Los efectos desatendidos de la automatización en un taller de mecanizado CNC

Para los hermanos Young, la automatización del taller comenzó añadiendo un alimentador de barras a un centro de torneado CNC existente.

Esto pasó muy pronto, luego de que Gillen y Bob Young compraron Custom Tool de Cookeville, Tennessee en 2008. (Gillen es presidente; Bob es vicepresidente). El alimentador de barras, que permitió que un centro de torneado CNC de dos ejes operara de forma desatendida por largos periodos de tiempo durante los días con personal, representó un cambio significativo en la cultura del taller en comparación con la forma como era manejada antes la compañía. Es decir, automatizar una tarea manual no se contempló nunca, hasta el punto en que antes de la adquisición del negocio incluso los cheques de nómina aún eran escritos a mano.

Hoy, se han implementado varios ejemplos de automatización y el taller de 13 personas se ha beneficiado de ellos de diferentes formas. Por ejemplo, pueden configurarse dos nuevos centros de torneado con eje Y, husillos secundarios y alimentados con barras, herramental vivo y recolectores de partes para operar en la noche, con la meta de mecanizar partes completas, a la vez que permite sacar mucho tiempo productivo de las 15.5 horas disponibles en las que el taller no tiene personal.

De hecho, el mecanizado sin luces sumó el 30 por ciento de las horas de producción totales del taller en 2017, y está avanzando para incrementar eso a 45 por ciento este año. Los empleados del taller, muchos de ellos ahora liberados de apenas cargar y descargar las máquinas, son más capaces de considerar y sugerir formas en que puedan mejorarse los procesos. A menudo, estas útiles sugerencias se han relacionado con automatizar tareas manuales existentes (tales como integrar el desbarbado de partes en el ciclo de mecanizado). Además, la nueva tecnología de inspección ha automatizado algunas rutinas de medición para múltiples partes que eran mecanizadas en la noche.

Custom Tool también ha automatizado recientemente la recolección de datos para su estrategia de planeación “registro de producción”, que estableció hace siete años. El registro de producción, que se ha vuelto la columna vertebral de su operación, revela cuán efectivas fueron las máquinas del taller durante un día en relación con los volúmenes de producción diarios esperados, y muestra cuánto “tiempo robado” se está guardando el taller. (Este es el apodo de los hermanos para la noche de 15.5 horas sin personal). También ayuda a identificar trabajos que tienen sentido para la producción nocturna, ya que el taller busca incrementar el porcentaje anual de mecanizado sin luces hasta 50 por ciento o más de su producción total. Como dice Bob, la cantidad de tiempo de mecanizado desatendido equivale a un segundo turno de personal con un costo mucho menor.

Después de la automatización alimentador de barras

Bob Young maneja las operaciones de sitio, mientras Gillen, quien también trabaja como arquitecto jefe de soluciones IoT para AT&T Consulting, está ubicado en Atlanta, Georgia (aunque él visita el taller con tanta frecuencia como el tiempo lo permite). Los dos decidieron comprar Contour Tool después de que Bob, quien antes trabajaba para un distribuidor de máquinas-herramienta, fuera abordado por los anteriores dueños buscando una salida por estar cerca de su retiro.

Inmediatamente, fue claro para los hermanos que era esencial tener cambios en la cultura de la compañía. Los dos comenzaron a trabajar en inculcar un pensamiento de mejora continua, con un ojo puesto en implementar automatización tanto como fuera posible. Debido al debilitamiento natural, ellos contrataron algunas personas nuevas, muchas de ellas relativamente jóvenes y sin experiencia, quienes estuvieron más abiertas a acoger tecnología avanzada, y más propensas a sugerir formas de agilizar los procesos.

Después de ver los beneficios del mecanizado desatendido con ese primer centro de torneado alimentado por barras y visualizando un momento en el que el mecanizado sin luces se volvería realidad, Custom Tool hizo una inversión más sustancial en 2012, añadiendo un Okuma LB3000 EX Spaceturn con eje Y y herramental vivo, un husillo secundario y un alimentador de barras Edge Technologies para permitir el mecanizado completo de algunas partes. El taller añadió otra máquina como esa en 2016 y una tercera que será entregada en enero de 2019.

