Sistemas de Paletes Lineares: Caminho Comprovado para Aumento de Rentabilidade

Software aprimorado dá grande impulso a sistemas de paletes lineares

Adam Hansel, diretor de sistemas e vendas, DMG Mori (Hoffman Estates, IL) resume perfeitamente: "Entre em qualquer oficina. Pergunte se eles querem automatizar. A resposta é sim. 100%." Mas que tipo de automação? E quais máquinas e processos? Para uma ampla variedade de empresas, a resposta lógica é um sistema de paletes linear que integra múltiplas máquinas de corte de metal, e possivelmente operações adicionais. Por outro lado, "lógico" não significa sempre "fácil" ou "livre de preocupações."

Não Confunda FMS com Sistemas de Pool de Paletes

Um sistema de paletes linear básico, também conhecido como sistema de manufatura flexível (FMS), automatiza o carregamento e descarregamento de um ou mais centros de usinagem com peças de trabalho de um local de armazenamento central. As peças de trabalho viajam em um trilho reto, transportadas por um veículo com eixos adicionais de movimento que permitem mover a peça para dentro de uma máquina e sobre sua mesa e para fora novamente quando terminada. Operadores configuram jobs em uma estação central, não nas máquinas individuais, e um computador central controla a distribuição e execução do trabalho.

Na configuração mais comum, peças de trabalho são aparafusadas a fixadores, que por sua vez são aparafusados a paletes uniformes. Isso maximiza a flexibilidade do sistema já que qualquer job pode ir para qualquer máquina a qualquer momento desde que a máquina esteja configurada para aquele palete padrão. Outra característica-chave de sistemas de paletes lineares é a capacidade de expandi-los após sua instalação inicial para incluir máquinas-ferramenta adicionais, mais armazenamento, e até operações não de usinagem como inspeção. Alguns sistemas têm 10 ou mais centros de usinagem e dezenas de prateleiras de paletes empilhadas em três níveis.

Assim, um sistema de paletes linear difere de um sistema de pool de paletes, o último dos quais pode ser pensado como uma "extensão não inteligente da máquina", como Bob Baldizzi, especialista em sistemas e máquinas grandes, Doosan Machine Tools America, (Pine Brook, NJ) explicou. "Em um sistema de pool de paletes, software adicional na própria máquina roda o sistema. Você tipicamente está limitado a dizer ao software qual programa está associado a qual palete no pool e a sequência que você quer que aqueles paletes passem pela máquina. É isso. Não há agendamento de produção. Não há gestão de dados. Não há relatórios. É apenas um sistema de paletes maior extensão da máquina." Sistemas de pool de paletes são geralmente arranjos circulares, embora possam ser lineares, adicionando à possível confusão.

"Os sistemas de pool de paletes que vi tipicamente têm a mesma peça em todos os cinco ou seis paletes", disse David Suica, presidente, Fastems LLC (West Chester, OH). "Se você quer mudar peças, geralmente tem que mudar ferramentas dentro da máquina, o programa de peça, e quaisquer offsets necessários para cada peça. Pools de paletes são bons para uma série da mesma peça. Mas se você quer fazer apenas o que precisa nas quantidades que pode vender, um sistema de paletes linear é geralmente uma maneira melhor de ir."

Utilização do Fuso Acima de 90%

Situações diferem, mas parece que nenhuma oficina de máquinas atinge mais de 50-60% de utilização do fuso sem um FMS, enquanto qualquer um usando um corretamente verá taxas de 90% ou mais. E em alguns casos a disparidade é ainda maior. Hansel disse "utilização do fuso é provavelmente 30% ou menos na maioria dos casos se eles têm uma mistura de máquinas que estão sendo alimentadas manualmente. É simplesmente impossível fazer trocas de peças, trocas de fixadores, e agendar muitos recursos eficientemente em uma prancheta." Como Suica explicou, "A maior parte do tempo de inatividade em uma máquina é causada por humanos... esperando por uma ferramenta... descobrindo o programa... digitando manualmente offsets de ferramenta. Uma vez que aquela hora de setup é gasta, você nunca a recupera para produção."

Isso aponta para a maior e mais significativa melhoria em sistemas de paletes lineares nos últimos anos: software. Em um grau ou outro, todos provedores de FMS oferecem software de planejamento de capacidade que torna possível maximizar throughput do sistema. Hansel descreveu um cenário típico: "Digamos que você tem várias máquinas, 180 ferramentas em cada magazine, 24 fixadores, e certos jobs que têm que sair para atender seus contratos. Você define parâmetros como prioridade dos jobs e os números que precisa em certos tempos. Ou digamos que você está construindo um carro. Você não produziria dois eixos e três rodas. Você precisaria de quatro rodas. Então você pode dizer ao software para produzir tamanhos de lote. Em qualquer caso, o software calcula automaticamente como usar seus recursos adequadamente para obter a produção que você precisa. Se você planeja corretamente e prepara fixadores e ferramentas e então deixa o software fazer o trabalho para você, uma taxa de execução de 90-95% é completamente alcançável."

