Automatizando Operações Verticais: O Momento Ideal para Todas as Oficinas

Muitas oficinas dizem que querem automatizar operações, mas quantas realmente o fizeram?

Um artigo na edição de agosto de 2017 da Manufacturing Engineering sobre sistemas de palete linear citou um especialista da indústria dizendo que toda oficina que ele visita quer automatizar. No entanto, Errol Burrell, especialista de produto para Okuma America Inc. (Charlotte, NC) disse recentemente que apenas 10% de todas as máquinas-ferramenta são automatizadas. E, segundo John Lucier, gerente nacional de automação para Methods Machine Tools Inc. (Sudbury, MA), a Robotics Industries Association reporta que apenas 3-4% de novas máquinas têm um robô.

Então, seja falando de sistemas de palete linear, trocadores de palete simples, ou robôs, está claro que há uma enorme oportunidade de automatizar operações de usinagem nos EUA. Embora máquinas horizontais sejam automatizadas mais frequentemente que verticais, centros de usinagem verticais são mais prevalentes que horizontais, então o maior potencial inexplorado está em automatizar verticais. Não é de admirar que Greg Feix, vice-presidente e gerente geral da unidade de automação na Gosiger (Dayton, OH), disse que sua empresa viu um aumento de cinco a sete vezes na automação de máquinas verticais nos últimos dois anos.

O Bom e Velho Trocador de Palete

A forma mais simples de automação, seja em vertical ou horizontal, é um trocador de palete rotativo. O operador carrega peças em uma fixação montada no palete externo enquanto a máquina trabalha no mesmo arranjo dentro. Quando o primeiro conjunto de peças termina, os paletes rotacionam e o operador descarrega as peças finalizadas.

Lucier disse que esse nível de investimento se encaixa na prática comum de manter 10% do valor da máquina-ferramenta para morsas e outras fixações, mas não liberta realmente o operador por muito tempo em uma vertical já que você tipicamente só pode usinar algumas peças em um palete. Então, enquanto muitos perguntam sobre tais sistemas, muito poucos compram.

A economia é um pouco diferente para horizontais, onde a abordagem mais comum seria colocar uma torre de quatro a cinco faces no palete para usinar 4, 8, 16 ou mais peças por vez. Mas mesmo assim, é uma abordagem cara se você precisa usinar uma variedade de peças já que cada uma exigiria fixação diferente.

Andy McNamara, diretor de vendas, Doosan Machine Tools America (Pine Brook, NJ), disse que há outra opção se tornando mais comum que oferece um pouco mais de capacidade que trocadores de palete rotativos de duas posições: Um trocador de trabalho com um braço que levanta um palete de uma estação multipalete adjacente e o move para dentro da máquina. A estação de palete geralmente apresenta um tambor rotativo de 4, 6, 8 ou mais localizações, o Erowa Robot Easy sendo um bom exemplo.

"Não é realmente um robô, embora sistemas de ponta possam ter um sistema de agendamento de trabalho também, tornando-o mais próximo das capacidades de um sistema de palete linear." McNamara disse que a Doosan recebeu muitos pedidos para tais sistemas em máquinas de cinco eixos e estão vendo interesse neles para máquinas de três e quatro eixos na indústria de molde e matriz para rodar eletrodos e moldes overnight, trocando entre peças conforme necessário.

"Você vê muitas versões diferentes de trocadores de trabalho automáticos e sistemas de palete rotativo em verticais de ponta em molde e matriz", disse. "Em job shops você vê trocadores de palete integrais ou add-on mais frequentemente."

Integrar um robô articulado parece ser a solução mais doce para verticais. Lucier foi tão longe a dizer que verticais são uma plataforma muito mais fácil de automatizar dessa forma.

"Na Methods, vemos uma porcentagem maior de verticais sendo automatizados que horizontais. Automatizar a porta e integrar um robô é o mesmo para qualquer tipo de máquina. A diferença vem quando você considera o custo da ferramentaria associada versus os benefícios."

