Co dělá CNC stroj v noci, když u něj nikdo nestojí? Jak funguje bezobslužná výroba

Je konec odpolední směny. Operátor zavře poslední dveře stroje, zkontroluje zásobník polotovarů a odejde domů.

V hale se postupně zhasne.

CNC centrum ale nezastaví.

Vyrobí první součást, automaticky ji vymění za nový polotovar a pokračuje druhým kusem. Později zkontroluje nástroj, provede další výměnu a několik hodin obrábí bez člověka stojícího vedle stroje.

Tomuto způsobu výroby se často říká bezobslužné obrábění nebo anglicky lights-out manufacturing.

Název může vyvolávat představu továrny, která nepotřebuje lidi. Ve skutečnosti je princip skoro opačný.

Čím déle má stroj pracovat bez člověka, tím lépe musí lidé celý proces předem připravit.

Bezobslužná výroba není CNC stroj ponechaný přes noc bez dozoru. Je to výrobní proces připravený tak, aby dokázal předvídat běžné situace a bezpečně reagovat, když něco není v pořádku.

Co znamená „lights-out“ výroba?

Doslovně bychom výraz mohli přeložit jako výrobu „se zhasnutými světly“.

Neznamená to ale, že každý automatizovaný provoz skutečně vypne osvětlení nebo že v budově nesmí být žádný člověk.

Podstatou je možnost vyrábět určitou dobu bez toho, aby pracovník musel stát u stroje a ručně obsluhovat každý výrobní cyklus.

Může jít například o:

• několik hodin během noční směny,
• část přestávky,
• výrobu mezi dvěma běžnými směnami,
• delší automatický provoz o víkendu.

Rozsah automatizace může být velmi rozdílný.

Někde automaticky pracuje jeden soustruh s podavačem tyčí. Jinde robot obsluhuje několik CNC strojů a další provoz používá desítky palet s různými zakázkami.

Samotný CNC stroj už je automat

Určitá míra automatizace je vlastně podstatou CNC obrábění.

Jakmile operátor spustí správně připravený program, stroj může automaticky:

• měnit nástroje,
• měnit otáčky a posuv,
• zapínat a vypínat chlazení,
• frézovat,
• vrtat,
• závitovat,
• provádět několik navazujících operací.

Po dokončení dílu ale běžně přijde člověk, otevře dveře, výrobek vyjme a založí nový polotovar.

Právě tento okamžik musí bezobslužná výroba vyřešit.

Jak dostat do stroje další polotovar?

Existuje několik způsobů.

Robot

Průmyslový robot může:

1. vzít polotovar ze zásobníku,
2. otevřít nebo využít automatické dveře stroje,
3. vyjmout hotovou součást,
4. vložit nový polotovar,
5. uzavřít upnutí,
6. odložit hotový výrobek,
7. spustit další výrobní cyklus.

Robot přitom nemusí obrábět. Jeho hlavním úkolem je nahradit opakovanou manipulaci člověka.

Automatický zakladač obrobků

Pro jednodušší součásti lze použít zařízení, které má připravenou sadu polotovarů v zásobníku nebo na stole.

Zakladač postupně odebírá jednotlivé kusy a vkládá je do CNC stroje.

Výhodou je relativně jednoduchý a opakovatelný proces.

Podavač tyčí

U CNC soustruhů je velmi rozšířená automatizace pomocí tyčového materiálu.

Stroj postupně obrábí jednotlivé součásti z dlouhé tyče a po dokončení si automaticky připraví další potřebnou délku materiálu.

U vhodného výrobku tak odpadá zakládání každého jednotlivého polotovaru.

Palety: nepřeváží se jen výrobek, ale celé upnutí

Další možností jsou paletové systémy.

Místo toho, aby robot vyjímal jednotlivou součást ze svěráku, je celý obrobek nebo přípravek připravený na samostatné paletě.

Stroj jednu paletu obrobí a potom ji automaticky vymění za další.

Ve skladu palet může čekat například:

• několik stejných výrobků,
• několik různých zakázek,
• různé přípravky,
• odlišné výrobní programy.

