Kontrola procesu produkcji warunkiem utrzymania konkurencyjnej pozycji firmy

Transkrypt

1 Kontrola procesu produkcji warunkiem utrzymania konkurencyjnej pozycji firmy W obliczu globalnej rywalizacji wielu producentów musi nieustannie analizować swoją pozycję i konkurencyjność na rynku poprzez szukanie możliwości obniżenia kosztów i zwiększenia zysków. W związku z tym przedstawiamy propozycję zmian sposobu kontroli procesów w celu podniesienia produktywności w czterech obszarach. Gdzie można znaleźć możliwości zwiększenia zysków? Na konkurencyjność przedsiębiorstwa składają się takie czynniki jak redukcja kosztów i wysoka jakość produktów lub usług. Dlatego, aby zwiększyć konkurencyjność, należy: uzyskać większą wydajność istniejących maszyn, zwiększyć stopień automatyzacji i obniżyć poziom wpływu ludzkich błędów, zredukować liczbę poprawek, części dopuszczonych warunkowo oraz braków, skrócić czas przygotowania produkcji, zwiększyć możliwości produkcyjne i zapewnić poprawę jakości produkowanych części. Osiągnięcie tych celów wymaga wszechstronnego podejścia do udoskonalenia procesu. Ulepszanie warto rozpocząć od eliminacji wpływu człowieka, ponieważ ludzki błąd jest w wielu fabrykach najczęstszym źródłem opóźnień oraz braku zgodności. To jednak nie wystarczy. Należy także zwrócić większą uwagę na środowisko pracy, obrabiarkę, przygotowanie operacji przed rozpoczęciem skrawania oraz kontrolę w trakcie produkcji. Artykuł ten przedstawia prosty model, który wyjaśnia źródła niezgodności w procesie produkcji oraz metody zapobiegania im poprzez efektywną kontrolę procesu. Odchudzenie procesu produkcji otwiera możliwości, ale... Techniki tzw. odchudzonej produkcji (lean manufacturing) pomagają producen- tom usprawnić pracę w fabrykach, eliminując marnotrawstwo, skracając czas przygotowań i minimalizując liczbę bieżących procesów. Są to poważne oszczędności, które można uzyskać, zwłaszcza gdy proces obróbki jest przewidywalny, powtarzalny i pozwala na produkcję zgodną z wymaganiami. W przeciwnym razie nie można wyeliminować wąskich gardeł, opóźnień i nieterminowych dostaw. Sposobem na uzyskanie przewidywalnej produktywności jest rozpoznanie podstawowych przyczyn zmienności w procesie produkcyjnym. Indywidualne podejście do każdego ze źródeł zmienności znacząco ułatwia kontrolę wyników procesu. Piramida Produktywności Procesu (The Productive Process Pyramid TM ) Koncepcja Piramidy Produktywności Procesu (rys. 1) zakłada istnienie czterech poziomów kontroli, które są od siebie zależne i z których każdy ma olbrzymi wpływ na poziom produktywności procesu. Począwszy od fundamentu: podstawę procesu stanowi zapewnienie stałych warunków, w których maszyna może wykonywać swoją pracę; jest to kontrola zapobiegawcza, której celem jest obniżenie liczby źródeł zmienności przed rozpoczęciem produkcji; na etapie przygotowania procesu rozpoznaje się przewidywalne źródła zmienności, takie jak położenie przedmiotu, wymiary i offsety narzędzi na obrabiarce, które mogą spowodować, że pierwsza seria produkcji nie będzie odpowiadać wymaganiom; trzeci poziom to kontrola podczas procesu obróbki; identyfikuje ona źródła zmienności, ściśle związane z obróbką, takie jak zużycie narzędzi i zmiany temperatury, dostarczając informacji pozwalającej na dostosowanie zmiany w trakcie procesu skrawania; najwyższy poziom to kontrola poprodukcyjna, w której zarówno proces, jak i produkt są sprawdzane pod względem swoich specyfikacji; część weryfikacji można wykonać na obrabiarce, ale większość zadań jest realizowana poza linią produkcyjną. Jeżeli celem są wysoka wydajność procesu oraz przewidywalna produktywność, wówczas należy skupić się na każdym z poziomów, począwszy od samej podstawy procesu. Na dole piramidy zadania są bardziej ogólne, dzięki czemu