Robot på værktøjsmaskine. Maksimal produktivitet ved hjælp af intelligent automatisering med robotter. KUKA White Paper Version 1.0
Abstract Med automatiserede værktøjsmaskiner kan produktionen gøres mere økonomisk, sikker og hurtigere. Produktionen skal opfylde stadigt stigende krav vedrørende kvalitet og præcision - mens leveringstiderne bliver kortere og kortere. Samtidigt øges sandsynligheden for at begå fejl ved produktionen af emnerne. Mindre batchstørrelser øger omkostningerne i forbindelse med maskinernes omstilling. Og lønomkostningerne pr. enhed stiger. Hvordan kan produktionen set i dette perspektiv gøres så effektiv og økonomisk som muligt? Outsourcing til lande med et lavere lønniveau er ikke uproblematisk, idet virksomhederne har brug for korte leverandørkæder, eget specielt uddannet personale med en høj grad af loyalitet samt korte veje inden for kvalitetskontrollen. Brug af robotter ville gøre mange spåntagende virksomheder betydeligt mere konkurrencedygtige. Ikke desto mindre viser undersøgelser: Automatisering med robotter ville øge rentabiliteten og produktiviteten på 20 procent af alle værktøjsmaskiner markant. Imidlertid er kun en brøkdel af disse 20 procent automatiserede. Dette skyldes forbehold over for robotter, der for længst er overhalet af den tekniske udvikling. Robotter er i dag mere økonomiske, sikre og enklere, end det er kendt i branchen. Inden for værktøjs- og maskinfremstilling har de i snit tjent sig selv ind på mindre end to år. Robotter har i årevis været anvendt inden for områder med høje sikkerhedskrav, som f.eks. medicinteknik i direkte kontakt med mennesker. Og de lader sig i mellemtiden let programmere og betjene. Ved hjælp af robotter bliver arbejdspladser mere økonomiske og dermed mere sikre. Quick-Check. Spåntagende virksomheder og brugere af værktøjsmaskiner spørger: Kan det betale sig at anvende robotter i min konkrete situation? Afgørende herfor er forhold vedrørende kvalitetskrav, produktivitet, lønomkostninger pr. enhed, leveringstid og sikring af arbejdspladser. Et Quick-Check giver hurtigt de første fingerpeg. KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 01
Indholdsfortegnelse Abstract Med automatiserede værktøjsmaskiner kan produktionen gøres mere økonomisk, sikker og hurtigere. S 01 01 Automatisering med robotter Robotter er blevet endnu mere rentable, effektive og simple. S 03 02 Robotter i dag Robotter er økonomiske, sikre og enkle at betjene. S 04 03 Robotter sikrer arbejdspladser Øget produktivitet sikrer arbejdspladser. S 07 04 05 Case: Næsten ubemandet produktion af KR QUANTEC-komponenter 10 % forøgelse af produktiviteten takket være robotbaseret ilægning Quick-Check Kan du drage fordel af robotter i din produktion? S 09 S 11 06 KUKA Roboter GmbH En af verdens førende leverandører af industrirobotter. S 12 KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 02
01 Automatisering med robotter Stigende kvalitetskrav, kortere leveringstider, faldende priser, øget konkurrence: Det er de udfordringer, værktøjs- og maskinproducenter bliver konfronteret med i dag. Findes der en fælles løsning på alt dette? Ofte ville det rigtige svar være automatisering med robotter: Robotter arbejder meget præcist. Selv i forbindelse med komplekse og tunge emner finder der næsten ingen fejlproduktion sted. De arbejder 24 timer i døgnet. Efter 24 timer er de ligeså effektive som i de første minutter. De sørger for bedre udnyttelse af maskinerne i næsten ubemandede og fuldautomatiske skift og sænker således lønomkostningerne pr. enhed. Robotter har derfor et enormt potentiale. Det udnyttes stadig alt for lidt i branchen. Men det er så småt begyndt at ændre sig. De ni største udfordringer for brugere af værktøjsmaskiner Stigende kvalitetskrav til emner, der skal bearbejdes Stigende