Moderní systém pak může podle připraveného pořadí rozhodovat, kterou paletu zpracuje jako další.

Výhodou je, že operátor může další výrobu připravovat mimo samotný obráběcí prostor, zatímco stroj stále řeže.

Robot založil díl. Jak stroj ví, že leží správně?

Člověk při zakládání automaticky používá oči, ruce a zkušenosti.

Vidí, že polotovar nedosedl na doraz. Všimne si třísky pod výrobkem. Pozná, že je díl otočený.

Automatizovaný proces podobné situace musí řešit jiným způsobem.

Pomoci mohou například:

• přesně definované dorazy,
• kontrola polohy upínacího mechanismu,
• senzory,
• měřicí sonda ve stroji,
• kamerový systém.

Obrobková sonda může před obráběním například změřit vybrané referenční plochy a ověřit skutečnou polohu dílu.

Pokud naměřené hodnoty neodpovídají povolenému rozsahu, program nemusí pokračovat do obrábění.

Stroj musí hlídat i vlastní nástroje

Při běžné obsluze si zkušený pracovník může všimnout, že se změnil zvuk obrábění, nástroj má problém nebo hotový díl nevypadá správně.

V noci vedle stroje nikdo neposlouchá.

Proto je důležité sledovat stav nástrojů automaticky.

Použít lze například:

• kontaktní nástrojovou sondu,
• laserové měření nástroje,
• samostatný systém kontroly zlomení,
• sledování životnosti nástroje v řízení.

Co když se vrták zlomí?

Představme si program, který má vyrobit 40 součástí.

Na páté součásti se zlomí malý vrták.

Pokud stroj nic nekontroluje, může pokračovat:

• šestým kusem,
• sedmým kusem,
• desátým kusem,
• a nakonec třeba celou noční sérií.

Ráno firma nenajde 40 hotových výrobků, ale desítky součástí s chybějícím otvorem.

Proto lze po kritické operaci naprogramovat automatickou kontrolu přítomnosti nebo délky nástroje.

Pokud systém zjistí, že nástroj neodpovídá očekávanému stavu, může výrobu zastavit nebo provést předem definovanou reakci.

Sesterský nástroj: místo zastavení přijde náhradník

Ještě zajímavější možností je takzvaný sesterský nástroj.

Ve stroji mohou být připraveny například dva stejné vrtáky.

První pracuje jako hlavní nástroj.

Pokud systém zjistí:

• dosažení nastavené životnosti,
• nebo v některých konfiguracích problém s nástrojem,

může program přejít na připravenou náhradu.

Stroj tedy nemusí kvůli každému opotřebenému nástroji okamžitě čekat na člověka.

Takový postup ale musí být předem správně připravený v řízení a programu.

Stroj může kontrolovat i samotný výrobek

Obrobková sonda nemusí sloužit pouze k nastavení nulového bodu.

Vybrané rozměry lze měřit také během výroby.

Program může například:

1. obrobit důležitou plochu,
2. odjet nástrojem,
3. vyvolat měřicí sondu,
4. změřit skutečný rozměr,
5. porovnat jej s nastavenými mezemi.

Podle výsledku může pokračovat další operace nebo se výroba zastavit.

V pokročilejších procesech lze některé naměřené odchylky využít také pro úpravu korekcí.

Znamená to, že CNC nahrazuje oddělení kvality?

Ne.

Měření uvnitř obráběcího stroje je velmi užitečný nástroj pro řízení procesu, ale není automaticky náhradou všech předepsaných kontrol.

Stále může být potřeba:

• měření kalibrem,
• mikrometrem,
• dutinoměrem,
• profilometrem,
• souřadnicovým měřicím strojem,
• nebo jinou předepsanou metodou.

Smyslem kontroly ve stroji je především pomoci procesu poznat, že se něco začíná odchylovat ještě před tím, než vznikne velká série zmetků.

