Produkcja seryjna z częstymi zmianami asortymentu

Seryjne wytwarzanie szerokiego asortymentu części w losowo powtarzalnych partiach jest skomplikowanym i wymagającym przedsięwzięciem. W aspekcie samej obróbki stawia to spore wyzwania maszynom, operatorom i oprzyrządowaniu.

Przy obecnym dążeniu do optymalizacji kosztów na każdym etapie produkcji, coraz rzadziej wytwarza się duże serie jednego produktu. Związane jest to z wysokimi kosztami magazynowania gotowych produktów, mrożeniem kapitału czy też utrudnioną reakcją na zmiany realiów rynkowych i potrzeb klientów. Masowe wytwarzanie i magazynowanie komponentów zasadne jest głównie w przypadku powtarzalnych, występujących w wielu miejscach, komponentów i części, przy ich częstej roszadzie, znacznym zapotrzebowaniu i małej zmienności. W pozostałych przypadkach stosowana jest produkcja „na zlecenie”. Niesie to za sobą szereg trudności, z których – w aspekcie samej obróbki/wytwarzania – najbardziej wymagającymi są konieczność częstych przezbrojeń maszyn i minimalizacja przestojów jako czasów bezproduktywnych, generujących duże koszty. Przezbrojenie maszyny może polegać na:

  1. wymianie detali bezpośrednio w elemencie mocującym, zabudowanym na stałe na stole maszyny (Rys.1.),
  2. wymianie przyrządów obróbkowych lub uchwytów, dedykowanych do obrabiania konkretnego detalu (Rys.2).

Rys. 1. Szczęki kształtowe w imadle służące do bezpośredniego mocowania detali. [Fot. Roemheld Hilma]

Rys. 2. Dedykowany przyrząd obróbkowy. [Fot. Roemheld]

W każdym przypadku na czas przezbrojenia składają się:

Mocowanie detali bezpośrednio na/w maszynie.

W przypadku powtarzalnych kształtem, niewymagających i relatywnie prostych w formie detali ich mocowanie może odbywać się bezpośrednio w uniwersalnych urządzeniach mocujących, takich jak imadła precyzyjne czy też uchwyty szczękowe. Istniejące na rynku rozwiązania imadeł precyzyjnych pozwalają na jednoczesne mocowanie większej ilości detali (Rys. 3.) lub mocowanie różnego asortymentu detali dzięki wymiennym szczękom mocującym (Rys. 4).

Rys. 3. Wieża mocująca – możliwość mocowania 8 detali jednocześnie. [Fot. Roemheld Hilma]

Rys. 4. Wymienność szczęk – mocowanie różnych detali w jednym imadle. [Fot. Roemheld Hilma]

Imadła, w zależności od typu, producenta i przeznaczenia, występują w wersjach manualnych, hydraulicznych oraz pneumatycznych – dwie ostatnie wersje umożliwiają kontrolę zamocowania i mogą być stosowane w rozwiązaniach zautomatyzowanych. Źródło zasilania może być wyposażone w odpowiednie czujniki ciśnienia, na podstawie których określona zostaje siła zamocowania. Pozwala to również na kontrolę tej siły w trakcie trwania procesu obróbki. Istnieją ponadto rozwiązania z emiterem sygnału cyfrowego i z elektroniczną kontrolą procesu zamocowania. Dzięki tym aspektom, dużej uniwersalności i relatywnie niskim nakładom inwestycyjnym imadła precyzyjne są interesującym rozwiązaniem do uniwersalnego wytwarzania detali.

Zalety tego typu systemów mocowania nie wystarczają jednak do wszystkich zastosowań – w przypadku bardziej skomplikowanych detali, większych serii, ograniczeń maszyny lub w przypadku systemów automatycznych układ mocowania musi spełniać dodatkowe kryteria, jak np. sekwencja mocowania, zróżnicowane siły mocowania, potwierdzenie obecności detalu. Spełnienie tych dodatkowych wymagań w imadłach jest niemożliwe lub nieopłacalne.