Como discutido, o uso mais popular de uma horizontal é usinar peças em uma torre. Você poderia usar um robô para carregar paletes com torres em uma máquina, e até usar um robô em um trilho para carregar várias máquinas. Mas essa abordagem exigiria um robô substancial e você ainda precisaria de um operador para fixar peças em cada torre.

Se você quisesse automatizar o carregamento das peças nas torres, cada morsa teria que ser tubulada para hidráulica ou pneumática, e uma variedade de peças exigiria uma variedade de tais fixações, multiplicando ainda mais o alto custo dessa abordagem. Em muitos casos a melhor abordagem, argumentaram Lucier e Feix, é usar um robô menor para carregar peças individuais em uma morsa automática em uma máquina vertical menos cara.

"Temos tal automação começando em menos de $100.000", disse Lucier, "completa com in-feed, out-feed, e robô com tooling de fim de braço. Compare isso a um sistema de palete onde o próprio robô custa $100.000, sem mencionar o trilho, as prateleiras, o controle, e assim por diante."

A célula mais popular da Methods tem duas morsas na máquina (Op 10 e Op 20) e o robô atende ambas as morsas. "Mais frequentemente que não, coloco essas duas morsas em uma mesa trunnion para que você possa rotacionar para cima e baixo em um único eixo para obter três lados da peça em cada aperto", explicou Lucier. "O robô vira a peça, rotaciona, e coloca na segunda morsa para obter os outros três lados. Dessa forma, conseguimos completar uma peça em duas operações e o robô faz sua viragem e reposicionamento."

'Macaco no Meio'

A flexibilidade inerente de um robô também torna possível atender múltiplas máquinas. Por exemplo, Methods, Doosan e Okuma todos têm sistemas em que três máquinas formam três lados de um quadrado, o quarto lado é a estação in-feed/out-feed, e um robô faz "macaco no meio", como Lucier colocou. "Uma vez que você vai além de três máquinas, não dá para realmente encaixar tudo ao redor do robô então vamos para um robô em trilho, que pode atender qualquer número de máquinas apenas estendendo o trilho."

Naturalmente você não quer máquinas esperando pelo robô, então o fator chave é o tempo de ciclo da peça. A regra prática de Lucier é que se o tempo de ciclo de uma peça é 30-40 segundos, um robô pode atender uma máquina. Para tempo de ciclo de 60 segundos, um robô pode atender duas máquinas. Se for 90 segundos, três máquinas e assim por diante. A mesma regra se aplica a um robô em trilho. Lucier ofereceu o exemplo comum de uma peça médica de cinco eixos com tempo de ciclo de seis minutos, para a qual "um robô em trilho atenderá cinco ou seis FANUC Robodrills muito bem."

Trocas Rápidas, Integração de Robô

Além do custo relativamente baixo de ferramentaria de máquina vertical, é fácil de trocar. Como Lucier colocou, "Trocar entre tipos de peça em uma vertical tipicamente envolve apenas trocar as garras da morsa. E segundo apenas a trocar insertos, um operador de máquina vertical sabe como trocar garras de morsa porque faz isso o tempo todo."

Uma abordagem ainda mais rápida e talvez mais custo-efetiva é usar sistemas de fixação zero-point oferecidos por Schunk, 3R, e Erowa. Com esses sistemas, um operador pode configurar a nova morsa fora da máquina e trocá-la em segundos sem ter que re-zero a posição.

"Você pode trocar essas morsas tão rápido quanto pode trocar paletes em um trocador de palete, embora tenha que fazer manualmente", disse Lucier.

É possível eliminar a troca manual de fixação. Feix da Gosiger disse que Schunk e ATI fazem unidades de quick-change automáticas de tooling de fim de braço. A Gosiger instalou automação customizada em que o robô carrega a fixação da peça na máquina, então troca o tooling de fim de braço, e então carrega as peças para o processo de usinagem.

