Automatize Operações de Turno Noturno com Cobot da Universal Robots

Após Troy Ojalehto (esquerda) da Rapid Design Solutions desenvolver a aplicação inicial, o engenheiro de automação da Toolcraft, Brian Laulainen, conseguiu lidar com a operação diária além de desenvolver uma estação de enxágue e secagem de peças como um complemento de aplicação para o UR5e, um cobot da Universal Robots. Laulainen fez o treinamento pela UR Academy, depois complementou com algumas horas de treinamento prático com Ojalehto.

A Toolcraft, uma pequena oficina de usinagem em Seattle, precisava automatizar uma tarefa desafiadora de atendimento de máquina de três operações dentro de sua máquina CNC. Impressionada com o novo cobot carro-chefe da Universal Robots (UR), o UR5e, e sua repetibilidade de 30 mícrons e capacidades de detecção de força/torque, a oficina assumiu a tarefa e economizou 23% nos custos de produção e aumentou a produtividade em 43%.

O momento crítico que motivou esta mudança veio quando um grande pedido levou a Toolcraft a adicionar um terceiro turno para produção 24/7. "Ninguém quer trabalhar no terceiro turno por aqui," diz Steve Wittenberg, diretor de operações. Em uma área com 3% de desemprego, a oficina não estava obtendo muita resposta ao seu anúncio de emprego. Ele começou a olhar diferentes opções de automação, inicialmente considerando robôs industriais tradicionais.

Olhando apenas para o hardware, parecia que robôs tradicionais seriam a solução mais econômica, diz Wittenberg. "Mas uma vez que começamos a considerar a economia de não ter que erguer uma gaiola de segurança — e o tempo economizado na facilidade de uso, evitando muita programação complexa — a Universal Robots acabou sendo a solução certa."

Este componente de dispositivo médico multi-rosqueado exigia alta precisão e manuseio de três etapas dentro da máquina-ferramenta, necessitando a adição de um terceiro turno. A solução da Toolcraft foi entregar o atendimento da máquina a um robô colaborativo, o UR5e.

Cobot Trabalha no Turno Noturno

O pedido que impulsionou este investimento era para uma peça multi-rosqueada para um dispositivo médico. Esta peça precisava ser carregada em uma operação de usinagem CNC de três etapas que rodaria durante um terceiro turno. A Toolcraft discutiu o desafio com a Rapid Design Solutions, uma integradora de sistemas certificada da Universal Robots.

"Quando você está fazendo usinagem de precisão multi-operação, os requisitos de precisão vão lá em cima," diz o proprietário da Rapid Design Solutions, Troy Ojalehto. "Quando ouvimos que a repetibilidade do UR5e era de 30 mícrons, ficamos muito animados. Isso realmente compete no mesmo espaço que robôs industriais tradicionais, então isso foi enorme para nós. Não vi outros cobots lidando com esse nível de precisão com peças multi-operação como esta, com matéria-prima entrando e peças de precisão completas saindo."

Seis meses após a implementação, Wittenberg diz que a oficina viu um aumento de produção imediatamente. "Conseguimos pessoal para aquele terceiro turno e passamos de produzir 255 peças por semana para 370 peças por semana. Junto com isso, conseguimos terminar a produção do ano sete semanas antes, liberando aquela máquina para produzir peças para outros trabalhos."

Ele acrescenta que a Toolcraft está olhando para um ROI de cerca de 12 meses.

Um Robô com Toque Humano

Uma nova característica na linha carro-chefe da Universal Robots é feedback de força em todas as juntas, o que é fundamental para garantir que a peça se encaixe firmemente na fixação da máquina-ferramenta. "Usando o movimento de força com liberdade nos eixos X, Y e Z rotacional, podemos forçar a peça lá dentro, balançá-la, e programar essa conformidade muito facilmente para permitir basicamente um toque humano com o robô," diz Ojalehto. Enquanto ele fala, o proprietário da Toolcraft, Karl Niemela, para e relata que sua empresa decidiu nomear o robô de Clarence. "É um nome sofisticado para um robô sofisticado," diz ele com um sorriso.

