O que torna os equipamentos de usinagem automatizados produtivos, confiáveis e flexíveis?

1. Alta produtividade

O principal objetivo da produção automatizada é aumentar a produtividade da mão de obra e das máquinas. A automação deve basear-se em um processo avançado e deve reduzir continuamente o tempo não dedicado ao corte e o tempo auxiliar. Automatizar um processo ultrapassado traz apenas ganhos limitados.

A produtividade a longo prazo é inferior à taxa de ciclo ideal, pois também ocorrem perdas fora do ciclo de usinagem. A troca de ferramentas, reparos, ajustes nos mecanismos, recarga, trocas de produto e paradas organizacionais, todos consomem tempo. Essas perdas podem ser reduzidas em seis áreas:

1. Perdas relacionadas à usinagem. Utilize linhas automatizadas contínuas, mecanismos rápidos de usinagem sem corte, inspeção automática, remoção de cavacos e robôs ou dispositivos para carregamento periódico.
2. Perdas relacionadas a ferramentas. Utilize armários de ferramentas, robôs de troca automática de ferramentas, ajuste automático de ferramentas, dispositivos de travamento automático e substituição obrigatória de ferramentas.
3. Perdas relacionadas a equipamentos. Utilize mecanismos automáticos de compensação e redução do desgaste, dispositivos de proteção, materiais duráveis, lubrificação confiável, manutenção programada e diagnósticos automáticos.
4. Perdas decorrentes da troca de turno e da falta de material. Utilizar armazenamento automatizado entre operações, linhas, seções e oficinas, juntamente com registro automático e gerenciamento informatizado.
5. Perdas relacionadas à sucata. Utilize inspeção ativa durante o processo, controle adaptativo, compensação automática do desgaste da ferramenta e trocas obrigatórias de ferramenta para regular o processo e a geometria da peça e reduzir o desperdício.
6. Perdas decorrentes de troca e configuração. Utilize sistemas automáticos modernos CNC, linhas flexíveis e reconfiguráveis, sistemas variáveis controlados por computador, controle por programa, troca automática de programas e ferramentas de ajuste rápido.

2. Precisão consistente na usinagem

A qualidade do produto determina se o produto e o sistema automatizado têm valor prático. Evitar o descarte de lotes e manter a precisão são requisitos fundamentais.

1. Desgaste dimensional da ferramenta. O desgaste pode comprometer a precisão dimensional e geométrica. A medição automática da peça, o monitoramento indireto da força de corte, do torque, da temperatura, do ruído ou da rugosidade da superfície, bem como a detecção direta de desgaste em tempo real, podem alimentar um sistema de controle que compensa a ferramenta automaticamente. Nos casos em que a detecção e a compensação não estão disponíveis, a substituição obrigatória com base na vida útil da ferramenta é amplamente utilizada em centros de usinagem e sistemas de manufatura flexíveis (FMS), com os dados de vida útil e o tempo de corte gerenciados por computador.
2. Deformação elástica. Um sistema de baixa rigidez pode gerar erros significativos, especialmente no acabamento, onde a rigidez também afeta a rugosidade da superfície. Máquinas especiais e modulares para trabalhos de médio ou alto volume podem ser projetadas com base em uma família de produtos, de modo que suas características mecânicas proporcionem rigidez adequada. A melhoria de uma fresa de cremalheira, passando de um dente para vários dentes, por exemplo, pode não garantir a precisão se a rigidez da máquina não for levada em consideração.
3. Parâmetros de corte. A velocidade, o avanço e a profundidade de corte influenciam a rugosidade da superfície. Esses parâmetros devem atender aos requisitos de produtividade sem comprometer a qualidade da superfície.
4. Erro na configuração da máquina. A produção automatizada depende de máquinas pré-configuradas e de dimensões obtidas automaticamente. As configurações dimensionais da máquina e a relação entre a máquina e a peça devem, portanto, ser ajustadas antes do início da produção. As ferramentas podem ser ajustadas a partir de uma peça-padrão ou por meio de cortes de teste e devem atender à tolerância especificada.

3. Alta confiabilidade do equipamento

A qualidade, o custo e a produtividade real dependem da confiabilidade. À medida que a confiabilidade melhora, a produção real se aproxima do valor teórico de projeto.

