Co sprawia, że zautomatyzowane urządzenia do obróbki skrawaniem są wydajne, niezawodne i elastyczne?

1. Wysoka wydajność

Głównym celem zautomatyzowanej produkcji jest zwiększenie wydajności pracy i maszyn. Automatyzacja powinna opierać się na zaawansowanym procesie i powinna stale skracać czas niepoświęcony na obróbkę oraz czas czynności pomocniczych. Automatyzacja przestarzałego procesu przynosi jedynie ograniczone korzyści.

Długoterminowa wydajność jest niższa od idealnej częstotliwości cyklu, ponieważ straty występują również poza cyklem obróbki. Wymiana narzędzi, naprawy, regulacja mechanizmów, ponowne załadowanie, zmiana asortymentu oraz przestoje organizacyjne – wszystko to pochłania czas. Straty te można ograniczyć w sześciu obszarach:

1. Straty związane z obróbką skrawaniem. Należy stosować ciągłe linie zautomatyzowane, szybkie mechanizmy bezciężne, automatyczną kontrolę jakości, systemy usuwania wiórów oraz roboty lub urządzenia do okresowego załadunku.
2. Straty związane z narzędziami. Należy stosować magazyny narzędzi, roboty do automatycznej wymiany narzędzi, automatyczną regulację narzędzi, urządzenia samozabezpieczające oraz obowiązkową wymianę narzędzi.
3. Straty związane ze sprzętem. Należy stosować automatyczną kompensację zużycia i mechanizmy ograniczające zużycie, urządzenia zabezpieczające, trwałe materiały, niezawodne smarowanie, konserwację planową oraz automatyczną diagnostykę.
4. Straty związane ze zmianą zmiany i niedoborem materiałów. Należy stosować zautomatyzowane systemy magazynowania pomiędzy operacjami, liniami produkcyjnymi, sekcjami i warsztatami, w połączeniu z automatyczną rejestracją i zarządzaniem komputerowym.
5. Straty związane ze złomem. Należy stosować aktywną kontrolę w trakcie procesu, sterowanie adaptacyjne, automatyczną kompensację zużycia narzędzi oraz wymuszone zmiany narzędzi w celu regulacji procesu i geometrii obrabianego elementu oraz ograniczenia ilości odpadów.
6. Straty związane z przełączaniem i konfiguracją. Wykorzystaj nowoczesne automaty typu CNC, konfigurowalne, elastyczne linie produkcyjne, sterowane komputerowo systemy o zmiennych parametrach, sterowanie programowe, automatyczne przełączanie programów oraz szybko regulowane oprzyrządowanie.

2. Stała dokładność obróbki

Jakość produktu decyduje o tym, czy produkt i zautomatyzowany system mają praktyczną wartość. Zapobieganie powstawaniu partii wadliwych oraz utrzymanie dokładności to podstawowe wymagania.

1. Zużycie wymiarowe narzędzia. Zużycie może mieć decydujący wpływ na dokładność wymiarową i geometryczną. Automatyczny pomiar obrabianego elementu, pośrednie monitorowanie siły skrawania, momentu obrotowego, temperatury, hałasu lub chropowatości powierzchni oraz bezpośrednie wykrywanie zużycia w trybie online mogą dostarczać dane do systemu sterowania, który automatycznie kompensuje zużycie narzędzia. W przypadku braku możliwości wykrywania i kompensacji w centrach obróbczych i systemach FMS powszechnie stosuje się obowiązkową wymianę narzędzi w oparciu o ich żywotność, przy czym dane dotyczące żywotności i czas skrawania są zarządzane komputerowo.
2. Odkształcenie sprężyste. System o niskiej sztywności może powodować znaczne błędy, zwłaszcza podczas obróbki wykańczającej, gdzie sztywność wpływa również na chropowatość powierzchni. Maszyny specjalistyczne i modułowe przeznaczone do produkcji średnio- lub wielkoseryjnej można zaprojektować z myślą o jednej rodzinie produktów, tak aby ich właściwości mechaniczne zapewniały odpowiednią sztywność. Na przykład ulepszenie frezu zębatego z jednego zęba do wielu zębów może nie zapewnić wymaganej dokładności, jeśli nie uwzględni się sztywności maszyny.
3. Parametry cięcia. Prędkość, posuw i głębokość skrawania mają wpływ na chropowatość powierzchni. Muszą one spełniać wymagania dotyczące wydajności bez uszczerbku dla jakości powierzchni.
4. Błąd ustawienia maszyny. Produkcja zautomatyzowana opiera się na wstępnie skonfigurowanych maszynach i automatycznie uzyskiwanych wymiarach. Dlatego przed rozpoczęciem produkcji należy dostosować ustawienia wymiarowe maszyn oraz położenie obrabianego elementu względem maszyny. Narzędzia można ustawić na podstawie elementu wzorcowego lub poprzez cięcie próbne i muszą one spełniać określone tolerancje.

