Exploiter les systèmes d'intégration internes pour la fabrication de précision

La philosophie de l'autonomie

Personne ne connaît mieux une entreprise que ceux qui y travaillent. Direction, encadrement et opérateurs gèrent au quotidien les forces et faiblesses de toute société, surtout dans le monde en évolution rapide de l'usinage de précision. Si de nombreux tiers proposent d'aider les ateliers à transitionner vers de meilleures méthodes, les meilleures réponses se trouvent parfois à l'intérieur même des murs de l'atelier. C'est la philosophie centrale de Vanamatic Company, à Delphos, Ohio.

Un historique d'autonomie

Vanamatic est un fabricant de pièces usinées de précision de troisième génération, employant 90 personnes, qui tire sa fierté de son autonomie et de ses capacités de résolution de problèmes. La direction cherche d'abord les réponses en interne, impliquant les employés dans l'exercice problème/solution, ne regardant à l'extérieur que pour combler les lacunes. Cette approche « faire plus avec moins » a montré qu'avec un environnement axé sur les talents internes, les réponses viennent plus facilement, avec l'adhésion des employés en prime. Une formule qui a permis à l'entreprise de traverser bien des tempêtes depuis sa fondation en 1954.

L'intégration de robots collaboratifs

Le dernier grand projet d'intégration système de l'entreprise concerne l'automatisation de plusieurs opérations via des robots collaboratifs (cobots), capables de travailler de manière indépendante ou en coopération avec un opérateur humain. Les cobots, développement récent, rendent la robotique bien plus pratique en atelier, surtout dans un espace aussi dense que celui de Vanamatic.

Un bon début : de la nettoyeuse au poste de contrôle intégré

Au fil des ans, Adam Wiltsie, directeur d'usine, a conçu et développé des économies de main-d'œuvre et des améliorations de processus. L'un de ces dispositifs, né comme une combinaison nettoyeuse-accumulateur de pièces, a évolué vers un poste de contrôle affecté à une machine, équipé des instruments adaptés aux pièces produites. Il est connecté à l'ERP central de l'atelier, donnant aux opérateurs un statut en temps réel et un accès aux informations de réglage, mesure et suivi de production. Ces unités ont été conçues, construites et intégrées en interne.

M. Wiltsie a aussi piloté l'automatisation pick-and-place pour le chargement/déchargement de tours et centres d'usinage. Ce chargeurs mécaniques à navette, conçus pour soulager les opérateurs de tâches répétitives, étaient de l'automatisation fixe, peu flexible. Les robots représentaient l'évolution logique. Après avoir vu un cobot (robot à détection de proximité capable de travailler en sécurité à côté d'un humain) en démonstration, M. Wiltsie a vu que la technologie répondait aux besoins de son atelier. Un bras articulé à six axes, travaillant à côté d'un opérateur sans cage de sécurité, était idéal. Le poste d'assemblage de Rich Lindeman était le point de départ parfait.

Ethel, le premier cobot

Le premier cobot de Vanamatic, Ethel (modèle UR3 d'Universal Robots), a été nommé par son opérateur, M. Lindeman, qui fête ses 50 ans chez l'entreprise. Pour l'assemblage que Rich et Ethel effectuent en binôme, Rich se voyait peut-être en Lucille Ball et Ethel en Ethel Mertz, sa partenaire dans la célèbre scène du convoyeur de chocolats. La tâche d'assemblage de M. Lindeman est un processus en huit étapes commençant par une palette de 144 pièces : prise de la pièce, contrôle d'une cote critique, assemblage d'un joint torique, soufflage de l'alésage, mise en place d'une entretoise sur un filetage contre un hexagone, vérification de l'assemblage et conditionnement pour expédition.

Selon M. Wiltsie : « Rich n'a pas de mal à faire cela et le fait depuis un moment. Ce n'est pas une question de le faire une fois, mais 500 000 fois, la quantité commandée. C'est une pièce prête à monter pour un système d'injection de carburant, elle doit être parfaite. J'ai 40 ans et j'ai fait l'assemblage moi-même. J'avais mal après quelques milliers de pièces et la qualité n'était pas parfaite. Sans manquer de respect à M. Lindeman, cet assemblage n'était pas fait pour un humain, et comme je l'ai découvert, n'était pas humain non plus. »

Ethel est un modèle UR3, le plus petit cobot d'Universal Robots, avec une portée quasi équivalente à un humain. Charge utile : 3 kg (6,6 lb), rayon de portée : 500 mm (19,7 po), empreinte au sol : 38 cm² (5,9 po²). Mais pour l'application d'assemblage d'injecteur, le robot n'était que le début.

Ergonomie et poka-yoke

L'ergonomie est cruciale pour organiser un poste humain : entrée de la pièce dans la zone de travail, placement des équipements annexes (instruments de mesure, joints toriques, entretoises), orientation des pièces usinées, sortie du conditionnement. Pour Ethel, c'est critique. Elle est intelligente mais ne peut prendre de décisions subtiles de mouvement ni s'adapter au-delà de sa programmation, malgré des sous-routines pour joints ou entretoises manquants. La vision artificielle résoudra cela plus tard. En attendant, le « poka-yoke » (prévention d'erreur) sur les plateaux d'entrée assure que le programme d'Ethel démarre au bon endroit à chaque fois.