mogą być łatwo wprowadzane na szeroką skalę. Na kolejnych poziomach kontrola jest lepiej dostosowana do konkretnego procesu i tym samym zawęża się jej zakres. Dlatego zastosowanie metod kontroli dedykowanych do procesu produkcji ma sens tylko po rozwiązaniu podstawowych problemów ich zmienności. W przeciwnym razie zwrot z takiej inwestycji będzie niewspółmierny do nakładów. Podstawa procesu Kontrola w podstawowej warstwie piramidy skupia się na zwiększeniu stabilności środowiska, w którym realizowany jest proces. Kontrola zapobiegawcza eliminuje wpływ przyczyn zmienności na proces obróbki. Kontrola w warstwie podstawy procesu obejmuje: 62 M A J- C Z E R W I E C 2013

2 Rys. 1. Koncepcja Piramidy Produktywności Procesu pokazuje, jak każdy z poziomów kontroli wpływa na systematyczną redukcję zmienności w procesie obróbki Rys. 2. Wzorcowanie obrabiarki przy pomocy interferometru laserowego Projektowanie ukierunkowane na produkcję jest to podejście do tworzenia i wdrażania projektu zakładające szczegółowe zrozumienie aktualnego potencjału oraz potrzeb i dążenie do wykorzystania najlepszych praktyk, a nie wyważanie otwartych drzwi. Powinno ono skupiać się na optymalizacji oraz racjonalizacji gospodarki narzędziowej i standaryzacji parametrów obróbki. Efektem stanie się obniżenie poziomu zmienności pomiędzy kolejnymi procesami oraz uzyskanie daleko idących ulepszeń za każdym razem, gdy wprowadzana jest nowa metoda postępowania. Kontrolę czynników procesu zakładającą korzystanie z FMEA, tzw. analizę rodzajów i skutków błędów oraz innych technik, w celu zrozumienia i umożliwienia kontroli czynników, które mogą mieć wpływ na wyniki procesu obróbki. Może to zapewnić zgodność z zakładaną geometrią ostrza, elementami mocowania, zabezpieczeniem dostępu do programów obróbkowych i przygotowaniem półproduktu. Jeżeli warunki są zgodne z zakładanymi na początku procesu, wpłynie to pozytywnie na jego przebieg. Stabilność środowiska dotyczy tych zewnętrznych źródeł niezgodności, których nie można wyeliminować z wyprzedzeniem, a które są nieuniknione w środowisku produkcyjnym. Obejmuje: zmiany temperatury otoczenia, ciepło wytwarzane w trakcie obróbki, czystość maszyny i jej wyposażenia, żywotność narzędzi, a także nieoczekiwane zdarzenia, np. uszkodzenie narzędzia czy przerwanie dostawy prądu. Rozwiązaniem wielu tych problemów wpływających na zmienny poziom produktywności jest dyscyplina zarządzania produkcją. Zapewnienie optymalnego stanu obrabiarki jest niezbędnym i zasadniczym elementem procesu, ponieważ niedokładna maszyna nie może wytwarzać części odpowiadających wymaganiom. Wnikliwa ocena parametrów obrabiarki, wzorcowanie oraz (o ile jest to wymagane) modernizacja mogą poprawić parametry maszyny odpowiednio do wymagań procesu (rys. 2). Decyzje dotyczące bieżącej przydatności obrabiarki do produkcji lub ewentualnej konserwacji mogą być regularnie podejmowane w wyniku kontroli wykonywanej przez operatora. Podstawa procesu podnosi zyski poprzez: zwiększoną dostępność obrabiarki unikanie nieplanowanego czasu przestoju poprzez obserwację tendencji zmian parametrów obrabiarki zanim pojawią się problemy; wzrost wydajności procesu wyższa dokładność i powtarzalność pracy obrabiarek, w połączeniu z ograniczeniem wpływu czynników środowiskowych i procesowych, dają rezultat w postaci zmniejszenia zgodności rozrzutu wymiarów geometrycznych produkowanych części; gwarantowaną jakość liczba braków znacząco się zmniejsza; nacisk na działania proaktywne zwiększona stabilność procesu produkcji oznacza mniej czasu potrzebnego na rozwiązywanie naglących problemów, a pozostawia więcej na tworzenie długofalowych rozwiązań. Powyżej wymienione czynniki stanowią bazę do zwiększenia automatyzacji procesu. Przygotowanie procesu Drugi poziom piramidy określa warunki uzyskania gotowości obrabiarki do pracy. Kontrola, która opiera się na przewidywaniu, ma za zadanie zapobiegać źródłom błędów w ustawieniach obrabiarki, przedmiotu, narzędzia i sondy. W różnym stopniu mają one wpływ na do- M A J- C Z E R W I E C 2013

