AUTOMATISERING IN DE VERSPANING

Efficiënter produceren met geavanceerde autonomie

Vanouds bestaat in de maakindustrie de behoefte om snel en betrouwbaar te produceren. Dit proces verloopt bij voorkeur zo compleet en efficiënt mogelijk, in een en dezelfde opspanning. Tegenwoordig is ook flexibiliteit van belang. Series worden kleiner, er worden steeds meer enkelstuks gefabriceerd en de varianten binnen kleinere series zijn toegenomen. Om nog te zwijgen van de (spoed)klussen tussendoor. Die veranderende prioriteiten en inzichten hebben ervoor gezorgd dat het belang van automatisering is toegenomen. Vanuit dit oogpunt kan software het verschil maken als allesomvattende koppeling tussen mens, machine en productie.

 

MEER AUTONOMIE DANKZIJ AUTOMATISATIE

Industriële automatisering kent vandaag enorm veel gezichten. Het is hét medium bij uitstek om de productiviteit van het productieproces op te drijven. Daarbij hebben we het over alle handelingen die zonder menselijk ingrijpen op, aan en naast de machine verlopen. Die handelingen verlopen bij voorkeur soepel en uitermate efficiënt en dienen deels om het tekort aan goedgeschoolde vaklui op te vangen.

Daarnaast zijn ze ook een uitstekende aanvulling door de inschakeling van extra functies. In de metaalbewerkende industrie staat streven naar manarm, bedrijfszeker en hoogproductief verspanen met de nodige flexibiliteit voorop. Welke betrouwbare oplossing (voor nu en morgen) in aanmerking komt, hangt af van verschillende factoren zoals het productspectrum, de seriegrootte, het machinepark en de visie van het bedrijf. Een enkelstuk of uniek product kost namelijk relatief veel inspanning om automatisch af te handelen. Wie zijn productieproces wil automatiseren, dient daarom alle partijen zo vroeg mogelijk in het proces te betrekken. Te beginnen bij de eigen computergestuurde werkvoorbereiding of de CAM-afdeling, de desbetreffende operators die ermee aan de slag moeten, de machineleverancier en de integrator.

Enkel op die manier krijg je gegarandeerd de best passende technisch-economische oplossing. Voorafgaand aan de automatisatieslag is een grondige marktverkenning vereist, evenals een standaardisatie en optimalisatie van alle bedrijfsspecifieke handelingen en processen. Stel jezelf de vraag wat de 'best practices' zijn voor de werkaanpak, de strategie, de gereedschappen en het spansysteem. Verder onmisbaar is het berekenen of een dergelijke investering zich laat terugverdienen en op welke termijn dit zal gebeuren.

NIEUWE ONTWIKKELINGEN

Al die voorwaarden zijn in moderne machines zodanig verwerkt dat zelfs echte techneuten de verschillende automatiseringsfases nog nauwelijks kunnen onderscheiden. Een geavanceerde frees- of draaibank voert namelijk steeds meer functies zelfstandig uit. Aan de basis staat een alsmaar krachtigere en snellere CNC-besturing, die de geprogrammeerde verspanende bewerking op gang brengt. Deze bestaat uit relatieve verplaatsingen van een gereedschap om materiaal te verwijderen. Het lineair verplaatsen van de bewerkingskop verloopt vrijwel altijd traag, door inertie en weerstand van de met variërende massa belaste geleidingen.

In een volgende stap richting autonome productie werd ook het gereedschap opgehaald of snel gewisseld met behulp van elektromechanische manipulatoren en grijpers. Dit gebeurt intussen ook met de verschillende werkstukken, als integraal onderdeel binnen de bedrijfsketens. Die zijn tegenwoordig naadloos tot een digitaal netwerk gekoppeld, bestaande uit de verschillende machines, CAD, CAM, automatisering en - op basis van kennis, ervaring en data - een bedrijfssturing die de hele werkplaats afdekt.

