Ateliers de mécanique : adoptez l'automatisation pour la production à haute diversité, faibles volumes

Vous pensez que l'automatisation est trop difficile en environnement haute diversité, faibles volumes ? Détrompez-vous

Les robots et les ateliers de mécanique n'ont pas généralement été associés. Après tout, tout le monde sait que l'automatisation ne convient qu'à la production de gros volumes, et l'atelier typique de type familial est tout sauf ça – son planning rempli de commandes pour de la haute diversité, faibles volumes, et souvent des travaux hautement complexes. Qui a besoin d'un robot dans cet environnement, où les réglages sont effectués plusieurs fois par semaine, voire chaque jour ?

Avant de passer à l'article suivant, vous pourriez vouloir considérer quelques points. Pour commencer, de nombreux experts suggèrent que, quel que soit ce que les propriétaires se disent, les ateliers de mécanique souffrent de la plus faible utilisation machine de l'industrie. Des valeurs d'efficacité globale des équipements (TRG/OEE) de 50 % ou moins ne sont pas inhabituelles. L'automatisation est une solution claire pour améliorer ce chiffre.

Et comme le changement de machine est plus fréquent dans les ateliers de mécanique, plus de machinistes et programmeurs qualifiés sont nécessaires pour effectuer les activités liées au réglage – des gens qui exigent des salaires plus élevés et sont difficiles à trouver. Cela fait grimper les coûts d'exploitation, réduit les opportunités de travail supplémentaire, et rend la production 24/7 extrêmement difficile. Compte tenu de la pénurie de travailleurs qualifiés, l'automatisation devrait donc être le Saint Graal pour tout atelier de mécanique, même si l'implémentation n'est pas un chemin facile.

Possibilités du plug-and-play

La question est : par où commencer ? Zach Spencer a quelques idées. Ingénieur propositions personnalisées pour Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., il a noté que l'automatisation peut être proche d'une affaire plug-and-play, surtout quand elle est incluse dans l'achat d'une nouvelle machine-outil.

« Nous avons développé notre JobShop Cell il y a près de 15 ans, et c'est depuis devenu l'une de nos solutions d'automatisation les plus populaires pour le FANUC RoboDrill », a-t-il dit. « Elle est conçue pour les ateliers qui ont au moins un certain changement chaque jour, sont limités en espace au sol, et ont besoin de la flexibilité pour passer facilement d'une pièce à une autre. »

La JobShop Cell est disponible en deux configurations, a-t-il expliqué. L'une utilise un arrangement de convoyeur superposé pour amener la matière première au robot et emporter les pièces finies, tandis que l'autre utilise une armoire contenant une série de tiroirs pour le stockage des pièces et matériaux. Les deux emploient un robot FANUC pour charger et décharger la machine (ou paire de machines, dans le cas de la JobShop Cell Twin RoboDrill de Methods), et les deux fournissent un moyen de laisser une CNC sans surveillance pendant des heures, voire un quart complet, selon la pièce.

Pour des volumes plus élevés, Methods propose son Plus-E, un système d'automatisation multi-palettes de type élévateur pour les travaux de volume moyen à élevé, ainsi que le Plus-K pour les ateliers qui souhaitent automatiser le réglage de la machine ainsi que l'opération, avec la capacité d'échanger des porte-outils, des étaux préchargés et des dispositifs. « Vous pouvez dire au système que ces cinq étaux sont la Pièce A, les deux suivants la Pièce B, le suivant la Pièce C, et les dix d'après la Pièce D », a dit Spencer. « Après ça, vous chargez juste avec du matériau et vous rentrez chez vous. Les deux machines de la série Plus sont des unités autonomes qui s'assoient à côté d'un RoboDrill, et sont parfaites pour les ateliers cherchant un moyen facile de s'initier à l'automatisation. »

Prenez le chariot

Methods n'est pas le seul fournisseur à adopter cette approche. Eric Nekich, responsable des opérations, technologie et ventes internes chez Lang Technovation Co., Hartland, Wis., a dit que les systèmes d'automatisation RoboTrex de l'entreprise utilisent un robot FANUC et jusqu'à quatre chariots mobiles, chacun contenant un certain nombre d'étaux préchargés. Le RoboTrex 52, par exemple, peut stocker jusqu'à 42 étaux par chariot (selon la taille de la pièce et la configuration du chariot), offrant potentiellement un usinage sans surveillance de 168 pièces.