betydning af kvalitet vs. pris Øget kompleksitet i forbindelse med de emner, der skal bearbejdes Stigende betydning af overholdelse af leveringsfrister vs. pris Øget national konkurrence Faldende priser for samme ydelser Større betydning af videregående arbejde (såsom montage) Stigende krav om stadig kortere leveringstider Faldende ordrevolumen/provenu for spåntagende bearbejdning 92% 60% 85% 58% 43% 65% 56% 88% 18% Branchestudie 2011: Fremtiden for spåntagende bearbejdning i Tyskland. (Deltagere i meningsmåling: 90) Robotter er blevet endnu mere rentable, effektive og simple. Uafhængige undersøgelser viser: Ofte udnyttes et betydeligt effektiviseringspotentiale ikke. Ved integration af robotter kunne 20 procent af alle værktøjsmaskiner anvendes mere fordelagtigt. Alligevel ligger automatiseringsraten kun på 1,5 procent. 1 Hvorfor er virksomhederne så tilbageholdende? På tværs af alle brancher mødes robotter stadig med forbehold, der for længst er overhalet af den tekniske udvikling. 1 IFR. World Robotics Report 2012 KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 03
De hyppigste argumenter mod robotter på værktøjsmaskiner: For dyre faktisk er de fleste investeringer i robotter imidlertid afskrevet inden for to år. For farlige faktisk har robotter med stor succes været anvendt i årevis også inden for områder med høje sikkerhedskrav. For komplicerede faktisk er det i mellemtiden blev meget let at programmere og betjene robotter. De følgende sider indeholder aktuelle informationer om rentabilitet, sikkerhed og komfort. Endvidere belyses automatiseringens betydning for arbejdspladserne. 02 Robotter i dag Robotter er økonomiske afskrivningstiden er kort, produktiviteten høj. Den konstant høje effektivitet gør robotter rentable: Et menneske arbejder ganske vist stadig hurtigere og mere præcist end en robot - men kun i de første 20 minutter. Derefter falder koncentrationen. En robot arbejder derimod videre med samme høje kvalitet i 24 timer, og det uden afbrydelse. Uden robotter opnår værktøjsmaskiner en udnyttelsesgrad på ca. 70 procent, med robotter næsten 100 procent. Robotter har nemlig ikke brug for pauser. Robotter vil aldrig kunne erstatte et menneske. Ved at kompensere for menneskets svagheder, sikrer de imidlertid produktionens rentabilitet og dermed også arbejdspladserne. Med robotter er flytning af produktionen til lande med lavere lønninger ikke længere interessant, idet automatisering med robotter er betydeligt mere effektivt, rentabelt og sikkert. Produktiv tid under tilstedeværelse 2 Arbejdstimer pr. år 99,995 % 63 % - 84 % 0,005 % Fravær 3 Udnyttelse af værktøjsmaskinen 4 8.760 3,3 % 100% 1.760 70% Robot Menneske 2 GEO/ /årets fabrik i 2010 (tyske maskinoperatørers produktivitet under tilstedeværelsestiden) 3 DAK Gesundheitsreport 2011 (gennemsnitligt fravær på grund af sygdom) 4 Undersøgelse foretaget hos en stor tysk bilproducent på flere 100 robotter (robotten er fraværende for hver 40.000 timer, og gennemsnitligt kun i 2 timer) KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 04
Investeringsomkostningerne for en værktøjsmaskine kan let blive fordoblet på grund af en robotcelle. Det er imidlertid afskrivningstiden, der tæller. Og den ligger ofte under to år også i forbindelse med et bredt emnespektrum. Hvad kan robotter udføre i dag. Robotter ilægger hurtigt og præcist råkomponenter i værktøjsmaskiner og udtager efterfølgende de bearbejdede dele. Men hvad laver de, mens maskinen udfører den egentlige bearbejdning? Jo længere disse dødtider varer, desto vigtigere bliver yderligere aktiviteter såsom: Afgratning Ilægning og Udtagning Værktøjsskift Påskrift Rengøring Sortering Robotter er sikre de finder anvendelse inden for områder med høje sikkerhedskrav. Forbehold mod anvendelse af robotter på grund