Om bovendien meer machine-uren (of een hoger spilrendement) te realiseren met minder mankracht, is het voor(in)stellen en omstellen sterk vereenvoudigd en kwamen alternatieve technieken, magazijnen en meetvoorzieningen in beeld. Hierdoor is onbemande productie 's avonds en in het weekend mogelijk. Vandaag worden steeds meer smartphones en industriële tablets gebruikt voor de bediening en controle van de bewerking. Zo beschikt men draadloos altijd op de juiste plaats en op het goede moment over de correcte data.

(Lees verder onder de afbeelding)

INTEGRATIE

Nieuwe en geavanceerde machinetypes, innovatieve gereedschappen, randapparatuur en softwarepakketten leveren een direct voordeel op wat betreft kwaliteit, prestaties, dynamiek en stabiliteit. Criteria die in de getoonde configuraties behaald worden door besparingen wat betreft tijd, materiaal en energie. Naast de wereldwijde digitaliseringstrend krijgt ook systeemautonomie steeds duidelijker vorm. Al deze innovaties hebben ertoe geleid dat de maakindustrie opnieuw durft te investeren in nieuwe machines. Bijna ongemerkt heeft ergonomie tezelfdertijd een andere invulling gekregen. Niet langer ligt de nadruk op het wegnemen van zwaar werk, maar op het minimaliseren van monotone, repeterende en arbeidsintensieve (niet-productieve) activiteiten.

De integrale productieketen is beter voorspelbaar en beheersbaar dankzij de inzet van onvermoeibare en nauwkeurige robots, voornamelijk op basis van roterende scharnieren, bewegend over meer vrijheidsgraden. Het proces verloopt bovendien steeds meer consistent en fluctuaties verdwijnen. Al langer dan vandaag voeren steeds beter beveiligde robots, naast in- en ontladen en andere handlingoperaties, aanvullend werk uit, parallel aan de hoofdbewerkingscyclus. Denk aan verspanende bewerkingen, kantelen om spanen en snijvloeistof kwijt te raken, afschuinen en ontbramen …

Hedendaagse bewerkingscentra krijgen overigens standaard steeds meer automatisering ingebouwd. Het beladen via een zijdeur of klep krijgt hierbij meestal (maar niet altijd) de voorkeur. Ook in modulaire opstellingen en oplossingen op maat van de klant blijft de bewerkingszone op die manier veilig toegankelijk voor tussentijds ingrijpen door de operator, indien nodig.

IN EEN OPSPANNING

Vanuit de industrie kwam niet zo lang geleden de vraag om in één opspanning zo compleet mogelijk te bewerken. Meerassige bewerkingscentra bieden vandaag die mogelijkheid, mits verschillende aanpassingen en opties. Denk aan een stangenlader die de flexibiliteit van een draaibank verhoogt, zolang de contour past binnen de doorsnede. Dat kan bijvoorbeeld na het afsteken, wanneer de subspindel het overneemt en zeszijdig of compleet bewerken mogelijk maakt vanuit de stafaanvoer. Regelmatig terugkerende handelingen op een machine laten zich overigens relatief gemakkelijk automatiseren. Simpel gezegd gaat het daarbij om het gedefinieerd inbrengen van het gereedschap en het werkstuk in het assensysteem van de machine. Dat zijn intussen heuse manusjes-van-alles geworden, die zelfstandig en manarm als vrijstaande machine met meerdere assen complexe stukken kunnen afwerken. Tot voor kort vereisten die werkstukken nog een bijkomende nabehandeling op andere machines, om de vereiste eindnauwkeurigheid te behalen.

FIXEREN

De haalbaarheid van een complete bewerking hangt niet alleen af van de machinecapaciteit, de configuratie van de machine en de software, ook de nauwkeurigheid van de opspanning van zowel gereedschap als werkstuk speelt een rol. Fixeren is een essentiële schakel in het volautomatisch produceren. Nauwkeurig klemmen van het werkstuk, het voorinstellen en het overzetten van het gereedschap, werkstuk of opspanhouder, pallets en nulpuntsystemen van en naar de machine en het uitvoerpallet. Dit alles, bovendien met verschillende grijpers en opslag voor de grijperset. Het spreekt voor zich dat het totale systeem, opgebouwd uit componenten als machine, manipulator, magazijn enz., perfect op elkaar afgestemd moet zijn om een dergelijke hoge flexibiliteit te verzekeren. In korte tijd moeten immers heel wat handelingen nauwkeurig worden uitgevoerd, nog voor er verspaand kan worden. Selecteren van het te wisselen werkstuk, positie zoeken, vrijgeven en overnemen, naar het gewenste machinepunt brengen, doorgeven en inklemmen …

