Projektowanie maszyny pod szybkie przezbrojenie – jakie detale skracają zmianę wariantu produkcji?

Przezbrojenie trwające 25 minut rzadko jest problemem jednego „wolnego operatora”. Najczęściej maszyna sama wymusza stratę czasu: śruby trzeba wykręcić do końca, ciężki detal ustawić na oko, czujnik przesunąć po prowadnicy, przewód przepiąć w trudno dostępnym miejscu, a po wszystkim wykonać kilka prób, zanim pierwszy wyrób mieści się w tolerancji. Jeżeli takie czynności powtarzają się kilka razy na zmianę, projekt mechaniczny zaczyna bezpośrednio wpływać na OEE, wielkość partii i poziom produkcji w toku.

Maszynę przygotowaną do częstych zmian wariantu projektuje się inaczej niż urządzenie przeznaczone do wielomiesięcznej pracy na jednym produkcie. Liczą się nie tylko szybkozłącza czy zaciski. Ważniejsza jest eliminacja regulacji, jednoznaczne bazowanie części wymiennych, dostęp bez demontażu osłon oraz możliwość wykonania możliwie dużej części prac jeszcze przed zatrzymaniem maszyny.

Najpierw usuń regulacje, później przyspieszaj mocowanie

Największą oszczędność daje zwykle nie szybsze dokręcanie, ale brak konieczności ustawiania maszyny po wymianie oprzyrządowania. To istotna różnica.

Jeżeli operator po zamontowaniu prowadnicy, gniazda, szczęki czy zespołu formującego musi ustawiać jego pozycję suwmiarką, szczelinomierzem albo metodą kolejnych prób, samo zastosowanie szybkozacisku niewiele zmieni. Mechaniczna wymiana zajmie dwie minuty, a regulacja kolejne osiem.

Element wymienny powinien po zamontowaniu sam trafić w pozycję roboczą. W praktyce stosuje się między innymi:

• kołki ustalające współpracujące z powierzchnią bazową,

• układ dwóch punktów ustalających, z których jeden nie blokuje niepotrzebnie rozszerzalności i tolerancji wykonania,

• gniazda kształtowe uniemożliwiające montaż w niewłaściwej orientacji,

• opory mechaniczne dla pozycji często zmienianych,

• tuleje i płyty pozycjonujące,

• nastawy indeksowane zamiast płynnej regulacji.

W dobrym układzie śruba albo zacisk odpowiada przede wszystkim za docisk, a nie za pozycjonowanie części. Próba jednoczesnego ustalania i mocowania elementu pojedynczą śrubą to jeden z częstszych błędów projektowych. Luz w otworze pozwala wtedy za każdym razem zamontować część nieco inaczej. Kończy się to korektą czujników, zmianą pozycji prowadnic albo serią próbnych detali.

Przy częstych zmianach wariantu użyteczne są zaciski mimośrodowe, dźwigniowe, pneumatyczne i klinowe. Nie wszędzie jednak szybkozacisk jest dobrym wyborem. Przy dużych siłach procesowych, drganiach albo wymaganej bardzo wysokiej sztywności klasyczne połączenie śrubowe może pozostać bezpieczniejsze. Wtedy lepiej ograniczyć liczbę śrub, zapewnić do nich dostęp od jednej strony i zastosować rozwiązanie, w którym śruba pozostaje w wymienianym elemencie, zamiast za każdym razem trafiać do pojemnika na drobne części.

Szczególnie uciążliwe są śruby o dużej liczbie obrotów potrzebnych do całkowitego odkręcenia. Jeżeli podczas każdej zmiany operator musi wykręcić osiem długich śrub, problem nie leży w organizacji pracy. Leży w konstrukcji.

Przy projektowaniu warto rozpisać dla każdego wymiennego zespołu trzy pytania:

1. Co naprawdę ustala jego pozycję?

2. Co tylko zapewnia docisk?

3. Które czynności nadal wymagają ręcznej regulacji po montażu?

Największy priorytet ma punkt trzeci. Każda regulacja wykonywana po zatrzymaniu maszyny powinna zostać zakwestionowana.

Dostęp, masa i przyłącza decydują, czy przezbrojenie da się zrobić szybko

Na modelu CAD dwa rozwiązania mogą wyglądać równie dobrze. Na hali różnica wychodzi natychmiast. Operator pracuje w rękawicach, wymienia gorący albo zabrudzony element, korzysta z ograniczonego pola widzenia i często musi przenieść kilkanaście kilogramów oprzyrządowania. Element znajdujący się 400 mm za ramą maszyny nie jest „łatwo dostępny” tylko dlatego, że projektant widzi go po ukryciu osłon w programie 3D.

Dlatego podczas przeglądu konstrukcji trzeba sprawdzić całą trajektorię wymiany, a nie tylko końcowe położenie części.