Comme la JobShop Cell, le RoboTrex est autonome et entièrement gardé, mais peut aussi être intégré à une variété de marques et modèles de centres d'usinage. Le seul obstacle est de comprendre la nécessité d'investir dans quelques étaux cinq axes Makro-Grip de Lang, requis pour l'utilisation avec le système (et fabriqués, coïncidemment, sur 50 centres d'usinage équipés RoboTrex à l'usine de Lang en Allemagne). « C'est un investissement avec un ROI très rapide, cependant, parce que votre temps de fonctionnement de la broche augmentera drastiquement avec le système RoboTrex USA », a dit Nekich.

Michael Gamache est le responsable développement commercial chez Gamache Systems, New Berlin, Wis., une division de Metalcraft of Mayville et l'intégrateur exclusif des systèmes RoboTrex aux États-Unis. Il reconnaît que certains clients pourraient hésiter à investir dans un nouveau système de serrage, mais a offert d'excellentes raisons de le faire.

« En tant que propriétaire d'entreprise, je comprends que les étaux ne sont pas bon marché, mais du point de vue de l'automatisation, un serrage de haute qualité est la moitié de la bataille », a-t-il dit. « Vous devez amener la matière première au robot de manière répétitive et précise, et le système Makro-Grip est l'un des meilleurs moyens d'y parvenir. De plus, le système est très facile à configurer et à utiliser car le robot manipule les étaux et non une grande variété de tailles de matière première ; de ce fait, un seul programme fonctionne pour chaque pièce. »

Obtenez une prise

Tyler Mardaus, ingénieur de conception chez Kurt Manufacturing – Division Produits Industriels, Minneapolis, a convenu de la nécessité d'un serrage de haute qualité, même si l'approche de son entreprise est significativement différente de celle proposée par Lang. « Notre équipe de serrage sur mesure (CEW) conçoit beaucoup de systèmes hydrauliques double-effet à commande par solénoïde », a-t-il dit. « L'hydraulique fournit des psi plus élevés et donc une force de serrage supérieure au serrage manuel, tandis que le solénoïde supporte l'activation électronique de l'étau via le robot ou la commande machine, créant un système véritablement automatisé. »

Il a ajouté que les ateliers devraient commencer leur parcours d'automatisation en ciblant les travaux à plus haut volume. Et s'il y a des pièces qui peuvent utiliser un étau (ou plusieurs étaux) avec des mors usinables, ceux-ci peuvent être échangés lors du changement, réduisant le temps de configuration. Quant à l'investissement, il n'y a pas d'échappatoire à la nécessité d'une pompe hydraulique et de plomberie, mais il pourrait être possible de rétro-équiper les étaux manuels existants de l'atelier avec des ensembles écrou-vis compatibles hydrauliques.

« Vous devriez vous efforcer de créer un système de contrôle en boucle fermée », a dit Mardaus. « Cela commence par l'installation d'un dispositif de confirmation de mise en place de pièce, mais vous devez aussi vérifier que l'étau a été serré à la force correcte avant de permettre le démarrage du cycle, et que l'étau est desserré avant que le robot n'essaie de retirer la pièce. Toutes ces étapes sont cruciales pour toute solution d'usinage automatisé. »

Accélérer l'échange de serrage

Le commentaire de Mardaus sur la réduction du temps de configuration est juste. Après tout, pourquoi se donner la peine de réduire les coûts de main-d'œuvre par l'automatisation si vous allez encourir des heures de temps d'arrêt coûteux à chaque changement de travail ? Les mors à changement rapide qu'il a mentionnés sont un excellent point de départ, mais si le budget le permet, un système de positionnement zéro-point, comme celui du Makro-Grip de Lang (et d'autres), transforme l'échange de serrage en un exercice d'une minute. Il devrait aussi y avoir des capacités CAO robustes, avec un logiciel de simulation qui évalue les trajectoires d'outils post-traitées, porte-outils, outils de coupe, pièces, serrage, et la machine-outil elle-même.

Et comme l'a expliqué Dietmar Moll, directeur du développement commercial chez Zoller Inc., Ann Arbor, Mich., les ateliers devraient accorder une haute priorité à la gestion des outils, en commençant par un système de préréglage hors ligne et le logiciel associé. « L'un des plus grands avantages de toute stratégie d'automatisation est que le machine tending et les autres travaux sans valeur ajoutée sont pris en charge par un robot ou cobot, libérant le personnel qualifié pour faire des tâches plus importantes », a dit Moll.

