Spojenie robotiky a CNC obrábania v Alexandrii Industries sa prvýkrát realizovalo v podobe inštalácie robota Rosie už v roku 2001. Jednoduché to veru nebolo. Bunka, v ktorej bol robot inštalovaný, sa nachádzala vo výrobnom závode v Minnesote, pričom prioritne bola určená na výrobu súčiastok pre telekomunikačný priemysel. Bunka obsahovala dva CNC obrábacie stroje, dva dopravníky, ktoré robot zásobovali obrobkami a ten ich umiestňoval do obrábacích strojov, kameru na lokalizáciu obrobkov na dopravníkoch, aby boli správne uchopené, čím sa eliminovala potreba a náklady na pevné usporiadanie, a časti, kde robot ukladal hotové diely na čakajúce palety.
Útlm v telekomunikačnom priemysle však spôsobil, že spoločnosť prišla o zákazky, pre ktoré bola obrábacia bunka vytvorená. Výsledkom bolo, že došlo k výraznej potrebe presunu bunky, čo vyžadovalo nemalú investíciu.
Spoločnosť nakoniec prišla so stratégiou, o ktorej dúfala, že pomôže návratnosti investícií do bunky. Identifikovala existujúcu opakujúcu sa úlohu – vytlačenie (extrudovanie) hliníkových krytov pre systémy na prívod kyslíka – ktorá tiež obsahovala rodinu podobných komponentov. Zámerom bolo prideliť túto úlohu jednému z dopravníkov a strojov bunky a potom pracovať na iných úlohách, aby zostávajúci dopravník a stroj (a Rosie) boli tiež vyťažené.
Manažér plánovania zdrojov a CNC robotiky Todd Carlson pripúšťa, že táto stratégia nefungovala tak dobre. Zatiaľ čo jeden stroj bol odstavený z dôvodu nastavenia novej úlohy, údržby alebo z iných dôvodov, robot a druhý stroj sa tiež museli vypnúť, pretože zamestnanci prevádzky museli vstúpiť do bunky, aby mohli bezpečne vykonávať svoje úlohy. V tejto konfigurácii bunka nikdy nepriniesla takú efektivitu výroby, v ktorú spoločnosť dúfala. „Boli sme presvedčení, že už nikdy nebudeme skúšať robotickú automatizáciu CNC obrábania,“ hovorí T. Carlson.
Po niekoľkých rokoch bojovania s ňou sa Alexandria Industries rozhodla bunku zjednodušiť. Odstránili jeden zo strojov a bunku pridelili na výrobu radu puzdier na prívod kyslíka. Pri tejto zmene sa prevádzka vretena a produkcia výroby jediného stroja bunky zvýšili o viac ako 30 %. T. Carlson hovorí, že vtedy sa spoločnosť rozhodla zjednodušiť a štandardizovať svoj prístupu k automatizácii, čo by jej mohlo pomôcť získať viac potenciálnych výhod bezobslužného obrábania.
Alexandria Industries odvtedy aplikovala toto myslenie pri návrhu rôznych robotom riadených obrábacích buniek. Spoločnosť má v súčasnosti v tejto prevádzke nasadených viac ako 20 robotov, z ktorých niektoré sú kolaboratívne (známe ako cobots) a využívajú technológiu snímania sily, aby s nimi mohli zamestnanci bezpečne pracovať pri meraní, odhrotovaní alebo balení komponentov.
Všetky obrábacie bunky vybavené robotom sú navrhnuté tak, aby dokázali realizovať rôznorodé úlohy, v niektorých prípadoch až 50 rôznych úloh. Pri navrhovaní týchto buniek sa museli robiť ústupky z hľadiska rýchlosti výroby a flexibility. Tradičné prevádzky s obrábacími strojmi, ktoré uvažujú o pridaní robotov, by sa zo stratégie spoločnosti Alexandria Industries mohli poučiť a zamerať sa na nastavenie buniek tak, aby boli schopné zvládnuť veľkú rôznorodosť komponentov a zároveň malosériové obrábanie.
Zjednodušujte, štandardizujte
Spoločnosť Alexandria Industries bola založená ako spoločnosť Alexandria Extrusion Company v roku 1966. Jej prevádzka s rozlohou približne 17 500 m2 situovaná v meste s rovnakým názvom má množstvo výrobných kapacít. Okrem iného tam vytláča a spracúva ročne 13 700 ton zliatin hliníka radu 6000, z ktorých väčšina podlieha ďalším procesom opracovania, výroby a ďalších operácií s pridanou hodnotou.
Surovina použitá v tomto zariadení sa dodáva v šesťmetrových tyčiach s priemerom 9 alebo 17 cm, ktoré spoločnosť označuje ako guľatina. V prevádzke sa nachádzajú dva 17 cm vytlačovacie lisy a jeden 9 cm vytlačovací lis. Pred vytláčaním sa guľatina rozreže na 45 až 71 cm dlhé kusy. Z každej časti sa potom kefou odstráni z povrchu zoxidový povlak a privedie sa do indukčného ohrievača, ktorý ju za necelých 75 sekúnd zahreje na teplotu 302,6 °C. Vytlačovací lis tlačí mäkký zahriaty hliník cez formu, aby sa vytvoril požadovaný profil. Prevádzka v Alexandrii takto vytlačí približne 3 500 komponentov a má približne 5 500 foriem (niektoré z nich sú kópie). Po ochladení sú výlisky rezané na dĺžku a mnohé ešte vyžadujú dodatočné obrobenie.