Bez třísek venku nebude automatická výroba fungovat dlouho

Nástroje a robot jsou atraktivní část automatizace. Velký problém ale může způsobit obyčejná tříska.

Při několika hodinách obrábění vznikne velké množství materiálu, který musí pracovní prostor opustit.

Stroj proto může potřebovat:

• dopravník třísek,
• proplachování pracovního prostoru,
• správné směrování procesní kapaliny,
• dostatečně velkou nádobu na třísky.

Pokud se třísky nahromadí na nevhodném místě, mohou:

• bránit založení dalšího obrobku,
• zůstat pod dosedací plochou,
• ucpat odvod kapaliny,
• omotat se kolem nástroje nebo výrobku.

Procesní kapalina musí vydržet celou noc

Bezobslužný provoz také znamená, že nikdo každou hodinu nedolije chladicí kapalinu.

Před spuštěním proto musí být ověřeno:

• dostatečné množství kapaliny,
• funkce čerpadla,
• filtrace,
• správný přívod k nástroji.

Automatizace tak paradoxně zvýrazňuje význam zdánlivě obyčejných provozních věcí.

Robotická buňka za miliony korun může stát kvůli problému, který by člověk během běžné směny vyřešil během několika minut.

Co když se něco pokazí ve dvě ráno?

Automatizace neznamená, že poruchy přestanou existovat.

Proto musí být předem určeno, co má systém udělat při nestandardní situaci.

Typické možnosti jsou:

• bezpečně zastavit program,
• vyhlásit alarm,
• nepokračovat s dalším obrobkem,
• použít náhradní nástroj, pokud je proces tak připraven,
• odeslat informaci odpovědnému pracovníkovi prostřednictvím použitého monitorovacího systému.

Nejhorší automatizace není ta, která se při problému zastaví.

Horší je ta, která problém nepozná a několik dalších hodin ho opakuje.

Proč je stabilní proces důležitější než samotný robot?

Robot dokáže velmi přesně opakovat špatně navržený proces.

Pokud člověk při běžné směně musí u každého třetího kusu:

• očistit doraz,
• upravit polohu výrobku,
• ručně rozmotat třísku,
• měnit náhodně korekci,

není výrobní proces připravený na dlouhou bezobslužnou sérii.

Automatizace proto často začíná ještě před nákupem robota.

Firma musí nejdříve stabilizovat:

• upnutí,
• nástroje,
• řezné podmínky,
• tvorbu a odvod třísek,
• měření,
• životnost nástrojů.

Jak může vypadat jedna noční směna?

Představme si CNC obráběcí centrum s paletovým systémem.

Operátor během odpoledne připraví šest palet.

Na každé jsou upnuté polotovary a ke každé je přiřazen správný program.

Večer systém začne pracovat.

1. Do stroje přijede první paleta.
2. Sonda ověří polohu výrobku.
3. CNC spustí obrábění.
4. Po kritickém vrtání se zkontroluje stav vrtáku.
5. Program dokončí součást.
6. Paleta odjede do zásobníku.
7. Do stroje přijede další.
8. Cyklus se opakuje.

Pokud je všechno v pořádku, ráno může na obsluhu čekat několik hotových výrobků.

Pokud systém během třetí palety odhalí problém, může bezpečně zastavit a ponechat zbývající díly neobrobené.

I to je dobrý výsledek. Lepší tři správné výrobky než šest špatných.

Je bezobslužná výroba jen pro velké série?

Ne nutně.

Automatizace se často spojuje s tisíci stejných výrobků, ale paletové systémy mohou být zajímavé i pro výrobu menších sérií a různých zakázek.

Na jednotlivých paletách mohou být připravené různé díly a systém je zpracovává podle výrobního plánu.

Naopak jednoduchý robotický zakladač může být velmi efektivní při velké sérii jednoho menšího výrobku.

Vhodná automatizace tedy závisí na charakteru konkrétní výroby.

Nahrazuje bezobslužné CNC operátora?

Část rutinní práce ano.

Robot může převzít například:

• opakované zakládání polotovarů,
• vyjímání hotových součástí,
• některé jednoduché manipulační činnosti.