Le préréglage d'outils hors ligne est l'une de ces tâches, mais il y a aussi la planification approfondie des travaux, la maintenance et l'organisation des porte-outils, l'inspection des outils de coupe, et l'analyse des données de terrain. À cette fin, Zoller offre une variété de solutions bien au-delà du réglage d'outils. Ses solutions de gestion d'outils (TMS) niveau Bronze, Argent et Or permettent à un atelier d'augmenter ses capacités selon les besoins, offrant une visibilité significativement plus élevée sur les processus de production et les actifs liés à l'outillage. Et comme ceux-ci peuvent communiquer avec le robot collaboratif « cora » de Zoller, a ajouté Moll, ils servent à « boucler la boucle » en automatisant les tâches de la salle d'outils comme le nettoyage et le stockage des outils.

De même, les solutions de stockage d'outils intégrées de l'entreprise aident à organiser ces actifs, réduisant davantage les temps d'arrêt et l'inefficacité. Et quand le travail est terminé, ces mêmes systèmes peuvent être utilisés pour ranger les outils au magasin, examiner leur performance, et enregistrer toute durée de vie restante. « Cela aide les ateliers à mieux comprendre quels outils de coupe fonctionnent bien et lesquels ne fonctionnent pas, leur donnant la capacité d'améliorer encore les processus et de réduire les coûts d'outillage », a-t-il dit.

Suggestions de planification

Une gestion robuste des outils est aussi une partie essentielle de la planification des travaux, quelque chose de critique pour l'utilisation de la machine-outil et du robot. Pour Moll, cela signifie savoir quels travaux sont les prochains en ligne et quels outils sont nécessaires pour les faire tourner. Pour Daniel Carranco, cela signifie plus que cela, surtout dans le contexte de l'automatisation. Le directeur de l'amélioration continue chez Global Shop Solutions Inc., The Woodlands, Texas, a noté que tous les ateliers – automatisés ou non – devraient avoir un bon ERP et système de planification en place, un qui peut aussi surveiller le terrain et collecter des informations sur le processus d'usinage.

Atteindre la partie surveillance et collecte de données de cette équation nécessite un logiciel ERP compatible avec l'intégration, des machines-outils et de la robotique, toutefois. « Nous avons eu des situations où le client voulait intégrer leur équipement avec notre système mais a découvert que la plateforme logicielle utilisée par cet équipement était presque impossible à utiliser pour nous », a-t-il dit. « Donc le premier conseil pour quiconque poursuit un environnement de production intégré est de s'assurer que tout peut communiquer efficacement, et que tout le monde est clair sur les types et volumes de données qui seront échangés. »

La communication, semble-t-il, signifie plus qu'avant. Là où les systèmes ERP ont longtemps excellé à collecter des données des humains sur le terrain, ils doivent maintenant les recueillir des robots et contrôleurs de machines aussi. De plus, ces données ne contiennent pas seulement le numéro de travail ubiquitaire, le temps de production et la quantité terminée (ou rebutée) que les utilisateurs ont appris à attendre, mais peuvent aussi afficher la consommation de matière en temps réel, l'inspection et les informations de qualité de pièce, l'état de la machine et du robot, et ainsi de suite.

« Il y a certainement beaucoup plus d'informations disponibles aujourd'hui qu'il n'y en avait, et avec le bon logiciel ERP, équipement et intégration, tout peut être collecté de manière transparente et automatique », a-t-il dit. « Cela fournit des opportunités complètement nouvelles pour l'amélioration continue, mais plus important encore, cela libère les employés pour se concentrer sur des choses plus importantes. Il n'y a plus de temps perdu sur la collecte manuelle de données, qui est souvent irrégulière de toute façon, et les gens peuvent travailler sur la planification et l'analyse de processus. »

Donner un coup de pouce aux meilleures pratiques

Comme l'a suggéré Carranco, ces technologies devraient être poursuivies indépendamment des plans d'automatisation d'un atelier, car toutes servent à rendre les opérations plus efficaces et leurs niveaux de TRG bien plus élevés. Et quand la prochaine étape est franchie – implémenter un robot ou un système de manutention – l'investissement sera rentabilisé d'autant plus vite. En supposant que vous ne voulez pas ou ne pouvez pas utiliser l'un des systèmes préconfigurés déjà discutés, la question devient alors : « quel robot devrions-nous acheter, et comment l'implémenter ? »

Dean Elkins peut en recommander un. Leader de segment pour la manutention à la division Motoman Robotics de Yaskawa America Inc., Miamisburg, Ohio, Elkins a dit que les ateliers de mécanique présentent souvent une gamme d'applications robotiques appropriées, que ce soit le machine tending, l'ébavurage de pièces, l'assemblage automatisé, ou le soudage robotique. Trouver le bon équipement pour ces applications, toutefois, nécessite une bonne dose d'évaluation et de discussion avec des gens compétents.