3 kładność produkowanych elementów. Korzystając z ustabilizowania wpływu otoczenia uzyskanego na etapie tworzenia podstawy procesu, kontrola w zakresie przygotowania procesu pomaga wyeliminować błędy dzięki zautomatyzowaniu czynności manualnych. Kontrola na etapie przygotowania procesu obejmuje: Często pomijane sprawdzenie geometrii obrabiarki, które polega na ustaleniu związku pomiędzy kluczowymi elementami ruchomymi obrabiarki (np. wrzecionem i łożem obrabiarki). Powszechnie znany jest wpływ zmian temperatury na te związki, nawet w najbardziej stabilnych warunkach. Niepoprawione błędy geometrii obrabiarki mogą być dominującym czynnikiem niezgodności i wydłużyć czas ustawiania, ponieważ ich efekty można łatwo pomylić z efektami charakterystycznymi dla innych źródeł zmienności procesu. Pozytywne jest to, że błędy takie można sprawdzić i wyeliminować przez prostą kontrolę wykonaną sondą na obrabiarce (rys. 3). Kalibrację sondy, czyli proces wyznaczania efektywnej długości i średnicy końcówki pomiarowej w celu uśrednienia błędów lokalizacji punktów styku. Zazwyczaj kalibrację wykonuje się za pomocą elementu wzorcowego, np. pierścienia lub kuli wzorcowej. Jeśli kalibracja sondy jest regularna (zazwyczaj cotygodniowa), to zapewni ona wysoką dokładność. Ustawianie przedmiotu jest procesem, w którym ustalane jest jego położenie w układzie współrzędnych maszyny. Do znalezienia bazy wymiarowej używane są sondy stykowe; równocześnie robocze współrzędne są automatycznie uaktualniane. W bardziej skomplikowanych sytuacjach sonda może zgromadzić dane na temat zbioru punktów powierzchni, tak aby pakiet CAM mógł stworzyć odpowiednie ścieżki narzędzi. Ustawianie przedmiotu obniża koszty stosowania specjalnych uchwytów, eliminuje potrzebę interwencji operatora i ogranicza możliwość rozpoczęcia obróbki przy złych ustawieniach. Ostatnim zadaniem jest ustawianie narzędzia, gdzie ustala się jego długość oraz średnicę. Informacje te przechowuje się i aktualizuje w pamięci sterowania CNC. Oznacza to, że dojazd narzędzia do przedmiotu może odbywać się bez konieczności wykonywania podatnych na błędy manualnych operacji. Jest to szczególnie ważne, ponieważ błędy wynikające z ręcznych ustawień narzędzi są główną przyczyną kolizji. Korzyści na etapie przygotowania procesu to: zautomatyzowane ustawianie przedmiotu oraz narzędzi, które skraca czas ustawiania o 90%, pomiary przy użyciu sond są zautomatyzowane i bardziej powtarzalne niż w przypadku metod manualnych, rzetelne ustawienie parametrów procesu oznacza krótsze czasy przestojów po rozpoczęciu produkcji, w przypadku wymiany narzędzi ponowne ustawienie jest szybsze i mniej podatne na błędy. Wszystko to pozostawia dużo więcej czasu na produkcję. Kontrola podczas procesu obróbki Ta metoda usprawnienia produkcji jest zazwyczaj najmniej wykorzystywana, a jej znaczenie najsłabiej rozumiane. Na tym etapie procesu kontroli oceniane są źródła zmienności nieodłączne w każdym procesie obróbki: zużycie narzędzi, odkształcenie przedmiotu obrabianego oraz wpływ temperatury i przepływu ciepła. Wykonanie pomiarów na obrabiarce jest jedynym opłacalnym sposobem monitorowania wymiarów przedmiotu w trakcie obróbki, który równocześnie dostarcza informacji niezbędnej do podjęcia działań eliminujących niekorzystne efekty bez konieczności zatrzymania obróbki. Rezultatem tego jest utrzymująca się w sposób ciągły wysoka wydajność procesu, który nie wymaga stałego nadzoru i częstej ingerencji człowieka. Skuteczna kontrola w trakcie procesu jest