Po skompletizovaní svojej prvej robotom riadenej obrábacej bunky sa spoločnosť v súvislosti s automatizáciou rozhodla pre štandardizáciu procesov. V roku 2005 nainštalovala dve bunky so vstupnými a výstupnými dopravníkmi, robotmi FANUC LR Mate a vertikálnymi obrábacími centrami Haas VF2 (VMC). Podobne ako Rosie, aj roboty v týchto bunkách používali kamery na lokalizáciu častí, ktoré sa majú odobrať z podávacieho dopravníka.
Cieľom spoločnosti Alexandria Industries bolo, aby dokázala v rámci tej istej bunky spracúvať rôzne komponenty s maximálnou dĺžkou 20 cm. „Hľadali sme opakujúce sa úlohy, v ktorých boli diely podobné veľkosťou a tvarom a vyžadovali trochu priamočiarejšie obrábanie,“ vysvetľuje T. Carlson. „Chceli sme vytvoriť rad podobných komponentov pre každú bunku namiesto toho, aby sme sa snažili zvládnuť akúkoľvek prácu. Nechceli sme v bunkách spracúvať zložité časti bez dozoru. Tieto úlohy by sme radšej vykonávali na samostatných strojoch s operátorom v pohotovosti, aby vykonával kontrolu dielcov, monitoroval opotrebovanie nástrojov a všeobecne sledoval tento proces.“
Do šiestich mesiacov od inštalácie boli tieto dve bunky v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri plnej kapacite, pričom sa realizovalo až 30 rôznych úloh. Spoločnosť pridala ďalšie dve rovnaké bunky a tie čoskoro fungovali tiež s plnou kapacitou. Dnes má spoločnosť v prevádzke šesť buniek s CNC strojmi VF2 a jeden operátor môže obsluhovať naraz tri bunky. „Normalizácia zariadení a procesov uľahčuje operátorom pohodlne obsluhovať ktorúkoľvek z týchto buniek,“ konštatuje T. Carlson.
Alexandria Industries tiež štandardizovala svoju stratégiu upínania v rámci obrábacích buniek vybavených robotmi. Spoločnosť spočiatku uvažovala, že by otočný stolík na štvrtej osi použila iba na komponenty, ktoré vyžadovali opracovanie na viacerých stranách. Otočné stolíky boli zo strojov odstránené, keď ich nepotrebovali, a nahradené hydraulicky ovládanými priezormi. Spoločnosť však zistila, že má väčší zmysel ponechať otočné stolíky namontované v strojoch a vyrábať upínače na komponenty, ktoré vyžadujú obrábanie iba na jednej strane. Pri zachovaní toho istého umiestnenia stolíka by spoločnosť nemusela vylepšovať programy robota. Znížili sa aj dodatočné náklady na prichytenie stolíka, pretože táto stratégia urýchlila a zjednodušila výmenu. T. Carlson hovorí, že preinštalovanie stolíka a úprava programu robota môže trvať aj dve hodiny.
Dôvodom, prečo teda spoločnosť obmedzila dĺžku opracúvaných komponentov na maximálnych 20 cm, bol spôsob, akým boli tieto komponenty nakladané do strojov. Aby sa operátorom umožnil prístup k CNC stroju a dverám, bolo nainštalované bočné okno, cez ktoré by robot nakladal a vykladal časti. Výsledkom je, že robot nemohol cez okienko vysunúť časť dlhšiu ako 20 cm a umiestniť ju do skľučovadla.
Napriek týmto obmedzeniam chce spoločnosť automatizovať obrábanie dlhých dielov. Pôvodne vytvorila bunku so vstupnými a výstupnými dopravníkmi okolo stroja Haas VF6 VMC s päťosovým stolíkom, na ktorý možno umiestniť komponenty až s dĺžkou 61 cm. Nakoniec ho nahradila strojom Haas UMC 750 s piatimi osami. Spoločnosť k dnešnému dňu vlastní tri stroje UMC 750 v rovnakých bunkách s bezpečnostným oplotením, ktoré umožňuje operátorom prístup k CNC strojom.
Aby Alexandria Industries dokázala automatizovať obrábanie dielov väčších ako 1,2 m, vytvorila pri vertikálnom obrábacom centre Haas VF6 šesť podobných buniek s rotačnými stolíkmi na štvrtej osi. Operátor mohol spočiatku narábať iba s jednou bunkou, a to zväčša z dôvodu veľkosti dielov a manuálneho odstraňovania hrán a umývania, ktoré bolo po obrábaní nutné vykonať.
