Maximizando Produtividade em Espaços de Soldagem com Células Robóticas Lean

Projetadas nos princípios da manufatura enxuta para reduzir desperdícios e melhorar o fluxo de trabalho, células de soldagem a arco robóticas podem fornecer precisão, confiabilidade, versatilidade e velocidade para muitas aplicações industriais abrangendo diversos setores. Embora alguns fabricantes argumentem que a célula robótica mais eficiente no mercado é a de menor área, existem outros fatores a considerar. O que nos leva à pergunta: qual é o uso mais eficiente do valioso espaço de fábrica?

Para que fabricantes obtenham o máximo retorno sobre investimento (ROI) em um determinado período de retorno, é imperativo usar a célula de trabalho mais eficiente possível para lidar com uma determinada aplicação e tipo de peça. Tendências recentes de compra sugerem que a aquisição de uma célula robótica maior com robôs adicionais pode ser uma solução mais produtiva para uma empresa aumentar o rendimento e melhorar a qualidade do produto, suprindo escassez de mão de obra e atendendo demandas dos clientes no processo.

Enquanto muitos fabricantes asiáticos enfatizam que uma célula robótica com área pequena é a melhor, empresas nos EUA geralmente se preocupam menos com espaço de chão. Esta mentalidade está mudando, no entanto, à medida que fabricantes buscam cumprir iniciativas de maior produtividade. A Yaskawa fabrica uma variedade de células de soldagem padrão, que fazem parte da série ArcWorld^®. Estas células podem ser usadas para ilustrar seis fatores que contribuem para a produtividade do espaço de chão. Por sua vez, esses fatores também podem ajudar a explicar tendências recentes de compra e avaliar o motivador principal para obter mais produtividade do espaço de fábrica.

Seis Fatores-Chave a Considerar:

A resposta para a eficiência da célula pode residir na comparação de certos fatores e revisão de razões simples. Para avaliar a produtividade da célula robótica, fabricantes devem considerar o seguinte:

1. Área da Peça
   A área da peça é simplesmente o espaço necessário para suportar um produto. Por exemplo, um fornecedor de assentos automotivos tem uma diferença óbvia de tamanho entre suportes de reclinador, assentos dianteiros e armações de assentos traseiros 60/40 para submontagem. Ter área de peça suficiente para produzir peças de qualidade com ferramentas de forma eficaz e eficiente é fundamental. O posicionamento das peças também é um fator. Se a peça precisar ser reorientada, precisará de um volume tridimensional maior.
2. Área da Célula
   Refere-se ao tamanho da pegada total da célula, ou quanto espaço de chão a sistema robótico abrange. Fabricantes podem ver células menores como uso mais eficiente do espaço. Embora a pegada da célula seja uma preocupação válida, escolher um sistema robótico baseado apenas na pegada não é ideal. Da mesma forma, células de estação única devem ser avaliadas como um par ao compará-las a uma célula de duas estações.
3. Área de Segurança
   Um espaço aberto, onde um operador deve se retirar durante a indexação do posicionador para estar em conformidade com regulamentos de segurança, é conhecido como área de segurança. Alguns fabricantes personalizam uma célula robótica com portas de enrolar para minimizar o espaço da área de segurança. Suspender caixas de peças para peças menores dentro desta área ajuda a utilizar este espaço e melhorar a ergonomia.
4. Área do Operador / Armazenamento de Peças
   A área do operador refere-se ao espaço onde o operador pega ou coloca peças na ferramenta da célula. Células com espaço de segurança podem potencialmente apertar um operador com armazenamento de peças, o que exigiria uma célula de estação única equipada com um corredor mais largo. Células de estação única às vezes são colocadas uma de frente para a outra, então o operador carrega uma e depois atende a célula do lado oposto do corredor.
5. Quantidade de Robôs
   O número de robôs de soldagem a arco — ou "arcos" referindo-se a tochas de trabalho — em uma célula também é fundamental ao escolher uma solução robótica. Adicionar um segundo ou terceiro robô pode quase dobrar ou triplicar a produção de soldagem com pouco ou nenhum impacto no espaço de chão. Isso aumenta a "densidade de arco" de uma determinada célula.
6. Custo
   Preço da célula é considerado em qualquer etapa do design e implementação. Muitas vezes, o robô é uma porcentagem menor do custo quando posicionadores, controles da célula e ferramentas são incluídos. Outros itens, como sensores a laser, também podem aumentar o custo mas melhorar o tempo de ciclo. Os requisitos de peça e rendimento do cliente ditarão o quanto eles podem valorizar esses recursos que adicionam custo ao criar uma célula extremamente eficiente.

