Automação Acessível: Aumente Eficiência para Todos os Fabricantes

Automação era apenas para grandes fábricas, mas agora pequenas oficinas também podem se beneficiar

A automação de oficinas de trabalho está acelerando, impulsionada pela influência combinada da Industry 4.0, a contínua escassez de mão de obra qualificada na manufatura e a pandemia de COVID.

A disponibilidade de mais opções robóticas e de transporte de material personalizadas do que nunca está ajudando fabricantes menores a produzir mais enquanto movem operadores para tarefas de maior valor agregado. A demanda crescente por equipamentos de proteção individual (EPI), aliada à necessidade de proteger trabalhadores, também intensificou os esforços de automação das oficinas.

Os benefícios da automação, claramente amplificados durante a pandemia, foram resumidos claramente por Courtney Ortner, diretora de marketing da Absolute Machine Tools, baseada em Lorain, Ohio: "Com o uso de cobots (robôs colaborativos), você tem um parceiro de trabalho e não precisa se preocupar com distanciamento social. Além disso, muitas oficinas estão perdendo trabalhadores para quarentena, então isso permite que uma oficina continue a rodar mesmo com a perda de equipe. E não podemos esquecer que capacidades de manufatura lights-out são mais comuns por causa do uso de automação; mesmo com um cobot, você pode configurar um trabalho na noite de sexta-feira e na manhã de segunda-feira está pronto – muitas vezes permitindo que você fique à frente do seu ciclo de produção."

Marcha dos Cobots

Robôs são frequentemente a primeira coisa em que as pessoas pensam quando o tema vira manufatura automatizada. Sua variante segura para humanos, cobots, continuam a melhorar em facilidade de configuração, flexibilidade e carga útil.

Desde sua introdução há 15 anos, unidades da Universal Robots (UR), Boston, tornaram-se um pilar em oficinas de trabalho, particularmente em ambientes de alta variedade, baixo volume. Com uma versão de carga útil de 16 kg (UR16) introduzida em 2019, a UR continua a expandir os limites de onde robôs podem se encaixar em um fluxo de trabalho de produção.

2020 tem sido um ano especialmente agitado, observou Joe Campbell, chefe de marketing da UR para América do Norte. Dois temas emergiram: reorganização impulsionada pela pandemia e adoção de novos modelos de produção.

Pequenas oficinas em particular – pressionadas a usar eficientemente cada centímetro de imóvel limitado – estão implantando cobots para manter trabalhadores socialmente distanciados, ele observou. "Se você tem um cluster de três ferramentas, coloca um ou dois cobots para dar espaço aos operadores."

Adicionalmente, oficinas estão acordando para como cobots podem impulsionar o resultado final. "Oficinas estão olhando diferente" para a agenda apenas de dias úteis "e descobrindo que a equipe de manufatura está aberta a mais flexibilidade." Um cliente da UR criou um turno de fim de semana e descobriu que muitos membros da equipe abraçaram a nova oportunidade. Em outras instâncias, oficinas que anteriormente apresentavam um operador qualificado que realizava setup e carregamento de máquina adicionaram cobots para a função de carregamento enquanto o operador supervisiona múltiplas máquinas.

Unidades UR economizam horas em tempo de setup. Elas podem ser configuradas para funcionar no chão, parede ou teto através da tela sensível ao toque; outros robôs frequentemente são construídos especialmente para uma orientação particular. Tempos de ciclo também são reduzidos, particularmente porque cobots UR podem ser configurados com garras duplas para simultaneamente descarregar uma peça acabada e inserir um novo blank.

Crítico para a flexibilidade da UR é a capacidade de combinar seus cobots com uma gama de equipamentos e software de terceiros. Estes são acessados através do programa UR+, "uma espécie de app store" para UR, disse Campbell. Interfaces mecânicas, elétricas e de software para robôs UR são publicadas, e terceiros desenvolvem produtos para atender essas especificações. "Mais importante, eles os submetem a nós para teste e validação. Se dizemos que uma garra é plug-and-play, ela é – porque testamos."

Incluídos no ecossistema de 288 periféricos da UR estão revistas de peças, sistemas de visão, sensores, opções de montagem, capas de robô e apps. Por exemplo, Beacon da Hirebotics permite operadores monitorar cobots via nuvem. "Você pode olhar estatísticas de produção e fazer ajustes na hora", disse Campbell.

