Job Shops: Adotem Automação para Produção de Alta Variedade e Baixo Volume

Acha que automação é muito difícil em ambiente de alta variedade e baixo volume? Pense novamente

Robôs e job shops (oficinas de serviços) não são tipicamente falados juntos. Afinal, todos sabem que automação é apenas adequada para produção de alto volume, e a típica operação de pai e mãe é tudo menos isso – seu cronograma cheio de pedidos para alta variedade, baixo volume e frequentemente trabalho altamente complexo. Quem precisa de um robô neste ambiente, onde setups são realizados várias vezes por semana, ou até mesmo a cada dia?

Antes de pular para o próximo artigo, porém, você pode querer considerar algumas coisas. Para começar, muitos especialistas sugerem que, independentemente do que os proprietários possam dizer a si mesmos, job shops sofrem a menor utilização de máquinas da indústria. Valores de efetividade global do equipamento (OEE) de 50% ou menos não são incomuns. Automação é uma solução clara para melhorar este número.

E como a troca de máquina é mais frequente em job shops, mais torneiros e programadores qualificados são necessários para realizar atividades relacionadas ao setup – pessoas que comandam salários mais altos e são difíceis de encontrar. Isso aumenta custos operacionais, reduz oportunidades para trabalho adicional e torna a produção ininterrupta extremamente desafiadora. Dada a escassez de trabalhadores qualificados, a automação deveria, portanto, ser o Santo Graal para qualquer job shop, mesmo que a implementação possa não ser um caminho fácil.

Possibilidades de Plug and Play

A pergunta é: por onde começar? Zach Spencer tem algumas ideias. Um engenheiro de propostas personalizadas da Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Massachusetts, ele notou que automação pode ser próxima de um assunto plug-and-play, especialmente quando incluída como parte da compra de uma nova máquina-ferramenta.

"Desenvolvemos nossa JobShop Cell há quase 15 anos, e desde então se tornou uma de nossas soluções de automação mais populares para o FANUC RoboDrill", disse ele. "É projetada para oficinas que têm pelo menos alguma troca todo dia, são restritas em espaço no chão, e precisam da flexibilidade para alternar facilmente de uma peça para outra."

A JobShop Cell está disponível em duas configurações, explicou ele. Uma usa um arranjo de esteira superior/inferior para trazer matéria-prima ao robô e levar peças acabadas embora, enquanto a outra usa um gabinete contendo uma série de gavetas para armazenamento de peças e material. Ambas empregam um robô FANUC para carregar e descarregar a máquina (ou par de máquinas, no caso da JobShop Cell Twin RoboDrill da Methods), e ambas fornecem uma maneira de deixar um CNC desatendido por horas ou até mesmo um turno completo, dependendo da peça.

Para volumes maiores, a Methods oferece seu Plus-E, um sistema de automação estilo elevador multi-palete para trabalhos de médio a alto volume, bem como o Plus-K para oficinas que desejam automatizar o setup da máquina assim como a operação, com a capacidade de trocar porta-ferramentas, morsas pré-carregadas e dispositivos de fixação. "Você pode dizer ao sistema que estas cinco morsas são Peça A, as próximas duas morsas são Peça B, a seguinte é Peça C, e as próximas dez serão Peça D", disse Spencer. "Depois disso, você apenas carrega com material e vai para casa. Ambas as máquinas da Série Plus são unidades autossuficientes que ficam ao lado de um RoboDrill, e são perfeitas para oficinas que buscam uma maneira fácil de entrar na automação."

Use o Carrinho (Trolley)

A Methods não é a única provedora adotando esta abordagem. Eric Nekich, responsável por operações, tecnologia e vendas internas na Lang Technovation Co., Hartland, Wisconsin, disse que os sistemas de automação RoboTrex da empresa usam um robô FANUC e até quatro carrinhos móveis, cada um contendo várias morsas pré-carregadas. O RoboTrex 52, por exemplo, pode armazenar até 42 morsas por carrinho (baseado no tamanho da peça e configuração do carrinho), potencialmente oferecendo usinagem desatendida de 168 peças.