Bom Ajuste para Job Shops... e Mais

Quem se beneficia de um FMS? Qualquer um desde uma pequena job shop até uma operação fazendo 100.000 ou mais de uma peça, em algumas situações. John Einberger, gerente de linha de produto, Makino Inc. (Mason, OH) disse, "O sweet spot para esta tecnologia é alguém que tem uma variedade de produtos para rodar, em uma ordem um tanto aleatória, com corridas de produção relativamente curtas. Fazendo o work-setting fora do centro de usinagem, você aumenta utilização do fuso.

"Mas também há aplicações para volumes de produção mais altos entre pessoas que têm produção sazonal", ele continuou. "Por exemplo, digamos que eles fazem 80.000 de algo por ano, mas fazem apenas por três meses, e então rodam uma variante ou algo diferente pelos próximos quatro meses. A indústria de trem de força de veículos recreativos se encaixa neste tipo de esquema de produção. Durante a off-season eles estão fazendo o que precisam durante a season, como motores de barco quando motos de neve estão vendendo, e motores de motos de neve quando barcos estão vendendo. Nosso FMS tem sido uma ferramenta muito útil para clientes nestas situações de alto volume."

Hansel adicionou que "é bem comum para pessoas que rodam apenas cinco ou seis números de peça diferentes colocá-los em um sistema de paletes linear. Isso é porque você tem muita redundância em tal sistema. Horizontais tipicamente têm magazines de ferramentas grandes que permitem colocar ferramentas redundantes no magazine para rodar turnos mais longos. Se a ferramenta quebra ou gasta, você pode simplesmente ir para a próxima." Por outro lado, a equipe da Liebherr (Saline, MI) apontou que células de manuseio de paletes são mais custo-efetivas quando o tempo de ciclo para todas as peças em um dado palete totaliza mais de cinco minutos. Caso contrário você desperdiçaria tempo esperando o veículo trocar o palete.

Para dar uma noção de quão populares estes sistemas se tornaram, Einberger disse que a Makino instalou 575 de seus sistemas de paletes lineares nos últimos 20 anos apenas na América do Norte.

Não Apenas para Horizontais

Tradicionalmente, sistemas de paletes lineares geralmente conectavam centros de usinagem horizontais, porque "uma máquina horizontal quase sempre vem com um trocador de paletes", explica Baldizzi da Doosan. "Você sempre tem um segundo palete fora em uma área de estação de carga que — em um setting stand-alone — o operador usa para carregar e descarregar peças enquanto a máquina está rodando. Isso é um benefício em um FMS porque o guindaste pode carregar e descarregar da área da estação de carga sem interromper o ciclo de usinagem. Um centro de usinagem vertical típico não tem isso, nem a maioria das máquinas de cinco eixos, embora fabricantes como Doosan estejam agora equipando máquinas de cinco eixos com trocadores de paletes que podem ser conectados a um FMS."

Além de misturar tipos de centros de usinagem, também é possível integrar outras funções em um FMS. Você também pode integrar máquinas de diferentes construtores, embora nesse caso você possa ser melhor trabalhando com uma empresa de automação "agnóstica" como Fastems: "Podemos ter uma máquina Marca X para operação de desbaste, uma máquina Marca Y para aplicação de tolerância apertada, uma Zoller com offsets de ferramenta automáticos gravando em chip, uma CMM, uma estação de lavagem, e um sistema de desbaste, todos totalmente integrados", disse Suica. "Nosso software até gerenciaria automaticamente offsets de ferramentas e dados de inspeção."

Algumas destas opções requerem um robô em uma ou mais estações, ou substituir o veículo FMS tradicional por um robô em trilhos. Einberger disse que a Makino oferece o último híbrido "como resposta a alguns requisitos, principalmente na arena aeroespacial estrutural. Alguns destes clientes querem autocarregar peças em uma máquina usando um robô em um trilho porque querem a vantagem de poder começar carregando a peça em uma superfície plana, e então pegar o subfixador e carregá-lo em um centro de usinagem horizontal.

"Esta abordagem também é muito vantajosa em peças multi-operação onde a primeira operação pode ser uma operação de quatro eixos e a segunda operação é uma operação de cinco eixos dentro do mesmo centro de usinagem", ele continuou. "Então palete um no centro de usinagem seria um tombstone de quatro eixos que aceita a peça em uma subplaca, enquanto o segundo palete no mesmo centro de usinagem seria em uma mesa de quinto eixo que aceita a mesma peça na mesma subplaca para uma subsequente operação de cinco eixos. Os sistemas de robô em trilhos preenchem a lacuna entre um FMS de manuseio de paletes e um robô de manuseio de peças discretas."