Aplicação

Ao escolher a célula mais produtiva para uma determinada aplicação e tipo de peça, fabricantes devem avaliar fatores-chave que impactam a eficiência da célula como comparações. Por exemplo:

• Área da Peça / Área da Célula = Razão Área Peça-Célula
• Peça / Célula X Qtd Robôs Arco = Densidade de Arco ou Razão de Produtividade da Célula
• Razão de $ para Espaço de Chão e # de Arcos = Razão de Valor
• Custos de Integração (1x por célula): CLP + IHM + Quedas de Energia + Ferramentas + Etc.

Exemplo 1: Uma job shop ou empresa automotiva pode considerar a ArcWorld C-52 (AWC-52), que é uma célula compacta para fabricação de baixo a médio volume que tem duas estações de mesa plana (uma AWC-52S tem cabeçotes para virar peças). Esta célula oferece desempenho poderoso em um pacote compacto, apresentando:

• Espaço de chão reduzido
• Um robô Motoman^® de seis eixos
• Porta de enrolar
• Pacote de soldagem integrado
• Tamanho máximo da peça (mm) 760 x 700 de capacidade

Selecionar uma célula menor baseada no tamanho da peça pode parecer o melhor uso do espaço, mas após considerar o tamanho menor da peça em conjunto com a pegada total da célula, a eficiência de área geral desta célula é de apenas 12%.

Ao avaliar a capacidade de produção da célula, o número de robôs de soldagem a arco também foi avaliado. Após calcular a razão área da peça para robô e compará-la ao número de arcos, determinou-se que a razão de produtividade da célula AWC-52 ainda era 12% eficiente devido ao robô único. Apesar do baixo custo de entrada, tempo rápido de ramp-up, design de pegada apertada e capacidades fáceis de proteção, esta célula pode ficar aquém para alguns fabricantes conforme comparações são feitas.

Da mesma forma, células compactas de estação única devem ser avaliadas como um par, comparadas a uma célula de duas estações. Este tipo de configuração adiciona um robô de soldagem a arco extra ao processo, mas também adiciona mais espaço à área do operador. Embora esta célula elimine o tempo de varredura do posicionador, força o operador a caminhar, oferecendo ergonomia ruim e potencialmente aumentando o tempo de ciclo.

Alguns fabricantes localizam estas células face a face, onde o espaço do operador é atendido por um único operador. Isso pode elevar a razão de produtividade para 30% baseado em dois robôs e a área peça/célula. O uso de duas células resultará em 2x o custo de integração, o que pode ser significativo para fabricantes automotivos com ferramentas automatizadas.

Exemplo 2: Fabricantes procurando uma célula para soldar peças menores que não requerem posicionamento podem considerar a maior ArcWorld 1000 (configuração de robô único) ou ArcWorld 1200 (configuração de robô duplo). Pré-projetadas para produção de peças pequenas a médias para aplicações de soldagem de médio a alto volume, estas ArcWorlds apresentam:

• Mesa giratória servo de alta velocidade (60 in ou 72 in de tampo)
• Um ou dois robôs Motoman de seis eixos
• Unidade de Segurança Funcional (FSU)
• Pacote de soldagem integrado
• Tamanho máximo da peça (mm) 1.000 x 474 de capacidade

Usando a mesma comparação de submontagem (veja Exemplo 1), a célula AW1000 foi considerada 10% eficiente usando a razão área da peça para área da célula. Apesar da introdução de uma mesa giratória servo de alta velocidade, a presença da área de segurança criou "espaço morto" inutilizável durante a operação. Do lado positivo, a área do operador exigia movimento mínimo do operador, criando melhor ergonomia.