3. Wysoka niezawodność sprzętu

Jakość, koszty i rzeczywista wydajność zależą od niezawodności. Wraz ze wzrostem niezawodności rzeczywista wydajność zbliża się do teoretycznej wartości projektowej.

Urządzenia zatrzymują się z powodu awarii maszyn, osprzętu lub podzespołów; uszkodzeń narzędzi; planowanych przestojów; lub przyczyn organizacyjnych, takich jak brak półfabrykatów, narzędzi lub personelu, wadliwy materiał oraz przerwy w dostawie prądu lub sprężonego powietrza. Awarie powodują zatrzymanie mechanizmu lub uniemożliwiają osiągnięcie wymaganej dokładności.

Wskaźnik awaryjności w funkcji czasu pracy przebiega w trzech ogólnych etapach:

1. Wczesne niepowodzenia. Gęstość awarii jest początkowo wysoka, a następnie gwałtownie spada. Przyczyny to między innymi wady materiałowe, niedopracowana konstrukcja, niedoskonała produkcja oraz początkowe błędy eksploatacyjne. Częste kontrole, informacje zwrotne przekazywane do działów projektowania i produkcji, usuwanie usterek, zdobywanie doświadczenia przez operatorów oraz okres docierania podzespołów przyczyniają się do stabilizacji pracy sprzętu.
2. Awarie losowe. W normalnych warunkach eksploatacji gęstość awarii jest stała, a usterki pojawiają się w sposób nieprzewidywalny, często z powodu przeciążenia lub nieprzewidzianej koncentracji naprężeń. Czyszczenie, smarowanie, regulacja i przeglądy pomagają przedłużyć okres użytkowania.
3. Awarie spowodowane zużyciem. Zużycie mechaniczne, zmęczenie materiału, korozja chemiczna oraz zmiany właściwości materiałów związane z upływem czasu powodują gwałtowny wzrost wskaźnika awaryjności. Ulepszona konserwacja zmniejsza ten wskaźnik i spowalnia proces niszczenia.

Niezawodność zależy od niezawodności elementów, ich liczby oraz architektury połączeń. W przypadku sztywnej linii połączonej szeregowo awaria jednego elementu powoduje zatrzymanie całej linii; podział linii na sekcje z buforami może poprawić niezawodność i wydajność.

Dobre projektowanie, proces produkcji, procedury eksploatacyjne, łatwość konserwacji oraz szybkie wykrywanie usterek – wszystko to przyczynia się do skrócenia przestojów. W przypadku często ulegających awariom części zużywających się należy stosować szybkozłącza, aby umożliwić wymianę kompletnych zespołów zapasowych. Równoległe, redundantne elementy, gałęzie rezerwowe oraz ręczne sterowanie awaryjne mogą dodatkowo poprawić dostępność systemu.

4. Elastyczność produkcji

Krótsze cykle życia produktów oraz większa różnorodność sprawiły, że powszechna stała się produkcja mieszana w małych i średnich partiach. Elastyczne urządzenia mogą przełączać się w obrębie określonej rodziny części poprzez zmianę oprogramowania i niewielką modyfikację oprzyrządowania, często bez konieczności ręcznej regulacji maszyn. Znacznie skraca to czas przezbrojenia i przygotowania do produkcji oraz umożliwia realizację produkcji mieszanej.

Zautomatyzowane systemy przeznaczone do produkcji małych i średnich partii mogą wymagać:

1. Automatyczna zmiana programu. Komputery lub sterowniki programowalne powinny umożliwiać szybkie przełączanie programów urządzeń bez konieczności zatrzymywania systemu.
2. Automatyczna produkcja kilku produktów lub rodziny części. Uniwersalne, wysoce zautomatyzowane systemy transportowe, systemy mocowania palet oraz systemy obróbki powinny automatycznie przetwarzać zgrupowane elementy.
3. Elastyczne trasowanie i taktowanie. Wysoce elastyczny system powinien kierować różne produkty przez różne sekwencje procesowe i ścieżki transportowe przy różnych wydajnościach produkcyjnych.
4. Wydajna automatyczna obróbka i wymiana narzędzi. Maszyny typu CNC wyposażone w magazynki i automatyczne zmieniacze narzędzi skracają czas obróbki i wymiany narzędzi oraz zapewniają utrzymanie wydajności.
5. Automatyczne monitorowanie i diagnostyka usterek. Kontrola na bieżąco, monitorowanie i diagnostyka pozwalają skrócić przestoje i czas kontroli, zapewniając jednocześnie niezawodność i jakość.

Nie każda maszyna musi posiadać wszystkie funkcje. Elastyczność powinna być dostosowana do wymagań produkcyjnych i rzeczywistych warunków eksploatacji.

Nawet sztywne systemy o dużej wydajności mogą zawierać elementy elastyczne. Komórki typu CNC lub maszyny z wymiennymi głowicami wrzecionowymi mogą zwiększyć elastyczność dostosowywania produktów. Bufory w sztywnych systemach przenoszenia mogą oddzielać poszczególne sekcje, dzięki czemu awaria jednej jednostki nie powoduje zatrzymania całej linii.