Em março, o programa UR+ foi expandido para incluir kits de aplicação que combinam componentes como garras com software "para resolver um problema de aplicação particular." Um kit, da Robotiq, apresenta uma lixadeira orbital, hardware de montagem, mangueiras de vácuo e software que permite usuários programar um protocolo de lixamento para um produto como móveis ou marcenaria. "Você pode programar contornos complexos em minutos, não dias", disse Campbell. Enquanto isso, o kit ActiNav da UR é um kit flexível de carregamento de máquina que permite usuários pegar peças de uma caixa e carregá-las em várias máquinas em uma orientação precisa. "Você pode introduzir uma nova peça no sistema em menos de uma hora."

Outra chave para fazer oficinas adotarem automação é a opção de treinamento virtual. A UR recentemente passou um marco de treinar mais de 100.000 operadores online através da UR Academy, que apresenta módulos de treinamento gratuitos em programação e implantação de cobots UR.

"Se você tem que enviar seus três torneiros líderes para fora do local pela melhor parte de uma semana para treinar, sua produção é esmagada", disse Campbell. Pequenas oficinas são "realmente atraídas pela capacidade de fazer 90% de seu treinamento online."

Carregamento Rápido para o Futuro

Além das pressões de automação da pandemia, a relocalização de produção para os EUA é outro grande impulsionador de robôs e equipamentos de carregamento para oficinas de trabalho.

"Fabricantes e oficinas de trabalho que historicamente foram lentos para adotar robótica estão começando a abraçar robótica mais do que nunca", disse Jake Corning, gerente de produto e engenheiro mecânico para Acieta LLC, Waukesha, Wis. "Como há mais conhecidos do que desconhecidos, tanto o interesse quanto os pedidos aumentaram desde que a pandemia começou. Eles veem o benefício que a robótica oferece em manter suas máquinas rodando e peças sendo feitas mesmo em tempos de distanciamento social, funcionários doentes, e/ou paralisações que estão impactando capacidades de produção."

Adicionalmente, com a cadeia de suprimentos global interrompida, "eles também veem que a pandemia vai trazer uma quantidade tremenda de relocalização de volta aos Estados Unidos. Eles enfrentarão uma escassez de mão de obra ainda mais significativa do que antes da pandemia se falharem em abraçar automação. Em última análise, apesar da tragédia que a pandemia infligiu em nosso país, fabricantes dos EUA já estão abraçando mais confortavelmente tecnologia robótica e vendo os benefícios que melhorarão sua competitividade, melhorarão satisfação e lealdade dos trabalhadores, e entregarão ao consumidor americano preços mais competitivos."

Acieta oferece uma gama de soluções particularmente adequadas a rotinas de alta variedade, baixo volume, explicou Corning.

"Os sistemas FastLOAD CX1000 e CR2000 são destinados a ser fáceis de usar para usuários de robô pela primeira vez", ele disse. "Nossa interface de tela sensível ao toque para o CR2000 torna muito fácil rodar o robô com diferentes tamanhos de peças. O operador só precisa inserir os parâmetros da peça, e o sistema ajusta automaticamente o programa para rodar as novas peças. As garras do robô e fixação de peças são flexíveis para uma ampla variedade de tamanhos de peças para que muitas peças diferentes possam rodar no mesmo sistema."

Troca de peças no CR2000 pode ser feita em minutos, e os sistemas CX1000, CR2000 e DR2000 são projetados para que o robô possa continuar rodando enquanto o operador está carregando ou descarregando peças. "Isso permite que as máquinas trabalhem sem parar durante intervalos, almoços e até fora de turnos, desde que haja peças de entrada suficientes."

Montado sobre rodas, o CX1000 é fácil de manobrar no chão de fábrica. Também está disponível com múltiplas opções de carrinhos de fixação de troca rápida e usa o robô CRX-10iA/L da FANUC, "que tem uma interface de tela sensível ao toque muito fácil de usar com ícones de programação arrastar-e-soltar", disse Corning. "Quando seus desafios são mais complexos ou em maior escala, nossas soluções personalizadas também podem ser projetadas para corridas de peças de alta variedade, baixo volume usando tecnologias como visão, trocadores de ferramenta de fim de braço, e fixação flexível."

As células de atendimento de máquina acompanhantes da Acieta provaram ser populares, observou Corning. "Elas são sistemas robóticos padrão projetados para trabalhar com uma ampla variedade de peças. Como são produtos padrão pré-engenheirados, são muito mais baratos que um sistema personalizado tradicional e podem ser entregues em tão pouco quanto uma semana. Todos os três sistemas podem atender múltiplas máquinas-ferramenta ao mesmo tempo. Além disso, nossos sistemas CX1000 e CR2000 utilizam robôs colaborativos, que ajudam a maximizar uso do espaço no chão porque não requerem cercas de segurança."