Jack Cardin, gerente de projeto para automação na Doosan, concordou. "Se a mudança de tamanho é grande demais para troca de dedo de garra, ou você está trocando de ID para OD, você é melhor trocando a mão inteira do pulso do robô", disse. "Temos quatro para escolher, todos da Schunk."

Lucier disse que é essa tecnologia "circundante" que fez a maior melhoria nos últimos anos, "tornando automação mais flexível, e portanto uma escolha mais fácil de fazer."

Configurar o robô para um job completamente novo leva um operador experiente cerca de 30 minutos, disse Lucier. Se for um job repetido e você salvou o programa do robô, setup é só cerca de 15 minutos. Então quando você considera que um job típico rodaria por um dia ou mais, tempo de changeover se aproxima da insignificância.

Admitidamente, o tempo não-corte para um sistema que move um robô para dentro e fora de uma máquina para cada troca de peça é maior que um arranjo típico de trocador de palete com múltiplas peças no palete. Mas a flexibilidade de automação robótica permite usuários automatizarem um mix maior de jobs de baixo volume com custos mínimos de ferramentaria.

Em alguns aspectos o próprio robô é a parte mais fácil do sistema para entender quando você está considerando automação. Lucier disse que engenhar o sistema in-feed/out-feed leva a maior parte do tempo. A Methods faz parceria exclusivamente com FANUC e seu robô famosamente amarelo. Como Lucier colocou, "O robô é amarelo. Escolho o tamanho certo para o job e pronto." O problema mais desafiador é se as peças devem ser apresentadas ao robô de um sistema de esteira, em um bin, em gavetas, ou outra opção.

A abordagem da Okuma é fornecer uma máquina vertical com coletores hidráulicos e pneumáticos de seis portas que facilitam integrar fixação automatizada, enquanto confia em parceiros como Morris, Gosiger, e Hartwig para ajudar o usuário final com soluções de automação. A Okuma também tem uma equipe de implantação rápida em sua sede nos EUA em Charlotte para modificar qualquer máquina vinda do Japão com portas automatizadas, lasers, e sondas para habilitar integração de automação.

"Todas nossas máquinas também podem ser kitadas com sistema Anybus para que possam comunicar com vários sistemas de automação, seja FANUC, Erowa, ou qualquer que seja", adicionou Burrell da Okuma. Produtos Anybus permitem dispositivos industriais comunicarem com qualquer fieldbus ou Ethernet industrial, seja wireless ou cabo. Produtos Anybus são feitos pela HMS Industrial Networks Inc. (Chicago).

"Não insistimos em nenhum fornecedor particular para esses sistemas", disse. "Muitas pessoas estão batalhando por supremacia quando se trata de fixação e robótica, assim como estamos batalhando com muitas empresas por supremacia em máquinas."

A abordagem da Doosan é tripla: Oferece qualquer interface de robô requerida para ajudar integradores locais instalarem automação em suas máquinas onsite. Também vai engenheirar uma solução de automação customizada em sua sede em Nova Jersey. Terceiro, oferece aos usuários finais sistemas padrão, pré-construídos chamados DooCells que "dão a uma job shop uma forma custo-efetiva de entrar em automação", disse McNamara.

Cada DooCell tem um robô e até três centros de usinagem ou tornos em qualquer combinação. A estação in-feed/out-feed é uma unidade de gavetas com três a cinco gavetas, dependendo da altura e diâmetro da peça.

"As gavetas abrem em ambas direções, então o operador está de um lado carregando matéria-prima ou descarregando peças finalizadas enquanto o robô está do lado oposto processando peças", explicou Cardini.

McNamara adicionou que "muitos clientes estão com pressa e buscam soluções de baixo risco que usaram antes e querem apenas fazer acontecer." Uma solução padrão simples como DooCell se encaixa bem nessa abordagem.