af sikkerheden er udryddet for mange år siden. Det har man for længst indset i mange brancher med høje sikkerhedskrav. Således anvendes KUKA-robotter med største selvfølgelighed i dag til patienttransport på operationsstuen. Og KUKA Robocoaster er den første robot med TÜV-certificering iht. EN 13814 (DIN 4112), der er godkendt til passagerdrift. Dens strukturkomponenter og gear er 100 procent certificerede. Sikkerhedsfunktioner inden for industrien. Der er udviklet separate sikkerhedsfunktioner til industriel anvendelse af robotter. Således sørger KUKA.SafeOperation for begrænsning og overvågning af arbejds- og beskyttelsesområder. Og den sikre driftsform muliggør et ufarligt og gnidningsløst samarbejde mellem menneske og maskine. Kontrolleret beskyttelsesområde med KUKA.SafeOperation Kontrolleret iht ISO 13849-1 (Performance-Level D Kategorie 3) KUKA.SafeOperation oprettes der arbejds- og beskyttelsesområder til sikker anvendelse af robotter. Soft- og hardwarepakken understøtter en sikre kooperation mellem menneske og maskine. Takket være kontrolfunktionerne er der ikke behov for mekanisk akseområdeovervågning på robotten. Alle funktioner lader sig let konfigurere. Rumlig og rumuafhængig hastigheds- og accelerationsovervågning Melding om aktuel robotposition Cellekonfiguration Oprettelse af overvågningsrum, beskyttelseshegn og meldeudgange Reduceret pladsbehov Sikkert driftsstop KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 05
Robotter er ukomplicerede. Unødige udgifter til projektering, programmering og styring kan i dag undgås. Ved hjælp af følgende fire eksempler viser vi, hvordan der kan udarbejdes en løsning, der er let at projektere, programmere og styre. Er det let at lære programmeringssproget til robotter? Hver producent programmerer sin robot med sit eget sprog. I den forbindelse gælder: Jo lettere dette sprog kan læres, desto lavere uddannelsesudgifter for kunden. Programmeringssproget til KUKA-robotter KUKA Robot Language KRL kan læres på få dage. Til dette formål findes der 30 uddannelsescentre i hele verden. Alternativt tilbyder KUKA også løsninger, som ikke kræver kendskab til et specifikt robotsprog. Hvor langt er man kommet med integrering af robot og maskine? KUKA og Siemens tilbyder en fælles brugergrænseflade for robot og værktøjsmaskine. Via CNC-grænsefladen kan der frit omskiftes mellem robot- og maskinstyring. På den måde er det muligt at betjene hele anlægget via værktøjsmaskinens betjeningspanel, i samme sprog for både robot og maskine. De to komponenter vokser i stigende grad sammen til et bearbejdningscenter. Det er i dag muligt at betjene robot og værktøjsmaskine komfortabelt via en fælles grænseflade på en terminal. Fælles omgivelser for integrator og slutbruger: Med mxautomation erdet muligt at programmere og betjene værktøjsmaskinen og robotten via samme softwaretools. Alle robottens bevægelsesforløb lader sig programmere i Sinumerik-styringen; projekteringen udføres i et Siemens-S7-miljø. Der kræves ikke længere særligt kendskab til robotprogrammering og -betjening. Forskellen mellem maskin- og robotstyringen i baggrunden bemærkes stort set ikke længere af operatøren. For kunder med know-how i projektering og programmering af PLC-styringer. Til projektering er et basiskendskab til robotteknik fuldt ud tilstrækkeligt. Modulbibliotek til planlægning af robotbevægelser og -forløb inklusive aktivering af komponenter såsom gribere og beskyttelsesdøre. Komfortabel betjening via betjeningspanelet Siemens 840D sl. KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 06