Como a JobShop Cell, o RoboTrex é autossuficiente e totalmente protegido, mas também pode ser integrado com uma variedade de marcas e modelos de centros de usinagem. O único obstáculo é entender a necessidade de investir em algumas das morsas de cinco eixos Makro-Grip da Lang, necessárias para uso com o sistema (e feitas, coincidentemente, em 50 centros de usinagem equipados com RoboTrex na fábrica da Lang na Alemanha). "É um investimento com ROI muito rápido, no entanto, porque seu tempo de atividade do fuso aumentará drasticamente com o sistema RoboTrex USA", disse Nekich.

Michael Gamache é gerente de desenvolvimento de negócios na Gamache Systems, New Berlin, Wisconsin, uma divisão da Metalcraft of Mayville e integrador exclusivo para sistemas RoboTrex nos Estados Unidos. Ele reconhece que alguns clientes podem hesitar em investir em um novo sistema de fixação, mas ofereceu excelentes razões para fazer exatamente isso.

"Como proprietário de negócio, entendo o fato de que morsas não são baratas, mas do ponto de vista de automação, fixação de alta qualidade é metade da batalha", disse ele. "Você precisa levar a matéria-prima ao robô de maneira repetitiva e precisa, e o sistema Makro-Grip é uma das melhores formas de realizar isso. Além disso, o sistema é muito fácil de configurar e operar porque o robô está manuseando as morsas e não uma ampla variedade de tamanhos de matéria-prima; por causa disso, um programa funciona para cada peça."

Consiga uma Pegada (Get a Grip)

Tyler Mardaus, engenheiro de design na Kurt Manufacturing – Divisão de Produtos Industriais, Minneapolis, concordou com a necessidade de fixação de alta qualidade, embora a abordagem de sua empresa seja significativamente diferente da proposta pela Lang. "Nossa equipe de Fixação Projetada Sob Encomenda (CEW) projeta muitos sistemas hidráulicos de dupla ação controlados por solenoide", disse ele. "Hidráulica fornece psi mais alto e, portanto, maior força de fixação que fixação manual, enquanto o solenoide suporta ativação eletrônica da morsa através do robô ou controle da máquina, criando um sistema verdadeiramente automatizado."

Ele adicionou que oficinas devem começar sua jornada de automação visando os trabalhos de maior volume. E se houver peças que podem usar uma morsa (ou múltiplas morsas) com garras usináveis, estas podem ser trocadas durante a mudança, reduzindo tempo de setup. Quanto ao investimento, não há como evitar a necessidade de uma bomba hidráulica e encanamento, mas pode ser possível adaptar morsas manuais existentes da oficina com conjuntos de porca e parafuso compatíveis com hidráulica.

"Você deve se esforçar para criar um sistema de controle de malha fechada", disse Mardaus. "Isso começa instalando algum dispositivo de confirmação de assentamento da peça, mas você também precisa verificar se a morsa foi fixada na força correta antes de permitir o início do ciclo, e que a morsa está solta antes que o robô tente remover a peça. Todos estes passos são cruciais para qualquer solução de usinagem automatizada."

Acelerando a Troca de Fixação

O comentário de Mardaus sobre redução de tempo de setup está certo. Afinal, por que se dar ao trabalho de reduzir custos de mão de obra através de automação se você vai incorrer em horas de tempo de inatividade caro toda vez que mudar de trabalho? As garras de troca rápida que ele mencionou são um excelente ponto de partida, mas se o orçamento permitir, um sistema de posicionamento de ponto zero, como o Makro-Grip da Lang (e outros), transforma a troca de fixação em um exercício de um minuto. Também deve haver capacidades robustas de CAM, com software de simulação que avalia os caminhos de ferramenta pós-processados, porta-ferramentas, ferramentas de corte, peças, fixação e a própria máquina-ferramenta.

E como Dietmar Moll, diretor de desenvolvimento de negócios na Zoller Inc., Ann Arbor, Michigan, explicou, oficinas devem dar alta prioridade ao gerenciamento de ferramentas, começando com um sistema de pré-ajuste offline e software associado. "Um dos maiores benefícios de qualquer estratégia de automação é que o atendimento de máquina e outro trabalho sem valor agregado é assumido por um robô ou cobot, liberando pessoal qualificado para fazer tarefas mais importantes", disse Moll.

