Hey, Job Shops :il est temps d'automatiser !

Vous pensez que l'automatisation est trop difficile dans un environnement à forte mixité et à faible volume ? Détrompez-vous

Les robots et les ateliers de travail n'ont généralement pas été évoqués ensemble. Après tout, tout le monde sait que l'automatisation ne convient qu'à la production à haut volume, et l'opération typique de maman et pop est tout sauf son calendrier rempli de commandes pour des travaux à grande diversité, à faible volume et souvent très 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, cependant, vous voudrez peut-être considérer quelques points. Pour commencer, de nombreux experts suggèrent que, indépendamment de ce que les propriétaires pourraient se dire, les ateliers souffrent de la plus faible utilisation des machines de l'industrie. Des valeurs d'efficacité globale de l'équipement (OEE) de 50 % ou moins ne sont pas inhabituelles. L'automatisation est une solution claire pour améliorer ce nombre.

Et parce que le changement de machine est plus fréquent dans les ateliers, des machinistes et des programmeurs plus qualifiés sont nécessaires pour effectuer les activités liées à la configuration - des personnes qui perçoivent des salaires plus élevés et sont difficiles à trouver. Cela augmente les coûts d'exploitation, réduit les possibilités de travail supplémentaire et rend la production 24 heures sur 24 extrêmement difficile. Compte tenu de la pénurie de travailleurs qualifiés, l'automatisation devrait donc être le Saint Graal de tout atelier de travail, même si la mise en œuvre n'est pas toujours facile.

Possibilités de Plug and Play

La question est, par où commencer ? Zach Spencer a quelques idées. Ingénieur de proposition personnalisée pour Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., il a noté que l'automatisation peut être proche d'une affaire plug-and-play, en particulier lorsqu'elle est incluse dans le cadre de l'achat d'une nouvelle machine-outil.

"Nous avons développé notre JobShop Cell il y a près de 15 ans, et elle est depuis devenue l'une de nos solutions d'automatisation les plus populaires pour le FANUC RoboDrill", a-t-il déclaré. "Il est conçu pour les magasins qui ont au moins quelques changements chaque jour, sont limités en surface au sol et ont besoin de flexibilité pour passer facilement d'une pièce à l'autre."

Le JobShop Cell est disponible en deux configurations, a-t-il expliqué. L'un utilise un agencement de convoyeurs supérieur/inférieur 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 des matériaux. Les deux utilisent un robot FANUC pour charger et décharger la machine (ou une paire de machines, dans le cas de la Twin RoboDrill JobShop Cell de Methods), et les deux offrent un moyen de laisser une CNC sans surveillance pendant des heures ou même un quart de travail complet, selon le pièce.

Pour les 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 la configuration et le fonctionnement de la machine, avec la possibilité de remplacer les porte-outils, les étaux préchargés et les fixations. "Vous pouvez dire au système que ces cinq étaux sont la partie A, les deux étaux suivants sont la partie B, celui qui suit est la partie C et les dix suivants seront la partie D", a déclaré Spencer. «Après cela, il vous suffit de le charger avec du matériel et de rentrer 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 à la recherche d'un moyen facile de passer à l'automatisation. »

Prenez le chariot

Methods n'est pas le seul fournisseur à adopter cette approche. Eric Nekich, responsable des opérations, de la technologie et des ventes internes chez Lang Technovation Co., Hartland, Wisconsin, a déclaré que les systèmes d'automatisation RoboTrex de la société 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 (en fonction de la taille de la pièce et de la configuration du chariot), offrant potentiellement un usinage sans surveillance de 168 pièces.

Comme la cellule JobShop, le RoboTrex est autonome et entièrement protégé, mais peut également être intégré à une variété de marques et de modèles de centres d'usinage. Le seul obstacle est de comprendre la nécessité d'investir dans quelques-uns des étaux à cinq axes Makro-Grip de Lang, nécessaires pour être utilisés avec le système (et fabriqués, par coïncidence, sur 50 centres d'usinage équipés de RoboTrex dans l'usine de Lang en Allemagne) . "C'est un investissement avec un retour sur investissement très rapide, car la disponibilité de votre broche augmentera considérablement avec le système RoboTrex USA", a déclaré Nekich.

Michael Gamache est responsable du développement commercial chez Gamache Systems, basé à New Berlin, dans le Wisconsin, une division de Metalcraft de 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 donné d'excellentes raisons de le faire.

"En tant que propriétaire d'entreprise, je comprends le fait 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 déclaré. « 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 matières premières ; à cause de cela, un programme fonctionne pour chaque partie.”