Mocowanie detali w przyrządach obróbkowych

Przyrządy obróbkowe są najbardziej rozbudowanymi, wydajnymi, powtarzalnymi i stabilnymi systemami mocowań detali. Spowodowane jest to tym, że są one projektowane i przeznaczone dla konkretnego detalu lub detali o tych samych cechach charakterystycznych (miejsca mocowania, bazy itd.). Przyrządy obróbkowe nie są rozwiązaniami uniwersalnymi, a dedykowanymi, dzięki czemu spełniają nawet najbardziej specyficzne wymagania, takie jak:

  1. sekwencja mocowania. Np. detal w pierwszym etapie zostaje dociśnięty do jakiejś bazy, następnie jest mocowany w tej pozycji, a na końcu wstępne dociśnięcie zostaje zwolnione.
  2. Kontrola przylegania detalu. Za pomocą odpowiednio rozmieszczonych kanałów pneumatycznych, które zostają zasłonięte przez poprawnie przylegający i zamocowany detal i poprzez zastosowanie przetworników ciśnieniowych można potwierdzić właściwe ułożenie detalu w gnieździe przyrządu.
  3. Zróżnicowanie ciśnienia zamocowania. Zastosowanie odpowiednich zaworów regulacyjnych lub ograniczających ciśnienie można sterować ciśnieniem, a tym samym siłą, w konkretnych elementach wykonawczych.
  4. Potwierdzenie zamknięcia/otwarcia. Komponenty mocujące mogą być wyposażone w kanały powietrzne lub elektryczne moduły kontrolne, dzięki którym można potwierdzić położenie i stan siłownika – jest to szczególnie istotne w przypadku współpracy z robotem; na podstawie stanu położenia siłownika robot ma zezwolenie lub zakaz wymiany detalu.
  5. Mocowanie w sposób wolny od naprężeń. Zastosowanie komponentów mocujących adaptacyjnych lub siłowników podporowych umożliwia mocowanie detali w sposób wolny od dodatkowych naprężeń, które mogą wpływać na jakość produktu finalnego.
  6. Mocowanie w sposób umożliwiający obróbkę z wielu stron. Na etapie projektu przyrządu, uwzględniając cechy i parametry maszyny, jak również specyfikę detalu, w wielu przypadkach przyrząd obróbkowy umożliwia obróbkę detalu na gotowo, w jednej operacji. Jeżeli ze względu na stopień komplikacji detalu lub ograniczenia maszyny jest to niemożliwe, przyrząd może być wykonany do dwóch operacji (np. dwa oddzielne gniazda: dla OP10 i dla OP20).

Pomimo licznych zalet, przyrządy obróbkowe mają skończone zastosowanie do konkretnej, zamkniętej grupy detali. Przebudowywanie przyrządu w celu obróbki innego detalu nie jest zasadne; konieczność doprowadzenia medium roboczego (oleju hydraulicznego) ogranicza i utrudnia taką możliwość.

W związku z tym, zastosowanie dedykowanych przyrządów obróbkowych do wytwarzania dużej liczby detali, w mniejszych, ale powtarzalnych, seriach jest zasadne, pod warunkiem zainstalowania na stole maszyny paletowego systemu mocowania z punktem zerowym.

Systemy mocowania z punktem zerowym

Paletowe systemy mocujące z punktem zerowym są optymalnym rozwiązaniem zarówno w produkcji jednostkowej, seryjnej jak i masowej. Są to najbardziej rozbudowane systemy, cechujące się szeregiem zalet i pozwalające sprostać najbardziej wymagającym zagadnieniom z zakresu wytwarzania. Systemy mocowań umożliwiają bardzo szybką wymianę i ustawienie pozycji detali, układów mocowań, imadeł, przyrządów obróbkowych, chwytaków i innych narzędzi. Zakres zastosowania tych systemów jest praktycznie nieograniczony.

Główną ideą systemu mocowania z punktem zero jest natychmiastowe (po zamocowaniu), ustawienie pozycji z kierunkach X, Y i Z z bardzo dużymi dokładnościami i powtarzalnościami, jak również z siłami, które pokonają zarówno masę mocowanych elementów, jak i siły występujące w procesie produkcyjnym. Gniazdo mocujące z punktem zero oddziałuje na trzpień mocujący, który znajduje się w palecie, przyrządzie lub bezpośrednio w detalu (Rys. 5).