Jeżeli zespół waży 5–10 kg, jedna osoba zazwyczaj poradzi sobie z nim bez dodatkowego urządzenia, o ile ma wygodny chwyt i nie musi sięgać daleko do wnętrza maszyny. Przy elementach cięższych warto przewidzieć prowadnice, rolki, wysuwane szuflady, wózek transportowy albo niewielki manipulator. Nie istnieje jedna uniwersalna granica masy bezpiecznej do ręcznego przenoszenia — zależy ona także od odległości od tułowia, wysokości podnoszenia, częstotliwości czynności i geometrii chwytu.

Dobrym rozwiązaniem jest doprowadzenie ciężkiego zespołu do pozycji roboczej po prowadnicy lub rolkach, a następnie wykonanie krótkiego ruchu pozycjonującego na kołkach bazowych. Operator nie powinien jednocześnie utrzymywać kilkunastu kilogramów, szukać otworów montażowych i wkładać śruby.

Drugi obszar to przyłącza. Jeżeli zmiana wariantu wymaga przepinania pneumatyki, elektryki, podciśnienia albo chłodzenia, liczba połączeń szybko staje się istotna. Dobre rozwiązanie ma kilka cech:

• złącza są dostępne od strony operatora,

• nie da się ich pomylić,

• przewody mają jednoznaczne oznaczenia,

• długość przewodów nie pozwala na przypadkowe wpięcie ich w niewłaściwe miejsce,

• tam, gdzie ma to sens, kilka mediów łączy się przez jeden panel przyłączeniowy,

• układ nie wymaga używania kluczy do typowych połączeń zmienianych przy każdej partii.

Przy pneumatyce szybkozłącza znacznie ułatwiają pracę, ale źle dobrane potrafią być irytujące. Z czasem pojawiają się luzy, zabrudzenia i nieszczelności, zwłaszcza gdy operator za przewód ciągnie zamiast naciskać korpus złącza. Przy częstym przepinaniu lepiej projektować miejsce na swobodny chwyt dłoni niż wciskać przyłącza tuż obok profilu konstrukcyjnego.

To samo dotyczy osłon. Jeżeli podczas każdego przezbrojenia trzeba zdjąć blachę przykręconą dwunastoma śrubami, konstrukcja sama generuje postój. Osłona otwierana na zawiasie, zabezpieczona odpowiednim ryglem i objęta właściwym układem bezpieczeństwa zwykle skraca dostęp wielokrotnie. Nie oznacza to jednak, że wolno usuwać blokady albo obchodzić funkcje bezpieczeństwa dla poprawienia czasu zmiany wariantu. Szybkie przezbrojenie musi być projektowane wewnątrz architektury bezpieczeństwa maszyny, a nie przeciwko niej.

W praktyce duże znaczenie ma również standaryzacja. Jeżeli jedna stacja używa śrub M6 z gniazdem imbusowym, druga M8 z łbem sześciokątnym, a trzecia pokrętła, operator musi zabierać kilka narzędzi i łatwiej o pomyłkę. Ograniczenie liczby typów elementów złącznych i narzędzi bywa banalne konstrukcyjnie, a przy kilkunastu czynnościach potrafi zabrać z przezbrojenia kilka minut.

Pierwsza dobra sztuka jest ważniejsza niż samo tempo wymiany

Najbardziej mylący sposób mierzenia przezbrojenia to zatrzymanie stopera w chwili uruchomienia maszyny. Produkcja nie odzyskała jeszcze wtedy pełnej zdolności. Liczy się moment, w którym proces ponownie wykonuje wyrób zgodny z wymaganiami i może pracować ze standardową prędkością.

Jeżeli mechaniczna zmiana formatu trwa sześć minut, ale kolejne dziesięć zajmuje regulacja czujników, ustawienie parametrów i odrzucenie pięciu próbnych sztuk, rzeczywisty czas przezbrojenia nie wynosi sześciu minut.

Dlatego maszyna powinna przechowywać receptury wariantów wszędzie tam, gdzie parametry są ustawiane automatycznie. Dla konkretnego produktu można zapisać między innymi:

• pozycje osi serwo,

• prędkości i przyspieszenia,

• czasy ruchów,

• nastawy dozowania,

• temperatury,

• progi kontroli jakości,

• aktywne czujniki,

• parametry wizyjne.

Nie każdą regulację opłaca się jednak motoryzować. Dodanie napędu serwo tylko po to, aby przesuwać prowadnicę o 30 mm raz na tydzień, może zwiększyć koszt, liczbę komponentów i późniejsze wymagania serwisowe bez realnego zwrotu. Najpierw trzeba sprawdzić, jak często parametr jest zmieniany i ile czasu zabiera jego ręczne ustawienie.

Dla pozycji zmienianej kilka razy dziennie automatyczna oś może mieć sens. Przy zmianie wykonywanej raz na miesiąc często lepszy będzie czytelny ogranicznik mechaniczny albo wskaźnik pozycji.

Dużo problemów sprawiają czujniki montowane w fasolkach. Są wygodne podczas uruchomienia prototypu, ale kiepskie przy seryjnym przezbrajaniu. Jeżeli operator musi przesunąć czujnik indukcyjny o kilka centymetrów, trudno oczekiwać wysokiej powtarzalności bez dodatkowego wzorca. Lepsze są stałe punkty montażowe, wymienne uchwyty, mechaniczne ograniczniki albo czujnik o takim polu działania, aby zmiana wariantu nie wymagała jego przesuwania.