możliwa tylko po wcześniejszym rozwiązaniu problemów z niższych warstw piramidy. Jeżeli podstawowe źródła zmienności w procesie produkcji nie są wyeliminowane, wówczas kontrola w trakcie procesu będzie trudna, gdyż nie jest ona przygotowana do przeciwdziałania przypadkowym wpływom. Próba zautomatyzowania procesu w niekontrolowanym środowisku produkcyjnym przy braku usprawnień i zachowaniu czynności ręcznych nieuchronnie zakończy się niepowodzeniem. Rodzaje kontroli, które obejmują ten poziom: Nie jest konieczny pomiar każdej cechy przedmiotu, który jest produkowany za pomocą tylko kilku narzędzi. Zalecane jest skupienie się na sprawdzeniu sondą przedmiotową podstawowych parametrów każdego narzędzia (długość, średnica) i uaktualnienie offsetów narzędzi na podstawie pomiaru rezultatów obróbki. Kontrola narzędzi po rozpoczęciu skrawania odbywa się więc pośrednio (sondą przedmiotową, a nie sondą do ustawiania narzędzi), ponieważ bezpośrednio mierzony jest wynik skrawania, czyli wymiar części uzyskany przy wykorzystaniu danego narzędzia. Kontrolowanie narzędzi do obróbki zgrubnego, a nie tylko do wykończeniowego skrawania. Chociaż dla kontroli poprodukcyjnej jest to niezauważalne, narzędzia do zgrubnego skrawania odgrywają ważną rolę, pozostawiając odpowiednią ilość materiału do ostatecznego zebrania. Jeżeli wartości zgrubne są nieprawidłowe, wówczas różnić się będzie także głębokość skrawania wykończeniowego, mająca wpływ na odchylenie narzędzia i wykończenie powierzchni. Regularne monitorowanie dryftów cieplnych poprzez ponowną kalibrację pozycji wrzeciona, osi obrotowych lub węzłów kinematycznych uzyskuje się poprawę operacji wykończeniowych. Sprawdzanie uszkodzeń delikatnych narzędzi po każdym cyklu skrawania w celu upewnienia się, że uszkodzone narzędzie nie zniszczy kolejnych narzędzi lub produkowanych części. Podwyższa to poziom zaufania do procesu bezobsługowego. Wprowadzenie do programu elementów logiki, by reagował na niespodziewane sytuacje. Jeżeli wymiar jest poza tolerancją i pozostaje naddatek, wówczas program powinien zarządzić ponownie skrawanie wykończeniowe. Gdy doszło do uszkodzenia narzędzia, konieczne jest umożliwienie automatycznej wymiany na takie samo narzę- M A J- C Z E R W I E C 2013

4 dzie lub poinformowanie o tym operatora. Na negatywny wynik pomiaru nie należy reagować od razu przedmiot trzeba wyczyścić, aby upewnić się, że pomiar nie jest dokonywany na powierzchni pokrytej wiórami, i wtedy ponownie zmierzyć. Monitorowanie statusu procesu i informowanie operatora o wystąpieniu błędu. Przechowywanie wyników pomiarów wykonywanych w trakcie procesu oraz zmian offsetów na użytek późniejszej analizy. W wielu przypadkach kontrola w trakcie procesu może przynieść największe zyski (w porównaniu z zyskami z innych warstw piramidy), szczególnie jeżeli proces charakteryzuje się dużym zużyciem narzędzi oraz wydłużonym czasem cyklu (rys. 4), tj.: obniżone koszty inwestycyjne zwiększenie, wydajności bez konieczności inwestowania w nowe maszyny, zwiększoną automatyzację obniżenie bezpośrednich kosztów obsługi maszyn oraz bezproduktywnego czasu przestoju obrabiarek, zmniejszoną liczbę błędów człowieka powtarzalne pomiary i automatyczny nadzór procesu, mniejszą liczbę braków i poprawek mniejsza zmienność, wyższa wydajność procesu i jakość w pierwszym podejściu. Kontrola poprodukcyjna Procesy kontroli na szczycie piramidy są przez firmy często wykorzystywane, ponieważ umożliwiają ostateczną ocenę wyników. Weryfikację można przeprowadzić na obrabiarce, korzystając z sondy, czujnika zegarowego lub ramienia pomiarowego albo maszyny współrzędnościowej. Takie kontrole ostatecznie nie wpływają na jakość wykonania części, o ile proces nie przewiduje dalszej obróbki. Kontrola w fazie monitorowania poprodukcyjnego