GEREEDSCHAPPEN

Nog een belangrijke schakel in het automatiseringsproces zijn de gereedschappen. Er moet een keuze gemaakt worden om in de directe omgeving van de machine of op de machine zelf plaats te creëren om een aantal gereedschappen bij de hand te hebben. Dat kan in de vorm van een gemengd magazijn met stations voor snij- en meetgereedschappen die al in hun houder zijn geklemd, alsmede uitgangsmateriaal of halffabricaten op snelwisselbare opspanningen. In krappe ruimtes kan er geopteerd worden voor een bovenlader, om ruimte uit te sparen.

HORIZONTAAL OF VERTICAAL

De nieuwste verticale opslagsystemen bieden niet alleen meer flexibiliteit door simultane mens- en robotgestuurde handlingoperaties, maar eveneens extra ruimte door de hoogte in te gaan. Zo was er een fabrikant die tijdens de meest recente DemoWeek een oplossing demonstreerde met lades of cassettes in torenvorm. Dergelijke opstellingen worden vooral interessant, zodra er periodiek en in de tijd gespreid orders binnenkomen voor kleine aantallen identieke componenten. Een dergelijke meervoudige opspanning zoals een opspanbrug, vaak voorkomend op drieassige verticale bewerkingscentra voor het meerzijdig bewerken, biedt de mogelijkheid om elk product binnen de opstelling te verdraaien.

Basisconfiguratie

Bepaalde machinebouwers streven ernaar om al een bepaalde vorm van automatisering in de compacte en toch goed toegankelijke basisconfiguratie op te nemen. Denk aan het verhogen van het spilrendement, waarbij rondom de kolom met twee of meer revolvers een smalle loopband beweegt, met daarop het uitgangsmateriaal of halffabricaat. De verticaal roterende kop pikt het uitgangsmateriaal of halffabricaat op en zet het kant-en-klare product terug na de bewerkingscyclus (inclusief meten).

Transfermachine en hybride machines

Een transfermachine is enerzijds een reeks gekoppelde machines waarop een volgende bewerking aan een langlopend product wordt uitgevoerd of waarbij men die reeks deelbewerkingen uitvoert met modulaire productspecifieke stations op een lijn- of cirkelvormig platform. Al geruime tijd zijn er hybride machines beschikbaar die meerdere processen kunnen uitvoeren, ofwel vanuit de basismachine zelf, ofwel als optie eraan toegevoegd. Denk aan gecombineerd (hard)draaien en slijpen, frezen of slijpen met additief opgroeien. Het nadeel bij dergelijke combinaties is dat gedurende de verspanende actie van de ene bewerkingstechniek, de andere niet productief is (of aanzienlijke productiviteit verliest). Een eenvoudig voorbeeld is het dressen op een slijpmachine: oorspronkelijk was abrasief materiaal verwijderen (= slijpen) dan niet mogelijk, terwijl de schijf nochtans draait. Tegenwoordig bestaan er varianten die continu de slijpschijf corrigeren op vorm, scherpte en open structuur.

SOFTWARE

Te automatiseren machines hebben niet alleen hardwarematig specifieke eisen, ook de software moet erop afgestemd zijn. Kijkend naar hardware, zal een meetsysteem er steeds deel van uitmaken. Een dergelijk systeem garandeert immers de kwaliteit en een stabiel verloop van het productieproces. Software op zijn beurt is de spil in het verkrijgen van meer flexibiliteit. Een bijkomend aspect is de steeds verder gaande digitaliseringstrend, die vrijwel elke machinefabrikant in eigen stijl invult.

