Nye fleksible montasjeprosesser Raufoss Couplings

Presentasjon om: "Nye fleksible montasjeprosesser Raufoss Couplings"— Utskrift av presentasjonen:

1 Nye fleksible montasjeprosesser Raufoss Couplings
Mitt navn er Sebastian Dransfeld. Jeg var stipendiat under P2005, og håper på å disputere snart. En del av oppgaven har vært å jobbe sammen med Raufoss Couplings for å se på fleksible montasjeprosesser og hvilke utfordringer det gir. Raufoss Couplings lager bremserørskoblinger til lastebiler osv. Dette er relativt små produkter som må lages med høy hastighet og som finnes mange små variasjoner. Sebastian Dransfeld

2 Tradisjonell automatisert montasje
Beregnet for stort volum Bruker faste transportmekanismer Monterer ett og ett produkt Spesialtilpasset til produktet Rask takttid, under 2 sekunder per operasjon Automatisert montasje av storvolumprodukter har vært i industriell bruk i mange tiår. Denne teknikken er kjennetegnet ved: Faste produkttransportmekanismer som forflytter ett og ett produkt fra arbeidsstasjon til arbeidsstasjon Ved hver arbeidsstasjon monteres én komponent for hver arbeidstakt, så forflyttes produktet til neste stasjon Hver komponent har sitt dedikerte matersystem Slike montasjesystemer kan gi lav takttid, under 2s. pr operasjon Hvert system er spesialtilpasset til ett produkt Utgangpunktet for det arbeidet som beskrives her er å utvikle gode alternativer til den tradisjonelle automatiserte montasjeteknikken. Den tradisjonelle montasjeteknikken har en del kjennetegn som gjør den effektiv, men lite fleksibel. Det er lagt stor vekt på å utvikle mekaniske systemer som kan utføre svært spesialiserte operasjoner meget hurtig. Disse operasjonene blir hver for seg optimalisert for sin oppgave som er å montere en spesifikk komponent. Transporten mellom operasjoner utføres oftest av et ”stivt” mekanisk system som ikke tillater alternative transportbaner og som beveger alle produkter synkront. For å oppnå effektiv mating av komponentene på hvert operasjonssted bygges det spesialtilpassede matere for hver enkel komponent Et godt tilpasset og fintrimmet montasjesystem kan oppnå meget kort takttid, dvs. høyt produksjonsvolum pr. time. Men systemet vil koste mye

3 Problemer med tradisjonelle systemer
Lite fleksibelt Faste koblinger gjør at den tregeste bestemmer takten Endring av komponenter krever fysisk endring av matere og montasjeutstyr Ved endring av montasjerekkefølge må alt redesignes Derfor – stort behov for fleksible montasjesystemer! Tilpassing til høyvolumproduksjon gjør systemet svært u-fleksibelt Hvis det varierer hvem som er tregest vil stasjoner ofte stå å vente Transportsystemet gjør at en forsinkelse i en operasjon forsinker alle operasjoner Skal en komponent endres må det som oftest bygges en ny mater for denne Skal rekkefølgen av montasjeoperasjoner endres må det bygges et helt nytt system Skal et system bygges om så må også hver enkelt montasjeenhet bygges om fordi de også er tilpasset sin spesielle operasjon Derfor – er behovet for fleksible montasjesystemer stort! Alle svakhetene ved tradisjonelle automatiske montasjesystemer gjør dem uøkonomiske og lite egnet ved svært mange av de produksjonsvolumene vi finner i norsk industri.

4 Hva betyr fleksibel montasje?
Rask omstilling Lite spesialutstyr Takle et stort produktspekter Noen viktige moment med fleksibel produksjon er: Det skal ta kort tid å sette opp produksjonsutstyret Hvis et anlegg kun skal produsere i 2 år kan vi ikke bruke 1 år på å sette det opp. Da trenger vi 50% mer utstyr og 50% mer plass en nødvendig! Rask omstilling ved produktendringer Dette er en variant av forrige punkt. Hvis vi har utstyr stående, og endrer produktet så skal det samme utstyret fint fortsette å produsere uten lang omstillingstid. Det skal ta kort tid å trimme prosessen, slik at vi får en høy takttid Ved kort levetid for anlegget kan vi ikke bruke hele levetiden på å få en akseptabel takttid. Systemet skal settes opp, settes i gang, og så produsere. Så kan tiden brukes til å finne på noe lurt til neste oppgraderingssyklus. Det skal ta kort tid å få en akseptabel feilrate og feilgjenkjenning Det beste er selvsagt å produsere uten feil, men det er viktigere at det ikke blir sendt produkter med feil til kundene. Tunge ting skal ikke måtte endres, lette ting kan endres. Gripere og robotstyring er kjapt å endre, å flytte en 50 kilos mater er mye vanskeligere.