S bunkami osadenými strojmi VF2 mohli operátori uchopiť niekoľko častí a umiestniť ich do vibračného bubna, aby ich mohli odhrotovať a pred balením umyť. Vďaka tomu by jeden operátor mohol obsluhovať viac strojov. Vzhľadom na dlhšie časti, ktoré prechádzajú bunkami VF6, mohli operátori manuálne odstraňovať nečistoty a umývať iba jednu časť, čo znamená, že sa mohli venovať len jednej bunke. Preto boli v konečnom dôsledku do každej bunky VF6 pridané možnosti robotického odhrotovania a umývania častí, čo umožnilo jednému operátorovi obsluhovať dve bunky.
Spoločnosť Alexandria Industries si už osvojila aj technológiu kolaboratívnych robotov, ktorá umožňuje vertikálnym obrábacím centrám VF2 obrábať súčiastky s dĺžkou od 20 do 61 cm. Vzhľadom na to, že sú tieto roboty prioritne určené na prácu v tesnej blízkosti ľudí, môžu byť roboty umiestnené pred strojmi, aby nakladali dielce cez dvere strojov (namiesto menšieho bočného okna), zatiaľ čo blízko stojaci operátor vykonáva ďalšie úlohy.
Roboty a ľudia prichádzajúci spolu
Spoločnosť kúpila svoj prvý kolaboratívny robot, model UR5 od spoločnosti Universal Robots, pred piatimi rokmi. Tieto roboty využívajú snímače na identifikáciu neočakávaného dotyku s niečím (alebo niekým), keď sa pohybujú po naprogramovanej ceste. Alexandria Industries má teraz štyri bunky VF2 osadené kolaboratívnymi robotmi, na ktoré môže dohliadať jedna osoba pri plnení iných úloh, ako je napríklad kontrola a balenie.
T. Carlson hovorí, že táto robotická technológia je dobrým príkladom kompromisu, ktorý môže strojárska firma zvážiť pri rozhodovaní, ktorá konfigurácia robotických buniek má pre ich podnikanie väčší zmysel. Napríklad modely UR5 majú maximálnu nosnosť (vrátane koncového efektora) 5 kg. Konvenčné priemyselné roboty majú vyššiu nosnosť, ale to nie je problém, pretože roboty v Alexandrii Industries manipulujú s relatívne ľahkými hliníkovými obrobkami. Koleboratívne roboty sa z bezpečnostných dôvodov pohybujú pomalšie ako priemyselné roboty, pretože v bezpečnom pracovnom priestore nepracujú samy.
Dostupná cena však robí tieto roboty atraktívnymi. Výrobní inžinieri spoločnosti ich dokázali sami zapojiť a uviesť do prevádzky, čím eliminovali náklady na externého integrátora. Operátori zistili, že programovanie kobotov pomocou dotykového ovládacieho panelu je intuitívne a relatívne ľahké.
Koboty možno premiestňovať, aby obsluhovali iné stroje alebo vykonávali iné činnosti. V skutočnosti základňa navrhnutá pre koboty obsahuje otvory na zasunutie vidlíc vysokozdvižného vozíka, čo umožňuje ich jednoduché premiestnenie v rámci prevádzky. To znamená, že zakaždým, keď spoločnosť pridala bunku s kobotom, táto bunka by rýchlo dosiahla maximálnu kapacitu, takže nemá zmysel koboty premiestňovať. Naposledy zakúpený cobot však v súčasnosti nie je priradený k žiadnej obrábacej bunke. Základňa pre tento cobot tiež obsahuje otvory na vysokozdvižný vozík, ako aj kolesá, ktoré umožňujú jej pohyb v prevádzke. Spoločnosť v súčasnosti pracuje na identifikácii aplikácií, ktoré nie sú spojené s obrábacími strojmi, ako je odhrotovanie, nitovanie, montáž a pod.
Vplyv automatizácie
T. Carlson hovorí, že zamestnanci výroby najprv na roboty pozerali s nedôverou, pretože si mysleli, že im môžu zobrať prácu. Automatizácia opakujúcich sa monotónnych úloh nakladacích a vykladacích strojov však umožnila zamestnancom rozvíjať svoje technické zručnosti a viac sa zameriavať na riešenie problémov. Verí, že to spoločnosti pomohlo aj udržať si talentovaných zamestnancov. Robotická automatizácia v skutočnosti robí spoločnosť atraktívnejšou pre potenciálnych nových zamestnancov, ktorí vidia, že nebudú celý deň vykonávať monotónnu manuálnu prácu.
„Roboty naozaj pomohli zvýšiť predaj spoločnosti,“ hovorí T. Carlson. „V skutočnosti sme museli prijať nových zamestnancov, pretože sme kvôli tomuto rastu začali pridávať roboty.“ A zatiaľ čo Rosie oficiálne odišla do dôchodku, jej robotickí nástupcovia sa tešia na dlhý život, ktorý bude prebiehať spolu s ďalšími 625 zamestnancami spoločnosti.
Zdroj: Korn, D.: If at first CNC machine shop doesn´t succeed with robots, automate again. September 2019, Modern Machine Control. [online]. Citované 20. 7. 2020. Dostupné na: https://www.mmsonline.com/articles/if-at-first-your-cnc-machine-shop-doesnt-succeed-with-robots-automate-again