Hvor konsistent er udviklingsmiljøet? Omkostningerne til programmering af robotcellen kan reduceres betydeligt over hele softwarecyklussen ved hjælp af et udviklingsmiljø med konsistent databasis og ensartet brugerguide. KUKA.WorkVisual udgør et sådant miljø. 3D-cellelayout og 3D-programmering Komfortabel betjening såsom Copy & Paste eller Drag & Drop Logik-kontrol Sammenligning af online- og offline-omgivelser Hvor effektiv og brugervenlig er softwaren? Valg af software har stor betydning for, om programmeringen og styringen af robotten og værktøjsmaskinen er enkel eller kompliceret. Det er på nuværende tidspunkt kun KUKA, der tilbyder software-pakker, der muliggør en integreret programmering og styring af robotten og værktøjsmaskinen: KUKA.CNC og mxautomation. Takket være KUKA.CNC og mxautomation kræves der ikke længere kendskab til et specifikt robotsprog. KUKA.CNC gør CNC-programmer tilgængelige til robotstyringen. Robotten programmeres direkte via en CAD/CAM-kæde. Robotter kan færdigprogrammeres i G-code. Programmer kan oprettes og ændres direkte på styringen i ISO-code. Ud over ilægning og udtagning kan opgaver som afgratning, boring og fræsning programmeres. Betjening af robotten sker via masker, som enhver CNC-maskinoperatør straks er fortrolig med. Simpel omskiftning mellem robotstyring og CNC-bearbejdning. 03 Robotter sikrer arbejdspladser Øget produktivitet sikrer arbejdspladser. Går arbejdspladser tabt på grund af robotter? Umiddelbart ser det sådan ud. Robotter overtager rent faktisk mange opgaver, der udføres af mennesker. Men ved nærmere betragtning bliver det tydeligt: Idet robotter øger produktionens rentabilitet, er de i høj grad med til at sikre arbejdspladser. Robotter overtager monotont, anstrengende og snavset arbejde. Robotter overtager arbejde, der ellers skulle udføres af mennesker. Derudover er der ofte tale om arbejde, som arbejdsgiveren ikke kan finde arbejdskraft til at udføre. Ingen ønsker jo at udføre et monotont, fysisk hårdt eller snavset arbejde. KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 07
Robotter gør produktionssteder med højt lønniveau konkurrencedygtige. Ja, arbejdspladser går tabt på grund af robotter men kun hvis arbejdsgiverne var tvunget til at flytte deres produktion til lande med lavere lønniveau, fordi de ikke anvender robotter. Mange ordrer kan kun afvikles rentabelt, hvis lønomkostningerne pr. enhed er lave. Så findes der kun tre muligheder: For det første at afvise ordren. Derved opnår medarbejderne ingen fordele de er fortsat uden arbejde. For det andet at flytte produktionen til et land med lave lønomkostninger. Også her står medarbejderne i den hjemlige fabrik som tabere. For det tredje at udføre ordrerne i kooperation med robotter og mennesker. Derved tjener virksomheden penge, og arbejdspladserne i den hjemlige fabrik er sikrede. Hvorfor kan det ikke betale sig at flytte produktionen? At flytte produktionen til udlandet for at spare lønomkostninger er ikke kun en risikabel beslutning set fra arbejdstagernes og kundernes synspunkt. Ulemperne for virksomheden er også enorme: Lange logistikkæder medfører leveringsvanskeligheder. Kvaliteten lader sig kun vanskeligt kontrollere eller er forbundet med store omkostninger; der er behov for mange tidskrævende og dyre rejser. Endvidere er der på grund af den store afstand ingen garanti for medarbejdernes loyalitet, og risikoen for industrispionage er stor. Ofte viser det sig, at omkostningerne ved flytning af produktionen mere end udligner spareeffekten. Alternativet til outsourcing, afskedigelser og fabrikslukninger. Robotten er med til at bevare arbejdspladser der, hvor de fleste spåntagende virksomheder og brugere af værktøjsmaskiner helst vil have deres medarbejdere: i den hjemlige fabrik. Der er også brug for mennesker ved automatiserede bearbejdningscentre. Imidlertid ændres deres arbejde: det bliver mere interessant og lukrativt. I kooperation med robotter kan mennesker afvikle langt flere ordrer. Og ordrerne findes: den globale