Para oficinas de trabalho automatizando pela primeira vez, um ótimo ponto de partida é o CX1000 colaborativo, disse Corning. Ao libertar trabalhadores de tarefas repetitivas, automação permite que eles "aprendam como programar ou fazer manutenção em um sistema robótico. Um operador que anteriormente atendia uma máquina agora pode gerenciar sistemas robóticos em múltiplas máquinas."

Resolvendo Problemas Essenciais

Com seu entendimento íntimo de usinagem e necessidades únicas de oficinas de trabalho, a Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., ajuda fabricantes a automatizar com foco em trazer mais negócios enquanto criam uma força de trabalho mais qualificada.

"Precisamos de mais bons torneiros", afirmou John Lucier, gerente de automação FANUC para Methods. "É isso que robôs nos ajudam. Robôs ajudam oficinas a conseguir mais trabalhos para que possam colocar mais torneiros para trabalhar." Um torneiro bem treinado não está carregando e descarregando máquinas, "ele está configurando elas, selecionando ferramentas e escrevendo programas."

Como outros fornecedores, Methods viu um pico em automação relacionada à pandemia, disse ele, particularmente para produção de peças de ventilador.

Antes da pandemia, Lucier lembrou visitar muitas oficinas de baixo volume que olhavam automação pela primeira vez. Operações de médio volume que mudam células duas ou três vezes por semana para produzir aproximadamente 5.000 peças estão se tornando comuns, e Methods fornece a linha Job Shop Cell Pro baseada em transportador para aqueles ambientes. Divisores de pista ajustáveis permitem troca rápida entre peças pequenas e grandes. Outra opção popular é uma série de gavetas apresentando uma placa de aço ou alumínio com furos para 20 a 40 peças.

Fixação de peça é outra consideração importante, Lucier adicionou; morsas automatizadas são uma solução relativamente simples. "Não precisa ser complexo, com grampos oscilantes e coisas assim. Poderia ser algo como um bom e velho mandril ou morsa com pneumáticos ou hidráulicos para abrir e fechar, e você faz seus próprios mordentes – não diferente do que muitas oficinas fazem com corridas de cerca de 50 peças.

Para peças de volume ainda menor, até tamanhos de lote de um, Methods oferece os sistemas de carrossel rotativo de armazenamento robótico Plus-K e Plus-K 60. "Não estamos fazendo o robô específico para peça; o robô é configurado para trazer fixação genérica para dentro e fora da máquina, seja uma morsinha ou pallet. O robô é configurado para agarrar uma característica comum na frente da fixação." Peças são carregadas em uma morsa manual, e o robô é pré-programado para agir como um sistema de carregamento de pallet; nenhuma programação do usuário final é necessária. Este sistema também melhora a oferta padrão de ferramentas no RoboDrill, indo de 21 para 161 ferramentas opcionais.

Com soluções como estas, oficinas de trabalho tipicamente veem retorno sobre investimento em menos de 12 a 18 meses. "Nosso objetivo é convencê-lo a rodar dois ou três turnos – pegar uma célula robótica, encher o sistema de alimentação com peças e ir para casa às 5:00 PM, e obter duas a seis horas de tempo de execução. Se eu conseguir um sistema automatizado que lide com 80% do trabalho que você planeja fazer, estamos indo muito bem."

Informando as soluções da Methods está uma conexão duradoura com oficinas de trabalho e conhecimento de como elas funcionam, observou Lucier, ele próprio um torneiro de ofício. Por exemplo, ele frequentemente lembra oficinas que elas podem usinar seus próprios mordentes de aço ou alumínio. E, ajustar programas pré-fornecidos em robôs pode ser mais fácil que programação CNC. O grupo de integração de automação da empresa está ciente dos problemas envolvendo máquinas-ferramenta, desde refrigerante e cavacos até rotação de ferramenta, vida da ferramenta, rebarbação e mais.

"Se você vai colocar robôs em máquinas-ferramenta, você quer um integrador de robô que faça isso", concluiu Lucier. "Os benefícios de robôs não devem ser desafiadores para justificar."

Avaliando Necessidade, Adicionando Velocidade

Entender as necessidades de uma oficina de trabalho para automação começa com uma avaliação completa do volume necessário para aumentar produtividade.

Quando contratada por um cliente, disse Ortner da Absolute, "fazemos um layout do sistema, decidimos melhores práticas para automatizar – sistemas de transportador, robôs, manuseio de matéria-prima, manuseio de peça acabada – então desenhamos em CAD para garantir que todas as peças caibam no plano de piso deles, todo o tempo trabalhando dentro do orçamento deles."

Além de oferecer uma gama de equipamentos de automação padrão, de cobots a manuseio de peças a monitoramento, a Absolute "oferece um pacote turnkey", disse Ortner. "Buscamos o que sentimos ser a melhor solução e trabalhamos com aqueles fornecedores para garantir sucesso."