Quando a densidade de arco foi calculada em relação à razão área da peça para área da célula, revelou-se que a adição de um robô extra de soldagem a arco nesta configuração (AW1200) aumentou a produtividade geral da célula para 19%. Ao comparar preços de lista entre outras células ArcWorld, a AW1200 representa o menor preço/arco de todas as células, tornando-a um bom valor. Há apenas 1x custo de integração para esta célula.

Exemplo 3: Nossa célula mais popular, a série AWIV-6000 com posicionador roda-gigante, fornece o uso mais eficiente do espaço de chão. Pré-projetada para produção de peças de médio a alto volume, estas apresentam:

• Alta velocidade, posicionador slim-line que economiza espaço
• Um, dois, três ou quatro robôs Motoman de seis eixos
• Unidade de Segurança Funcional (FSU)
• Pacote de soldagem integrado
• Tamanho máximo da peça (mm) 4.000 e 1.525 de capacidade

Usando a mesma comparação de eficiência de espaço (veja Exemplos 1 e 2), as células da série ArcWorld IV-6000 foram consideradas 30-34% eficientes usando a razão área da peça para área da célula. Embora a adição de um posicionador slim-line de alta velocidade em relação à área da peça e área da célula tenha aumentado a eficiência da célula, a presença da área de segurança ainda criou "espaço morto" inutilizável durante a operação. Alguns fabricantes usaram cortinas de enrolar para cobrir a área de segurança para reduzir a distância usada por cortinas de luz.

Como nos exemplos de células ArcWorld série C e ArcWorld 1000, a presença de robôs de soldagem a arco impulsionou o fator de produtividade de cada célula. Quando a densidade de arco foi calculada em relação à razão área da peça para área da célula para cada célula na série ArcWorld IV-6000, os resultados foram os seguintes:

• AWIV-6000SL área da peça / célula X 1 robô arco = 60% razão de produtividade
• AWIV-6200SL área da peça / célula X 2 robôs arco = 67% razão de produtividade
• AWIV-6300SL área da peça / célula X 3 robôs arco = 100% razão de produtividade

A densidade de arco em relação à razão área da peça para célula deu à ArcWorld IV-6300SL uma porcentagem maior, tornando-a a célula mais flexível e produtiva em nossas configurações padrão.

Um cliente recorrente mudou de especificar células AWIV-6300 com 3 robôs e vãos de posicionador de 3 metros para células com quatro robôs (AWIV-6400) e vãos de 4 metros. Embora isso melhore ligeiramente a eficiência de área peça/célula do cliente de 34% para apenas 36%, a razão de densidade de arco (ou eficiência de produtividade) aumenta muito de 101% para 143%. Além disso, adicionar mais robôs é uma solução custo-efetiva porque custos de integração da célula, como CLPs, IHMs, ferramentas, proteção e quedas de utilidade, não aumentam.

Conclusão:

Células robóticas compactas oferecem pegada reduzida, mas não são necessariamente o uso mais eficiente do espaço de chão. Job shops podem querer avaliar a capacidade de tamanho da peça em relação à pegada da célula para determinar o uso mais FLEXÍVEL do espaço. Além disso, em um esforço para aumentar a PRODUTIVIDADE do espaço, empresas automotivas podem querer considerar expandir ligeiramente a área de trabalho para adicionar mais robôs. Avaliar o custo de algumas configurações diferentes de células, incluindo custos de integração, pode ajudar fabricantes a garantir que estão maximizando o VALOR de seu espaço de chão.