5 Roboter og fleksible matere
Enkle å sette opp Enkle å programmere Kan ta forskjellige deler To hovedelementer i montasje er matere og håndteringsinnretninger. For å få fleksibilitet bør en robot brukes til å håndtere. Fordelen med roboter i forhold til stive mekaniske enheter er at de enkelt kan programmeres til å gå i en ny bane og de kan bevege seg godt rundt i rommet. Hvis det brukes mekaniske enheter med endestopp vil alle små endringer av produkter føre til fysiske endringer på utstyr, ikke bare en endret parameter i et program. For å være fleksibel er det også nødvendig med verktøyskiftesystemer og muligheten for enkelt å kunne dirigere roboten til forskjellige punkter. En fleksibel mater er en mater som kan føre frem forskjellige deler og presentere de for et plukkesystem uten at det er nødvendig med fysiske endringer. Siden det skal være mulig å føre frem relativt tilfeldige deler er det ikke mulig å bygge inn veldig mange styreinnretninger, derfor er det nødvendig å bygge inn sensorer som klarer å gjenkjenne type deler og hvor de ligger. Den vanligste løsningen er å bruke et visionsystem for å finne deler og gi posisjonsinformasjon til plukkesystemet. Her ser vi at bruk av robot er veldig praktisk i forhold til fleksible matere, siden vi på forhånd ikke har noen informasjon om hvor delene befinner seg hen. Vi har en ramme som vi vet at roboten kan posisjonere seg innenfor. Vi får et tilfeldig punkt innenfor denne rammen, og sender dette til robotkontrollen. Her er det nevnt to av de viktigste elementene som er nødvendig for produksjon. Matere og håndteringsutstyr. Begge deler må alltid være tilstede, og de bør kunne gjøre jobben sin nesten uavhengig av hva som skal produseres! Det utstyret som skal gjøre jobben må være lite og lett å bytte ut.

6 Utstyr To båndmatere med vision Scara robot Transportbånd
I samarbeide med Raufoss Couplings har vi satt opp utstyr her på NTNU for å teste forskjellige løsninger innen fleksibel montasje. Med to matere, en robot, et transportbånd og et stativ med forskjellige gripere har vi bygd opp en robotcelle som klarer å sette sammen et produkt som krever 6 operasjoner og 5 verktøy. Griperne er det eneste som er spesialdesignet. Produktet er heldigvis et som passer for fleksibel montasje, da hoveddelene kommer på pallett og det kun er o-ringer som skal plukkes fra matere. O-ringer er veldig enkle å plukke opp ved hjelp av vision, siden de ligger i ro, er flate og rotasjonssymmetriske. I tidligere forsøk så er små messingdeler matet med de materne vi har brukt, så det er mulig å mate vanskeligere deler enn o-ringer. Det er også mulig å bytte ut transportbåndet med et ruglete, så deler som ruller kan mates. De fleksible materne vi har er levert av adept, og heter flexfeeder. I tillegg finnes det minst to andre selskaper som leverer lignende utstyr, flexfactory og RPM FlexFeeders. Disse og andre produsenter av fleksible innretninger leverer ferdig sammensatte plukkere og matere med vision, tilpasset forskjellige behov. Små deler, store deler, deler som skal ha høy matehastighet, deler som ruller osv. To båndmatere med vision Scara robot Transportbånd

7 Utfordringer Tidsvariasjon Kvalitet
Det er to store utfordringer når fleksibelt produksjonsutstyr innføres. Den første utfordringen er tidsvariasjoner. Fleksibelt utstyr har ikke statiske tider. Det vil ofte være mange kilder som fører til at operasjoner ikke tar like lang tid hver gang, og dette må det tas høyde for. Paletter og buffer er gode hjelpemidler for å ta inn svingninger. I robotcellen som ble brukt varierte tiden det tok for å få matet frem deler, og tiden vision systemet brukte for å analysere bilder. Dette er to variabler som det er veldig vanskelig å fjerne. Det er ingen grunn til å fjerne de heller, bare ta høyde for at de er der. En annen viktig bidragsyter til tidsproblemer er verktøyskifte. Det tar ca. 5 sekunder å bytte et verktøy, og det passer ikke godt sammen med en ønsket takttid på 2 sekunder. Vi har valgt å kjøre 14 deler på en palett, så da blir det bare 0.3 sekunder per del i verktøyskifte. Den andre store utfordringen er kvalitet. Utstyr som er spesialdesignet for et produkt er ganske greit å designe til å gjøre en operasjon riktig hver gang. Utstyr som er laget for å takle et større spekter av produkter med varierende mål og utforming vil aldri kunne gjøre en like bra jobb. Det som må til for å ordne dette er god kvalitetskontroll. God kvalitetskontroll er ikke bare kontroll som avdekker feil, men kontroll som gjør det mulig å rette opp feilen uten at det går for mye utover produksjonen.