Prendre en main

Tyler Mardaus, ingénieur concepteur chez Kurt Manufacturing - Industrial Products Division, basé à Minneapolis, a convenu de la nécessité d'un serrage de haute qualité, même si l'approche de son entreprise est très différente de celle proposée par Lang. "Notre équipe Custom Engineered Workholding (CEW) conçoit de nombreux systèmes hydrauliques à double effet contrôlés par solénoïde", a-t-il déclaré. "L'hydraulique fournit un psi plus élevé et donc une plus grande force de serrage que le serrage manuel, tandis que le solénoïde prend en charge l'activation électronique de l'étau via le robot ou la commande de la machine, créant ainsi un système véritablement automatisé."

Il a ajouté que les magasins devraient commencer leur parcours d'automatisation en ciblant les travaux les plus volumineux. Et s'il y a des pièces qui peuvent utiliser un étau (ou plusieurs étaux) avec des mâchoires usinables, celles-ci peuvent être échangées lors du changement, ce qui réduit le temps de configuration. En ce qui concerne l'investissement, il est impossible d'éviter le besoin d'une pompe hydraulique et d'une plomberie, mais il pourrait être possible de moderniser les étaux manuels existants d'un atelier avec des assemblages d'écrous et de vis hydrauliques.

"Vous devriez vous efforcer de créer un système de contrôle en boucle fermée", a déclaré Mardaus. "Cela commence par l'installation d'une sorte de dispositif de confirmation d'assise de pièce, mais vous devez également vérifier que l'étau a été serré à la force correcte avant de permettre au cycle de démarrer, et que l'étau est desserré avant que le robot ne tente de retirer le pièce. Toutes ces étapes sont cruciales pour toute solution d'usinage automatisée. »

Accélérer l'échange de travail

Le commentaire de Mardaus sur la réduction du temps de configuration est juste. Après tout, pourquoi s'embêter à réduire les coûts de main-d'œuvre grâce à l'automatisation si vous allez subir des heures d'immobilisation coûteuses chaque fois que vous changez d'emploi ? Les mâchoires à changement rapide qu'il a mentionnées sont un excellent point de départ, mais si le budget le permet, un système de positionnement à point zéro, comme celui du Makro-Grip de Lang (et d'autres), transforme l'échange de serrage en un exercice d'une minute. Il devrait également y avoir des capacités de FAO robustes, avec un logiciel de simulation qui évalue les parcours d'outils post-traités, les porte-outils, les outils de coupe, les pièces, le serrage et la machine-outil elle-même.

Et comme Dietmar Moll, directeur du développement commercial chez Zoller Inc., Ann Arbor, Michigan, l'a expliqué, les ateliers devraient accorder une grande priorité à la gestion des outils, en commençant par un système de préréglage hors ligne et les logiciels associés. "L'un des plus grands avantages de toute stratégie d'automatisation est que l'entretien des machines et d'autres tâches sans valeur ajoutée sont pris en charge par un robot ou un cobot, ce qui libère du personnel qualifié pour effectuer des tâches plus importantes", a déclaré Moll.

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

De même, les solutions intégrées de stockage d'outils de l'entreprise aident à organiser ces actifs, réduisant encore les temps d'arrêt et l'inefficacité. Et lorsque le travail est terminé, ces mêmes systèmes peuvent être utilisés pour remettre les outils dans le berceau, examiner leurs performances et enregistrer toute durée de vie restante de l'outil. "Cela aide les ateliers à mieux comprendre quels outils de coupe fonctionnent bien et lesquels ne fonctionnent pas, ce qui leur donne la possibilité d'améliorer encore les processus et de réduire les coûts d'outillage", a-t-il déclaré.

Suggestions de planification

La gestion robuste des outils est également un élément essentiel de la planification des travaux, un élément essentiel pour l'utilisation des machines-outils et des robots. Pour Moll, cela signifie savoir quels travaux sont les suivants et quels outils sont nécessaires pour les exécuter. 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 magasins, automatisés ou non, devraient avoir un bon système ERP et de planification en place, un système qui peut également surveiller l'atelier et collecter des informations sur le processus d'usinage.

Cependant, la réalisation de la partie surveillance et collecte de données de cette équation nécessite un logiciel ERP, des machines-outils et une robotique compatibles avec l'intégration. "Nous avons eu des situations où le client voulait intégrer son équipement à notre système mais a constaté que la plate-forme logicielle utilisée par cet équipement était presque impossible pour nous de travailler", a-t-il déclaré. "Ainsi, le premier conseil à donner à tous ceux qui recherchent un environnement de production intégré est de s'assurer que tout peut communiquer efficacement et que tout le monde sait clairement quels types et volumes de données seront échangés."