Al loopt wereldwijd inmiddels wel onderzoek naar het standaardiseren van overdragen en analyseren van data. Denk aan breed ondersteunde interfaces en protocollen als MT Connect en umati, steunend op OPC UA. Doel is het optimaliseren van de aansturing en communicatie tussen de machines, automatiseringssystemen en bedrijfssystemen. Vrij programmeerbare industriële stuurunits met verbeterde HMI-beeldweergave en opensourcesoftware staan volop in de belangstelling. Al is, gezien de huidige capaciteit (en mogelijke consequenties), een aanzienlijk betere cybersecurity een must binnen elk netwerk, wat recent keihard bleek. Uit rondvraag blijkt dat in amper de helft van de bedrijven in enigermate aandacht wordt besteed aan dit aspect.

PROGRAMMEREN

Waar programmeren nog niet eens zo lang geleden een huzarenstukje was, verloopt dat nu een stuk makkelijker en sneller, met bovendien ook nog eens een kortere leerperiode. Vorige maand kon u in Metallerie al lezen hoe het koppelen van maakinformatie aan ingebrachte geometriegegevens ervoor zorgt dat een 3D-model vandaag rechtstreeks geschikt is voor de bewerking. Nog zo'n trend: de digital twin. Softwarematig is de hele installatie plus directe omgeving realtime in beeld en volledig afgezekerd middels 3D-sensoren. Via de digital twin kan de bewerking getest en geoptimaliseerd worden.

MOBIELE ROBOTS EN COBOTS

Voor elke toepassing is er inmiddels in principe een passende robotisering te vinden die snel te installeren is. Enkele recente ontwikkelingen maakten robots zo compact dat een directe montage in de machine zelfs mogelijk blijkt. Bovendien zijn ze niet langer uitsluitend stationair opgesteld of lineair bewegend. Middels 3D-vision en aanraak-, kracht- of koppelsensoren op alle assen kunnen mens en robot samenwerken en elkaar veilig assisteren aan dezelfde jobs. Waar tien jaar geleden de eerste versie van een lichtgewicht eenarmige UR-cobot (van het Deense Universal Robots) zijn intrede maakte, krijgt die nu in toenemende mate concurrentie. Immers, een voordeel van dergelijke cobots is dat er om het te automatiseren object geen extra veiligheidszone vereist is. Enkele ontwikkelaars lieten op verschillende vakbeurzen al in hun kaarten kijken over welke richting we in de toekomst uitgaan met deze mobiele robotconcepten. Een intelligente robot of cobot, gemonteerd op een AGV (Automatic Guided Vehicle) of SDV (Self Driving Vehicle), met programmeerbare snelheid en uitgebreide sensoriek, ondersteund door accu's voor een grotere vrijheid in tijd en locatie. We spreken stilaan van een transformatie van de vast opgestelde robot naar een autonoom bewegende shuttle. Draadloos navigerende AVG's maken gebruik van op de vloer getekende banen. Niet zodat ze hun weg zouden vinden, maar om medewerkers attent te maken op de gebruikte route. SDV's hebben een dergelijke baan overigens niet (meer) nodig.

Het gevolg is dat robots een andere rol zullen vervullen dan enkel en alleen het aanvoeren en uitnemen van gereedschap en werkstuk. Denk onder andere aan het transporteren van de werkstukken van uiteenlopende afmetingen of de snij- en meetgereedschappen naar de meetopstelling, nu al geperfectioneerd met een voor de grijpers gemonteerde camera. Mits voorzien van een wisselbaar grijpersysteem, staan ze ook in voor geïntegreerde of achteraf toegevoegde extra functies zoals ontbramen, het uitzuigen van de kamers, licht boorwerk, reinigen, op het uitvoerpallet plaatsen, koppelen aan het opslagsysteem voor intern transport in de montage … Vandaag kiest men er in het algemeen voor om een pallet compleet te wisselen, al komt het uitnemen van een product van en naar pallets in de praktijk ook steeds meer voor.

BESLUIT

De automatisering of robotisering van industriële productielijnen, waarop langere tijd dezelfde producten of grotendeels identieke varianten van soms forsere dimensies lopen, is van een dermate complexe aard in financieel, technisch, organisatorisch en logistiek opzicht dat deze enkel projectmatig op verantwoorde wijze aan te pakken zijn.