des E/S supplémentaires, des portes automatiques et des capteurs supplémentaires pour surveiller le processus d'usinage."

« Le regroupement de familles de pièces est une stratégie courante, et c'est là qu'intervient une grande partie de la planification précoce de l'automatisation. Comment réduire le temps de changement et augmenter la flexibilité ? Il existe plusieurs raisons de regrouper plusieurs machines », a expliqué Fettig, « mais pour avoir une bonne utilisation des broches sur toutes les machines, les temps de cycle doivent être équilibrés.

« Par exemple, il peut y avoir un besoin de volume de pièces avec deux machines réalisant le même processus. Deux machines bibroches avec un robot signifient effectivement avoir une machine à quatre broches, et les machines bibroches sont très courantes et peuvent être facilement redéployées. trou qui prend moins de temps. Vous avez donc quatre broches alimentant deux broches pour obtenir votre cellule équilibrée. C'est l'avantage de ces cellules flexibles - vous n'avez pas à vous engager dans une très grande machine dédiée », a expliqué Fettig.

UNISIG développe des cellules de machines-outils pour une variété d'industries pour l'usinage de précision d'arbres et de pièces pour les composants de carburant diesel, l'outillage médical et les moules d'injection plastique, entre autres. Les applications de l'industrie médicale comprennent la fabrication d'arbres pour appareils orthopédiques et le forage d'instruments chirurgicaux. Les perceuses à canon et autres machines de forage et de finition de trous profonds d'UNISIG sont capables de percer des trous avec des rapports profondeur/diamètre allant jusqu'à 100:1, dans une grande variété de pièces. "Nous automatisons les cellules pour percer des pièces ne pesant que quelques onces, mais dans d'autres applications, les pièces pèsent des milliers de livres et sont toujours chargées par robot." dit Fetti.

Les choix de robots vont des robots collaboratifs DIY aux robots industriels à grande vitesse. "Si un client souhaite intégrer lui-même un robot collaboratif, il nous achète simplement les machines prêtes pour le robot et nous soutenons son projet. Les cellules que nous fournissons utilisent des robots industriels à grande vitesse pour entretenir plusieurs machines."

"Lorsque nous commençons un projet de cellule automatisée, nous planifions les meilleures dispositions des machines, choisissons un robot ou une série de robots et de systèmes d'alimentation et nos ingénieurs développent des programmes spécifiques pour ce projet. Soit nous testons le système complet sur notre sol, soit nous intégrons deux ou trois machines ensemble dans une cellule chez notre client", a déclaré Fettig. Ces robots industriels sont rapides et puissants. UNISIG est un intégrateur de robots FANUC. "Dans ces cellules, des clôtures sont impliquées pour la sécurité ou des scanners laser parfois pour protéger les opérateurs du robot en mouvement rapide."

Les cellules automatisées sont adaptées aux besoins spécifiques du projet et, par conséquent, elles ont tendance à être coûteuses lors d'une première construction, car l'ingénierie est dédiée à cet ensemble précis de circonstances. "La tendance la plus intéressante pour nos clients est probablement lorsque nous créons une cellule d'automatisation standard prête à l'emploi. Nous avons pré-conçu le robot, les effecteurs, les systèmes de clôture, les mécanismes d'alimentation et de sortie et tout ce qu'ils font est d'acheter la chose qui a de la valeur pour eux. ."

UNISIG a investi dans l'ingénierie et le logiciel de son contrôleur de cellule.

"C'est un écran tactile très convivial situé à l'extérieur de la cellule. Il dispose d'une interface unique permettant à l'opérateur de faire fonctionner les trois machines, le robot et les systèmes d'alimentation. Il permet à un opérateur de machine de niveau novice de redémarrer efficacement les cycles si quelque chose est mal configuré ou si le robot est impliqué dans une collision. Il peut amener le robot dans une position sûre et démarrer des programmes sans être programmeur.

L'automatisation maintient la production quelle que soit l'heure de la journée ou le jour de la semaine, ce qui se traduit par des délais plus courts, une productivité plus élevée et un retour sur investissement plus rapide. En fait, Eric Ostini, responsable du développement commercial pour GF Machining Solutions (GFMS), Lincolnshire, Illinois, a déclaré que l'investissement initial important dans l'automatisation est facilement justifié avec l'augmentation du temps de production de 2 000 à 6 000 à 8 000 heures par an.

Le System 3R Automation de GFMS fournit le matériel et le logiciel pour intégrer des palettes dans des mandrins sur des tables de machine afin d'automatiser le fraisage, l'électroérosion à fil, le laser et les rectifieuses. Capable d'effectuer des mouvements de transfert complexes et d'automatiser la manipulation des pièces grâce à un System 3R, le robot six axes Transformer couvre les applications avec un poids de transfert de 70 à 700 kg et une portée radiale jusqu'à 3 400 mm.