Rys. 5. Gniazdo z punktem zero oraz trzpień mocująco-pozycjonujący. [Fot. Roemheld Stark]

Wg danych Grupy Roemheld, w klasycznych systemach mocowań, tj. w takich, w których detal lub przyrząd mocowane i ustawianie są manualne, aż 55% czasu maszynowego to właściwe ustawienie, skontrolowanie i zamocowanie detalu/przyrządu. W przypadku systemów mocowań z punktem zerowym czas ten wynosi jedynie do 10% czasu maszynowego. Weryfikacja i poprawki ustawienia są całkowicie wyeliminowane.

Rys. 6. Wzrost produktywności dzięki zastosowaniu systemów mocowań z punktem zero. [Roemheld Stark]

Systemy mocowań z punktem zero dostarczane są jako gotowe rozwiązania w postaci płyt bazowych z zabudowanym gniazdami, względnie jako moduły do samodzielnej zabudowy w płycie, jak również jako moduły do zabudowy na stole maszyny. Dzięki różnorodności wymiarowej, typów, kształtów i możliwości systemy te są elastyczne i umożliwiają dopasowanie do specyficznych wymagań obróbki, wytwarzania lub maszyny, maksymalizując produktywność. Minimalizacja czasu przezbrojenia powoduje, że systemy te są idealne w przypadku produkcji seryjnej wielu, losowo powtarzalnych partii produktu umożliwiając szybkie przygotowanie maszyny do produkcji innego asortymentu produktów.

Olbrzymią zaletą systemów mocowań z punktem zerowym jest to, że na maszynie mogą być zamocowane zarówno detale (mocowanie bezpośrednie), przyrządy obróbkowe, imadła precyzyjne, uchwyty wrzecionowe lub inne urządzenia. Za pomocą płyt adaptacyjnych można zmienić kierunek zamocowania, lub zwiększyć powierzchnię mocowania, zwiększając zarówno wydajność jak i możliwości obróbcze maszyny. Na rysunku 7 przedstawiona została koncepcja i możliwości wykorzystywania systemu mocowania z punktem zero – uniwersalność i modułowość, dzięki której na tej samej bazie (płyta bazowa z punktem zero) mogą być szybko mocowane i wymieniane m.in.: detale bezpośrednio na płycie, przyrządy obróbkowe, palety z imadłami lub imadła bezpośrednio, wieże adaptacyjne (kątowniki, wieże wielostronne…), przyrządy mechaniczne, uchwyty centrujące i inne.

Rys. 7. Uniwersalność systemu mocowania z punktem zero – na jednej płycie bazowej mogą być zabudowane/mocowane różne elementy. [Opracowania własne]

Możliwość dopasowania płyt bazowych idealnie do stołu maszyny, uwzględniając szczególne wymagania jak np.: stół dzielony, z częścią obrotową (Rys. 8.), odpływ cieczy chłodzącej, transfer medium (olej, powietrze, próżnia, sygnały elektryczne…), kontrola przylegania, kontrola zamocowania/odmocowania, system odmuchiwania powodują, że systemy mocowań z punktem zerowym znajdują zastosowania praktycznie w każdej branży i w zakresie nawet najbardziej wymagającej obróbki, w tym w systemach w pełni automatycznych.

Rys. 8. Płyta bazowa z gniazdami z punktem zero – część środkowa zabudowana na stole obrotowym. [Fot. Roemheld Stark]

Skrócenie i ułatwienie czasu przezbrojenia pozwalają spełnić wymogi stawiane obróbce szerokiej gamy produktów. Dzięki skróceniu czasów nieproduktywnych zadania te z powodzeniem mogą być realizowane na mniejszej ilości maszyn, przy jednocześnie lepszym wykorzystaniu potencjału posiadanego parku maszynowego. Od wielu lat obserwuje się dynamiczny rozwój w zakresie mocowań z punktem zerowym oraz rosnące zainteresowanie, co potwierdza słuszność tego kierunku.

Autor: dr inż. Maciej Boldys (INMET-BTH)