Por outro lado, Baldizzi alertou que obter um tipo de flexibilidade faz você perder outro. "Estamos começando a ver a demanda para adaptar a diferentes paletes, como realizar algumas funções em um horizontal e outras em uma máquina de cinco eixos com capacidades de torneamento, requerendo um palete diferente. O mais é que você pode colocar todas estas máquinas que você precisa para realizar a operação no FMS. O menos é que você perde alguma da flexibilidade do FMS porque o software tem que garantir que este palete só vai nesta máquina particular neste momento particular. Enquanto se você tem múltiplas máquinas em um FMS que são todas iguais, o trabalho que está aparafusado em um palete pode ir a qualquer lugar, a qualquer momento, de qualquer jeito."

Custos e Desafios

Segundo Einberger, o custo de um FMS inicial incluindo sistema de trilho, veículo, estação de work-set, e estoque de paletes é aproximadamente dois terços do custo de um dado centro de usinagem, excluindo fixadores. Então dada a promessa de dobrar seu throughput, isso é um bom retorno. Mas Hansel disse que "enquanto pessoas realmente gostam da ideia de ter muitos paletes, às vezes subestimam o custo de fixação. Então quando estão tomando uma decisão sobre que máquinas comprar, o custo real de fixação às vezes não está incluído — o que pode impedi-los de usar o sistema plenamente. Por exemplo, você obtém o benefício de operação lights-out, ou eliminando um terceiro turno, apenas se você puder carregar trabalho suficiente para manter a máquina rodando por oito horas ou mais."

No entanto, todos concordam que o maior desafio com um FMS é operacional. Como Suica coloca: "É o mesmo que seu PC: garbage in equals garbage out. Se você tem bons programas, offsets de ferramentas são conhecidos; se você tem seu cronograma resolvido, funciona muito bem. A maior coisa para a maioria das empresas é a disciplina requerida para garantir que eles estão prontos. Não é diferente da disciplina que toda empresa coloca em seu departamento de contabilidade. Você combina faturas, garante que estão corretas, garante que paga o imposto. Não é fácil, mas está alinhado exatamente e completado. Você pode fazer a mesma coisa no chão de fábrica e ter isso integrado, e pode remover o elemento humano que causa o erro."

Suica também alertou que "a maioria dos sistemas lineares de paletes e robóticos por aí tendem a ser ilhas de automação. Eles sabem o que sabem e não estão conectados a nada mais dentro de sua operação. Você pode ter um pacote ERP [planejamento de recursos empresariais] que rastreia seus pedidos, a entrada de matéria-prima, e assim por diante. Você gastou muito dinheiro em ferramentas, determinando offsets de ferramentas, e sistemas de medição. Mas o fluxo de informação entre todos estes sistemas ainda acaba sendo manual." Esta relativa falta de integração impede empresas de alcançar economias maiores em mão de obra.

Suica disse que não é incomum ter oito ou nove máquinas rodando com apenas algumas pessoas se você integrar totalmente estes sistemas. "Estamos trabalhando em um sistema agora que tem oito máquinas que serão operadas por três pessoas, uma das quais está apenas fazendo uma checagem porque não quiseram automatizar aquilo. Rodará dois turnos, então haverá seis pessoas naquela linha, enquanto agora são 14 pessoas. Mas você precisa de um alto nível de integração de sistemas para fazer isso, caso contrário você ainda precisa de um monte de pessoas para dizer à automação o que fazer. Integração e software é chave. Também é treinamento e suporte, por isso DMG Mori, Makino, e outros têm equipes e instalações dedicadas de automação."

Software não resolve tudo, porém. Baldizzi apontou que confiabilidade mecânica é absolutamente primordial: "Se você conecta uma máquina — ou mais importante múltiplas máquinas — a um FMS e ela para, a utilização do fuso daquelas máquinas vai para zero. Lembre-se, o lugar onde o operador ficava para carregar o centro de usinagem horizontal agora está enclausurado no FMS. Os botões se foram. Há muito pouca chance de você ser capaz de carregar e descarregar peças naquela máquina manualmente de forma eficiente. Então olhe sob o capô para garantir que o FMS é mecanicamente capaz de entregar aquele 90% de uptime."

Para construtores de alta qualidade, isso inclui rodar energia trifásica de alta voltagem através de uma barra de bus acima do veículo, como o terceiro trilho de um metrô, sem partes móveis além do ponto de contato. "Sistemas menos robustos prendem o veículo a uma série de cabos em um cabo track que segue o veículo conforme ele vai para frente e para trás. Isso causa pontos de fadiga conforme os cabos continuamente dobram", disse Baldizzi. "Em segundo lugar, usamos olhos ópticos enclausurados em um túnel para as comunicações de dados que têm que ocorrer entre servodrives, motores, controle, e assim por diante, tirando a necessidade daqueles cabos da mistura.

"Eu também olharia se o FMS tem canais de refrigerante, dutos e tubulações para garantir que qualquer refrigerante que permaneça nos paletes uma vez que vão para armazenamento é recuperado e retornado para either os tanques de refrigerante da máquina ou um repositório central, em vez de fazer bagunça no seu chão", concluiu Baldizzi.