"A função free-drive do UR reduz muito o tempo para ensinar pontos do robô," diz Ojalehto. Cobots UR podem ser facilmente programados pelo método de ensino simplesmente movendo o braço através dos waypoints desejados que são adicionados ao programa no pendant de ensino. Quando o cobot estava em uso, a Toolcraft usou o simulador UR para criar todo o programa para a estação de enxágue e secagem offline, inserindo os waypoints conforme transferiam o programa para o pendant de ensino.

Cobot Faz a Limpeza

Enquanto o cobot ajudou com sucesso a oficina a implementar produção 24/7, o cobot ainda não estava trabalhando em seu potencial total. O ciclo de usinagem dura um total de 56 minutos, mas o UR5e só está ocupado atendendo peças por seis minutos. "O resto do tempo, o cobot estava apenas esperando pelo próximo ciclo. Queríamos mantê-lo ocupado," diz Wittenberg. Para ocupar mais do tempo do cobot, a oficina adicionou uma estação de enxágue e limpeza de peças.

Com repetibilidade de 30 mícrons, o UR5e foi capaz de inserir precisamente a peça multi-rosqueada na fixação. O ciclo CNC inclui três operações em um centro de usinagem vertical: duas em fixações de torno e uma em uma unidade rotativa de quarto eixo.

Enquanto o UR5e retira a peça usinada do CNC, ele mergulha a peça em uma solução de enxágue, passa por um jato de ar, e coloca a peça lavada e seca em uma prateleira para envio. A oficina também conseguiu controlar a fixação pneumática e atuadores de porta através das interfaces I/O do UR5e. "Isso reduz muito a necessidade de fiação CNC e preserva todas as funções de segurança padrão do CNC," explica Ojalehto.

Aprender a Programar

Embora a Toolcraft tenha contratado a assistência de um integrador de sistemas para colocar a aplicação inicial em funcionamento, a oficina conseguiu programar e instalar a estação de enxágue e secagem por conta própria. "O que realmente nos permitiu fazer isso foi todo o suporte online gratuito que a Universal Robots oferece," diz Wittenberg. "Depois que nosso engenheiro de automação fez o curso online da UR Academy, ele passou algumas horas com o integrador e conseguiu adicionar aquela estação ao ciclo do cobot."

A Toolcraft escolheu a garra PneuConnect da PHD como ferramenta de extremidade de braço para o UR5e. Ser certificado UR+ significa que a garra é certificada para funcionar perfeitamente com cobots UR, com todo o software de programação integrado diretamente no pendant de ensino do cobot UR.

"Tínhamos zero experiência com robôs na Toolcraft," diz Brian Laulainen, engenheiro de automação da Toolcraft. "A UR Academy foi um curso muito intuitivo, interativo e divertido. Tornou o aprendizado muito mais interessante do que apenas ler um livro."

No início, Wittenberg temia que a produção caísse durante a fase de programação da estação de enxágue já que o cobot seria afastado de suas tarefas regulares de atendimento de máquina. A equipe descobriu, no entanto, que podia usar o simulador da Universal Robots e programar quase toda a adição ao ciclo offline enquanto o cobot continuava trabalhando. O programa offline é simplesmente carregado via USB diretamente no pendant de ensino do UR5e. "No programa que fiz no meu escritório, eu apenas definia waypoints em branco. Uma vez que estava ao lado do cobot, consegui usar rapidamente o movimento free-drive e mover o robô para as posições corretas e ensinar os novos waypoints," diz Laulainen.

Com o UR5e, a Toolcraft conseguiu terminar sua produção anual sete semanas antes do que com trabalho manual.

Outro Ano, Outro Cobot

Com a primeira instalação bem-sucedida de cobot, a Toolcraft agora planeja instalar um cobot adicional a cada ano daqui para frente. "O fato de nosso próprio engenheiro de automação agora poder entrar e resolver qualquer problema que surja será fundamental para atingir esta meta," diz Wittenberg. A próxima tarefa que ele espera automatizar no chão de fábrica é atender um centro de usinagem horizontal. "Isso é um desafio potencial, porque o moinho usa tumstones rotativos que são trocados dentro e fora da fresadora, o que cria algumas dificuldades com fixação. Mas estamos confiantes de que podemos resolver esses problemas usando um Robô Universal e alguma inovação em fixação."