Dicho esto, tomó tiempo lograr los beneficios del mecanizado sin luces. El taller tuvo que sentirse cómodo con el nuevo equipo y trabajar para validar potenciales operaciones de mecanizado nocturnas. Entonces comenzó a correr trabajos durante periodos cada vez más largos de tiempo en la noche, hasta que el taller tuvo total confianza en que ellos podían operar exitosamente durante la noche. Se consideraron varios elementos para establecer procesos desatendidos confiables; así, el taller ha aprendido un gran número de lecciones a lo largo del camino. Algunas de estas se relacionan con lo siguiente:

• Sistema de refrigerante. Las caídas inesperadas en la presión del refrigerante o la entrega interrumpida de refrigerante puede provocar que las herramientas se quiebren. Las máquinas que operan en la noche requieren más mantenimiento que aquellas que sólo operan un turno. Así, si un filtro de una bomba booster se verifica normalmente cada pocos días para una máquina que corre un solo turno, ese filtro ahora debe chequearse todos los días. Además, el segundo centro de torneado con eje Y de Custom Tool ofrece un controlador que envía una señal para parar la máquina si se detecta un problema con el sistema de refrigerante.
• Transportador de virutas. No todos los transportadores de virutas son iguales. El primer centro de torneado con eje Y de Custom tool tiene una unidad convencional, pero el segundo ofrece una unidad Hennig con dientes en la banda. Los hermanos Young dicen que esta transportadora retira más efectivamente virutas largas y fibrosas que se producen generalmente cuando se mecaniza aluminio, así que probablemente realizarán trabajos en aluminio durante la noche en esta máquina y no en la otra. Esto elimina la formación de “nidos de viruta”, lo que puede interferir con el sistema de recolección de partes.
• Recolección de partes. Inicialmente, la tolva de viruta también servía como recolector de partes. Ahora, cada centro de torneado tiene un recolector de partes integrado. El tamaño de los recolectores debe ser capaz de acomodar el volumen de producción nocturno. Si la capacidad es demasiado pequeña, entonces el número de partes grandes que pueden producirse durante la noche estará limitado. Además, el refrigerante sale con cada parte que se recolecta, así que se necesita algún medio para drenar el refrigerante fuera del recolector de partes y regresarlo al sumidero de la máquina.
• Alimentador de barras. Si las partes para un trabajo son de tamaño considerable, la capacidad de un alimentador de barras puede limitar cuántas partes pueden mecanizarse por la noche. De otro lado, si los tiempos de ciclo son muy rápidos, es posible consumir todo el material de la barra cargada, lo que significa que alguien tendrá que venir al taller a reabastecer material, de modo que la producción nocturna de partes no se reduzca. 
• Herramental redundante. La parte de un accesorio para combustible con dos tipos de rosca mostrado en la presentación de arriba fue el primer trabajo que Custom Tool alistó para correr en la noche usando herramientas redundantes. Cuando este trabajo se corría con un operador al lado, ese operador podía decir cuándo podía necesitarse un cambio de separación debido al desgaste de la herramienta. Sin embargo, el taller encontró que inicialmente podía correr ese trabajo sólo durante cuatro horas sin luces, porque era en ese punto en el cual se necesitaban ajustes de separación para las dos herramientas de roscado. Al reconocer esto, el taller comenzó a usar herramientas de roscado redundantes, realizando un cambio de herramienta en una determinada cuenta de parte, justo antes de que el desgaste de la herramienta se convirtiera en un problema. Aunque el taller no aprovecha toda la vida potencial de sus insertos para herramientas de roscado, el tiempo adicional que la máquina puede operar desatendida lo justifica.
• Monitoreo de carga. Ninguno de los centros de torneado tiene dispositivos de detección de quiebre de herramientas, pero tienen capacidad de monitorear la carga del husillo. Cuando la carga se va a cero, eso significa que se ha quebrado una herramienta. Los programas de parte se escriben de modo que la máquina se detiene en ese punto, en lugar de continuar ejecutando el trabajo y arriesgándose a quebrar herramientas subsecuentes.
• Capacidad de medición. Es genial cuando pueden mecanizarse cientos de partes en la noche, pero esa producción desatendida ha cambiado lo que algunos de los empleados de Custom Tool hacen para comenzar cada día. Debe asignarse tiempo para segregación de partes, inspección, evaluación de máquina y alistamiento para el siguiente trabajo. De hecho, la inspección de partes se volvió un cuello de botella cuando el taller implementó por primera vez la producción sin luces. Para agilizar las rutinas de inspección, Custom Tool añadió un sistema de medición de dimensiones por imagen Keyence serie IM, el cual puede medir automáticamente y registrar numerosas características externas de la parte en uno o más alistamientos de partes en el dispositivo. 

Registro automático de la producción

El registro de producción que Bob implementó en 2011 revela cuán productivas son las nueve máquinas CNC y una celda de soldadura robótica del taller, cada día, al comparar el trabajo diario planeado para cada una con la producción real lograda. También revela cuán efectivamente está haciendo uso el taller de las horas nocturnas disponibles.