arbejdsvolumen stiger. Mange af disse ordre er imidlertid ikke rentable medmindre de overtages af robotter. De afvikler dem om natten i den stort set ubemandede virksomhed. Næste dag pakkes og sendes de færdige produkter af medarbejderne. Derefter er der god tid til at kvalificere sig til betjeningen af robotter. Det er alt andet lige mere spændende end at dreje det samme håndtag 320 gange om dagen. Rentabel insourcing takket være automatisering Fordele for virksomheden Kort logistikkæde Hjemlig produktion Lavere rejseomkostninger Enkle og omkostningslette kvalitetskontroller, der kan afvikles på sikker vis Høj grad af loyalitet og produktivitet hos medarbejderne Fordele for medarbejderne Monotont, anstrengende og snavset arbejde bortfalder Viderekvalificering Sikring af arbejdspladserne KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 08
04 Case: Næsten ubemandet produktion af KR QUANTEC-komponenter KUKA har automatiseret fremstillingen af komponenter til robotter i den kompakte KR QUANTEC-serie. Produktiviteten steg med ti procent, investeringen var afskrevet inden for 2,6 år eller endnu hurtigere. KUKA anvender selv robotter til fremstilling af industrirobotter. Således blev der i april 2012 indviet et bearbejdningscenter fra Burkhardt & Weber til spåntagende fremstilling i Augsburg. Her bearbejdes komponenter til KR QUANTEC-robotserien. Robotten bearbejder på skift svingen og karrusellen på to versioner af den kompakte KUKA KR QUANTEC-serie. Den ilægger de op til 1,5 meter lange emner i værktøjsmaskinen og udtager disse fra maskinen. Indimellem overtager den efterfølgende arbejdsopgaver. Værktøjsmaskine. MCX 900 fra Burkhardt & Weber Fertigungssysteme GmbH i Reutlingen udstyret med en dobbelt palleveksler. En palle er udstyret med opspændingsanordningerne til svingen, den anden med de pågældende anordninger til karrusellen. Robot. KUKA Roboter KR 500 L480-3MT. Takket være sit store arbejdsrum og armforlængeren når robotten uden problemer materialemagasinerne og griberterminalen. Robotstyring. Robotten justeres, programmeres og styres med softwaren KUKA.CNC. Dermed kan alle robottens bevægelser programmeres i G-code. Der er ikke behov for en oversættelse af maskinprogrammer til robotsprog. Operatørerne styrer robotten via den samme grænseflade, som de kender fra betjeningen af værktøjsmaskinen. KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 09
De to materialeilæggere er udført som drejeborde og kan hver især optage otte dele. Værktøjsskiftsystemet WWR1200 fra firmaet sommer-automatic i Ettlingen er udstyret med to gribere og en bearbejdningsspindel fra pakken KUKA.Milling. Robotten udfører ilægningen og overtager fem efterfølgende arbejdsopgaver med mulighed for flere. Mens et emne bearbejdes i maskinen, kører den anden palle helt ud af maskinen og kan forsynes med et nyt emne. Under ilægningen og udtagningen er robotten forsynet med en håndteringsgriber. I bearbejdnings-mode udskiftes griberen med en bearbejdningsspindel. Med den henter den det nødvendige værktøj fra værktøjsmagasinet. Der står fem forskellige former for børster og afgratningsværktøj til rådighed. I værktøjsterminalen er der plads til yderligere fem stykker værktøj og dermed til yderligere arbejdsopgaver. Den fysiske belastning af kroppen i forbindelse med den præcise justering af emnet bortfalder. Der kan årligt bearbejdes 300 komponenter mere end tidligere 01 >> 02 << 03 >> 04 << Virksomheden er stort set uden bemanding; natholdsarbejdet er fuldstændigt automatiseret. Det dyre opspændingsudstyr kan ikke længere blive beskadiget af kranen i forbindelse med ilægning og udtagning. Opspænding på to i stedet for indtil 15 minutter. Tidligere måtte operatøren placere de tunge emner manuelt på opspændingsbordet ved hjælp af en kran, og med besvær