8 Tidsmåling - overordnet
For å få kontroll over variasjonene som vi visste ville oppstå i robotcellen satte vi opp et system for å logge tider som forskjellige deler av montasjen tar. Denne grafen viser hvor lang tid de seks forskjellige delene av montasjen tar. Den gule søylen viser total produksjonstid, fra roboten begynner å gjøre noe til den er ferdig. Den røde søylen viser når roboten ikke har gjort noe, den sto i ro og ventet. Den grønne søylen er tid roboten eller montasjeutstyret var i drift. Siden vi bare har en robot går alt helt sekvensielt, så det er relativt enkelt å skille ut de forskjellige komponentene. En slik gjennomsnittsgraf over de forskjellige delene av montasjen viser fort hvor det er nødvendig å gjøre forbedringer. For denne robotcellen var problemet å øke hastigheten på mating av o-ringer.

9 Tidsmåling - detaljer Her er resultatet etter at materne er satt opp bedre. Dette er resultatet av 28 ringer som er plukket. Som dere ser er ventetiden nesten borte, men takttiden varierer voldsomt. Denne variasjonen er nesten umulig å få bort. Resultatet blir da at det er helt nødvendig å bruke palett eller buffer for å hente inn variasjonene. I snitt ligger nemlig monstasjetiden godt under kravet.

10 Tidsmåling - oppsummering
Bedre innsikt i prosessene Kvantifisering og eliminering av ventetid Linjebalansering, bufferdesign og trimming Redusert utviklingstid for nye montasjeløsninger De fordelene vi kan trekke frem av disse studiene er at tidsmåling: Gir oss bedre innsikt i prosessene Vi kan kvantifisere og eliminere ventetid Tidsmålingene gir nødvendig informasjon som er nødvendig for linjebalansering, bufferdesign og trimming Vi kan redusert utviklingstid for nye montasjeløsninger, ved å finne de viktige fokusområdene Og det hele har vært veldig enkelt! Det som jeg har brukt er en standard PC med en fritt tilgjengelig database. Denne har lest hendelser med verdi og tidspunkt og lagret disse. Analysene er deretter gjort delvis i databasen, og delvis i excel. Selve oppsettet av PC med database og programmering tok 1 dag. Brukte litt mer tid for å finjustere, men den tiden vil jeg ikke trenge for å gjøre arbeidet igjen. For at dette skulle være mulig med en standard PC var det nødvendig at styringen hadde ethernet, som adept heldigvis leverer som standard. I styringen var jobben minimal. Det ble lagt inn logiske signaler som ble slått på i starten og av i slutten av hver sekvens. Signalene ble registrert i et loggesystem som tok seg av å sende signalene over til datamaskinen. Slik funksjonalitet er standard i nye styringer og PLSer.

11 Kraftmåling - hvorfor Gir innblikk i det som skjer under prosessen
For å teste kvaliteten til forskjellige operasjoner har vi valgt å bruke en kraftmåler. I den montasjen vi har satt opp er det flere sammenpresningsoperasjoner. Disse er avhengige av at det ikke er for store krefter for å fungere bra, samtidig som vi vet at det oppstår krefter under montasjen. For slike prosesser kan det lønne seg å se på kreftene som oppstår. Gir innblikk i det som skjer under prosessen Rask responstid

12 Kraftmåling - kvalitetsmåling
Dette er kraftmåling fra en operasjon. Langs x-aksen er det tid, og langs y-aksen er det krefter i montasjeretning. Det som skal skje er at en o-ring skal presses inn i et spor. Som det tydelig kan sees, så er det stor forskjell på målingene. Enten er de rundt 0 fra 0,10 sekunder og utover, ellers så er de høye. Her har kraftmåling allerede vist seg dugelig. I det øyeblikket montasjen er gjort kan vi si om resultatet er bra eller ikke. Det er ikke nødvendig å bruke ekstra tid på dette. Hvis vi skulle kontrollert med vision hadde det vært nødvendig å flytte roboten bort fra montasjestedet, og vi ville mistet all mulighet for å korrigere dette. Så jeg har sett litt på mulighetene for å korrigere dette.