Hasta hace poco, todos estos datos eran recolectados manualmente. Cada hora, los empleados como Quinten Gass o Tracy Cogdell registran los números de producción de parte para cada máquina e ingresan esos valores, junto con los códigos de estado de las máquinas en la hoja de datos en la que se registra la producción. Los códigos que el taller usa para el registro de producción se muestran en la Tabla 1 arriba. Ellos procuran maximizar los valores de los códigos 10 y 15, que representan el tiempo de producción durante el único turno de día del taller y el tiempo de producción desatendido nocturno, respectivamente.

Al comparar estos valores con la producción diaria esperada se muestra la verdadera utilización de máquina, dice Bob. Otros códigos, como aquellos para alistamiento, reproceso y tiempo de espera de material, herramientas o atención del operador, dan luz de cuánto toma con precisión completar un trabajo, aparte del tiempo real de mecanizado.

Se han configurado variables comunes para rastrear el estado de cada trabajo. El conteo de partes es manejado por código G y se incrementa en uno cada vez que se completa un ciclo de parte. Otras variables requieren entrada del operador. Estas incluyen objetivo de corrida (la máquina se pausará cuando el conteo de partes alcance ese valor), número de trabajo (este se lista en la etiqueta que viaja con el trabajo) y código del registro de producción (este se muestra cuando el estado de producción ha cambiado).

El registro de producción ayuda a identificar procesos que se prestan para la operación sin luces. Si una máquina que se alista para operar toda la noche no se está acercando a las 15.5 horas disponibles, entonces puede ser que ese trabajo no sea tan adecuado para correrse de forma nocturna. O, si una máquina corre toda la noche y otra corre la mitad de la noche, quizás tiene sentido mover el trabajo que corrió sólo media noche a una máquina diferente y reemplazarlo con trabajo de la otra máquina de operación más larga para lograr una utilización más alta. El registro de producción también sirve como una bitácora, porque se usa para documentar problemas tales como quiebre de la herramienta o mal funcionamiento del alimentador de barras que causó que las máquinas quedaran cortas en alcanzar los valores de producción objetivo.

Pronto, nadie necesitará visitar las máquinas cada hora para recolectar e ingresar los datos para el registro de producción. Esto es gracias a un sistema automatizado de reporte y recolección de datos que Gillen está desarrollando, el cual usa una plataforma basada en la web de Internet Industrial de las Cosas (IIoT) para jalar los datos de las máquinas que tienen agentes para el protocolo de comunicación de fuente abierta MTConnect, así como del software de planeación de recursos de empresa (ERP) Jobboss de la compañía. La plataforma es Devicewise for Factory de Telit, una compañía que ofrece módulos IIoT, software y servicios de conectividad.

Gillen dice que los beneficios de este sistema incluyen hacer interfaz con una amplia variedad de controladores y no necesitar programación personalizada para la recolección de datos. Se configura para jalar automáticamente todos los datos que antes eran recolectados manualmente de la máquina (conteo de partes, código de máquina y demás), así como datos ERP (número de trabajo, descripción del trabajo, fecha del pedido, cantidad de la orden, fecha de entrega, etc.), y los almacena en la nube. Los datos son accesibles a través de un tablero web. Entonces se pueden crear reportes para mostrar más gráficamente lo que antes estaba disponible en la hoja de cálculo del registro de producción.

El sistema ha estado recolectando datos cada 20 minutos desde principios de junio de 2018, sin perder una entrada de alguna máquina que estuviera operando. Tres centros de torneado y una fresadora están conectadas actualmente. Otra fresadora aún requiere que se instale un agente MTConnect antes de que pueda conectarse. Gillen dice que hay muchos productos buenos de monitoreo de máquina. Sin embargo, su experiencia técnica le permitió una oportunidad para explorar una solución interna que se enfoque en la información de negocio que el taller está más interesado en conocer. Él también siente que esta capacidad de recolección de datos puede llevar a un análisis mucho más avanzado, tal como atar el tiempo de corte a tipos específicos de herramientas de corte o insertos.

Custom Tool pronto estudiará añadir un agente MTConnect a su máquina más nueva, un centro de mecanizado vertical Bridgeport V480APC con cambiador de pallets. Esta máquina también representa otra nueva iniciativa de automatización para el taller: la carga robótica. Aunque la compañía tiene una celda de soldadura robótica, este será el primer robot que usen para carga de máquinas.

Lo que impresiona es que, aparte de obtener consejo de diferentes fuentes, el taller está diseñando y construyendo el sistema de carga robótica por su cuenta. En este caso, se usará para un trabajo dedicado: taladrar tubos de acero inoxidable en volúmenes que varían cerca de los 250.000 por año. Mucho del trabajo de diseño está siendo liderado por Clay Adcock, el gerente de manufactura de la compañía.

Sin embargo, la meta es crear otro sistema de carga robótica que pudiera ser desplegado a múltiples máquinas. Los hermanos Young dicen que la experiencia en el diseño y manufactura del sistema dedicado será valioso para el sistema más flexible.