A experiência da Absolute em buscar o equipamento certo claramente compensa, ela observou. "Um cliente usando um cobot OB7 está obtendo 20% mais eficiência e muito menos sucata em um turno. Eles são capazes de reduzir prazos de entrega em duas semanas nesta corrida particular, o que abre a máquina ou célula para trabalho adicional para um ROI maior. Também, porque não têm que fazer tarefas repetitivas tão frequentemente, há menos reivindicações de compensação de trabalhadores para a empresa – e trabalhadores não ligam doentes tão frequentemente também, economizando [à oficina] muito dinheiro."

Como outras oficinas descobriram, a maior disponibilidade de operadores para outras tarefas frequentemente significa "eles têm mais tempo para contribuir para os processos gerais, como verificações de controle de qualidade. Eles estão mais envolvidos em gestão de processo em vez de simplesmente apertar botões e estão menos entediados e fatigados."

Obter esses benefícios pode ser surpreendentemente custo-efetivo, Ortner adicionou. "Nossa linha de cobots da Productive Robotics começa em $34.900 para o pacote CNC básico. Você pode ir do pacote CNC básico e atualizar para uma célula totalmente integrada usando vários cobots, transportadores, medição em processo e métodos de apresentação de peças."

Monitorando Para Mais Produção

Para ajudar oficinas a manter trabalhos no cronograma e rodar mais projetos sem supervisão, a Mitsubishi Electric Automation Inc., Vernon Hills, Illinois oferece seu Integrated Machine Analytics (IMA) baseado em MTConnect para monitoramento de máquina. O app IMA Mobile oferece uma entrada fácil de instalar no monitoramento de máquina.

Com IMA, oficinas "são capazes de entender melhor produção, o que ajuda com agendamento preciso de trabalhos para tirar total vantagem de suas máquinas disponíveis e horas de trabalho, bem como licitar mais trabalhos com precisão", disse Robert Brodecki, gerente de produto de serviço móvel IMA para Mitsubishi Electric Automation.

O único hardware necessário é cabeamento Ethernet e um hub/switch se conectando múltiplas máquinas, e leva tão pouco quanto 5-10 minutos por máquina para configurar, ele explicou. "Com o ponto de custo baixo, usuários podem ver ROI dentro de dias, especialmente se estiverem rodando produção desatendida ou lights-out e perderam tempo de produção devido a uma máquina com falha e não descobrir até mais tarde. Com notificações do IMA Mobile, você saberá dentro de 10 a 15 segundos se uma máquina parou de cortar, não importa onde você esteja."

Monitoramento de máquina melhora vazão significativamente, ele adicionou. "Apenas olhando estado de execução, muitas oficinas de trabalho geralmente têm máquinas rodando trabalhos entre 25 e 40% de seu tempo disponível. Através de monitoramento simples de status atual via IMA Mobile, eles podem mover isso rapidamente para 50% ou mais sendo capazes de atender imediatamente qualquer máquina que parou produção por qualquer razão. Isso são dados reais direto da máquina também; remove o jogo de adivinhação de quanto tempo a máquina estava cortando, em idle, ou desligada." Horas de máquina disponíveis são expandidas rodando mais turnos com menos trabalhadores – ou desatendidas – sem produção perdida por causa de uma parada inesperada.

Com IMA Mobile, operadores podem mover para tarefas de valor agregado "sabendo que o app os notificará quando o trabalho terminar ou for interrompido por algo que precisa de atenção."

Com custo de entrada relativamente baixo, Brodecki observou, IMA permite usuários "entender sua produção e fazer melhorias, bem como começar projetos de usinagem desatendida mais simples enquanto assegurados que suas máquinas continuam a rodar. Como é tudo construído em torno do padrão MTConnect, se um usuário decidir mover para um sistema de monitoramento mais profundo, personalizável, eles não precisam pagar para ter suas máquinas conectadas novamente; eles simplesmente apontam o novo software para os Agentes MTConnect e dados de máquina são rapidamente acessíveis."

Essa facilidade de entrada tem sido particularmente importante para automação no tempo de COVID, ele concluiu. "Faz sentido, já que empresas estão olhando para automatizar mais, mas é difícil saber exatamente onde e como sem dados de produção precisos para identificar áreas para automatizar. No início da pandemia, muitas empresas com quem falávamos ainda estavam em cima do muro sobre monitoramento de máquina. À medida que a pandemia se arrastou e empresas perceberam que não seriam capazes de evitar automação e soluções de trabalho remoto por mais tempo, eles têm movido estes projetos para o topo da lista."