Ostini souligne que le moyen d'obtenir une bonne utilisation de la cellule de la machine-outil est de savoir utiliser le robot pour optimiser vos processus. "Nous suggérons que l'atelier commence par palettiser les machines, en insérant et en sortant manuellement les palettes. Une fois que vous êtes familiarisé avec la configuration de la machine, ajoutez le robot et comprenez les communications entre la machine, le robot est très simple." Ensuite, lorsque l'atelier souhaite utiliser plusieurs machines, un logiciel est disponible pour optimiser l'automatisation et l'utilisation des machines. »

Pour minimiser les temps non productifs, System 3R a créé un logiciel appelé Workshop Manager avec des modules qui organisent toutes les machines de la cellule pour optimisation. Ostini a expliqué : "Par exemple, pour l'optimisation, la "première machine disponible" est une option. Cela signifie que si une machine devient inactive, le logiciel peut examiner ce qui est nécessaire pour accomplir le travail et trouver une machine disponible pour ce travail. Le résultat est que la machine ne reste jamais inactive pendant des heures, en attendant qu'un processus soit effectué."

Une autre façon d'optimiser consiste à établir des priorités. Le programme Workshop Manager peut consulter la base de données de l'outillage de la machine et déterminer si et où l'outillage pour faire la pièce sur la palette 1 ou la palette 2 est disponible pour maintenir la production des machines.

L'automatisation peut créer des cellules hautement productives en créant un processus de détection d'une palette d'une pièce ou de pièces et en la déplaçant vers des machines tout au long du processus. Par exemple, sur une palette, une fraiseuse peut découper un moule qui est transféré dans une matrice qui place des inserts de nervures dans le moule qui passe ensuite à une CMM pour mesurer et s'assurer qu'il est conforme aux normes du travail. Pendant qu'une fraiseuse effectue le travail de moulage, une autre fraiseuse peut fabriquer les électrodes en graphite pour la matrice.

Selon Yarek Niedbala, vice-président des ventes de KUKA Robotics Canada, les partenaires nord-américains de KUKA, tels que Waybo, ont développé des cellules préfabriquées qui surmontent la difficulté d'automatisation avec des robots à partir de zéro. « Des cellules préfabriquées ont été développées selon les normes nord-américaines qui peuvent être installées et opérationnelles en quelques heures », a déclaré Niedbala. "La formation requise est minime car les programmes sont paramétriques. Ces produits compacts ont été développés en gardant à l'esprit les exigences de fabrication en petits lots et à grande diversité des fabricants de petite et moyenne taille. Les mécanismes d'alimentation et le fonctionnement sont très adaptés à ces applications."

Niedbala a expliqué qu'une cellule pré-conçue Waybo est essentiellement plug and play. Le robot est livré avec deux ou trois pinces pour saisir une pièce et prendre en charge les opérations OP10/OP20. En plus de cela, des options de marquage, d'ébavurage, de mesure et de nettoyage, entre autres, peuvent être intégrées.

KUKA propose une large gamme de robots allant d'une charge utile de 4 kg et une portée de 600 mm jusqu'à 1 000 kg et une portée de 3,9 mètres. "Mais si une enveloppe plus grande est nécessaire, nous pouvons placer le robot sur un rail linéaire et étendre considérablement sa portée", a-t-il déclaré. KUKA propose une gamme de plates-formes mobiles avec différentes charges utiles, dont certaines sont équipées d'un robot sur le dessus appelé KUKA Mobile Robot pour une liaison de machines qui n'est pas limitée par l'emplacement des machines.

Cependant, déplacer des cellules robotisées préfabriquées dans l'atelier n'est pas toujours souhaitable. Pendant le déplacement de la cellule, la cellule d'origine et la cellule de destination ne produisent généralement pas de pièces. Niedbala a déclaré que les utilisateurs novices devraient déterminer quelle machine est utilisée le plus fréquemment, puis se concentrer d'abord sur l'automatisation de cette machine. "En une journée, vous pouvez avoir la machine complètement automatisée en ajoutant simplement l'une des cellules pré-conçues de Waybo."

La prochaine étape serait de rechercher des projets qui peuvent fournir plus de travail à cette machine. "Une fois que vous avez cette machine à pleine capacité, procédez à l'automatisation des machines suivantes", a expliqué Niedbala. "Beaucoup de nos clients ont commencé avec un robot automatisant une machine sur une ou deux équipes et, grâce à la longue autonomie de la cellule pré-conçue, ils l'ont finalement maintenue en fonctionnement pendant la nuit. Une fois que cette machine a atteint son maximum, ils sont passés à la machine suivante et maintenant ils [ont] plusieurs cellules travaillant dans l'atelier, maximisant le temps de broche, ce qui est hautement souhaitable pour les machines-outils coûteuses."

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