sætte disse direkte i maskinens anordninger. I dag placerer operatøren delene i de enkelt udformede holdere på robottens materialeilægger. Derved falder tidsforbruget i forbindelse med opspænding af emnerne betydeligt: Hvad der tidligere tog operatøren op til 15 minutter, klarer robotten på to minutter. Investeringen er afskrevet inden for 2,6 år. Eller endnu hurtigere. Idet dødtider forventes udnyttet endnu bedre ved at overføre yderligere opgaver fra værktøjsmaskinen til robotten. Eksempler herpå er boreopgaver på svingen og karrusellen. På den måde bliver robotten endnu mere rentabel. KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 10
05 Quick-Check: Kan du drage fordel af robotter i din produktion? Automatiseringsgraden af værktøjsmaskiner vil stige. Ikke mange inden for branchen er klar over, hvor hurtigt investeringsomkostningerne til robotter inden for værktøjs- og maskinfremstilling kan afskrives, hvor pålideligt robotterne arbejder og hvor let de lader sig programmere og styre. Men resonansen er enorm, uanset hvor fordelene ved automatisering præsenteres. Beslutningskriterier. På 20 procent af alle værktøjsmaskiner kan der drages fordel af en automatisering. Gælder det også maskinerne i din egen spåntagende virksomhed? Følgende kriterier giver et fingerpeg herom. bekræftende delvist bekræftende ikke bekræftende Føler du dig presset til at øge produktiviteten? Forventer dine kunder høj kvalitet og præcision i bearbejdningsarbejdet? Er de emner, der skal bearbejdes, meget komplekse? Er det vigtigt for din virksomhed at kunne forkorte leveringstiderne? Anser du dine lønomkostninger pr. enhed for at være for høje? Ønsker du at befri dine operatører for ubehageligt arbejde? Ønsker du at øge spindlens produktionstid? Er din fejlproduktion for stor? Ønsker du at øge den fejlfrie håndtering af værktøjsdele og reducere fejlproduktionen? Ønsker du at afvikle yderligere skiftehold uden at øge personaleomkostningerne? Er dine emnebuffere mellem skifteholdene for stor/for dyr? Ønsker du at gøre dine arbejdspladser mere attraktive? Har du svaret bekræftende eller delvist bekræftende til mere end halvdelen af disse spørgsmål? Så betaler det sig at se nærmere på omkostninger og fordele ved en robotautomatisering også ved mindre batchstørrelser. En specialist fra KUKA rådgiver gerne om de ting, der skal tages højde for i din konkrete situation, i en individuel samtale. KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 11
06 KUKA Roboter GmbH Robotsystemer til spåntagende virksomheder og brugere af værktøjsmaskiner. KUKA er leverandør af alle vigtige komponenter til automatisering af værktøjsmaskiner, fra robotter og styringer til funktions- og teknologipakker. KUKA Roboter & Controller Consulting & Engineering KUKA College Technical Support KUKA Refurbishment KUKA Roboter GmbH med hovedkontor i Augsburg er en virksomhed i KUKA Aktiengesellschaft og anses for at være en verdens førende udbydere af industrirobotter. Hovedkompetencerne ligger inden for udvikling og produktion samt salg af industrirobotter, styringer og software. Virksomheden er markedsførende i Tyskland og Europa og nummer to på verdensplan. KUKA Roboter GmbH beskæftiger ca. 464 medarbejdere i hele verden. I 2013var omsætningen 745,1 mio. euro. Med sine 26 filialer er virksomheden repræsenteret på de vigtigste markeder i Europa, Amerika og Asien. Forfatter Andreas Schuhbauer Key Technology Management WZM KUKA Roboter GmbH Hery Park 3000 86368 Gersthofen Telefon:: +49 821 4533 2812 Mobil: +49 173 380 2366 AndreasSchuhbauer@kuka-roboter.de www.kuka-robotics.com Kontakt KUKA Nordic AB A Odhners Gata 15 SE-421 30 Västra Frölunda Sweden Telefon: +45 49 70 80 00 Fax: + 46 31 726 62 01 www.kuka.dk info@kuka.dk KUKA White Paper Automatisering af værktøjsmaskiner S 12