Pré-ajuste offline de ferramentas é uma destas tarefas, mas também há planejamento completo de trabalho, manutenção e organização de porta-ferramentas, inspeção de ferramentas de corte e análise de dados do chão de fábrica. Para este fim, a Zoller oferece uma variedade de soluções bem além do ajuste de ferramentas. Suas soluções de gerenciamento de ferramentas (TMS) nos níveis Bronze, Prata e Ouro permitem que uma oficina aumente suas capacidades conforme necessário, entregando visibilidade significativamente maior aos processos de produção e ativos relacionados a ferramentas. E como estes podem se comunicar com o robô colaborativo "cora" da Zoller, Moll adicionou, eles servem para "fechar o loop" automatizando tarefas da sala de ferramentas como limpeza e armazenamento de ferramentas.

Similarmente, as soluções integradas de armazenamento de ferramentas da empresa ajudam a organizar estes ativos, reduzindo ainda mais tempo de inatividade e ineficiência. E quando o trabalho está completo, estes mesmos sistemas podem ser usados para verificar ferramentas de volta no depósito, revisar seu desempenho e registrar qualquer vida útil restante da ferramenta. "Isso ajuda as oficinas a entender melhor quais ferramentas de corte estão funcionando bem e quais não estão, dando a eles a capacidade de melhorar ainda mais processos e reduzir custos de ferramentas", disse ele.

Sugestões de Agendamento

Gerenciamento robusto de ferramentas também é parte essencial do agendamento de trabalhos, algo crítico para utilização de máquina-ferramenta e robô alike. Para Moll, isso significa saber quais trabalhos estão próximos na fila e quais ferramentas são necessárias para rodá-los. Para Daniel Carranco, significa mais que isso, especialmente no contexto de automação. O diretor de melhoria contínua na Global Shop Solutions Inc., The Woodlands, Texas, ele notou que todas as oficinas – automatizadas ou não – devem ter um bom sistema ERP e de agendamento em vigor, um que também possa monitorar o chão de fábrica e coletar informações sobre o processo de usinagem.

Alcançar a parte de monitoramento e coleta de dados dessa equação requer software ERP amigável à integração, máquinas-ferramenta e robótica, embora. "Tivemos situações onde o cliente queria integrar seu equipamento com nosso sistema mas descobriu que a plataforma de software usada por aquele equipamento era quase impossível para nós trabalhar", disse ele. "Então o primeiro conselho para qualquer um buscando um ambiente de produção integrado é garantir que tudo possa se comunicar efetivamente, e que todos estejam claros quanto aos tipos e volumes de dados que serão trocados."

Comunicação, parece, significa mais do que uma vez. Onde sistemas ERP há muito se destacam em coletar dados dos humanos no chão de fábrica, agora devem coletá-los de robôs e controladores de máquina também. Além disso, estes dados não apenas contêm o número de trabalho, tempo de produção e quantidade completada (ou sucateada) que usuários esperam, mas também podem exibir consumo de material em tempo real, inspeção e informação de qualidade de peça, status de máquina e robô, e assim por diante.

"Certamente há muito mais informação disponível hoje do que havia antes, e dado o software ERP certo, equipamento e integração, tudo pode ser coletado de forma contínua e automática", disse ele. "Fazer isso fornece oportunidades completamente novas para melhoria contínua, mas mais importante, liberta funcionários para focar em coisas mais importantes. Não há mais tempo desperdiçado em coleta manual de dados, que é frequentemente irregular de qualquer forma, e pessoas podem trabalhar em planejamento e análise de processo."

Dando um Impulso às Melhores Práticas

Como Carranco sugeriu, estas tecnologias devem ser perseguidas independentemente dos planos de uma oficina para automatizar, pois todas servem para tornar operações mais eficientes e seus níveis de OEE muito mais altos. E quando o próximo passo for dado – implementando um robô ou sistema de manuseio de material – o investimento valerá a pena muito mais rápido. Assumindo que você não goste ou não possa usar nenhum dos sistemas pré-configurados já discutidos, a pergunta então se torna: "qual robô devemos comprar, e como devemos implementá-lo?"

Dean Elkins pode recomendar um. Um líder de segmento para manuseio de materiais na Divisão de Robótica Motoman da Yaskawa America Inc., Miamisburg, Ohio, Elkins disse que job shops frequentemente apresentam uma gama de aplicações robóticas adequadas, seja atendimento de máquina, rebarbação de peças, montagem automatizada ou soldagem robótica. Encontrar o equipamento certo para estas aplicações, porém, requer uma boa dose de avaliação e conversa com pessoas conhecedoras.