13 Kraftmåling og adaptiv montasje
Her er resultatet. Hvis vi slår flere ganger på en ring, så vil den smette på plass til slutt. Jeg implementerte en algoritme som gjorde noen enkle analyser på de målte kreftene. Hvis kreftene var for høye ble det utført et slag til. Som vi ser av grafen er alle 14 ringene på plass etter maks 5 slag. Fra x-aksen ser vi at en operasjon kan ta opptil 1.4 sekunder. Dette gir den enkle konklusjonen at en hel sekvens med plukking og montasje av ring ikke kan utføres i løpet av 2 sekunder, hvis vi trenger 5 slag. Så enten må vi begrense oss, eller bruke vår gamle venn paletten og fordelen av at de aller fleste montasjene tar kortere tid. Siden vi har adaptiv styring vil en del ringer være på plass på kortere tid en beregnet, og denne tiden kan brukes på de delene som er vanskelige og trenger lengre tid. Med kunnskapen om at det er mulig å få til en montasje med mange slag har vi mange valgmuligheter. Vi kan alltid bruke mange slag, og få dårlig takttid. Vi kan slå færre slag og risikere at deler som kunne blitt bra går til vrak. Eller vi kan bruke palett og adaptiv styring og få god takttid og mange gode deler. En annen mulighet er å se på problemet med hvorfor ringen ikke vil gå på plass på første slag. Siden det er en gummi ring så er det en mulighet for at den krøller seg, så det vil alltid være en mulighet for at noe uventet skjer. Så uansett vil det være fornuftig å ta høyde for at det ikke nødvendigvis går bra i første forsøk! Mens jeg jobbet med dette ble det nødvendig å sette nye punkter i robotprogrammet ganske ofte. Dette ble mye enklere etter at vi monterte opp kraftcellen. Først satte jeg roboten grovt i posisjon, før jeg justerte inn nøyaktig ved hjelp av kraftbildet. Dette gjorde jeg som en manuell operasjon, men det er selvsagt mulig å automatisere dette. Etter at punktene var satt opp kjørte jeg en runde uten deler for å sjekke at ingen av punktene ga for store krefter.

14 Kraftmåling - oppsummering
Bedre innsikt i prosessene, kraftbildet beskriver prosessen Kan benyttes til kvalitetskontroll Kan benyttes til adaptiv styring Kan brukes som programmeringshjelpemiddel De fordelene vi kan trekke frem av disse studiene er at kraftmåling: Gir oss et bedre innblikk i hva som skjer mens en operasjon pågår, vi gjør ikke bare en etterkontroll Vi kan bruke det til å kontrollere om kvaliteten på operasjonen er god. Vi kan bruke resultatene til adaptiv styring. Alle målinger kan brukes til adaptiv styring, men fordelen til kraftmålingen er at resultatet er tilgjengelig øyeblikkelig etter at operasjonen er utført, så vi har bedre tid til å gjøre noe Det kan brukes som et programmeringshjelpemiddel Når jeg satte opp robotprogrammet brukte jeg kraftmåleren for å sjekke de forskjellige posisjonene. Når det er snakk om hundredels millimeter så er det veldig vanskelig å se om roboten står rett i forhold til montasjestedet. Kraftmåleren var veldig nyttig til dette. I dette arbeidet var det ganske enkelt å logge kraftmålingene, fordi kraftmåleren er integrert i styringen. I andre sammenhenger har jeg brukt en ekstern kraftmåler som er enkel å koble opp mot en standard PC. Hvis styringen har ethernet så er det enkelt å så overføre informasjonen fra PC til styring.

15 Oppsummering Fleksibelmontasje gjør det mulig å produsere et helt produktspekter med en robotcelle! Men fleksibel montasje krever mer når det gjelder kontroll på prosess og utstyr! For å oppsummere: Bruk datafangst og analyser resultatene! Dette vil gi viktig informasjon om hva som må gjøres for å få ting til å fungere som det skal Start så tidlig som mulig. Informasjonen som samles inn er interessant fra dag 1. I alle faser av levetiden til et produksjonsanlegg vil datafangstsystemet gi interessant informasjon! Og hvis vi ønsker å bruke fleksible systemer så husk at de gir mange fordeler og muligheter, men de fører til variasjoner og de er mindre deterministiske. Ikke tving et fleksibelt system inn i et fast mønster, men unytt heller fleksibiliteten ved å bruke paletter og å ha bufre for å ta opp svingninger.

16 Spørsmål? Takk for meg! Og en takk til Lars Erik og Vidar som har vært flinke medhjelpere.