W maszynach o wielu wariantach warto też stosować identyfikację oprzyrządowania. Może to być prosty kod na elemencie, czujnik obecności odpowiedniego gniazda albo rozwiązanie RFID. Sterownik powinien co najmniej wychwycić sytuację, w której operator wybiera recepturę A, a w maszynie fizycznie znajduje się oprzyrządowanie B. Sama instrukcja „sprawdź przed startem” jest słabym zabezpieczeniem, jeśli pomyłka może uszkodzić narzędzie za kilkadziesiąt tysięcy złotych.

Jeszcze przed budową urządzenia dobrze przeprowadzić symulację przezbrojenia na modelu 3D albo na stanowisku testowym. Nie chodzi o efektowną prezentację dla klienta. Trzeba przejść przez każdą czynność w kolejności wykonywanej przez operatora: od odłożenia ostatniej dobrej sztuki starego wariantu do wykonania pierwszej dobrej sztuki nowego.

Wtedy wychodzą problemy, których nie widać w tabeli czasów: brak miejsca na odłożenie wymienionej części, dwa przewody krzyżujące się podczas wyjmowania zespołu, konieczność obchodzenia maszyny, osłona blokująca wyjęcie oprzyrządowania czy śruba dostępna wyłącznie krótkim kluczem.

Jeżeli projekt wymaga wykonania specjalnych płyt bazowych, uchwytów, części precyzyjnych albo elementów pod indywidualną zabudowę, szczegóły dotyczące możliwości wykonawczych i obróbki można sprawdzić bezpośrednio u firm realizujących takie komponenty. Nie warto jednak zamawiać precyzyjnego oprzyrządowania, zanim nie zostanie zamrożony sposób bazowania — późniejsza zmiana punktów odniesienia często oznacza ponowne wykonanie najdroższych części.

Więcej informacji na: https://metcor.pl

FAQ – szybkie przezbrojenie maszyny w praktyce

Ile powinno trwać dobre przezbrojenie?
Nie istnieje jedna poprawna wartość dla wszystkich maszyn. W prostych stanowiskach formatowych celem może być kilka minut, podczas gdy wymiana ciężkiego narzędzia technologicznego potrwa dłużej. Lepszym kryterium jest udział przezbrojenia w dostępnej zmianie i liczba planowanych zmian wariantu. Jeśli cztery przezbrojenia po 25 minut zabierają 100 minut z ośmiogodzinnej zmiany, problem ma już wymierny wpływ na zdolność produkcyjną.

Czy każdą śrubę warto zastąpić szybkozaciskiem?
Nie. Szybkozacisk ma sens tam, gdzie element jest często wymieniany i wymagany docisk mieści się w parametrach mechanizmu. Przy wysokich obciążeniach, drganiach lub wymaganej dużej sztywności połączenie śrubowe może być właściwsze. Najpierw trzeba usunąć zbędne śruby i oddzielić funkcję bazowania od docisku.

Co zwykle najbardziej wydłuża zmianę wariantu?
Ręczne regulacje po montażu. Sam demontaż i założenie części może zająć kilka minut, ale ustawianie prowadnic, czujników, wysokości, osi i parametrów procesowych metodą prób potrafi wydłużyć postój kilkukrotnie.

Czy szybkie przezbrojenie zawsze wymaga automatyzacji?
Nie. Często większy efekt daje kołek ustalający, stały opór, szybkozłącze albo zawiasowana osłona niż dodatkowy napęd serwo. Automatyzację warto stosować przede wszystkim do często zmienianych nastaw, dla których wymagana jest wysoka powtarzalność.

Kiedy RFID do identyfikacji oprzyrządowania ma sens?
Gdy kilka podobnych narzędzi może zostać fizycznie zamontowanych w tej samej stacji, a użycie niewłaściwego wariantu grozi kolizją, wadą produktu albo uszkodzeniem kosztownego wyposażenia. Przy dwóch łatwo rozróżnialnych częściach prostsze kodowanie mechaniczne lub czujnik obecności może wystarczyć.

Jak mierzyć czas przezbrojenia?
Od ostatniej poprawnej sztuki poprzedniego wariantu do pierwszej poprawnej sztuki nowego wariantu wykonywanej już przy normalnych parametrach procesu. Sam czas pracy mechanika nie pokazuje rzeczywistej straty produkcyjnej.

Pierwszą rzeczą do sprawdzenia nie jest katalog szybkozacisków ani wybór dodatkowych napędów. Nagraj jedno rzeczywiste przezbrojenie i rozpisz każdą czynność wraz z czasem jej trwania. Następnie zaznacz wszystkie regulacje wykonywane po zatrzymaniu maszyny. To właśnie je należy usuwać jako pierwsze. Dopiero później skracaj odkręcanie, przepinanie i transport oprzyrządowania. Przy dobrze zaprojektowanej maszynie największą zmianą nie jest to, że operator robi te same rzeczy szybciej — tylko że części z nich nie musi robić wcale.