To ale neznamená, že zmizí potřeba člověka, který výrobě rozumí.

Někdo stále musí:

• připravit technologii,
• seřídit CNC stroj,
• připravit nástroje,
• nastavit robot nebo zakladač,
• ověřit první kus,
• řešit nestandardní situace,
• provádět údržbu.

Automatizace tak často mění náplň práce z opakované manipulace směrem k seřizování, kontrole a technickému řešení procesu.

Kdo připravuje automatizovanou CNC výrobu?

Bezobslužné pracoviště je typický příklad technologie, na které spolupracuje několik profesí.

CNC programátor

Připravuje a optimalizuje obráběcí program, nástroje a bezpečné dráhy.

Programátor průmyslových robotů

Řeší pohyby robota, manipulaci, uchopení dílu, bezpečné pozice a spolupráci robota s ostatními zařízeními.

PLC programátor

U rozsáhlejší automatizace se podílí na řízení a komunikaci jednotlivých částí výrobního zařízení.

A zásadní roli stále mají také seřizovači, operátoři, technologové, pracovníci kvality a údržby.

Co všechno musí být připraveno před nočním provozem?

Největším nepřítelem bezobslužné výroby je nepředvídatelnost

Člověk je výborný v řešení drobných neočekávaných situací.

Vidí třísku na dorazu a sfoukne ji. Slyší jiný zvuk nástroje a proces zastaví. Všimne si špatně založeného polotovaru.

Automatizovaný systém podobnou improvizaci nemá.

Musí mít:

• situaci předvídanou,
• způsob jejího rozpoznání,
• a naprogramovanou reakci.

Právě proto je obtížné automatizovat nestabilní výrobu, ve které se každý kus chová trochu jinak.

Proč firmy bezobslužnou výrobu chtějí?

Hlavním důvodem není vytvořit továrnu bez zaměstnanců.

Mnohem zajímavější je využít drahý CNC stroj větší část dostupného času.

Pokud obráběcí centrum během běžného dne čeká dlouhé hodiny na:

• další založení,
• novou směnu,
• návrat pracovníka,

jeho skutečný výrobní čas je omezený.

Automatizace může část tohoto čekání převést na dobu, kdy vřeteno skutečně vyrábí.

Budoucnost není továrna bez lidí

Bezobslužná výroba velmi dobře ukazuje směr moderního strojírenství.

Člověk postupně nemusí stát osm hodin vedle jednoho stroje a opakovat stejný pohyb.

Místo toho může:

• připravovat další zakázku,
• seřizovat jiné zařízení,
• kontrolovat kvalitu,
• optimalizovat program,
• dohlížet na několik automatizovaných pracovišť.

Robot tedy nemusí být konkurent CNC operátora.

Může být dalším nástrojem, který převezme opakovanou manipulaci a člověku nechá činnosti vyžadující rozhodování, zkušenost a technické znalosti.

Co tedy CNC stroj dělá v noci?

Pokud je výroba dobře připravená, prakticky totéž co přes den.

Obrábí.

Rozdíl je v tom, že kolem něj musí fungovat další vrstva techniky.

Někdo nebo něco musí:

• dodat další polotovar,
• odvézt hotový díl,
• kontrolovat nástroje,
• hlídat polohu výrobku,
• odvádět třísky,
• řešit běžné odchylky,
• a při vážnějším problému stroj bezpečně zastavit.

A právě tady je největší paradox bezobslužné výroby:

stroj může několik hodin pracovat bez člověka pouze díky tomu, že lidé předem velmi dobře promysleli téměř všechno, co by se během těchto hodin mohlo stát.

Moderní výroba proto není jen otázkou rychlejších CNC strojů. Stále více jde o propojení obrábění, měření, robotiky, senzorů a řízení do jednoho spolehlivého procesu.

Pokud vás tato oblast zajímá profesně, podívejte se na programátora průmyslových robotů, PLC programátora, CNC programátora nebo projděte aktuální nabídky práce ve strojírenství.