O equipamento para de funcionar devido a falhas na máquina, nos dispositivos de fixação ou nos componentes; falhas nas ferramentas; paradas programadas; ou causas organizacionais, como falta de peças em bruto, ferramentas ou pessoal, material defeituoso e interrupção no fornecimento de energia elétrica ou ar comprimido. As falhas podem interromper o funcionamento de um mecanismo ou impedir que a precisão especificada seja alcançada.

A taxa de falhas ao longo do tempo de operação segue três etapas gerais:

1. Falhas iniciais. A densidade de falhas é inicialmente alta e, em seguida, diminui rapidamente. Entre as causas estão defeitos de material, projeto imaturo, fabricação inadequada e erros operacionais iniciais. Inspeções frequentes, feedback para as equipes de projeto e fabricação, correção de defeitos, aprendizado dos operadores e amaciamento dos componentes estabilizam o equipamento.
2. Falhas aleatórias. Durante a operação normal, a densidade de falhas é estável e as falhas ocorrem de forma imprevisível, muitas vezes devido à sobrecarga ou à concentração de tensão imprevista. A limpeza, a lubrificação, o ajuste e a inspeção ajudam a prolongar a vida útil.
3. Falhas por desgaste. O desgaste mecânico, a fadiga, a corrosão química e as alterações nos materiais decorrentes do tempo fazem com que a taxa de falhas aumente drasticamente. Uma manutenção aprimorada reduz essa taxa e retarda a deterioração.

A confiabilidade depende da confiabilidade dos componentes, do número de componentes e da arquitetura das conexões. Em uma linha rígida conectada em série, a falha de um único componente interrompe toda a linha; dividir a linha em seções com buffer pode melhorar a confiabilidade e a produtividade.

Um bom projeto, processos de fabricação, procedimentos operacionais, facilidade de manutenção e detecção rápida de falhas contribuem para reduzir o tempo de inatividade. Peças de desgaste sujeitas a falhas frequentes devem utilizar conexões de troca rápida, de modo que conjuntos completos de peças de reposição possam ser substituídos. Componentes redundantes em paralelo, ramificações de reserva e controle manual de emergência podem melhorar ainda mais a disponibilidade.

4. Flexibilidade na fabricação

Os ciclos de vida mais curtos dos produtos e a maior variedade tornaram comum a produção mista de pequenos e médios lotes. Equipamentos flexíveis podem alternar entre peças de uma mesma família por meio da alteração do software e de poucas mudanças nas ferramentas, muitas vezes sem a necessidade de ajustes manuais na máquina. Isso reduz significativamente o tempo de troca de modelo e de preparação da produção, além de possibilitar a produção mista de modelos.

Sistemas automatizados para lotes pequenos e médios podem exigir:

1. Mudança automática de canal. Os computadores ou controladores programáveis devem alternar rapidamente entre os programas dos equipamentos sem interromper o funcionamento do sistema.
2. Produção automática de diversos produtos ou de uma família de peças. Sistemas universais e altamente automatizados de transferência, fixação em paletes e usinagem devem processar peças agrupadas automaticamente.
3. Roteamento e takt variáveis. Um sistema altamente flexível deve encaminhar diferentes produtos por diferentes sequências de processo e rotas de transporte, em diferentes taxas de produção.
4. Usinagem automática e troca de ferramentas eficientes. As máquinas CNC com magazins e trocadores automáticos de ferramentas reduzem o tempo de corte e de troca de ferramentas e mantêm a produtividade.
5. Monitoramento automático e diagnóstico de falhas. A inspeção durante o processo, o monitoramento e o diagnóstico reduzem o tempo de inatividade e o tempo de inspeção, ao mesmo tempo em que garantem a confiabilidade e a qualidade.

Nem toda máquina precisa de todos os recursos. A flexibilidade deve estar de acordo com as necessidades de produção e as condições reais de operação.

Mesmo sistemas rígidos de alto volume podem incorporar elementos flexíveis. Células CNC ou máquinas com cabeçotes de eixo intercambiáveis podem melhorar a adaptabilidade do produto. Os buffers em sistemas de transferência rígidos podem desacoplar seções, de modo que a falha de uma unidade não interrompa toda a linha.