« Justifier un investissement en automatisation dépend de plusieurs facteurs », a dit Elkins. « Évidemment, plus la quantité de production est grande, plus il est logique de l'automatiser. Mais même du travail répétitif à volume plus faible peut être rentable, à condition que l'atelier prenne les mesures nécessaires pour réduire le temps de configuration au maximum. Les pièces avec des temps de cycle plus longs sont aussi de bons candidats, tout comme les pièces avec des exigences de manipulation simples. »

Elkins a noté que la plupart des ateliers de mécanique trouvent qu'un robot de petite à moyenne taille monté au sol – signifiant une charge utile de 5-25 kg – est tout ce qui est nécessaire pour ébavurer un lot de pièces, souder une caisse de supports, ou servir un tour CNC après que tout le monde est rentré chez soi pour la nuit. Avec cela, toutefois, un certain niveau de protection de sécurité sera requis, ainsi que des préhenseurs, une interface vers la machine-outil, et éventuellement des logiciels de programmation et de simulation.

Demain, aujourd'hui

Et n'oubliez pas la formation, a-t-il averti. L'automatisation est bien plus simple qu'avant, pourtant le propriétaire d'atelier avisé va encore faire un investissement supplémentaire en formation, et avoir une personne dédiée sur le personnel pour gérer la robotique de l'atelier. Cela dit, les robots collaboratifs et à limitation de force deviennent assez populaires, surtout là où l'espace au sol est une préoccupation. Les robots peuvent être équipés de préhenseurs auto-changeants ou à changement rapide, augmentant la flexibilité. Les systèmes de vision peuvent souvent éliminer ou au moins simplifier les systèmes de convoyage de pièces, et la capacité d'enseigner à un robot ses tâches aide à réduire le besoin de systèmes de programmation hors ligne. « Il y a beaucoup à considérer », a dit Elkins. « C'est pourquoi j'encourage quiconque s'intéresse à l'automatisation à faire ses devoirs, poser des questions, et s'associer avec un intégrateur réputé. »

Acieta LLC, Waukesha, Wis., est une telle entreprise. Steve Alexander, vice-président des opérations, avertit que tous les intégrateurs ne sont pas créés égaux. « Assurez-vous de travailler avec quelqu'un qui a de l'expérience avec votre type de travail et le niveau de compétence pour implémenter votre projet d'automatisation robotique », a-t-il dit. « Obtenez des références, allez voir leurs installations précédentes, et comprenez la qualité de leur travail. Les robots industriels sont conçus pour durer bien plus de 10 ans, donc vous voulez vous assurer que tout le reste dans la cellule est conçu pour un environnement automatisé et est tout aussi fiable que le robot lui-même. »

Faire cela peut mener à un retour sur investissement (ROI) de seulement quelques mois, bien qu'un an ou deux soit probablement une attente plus réaliste. Une grande partie dépend de l'application, bien sûr, mais le type de robot joue aussi un rôle. Comme l'a noté Elkins, les robots collaboratifs – ou cobots – sont devenus la mode ces dernières années, principalement en raison de leur facilité d'utilisation et de leur fonctionnement apparemment plus sûr à proximité des humains. Pourtant, les apparences peuvent être trompeuses. Les cobots peuvent être plus lents et moins précis que les « robots industriels » dits, ralentissant potentiellement le ROI, et même le cobot le plus amical peut blesser un humain si les procédures de sécurité établies ne sont pas suivies.

C'est pourquoi Elkins et d'autres recommandent fortement une évaluation des risques avec toute installation de robot. Il a aussi suggéré que la meilleure approche pour les débutants en automatisation est de commencer petit et simple. « Trouvez un seul point de douleur et surmontez-le d'abord avant de regarder à ajouter des processus ou de la complexité supplémentaires », a-t-il dit. « Vous voulez avoir du succès dès le départ pour que tout le monde – le propriétaire de l'atelier, les opérateurs de machine, et les gens qui font l'intégration – soient à l'aise pour passer à des projets plus grands ou plus complexes. Parfois, le plus grand défi est d'obtenir l'adhésion des employés. Il y a toujours la peur que les robots remplacent les humains, donc il est important de les faire participer à l'implémentation. Éduquez-les, impliquez-les dans le déploiement, et quand ils découvrent que le robot rend en fait leur travail plus facile et plus intéressant, ils finiront par être vos plus grands supporters. »