Um Balde e Água Morna

Além da capacidade de misturar tipos de máquina como centros de usinagem verticais e tornos, usar um robô articulado para carregar peças individuais dá a flexibilidade de automatizar outras tarefas, como lavagem e rebarbação.

"Esqueça o sistema de lavagem de $20.000", disse Lucier da Methods. "Me dê um balde e água morna e o robô pode fazer maravilhas para você. É uma forma barata de lavar peças. Próximo passo: sopre. Mais clientes aprendem a usar seu robô programando um ciclo de lavagem e secagem que qualquer outra coisa."

Lucier alertou contra foco excessivo em eliminar tempo ocioso. "Vamos garantir que carregamos a máquina. Se você tem tempo extra, um pouco de rebarbação ou lavagem não é ruim, mas não há razão para ser obcecado com isso. Se você não tivesse um robô, teria um operador parado ali que você tem que pagar ano após ano. Você compra o robô uma vez e nunca mais tem que pagar por ele."

Retorno sobre Investimento

Burrell da Okuma disse "a maioria das pessoas investindo em tecnologia de automação busca retorno sobre investimento em 18 a 24 meses" enquanto são impulsionados a adotar automação devido a falta de mão de obra. Mas então percebem que robôs podem preencher essa lacuna.

Lucier disse que é fácil justificar automação quando seu custo é aproximadamente igual ao custo da máquina-ferramenta, e na maioria dos casos uma pequena célula de automação se paga em menos de um ano.

"Comece com o básico", disse Lucier. "Meia hora de almoço. Duas pausas de 15 minutos. Essa uma hora por dia em um turno de oito horas adiciona 12% ao seu dia de trabalho. O que mais você pode fazer em sua máquina-ferramenta para aumentar sua produção em mais de 10%?"

Além disso, disse, a produção será maior mesmo durante horas em que um operador está disponível porque robôs trocam peças consistentemente o dia todo.

"Se um cara consegue trocar peças em 10 segundos logo de manhã, provavelmente não vai ainda trocar em 10 segundos às 3 da tarde. Você pode calcular roughly 85% de tempo de execução real com operador, mas o robô renderá até 95% porque a única vez que você precisa parar é quando trocando ferramentas. Adicione a isso a possibilidade de fazer peças sem supervisão por horas após o turno."

O grau em que Indústria 4.0 e conceitos relacionados foram adotados é debatível. Mas se algo, está ajudando a vender automação. "Adoramos quando pessoas implementam sistemas que rastreiam uptime de máquina porque ficam chocadas quando percebem que a utilização real do fuso em seu centro de usinagem vertical é apenas cerca de 40%, em média", disse Lucier. "Não é John Lucier o cara do robô te dizendo o quão mal você precisa de um robô — são seus dados."

Burrell disse que agora vê automação sendo implementada em oficinas tão pequenas quanto 10 pessoas e prevê que até job shops considerarão isso um "must have." Adicionou que esses sistemas estão diminuindo de custo ao mesmo tempo que aumentam em inteligência, então espera enorme crescimento em automação de máquinas verticais.

Finalmente, um case study de uma job shop de contrato, relatado por Feix da Gosiger. A oficina queria usar um centro de usinagem vertical para jobs de pequenos lotes durante o dia e automatizar um job de volume durante a noite.

"Eles estavam considerando um fresadora de capacidade 30 x 16" [762 x 406 mm] e queriam uma forma de puxar a fixação automatizada e substituí-la por uma morsa cada dia. Sugerimos comprar uma fresadora maior, 40 x 20" [1016 x 508 mm], e colocar a fixação para automação no lado direito da mesa e morsas que precisavam para trabalho diurno no lado esquerdo, para que não tivessem que trocar. Você nunca faria isso em uma horizontal."

Mas é o tipo de automação flexível agora prontamente disponível para verticais.