"Justificar um investimento em automação depende de vários fatores", disse Elkins. "Obviamente, quanto maior a quantidade de produção, mais faz sentido automatizá-la. Mas até trabalho repetido de volume menor pode ser lucrativo, desde que a oficina tome as medidas necessárias para reduzir o tempo de setup o máximo possível. Peças com tempos de execução mais longos também são bons candidatos, assim como peças com requisitos de manuseio simples."

Elkins notou que a maioria das job shops encontra um robô montado no chão de pequeno a médio porte – significando uma capacidade de carga de 5-25 kg – é tudo que é necessário para rebarbar um lote de peças, soldar uma caixa de suportes, ou atender um torno CNC depois que todos foram para casa à noite. Com isso, porém, algum nível de proteção de segurança será necessário, assim como garras, uma interface para a máquina-ferramenta, e possivelmente software de programação e simulação.

Amanhã, Hoje

E não esqueça o treinamento, ele avisou. Automação é muito mais simples do que era antes, ainda assim o proprietário de job shop mais esperto ainda vai fazer um investimento adicional em treinamento, e ter uma pessoa dedicada na equipe para gerenciar a robótica da oficina. Dito isso, robôs colaborativos e de limitação de força estão se tornando bastante populares, especialmente onde espaço no chão é uma preocupação. Robôs podem ser equipados com garras auto-trocáveis ou de troca rápida, aumentando flexibilidade. Sistemas de visão frequentemente podem eliminar ou pelo menos simplificar sistemas de transporte de peças, e a capacidade de ensinar um robô suas tarefas ajuda a reduzir a necessidade de sistemas de programação offline. "Há muito a considerar", disse Elkins. "É por isso que encorajo qualquer um interessado em automação a fazer sua lição de casa, fazer perguntas, e fazer parceria com um integrador respeitável."

Acieta LLC, Waukesha, Wisconsin, é uma dessas empresas. Steve Alexander, vice-presidente de operações, alerta que nem todos os integradores são criados iguais. "Certifique-se de trabalhar com alguém que tenha experiência com seu tipo de trabalho e o nível de habilidade para implementar seu projeto de automação robótica", disse ele. "Obtenha referências, vá ver suas instalações anteriores, e entenda a qualidade de seu trabalho. Robôs industriais são projetados para durar bem mais de 10 anos, então você quer ter certeza de que tudo mais na célula é projetado para um ambiente automatizado e é tão confiável quanto o próprio robô."

Fazer isso pode levar a um retorno sobre investimento (ROI) de apenas alguns meses, embora um ou dois anos seja provavelmente uma expectativa mais realista. Muito disso depende da aplicação, claro, mas o tipo de robô também desempenha um papel. Como Elkins notou, robôs colaborativos – ou cobots – se tornaram a sensação nos últimos anos, principalmente devido à sua facilidade de uso e operação aparentemente mais segura em proximidade a humanos. No entanto, aparências podem enganar. Cobots podem ser mais lentos e menos precisos que os chamados "robôs industriais", possivelmente retardando ROI, e até o cobot mais amigável pode prejudicar um humano se procedimentos de segurança estabelecidos não forem seguidos.

É por isso que Elkins e outros recomendam fortemente uma avaliação de risco com qualquer instalação de robô. Ele também sugeriu que a melhor abordagem para novatos em automação é começar pequeno e fácil. "Encontre um único ponto de dor e conquiste esse primeiro antes de olhar para adicionar processos ou complexidade adicionais", disse ele. "Você quer ter sucesso logo de cara para que todos – o proprietário da oficina, os operadores de máquina, e as pessoas fazendo a integração – estejam confortáveis em passar para projetos maiores ou mais complexos. Às vezes, o maior desafio é obter a adesão dos funcionários. Sempre há o medo de que robôs substituam humanos, então é importante torná-los parte da implementação. Eduque-os, envolva-os no lançamento, e quando descobrirem que o robô na verdade torna seu trabalho mais fácil e interessante, eles acabarão sendo seus maiores torcedores."