Les ingénieurs de Vanamatic utilisent la modélisation CAO pour illustrer divers aspects : implantation atelier, simulations machines, représentations graphiques et virtuelles. Ces compétences ont été appliquées à la préparation du poste pour M. Lindeman et Ethel. Les ingénieurs peuvent visualiser, simuler et tester « et si » avant de construire ou acheter.

« Les outils de programmation du cobot sont étendus et bien conçus pour la facilité d'emploi », dit M. Wiltsie. « Nous avons apporté notre capacité interne à concevoir et construire l'environnement de travail de la cellule. Notre capacité à intégrer le cobot dans un système incluant les huit opérations d'assemblage de la pièce d'injecteur a économisé un investissement considérable. Autre avantage : avec notre conception et fabrication internes, nous pouvons facilement modifier et améliorer au fil du temps. »

Aujourd'hui, l'opération de M. Lindeman ne compte plus que deux étapes humaines : charger la palette et conditionner la pièce finie. Ethel fait les six opérations intermédiaires. Ils ont une excellente relation.

Seconde application : Roxy sur tour Omni-Turn

Un second cobot UR3, nommé Roxy par son opérateur Gene Dickman, est arrivé moins d'un an après Ethel. Sa mission était plus directe : alimenter un tour Omni-Turn en bruts et évacuer les pièces tournées finies. Ici, la flexibilité de Roxy est sa force. L'Omni tourne des pièces de volume moindre et de gamme plus variée. La capacité de changer rapidement programmes et effecteurs (pinces) est clé.

Pour cette application, Vanamatic a mobilisé son ingénierie interne pour concevoir et intégrer une double pince, permettant à Roxy de n'entrer qu'une fois dans la machine pour charger et décharger. La faible empreinte et le poids léger du robot (11 kg / 24,3 lb) permettent un montage facile sur la face avant de l'Omni-Turn. Les ingénieurs ont dessiné et fabriqué les supports de fixation sur mesure intégrant machine et robot, et écrit le logiciel d'interface pour la communication robot-machine.

Apprendre en faisant : Rocky sur centre d'usinage vertical

L'éducation est cumulative. On apprend en construisant sur les leçons précédentes. C'est le cas pour le troisième cobot, Rocky, arrivé 196 jours après Roxy. La courbe d'apprentissage s'accélérant, le temps entre projets raccourcit. Rocky, nommé par son opérateur Paul Meiring, est un autre UR3. « Nous avons appliqué ce qu'on a appris des deux premières applications pour mettre Rocky en route », dit M. Wiltsie.

La tâche de Rocky : un autre chargement de machine (sur un centre d'usinage vertical cette fois), plus complexe que celui de Roxy. Comme pour les autres, les ingénieurs ont modélisé virtuellement l'opération, y compris l'orientation des convoyeurs d'entrée/sortie. Pour ce chargement, le cobot devait être placé à l'intérieur de la zone de travail de la machine pour éviter l'ouverture/fermeture de la porte. En raison de l'espace restreint, Rocky est monté à l'envers, fixé sur la colonne par un support conçu et fabriqué en interne. Les bruts sont chargés sur des convoyeurs hors zone gardée et amenés à Rocky.

Rocky prend les bruts à une position fixe sur le convoyeur, mais doit aussi déplacer la pièce vers un second poste de serrage sur le porte-pièce. La synchronisation entre cobot et CNC a été programmée par Vanamatic via la communication robot-machine. Après usinage, Rocky vérifie chaque pièce avec une jauge Cognex en processus avant de la libérer sur le convoyeur de sortie. Le cobot est programmé pour évacuer les pièces rejetées dans un bac séparé et alarmer après trois échecs consécutifs.

« Cette installation est un pas en avant par rapport à notre chargement de centre d'usinage », dit M. Wiltsie. « Comparé aux chargeurs navette qu'on avait intégrés, la flexibilité du système cobot qu'on a maintenant représente un engagement pour notre croissance future. »

Source d'aide inattendue : le Bureau de l'indemnisation des travailleurs

En avançant sur l'intégration, la direction a trouvé un allié inattendu : le Bureau de l'indemnisation des travailleurs (BWC). Souvent, les relations sont tendues du fait du rôle réglementaire du BWC. Mais pour le projet cobot de Vanamatic, un esprit convergent a été trouvé. En Ohio, le BWC propose des subventions pour aider les entreprises à réduire les potentielles demandes d'indemnisation par des moyens simples ou complexes. Vanamatic a obtenu des subventions pour ses efforts d'automatisation, contribuant significativement aux coûts d'achat et d'installation des cobots. De telles aides n'existent pas partout, mais ça ne coûte rien de demander.

Qu'il s'agisse d'automatisation, de communication ou de meilleurs flux de travail, la justification en atelier ne vise pas le remplacement des travailleurs, mais l'amélioration de leurs postes. M. Wiltsie et le BWC de l'Ohio s'accordent à dire que les difficultés de recrutement industry-wide tiennent parfois moins aux personnes qu'aux tâches qu'on leur demande d'accomplir.

Vanamatic est membre de la PMPA depuis 1957.