La communication, semble-t-il, signifie plus qu'auparavant. Alors que les systèmes ERP ont longtemps excellé dans la collecte de données auprès des humains dans l'atelier, ils doivent désormais également les collecter auprès des robots et des contrôleurs de machines. De plus, ces données contiennent non seulement le numéro de travail omniprésent, le temps de production et la quantité achevée (ou mise au rebut) auxquels les utilisateurs s'attendent, mais peuvent également afficher en temps réel la consommation de matériaux, l'inspection et les informations sur la qualité des pièces, 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 autrefois, et avec le bon logiciel ERP, l'équipement et l'intégration, tout cela peut être collecté de manière transparente et automatique", a-t-il déclaré. « Cela offre de toutes nouvelles opportunités d'amélioration continue, mais plus important encore, cela permet aux employés de se concentrer sur des choses plus importantes. Il n'y a plus de temps perdu sur la collecte manuelle des données, qui est souvent inégale de toute façon, et les gens peuvent travailler sur la planification et l'analyse des 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 magasin, car toutes servent à rendre les opérations plus efficaces et ses niveaux OEE beaucoup plus élevés. Et lorsque l'étape suivante sera franchie - la mise en œuvre d'un robot ou d'un système de manutention - l'investissement sera amorti beaucoup plus rapidement. En supposant que vous ne vous souciez pas ou ne pouvez pas utiliser l'un des systèmes préconfigurés déjà discutés, la question devient alors :"quel robot devrions-nous acheter et comment devrions-nous l'implémenter ?"

Dean Elkins peut en recommander un. Leader du segment de la manutention de matériaux à la division Motoman Robotics de Yaskawa America Inc., Miamisburg, Ohio, Elkins a déclaré que les ateliers de travail présentent souvent une gamme d'applications robotiques appropriées, qu'il s'agisse de l'entretien de machines, de l'ébavurage de pièces, de l'assemblage automatisé ou du soudage robotisé. Finding the right equipment for these applications, though, requires a good deal of evaluation and talking to knowledgeable people.

“Justifying an investment in automation depends on several factors,” said Elkins. “Obviously, the larger the production quantity, the more it makes sense to automate it. But even lower volume, repeat work can be profitable, provided the shop takes the necessary steps to reduce setup time as much as possible. Parts with longer run times are also good candidates, as are parts with simple handling requirements.”

Elkins noted that most job shops find a small to medium-sized floor-mounted robot—meaning a payload of 5-25 kg—is all that’s needed to deburr a batch of parts, weld a crateful of brackets, or tend a CNC lathe after everyone’s gone home for the night. With that, however, some level of safety guarding will be required, as will grippers, an interface to the machine tool, and possibly programming and simulation software.

Tomorrow, Today

And don’t forget the training, he warned. Automation is much simpler than it once was, yet the savvier job shop owner is still going to make an additional investment in training, and have a dedicated person on staff to manage the shop’s robotics. That said, collaborative and force-limiting robots are becoming quite popular, especially where floor space is a concern. Robots can be equipped with self-changing or quick-change grippers, increasing flexibility. Vision systems can often eliminate or at least simplify part conveying systems, and the ability to teach a robot its tasks helps reduce the need for offline programming systems. “There’s a lot to consider,” said Elkins. “That’s why I encourage anyone interested in automation to do their homework, ask questions, and partner with a reputable integrator.”

Acieta LLC, Waukesha, Wis., is one such company. Steve Alexander, vice president of operations, warns that not all integrators are created equal. “Make sure you work with someone who has experience with your type of work and the skill level to implement your robotic automation project,” he said. “Get references, go see their previous installations, and understand the quality of their work. Industrial robots are designed to last well over 10 years, so you want to make sure everything else in the cell is designed for an automated environment and is just as reliable as the robot itself.”

Doing so can lead to a return on investment (ROI) of just a few months, although a year or two is probably a more realistic expectation. Much of that depends on the application, of course, but the type of robot also plays a role. As Elkins noted, collaborative robots—or cobots—have become all the rage over the past few years, mainly due to their ease of use and seemingly safer operation in proximity to humans. Yet appearances can be deceiving. Cobots can be slower and less accurate than so-called “industrial robots,” possibly slowing ROI, and even the friendliest cobot can harm a human if established safety procedures aren’t followed.

This is why Elkins and others strongly recommend a risk assessment with any robot installation. He also suggested that the best approach for automation newbies is to start small and easy. “Find a single pain point and conquer that one first before looking at adding additional processes or complexity,” he said. “You want to have success right out of the gate so that everyone—the shop owner, the machine operators, and the people doing the integration—are comfortable moving on to larger or more complex projects. Sometimes, the biggest challenge is getting employee buy-in. There’s always the fear that robots will replace humans, so it’s important to make them part of the implementation. Educate them, get them involved in the roll-out, and when they find that the robot actually makes their job easier and more interesting, they’ll end up being your biggest cheerleaders.”