to: Proces weryfikacji na obrabiarce za pomocą sondy w celu zmierzenia wymiarów geometrycznych przedmiotu, który jest wciąż zamocowany na obrabiarce. Sprawdzenie części przed jej przekazaniem do dalszej obróbki, a tym samym weryfikacja, Rys. 3. Ustalenie węzłów kinematycznych osi obrotowych wrzeciona na frezarko-tokarce Rys. 4. Wyniki badań nad wydajnością procesu produkcji przeprowadzonych w firmie Renishaw z wykorzystaniem tych samych części, lecz odmiennych technik kontroli procesu. Przy zastosowaniu kontroli jedynie na etapie przygotowania procesu poziom braków jest niedopuszczalny, a zdolność procesu słaba. Monitorowanie poprodukcyjne daje ulepszone uśrednienie wymiarów i zmniejsza różnice pomiędzy częściami, ale zdolność procesu jest poniżej poziomu, który jest do zaakceptowania przez większość firm. Tylko nadzór zapewniający aktywną kontrolę nad procesem podczas jego trwania kiedy w trakcie cyklu kontrolowane są zarówno narzędzia zgrubne, jak i wykończeniowe daje poziom wydajności akceptowany przez firmę Renishaw, który pozwala na wydłużenie okresów bezobsługowego działania Rys. 5. Szybka weryfikacja przedmiotów w produkcji wieloseryjnej za pomocą uniwersalnego komparatora Equator TM M A J- C Z E R W I E C 2013

5 czy proces przebiegł zgodnie z oczekiwaniami. Daje to przed kolejnymi operacjami pewność zgodności wymiarów z wymaganiami. Ma to szczególne znaczenie przy produkcji dużych i kosztownych części. Możliwe jest także wykonanie kontroli typowej dla maszyn współrzędnościowych, obejmującej pomiar wielkości geometrycznych, chociaż dokładność i weryfikowalność pomiarów na obrabiarce będą niższe niż na WMP w warunkach laboratoryjnych. Niektóre elementy bazy wymiarowej mogą być niedostępne, gdy przedmiot jest zamocowany na obrabiarce. Długość cyklu pomiaru na maszynach współrzędnościowych wyposażonych w najnowsze technologie pomiarowe będzie zazwyczaj krótszy (rys. 5). Weryfikacja części poza linią produkcyjną obejmująca pomiary, zazwyczaj maszyną pomiarową lub komparatorem. Zaletą wykorzystania maszyny pomiarowej, w porównaniu z pomiarem na obrabiarce, jest zastosowanie technologii skanowania w 3 i 5 osiach, które umożliwiają szybsze i bardziej wszechstronne pomiary skomplikowanych kształtów, a także uzyskanie złożonych analiz i raportów. Aby zapewnić wysoką dokładność pomiaru, maszyny współrzędnościowe pracują zazwyczaj w warunkach laboratoryjnych. Nowa generacja uniwersalnych komparatorów umożliwia szybkie pomiary porównawcze elementu w hali produkcyjnej, dając natychmiastowe informacje na temat procesu. W obu przypadkach dane o pomiarach mogą być także przechowywane na użytek analiz poprodukcyjnych. Inne rozwiązania, takie jak skanujące w 5 osiach REVO (rys. 6) czy technologie uniwersalnego komparatora Equator TM, oferują większą produktywność w porównaniu z konwencjonalnymi technikami pomiarowymi: znacznie szybsze pomiary oznaczają możliwość uzyskania większej liczby danych bez utraty dokładności, obniżenie kosztu obsługi maszyn w wyniku pełnej automatyzacji skomplikowanych pomiarów, platforma wielu czujników (REVO ) umożliwia automatyzację innych procesów takich jak pomiar jakości wykończenia powierzchni, Rys. 6. Technologia skanowania w 5 osiach rewolucjonizuje inspekcję na maszynach pomiarowych funkcjonalność wynikająca z możliwości pomiaru cech przedmiotu przy dowolnej orientacji kątowej głowicy, niższe nakłady inwestycyjne w wyniku skrócenia czasu cykli pomiarowych i ograniczenia potrzeby zakupu stołów obrotowych, obniżone koszty komparatora w porównaniu z tradycyjnymi sprawdzianami. Podsumowanie i zalecenia Piramida Produktywności Procesu (Productive Process Pyramid TM ) zapewnia systematyczną redukcję zmienności w procesie produkcyjnym. Wprowadzenie kontroli procesu może przynieść znaczne oszczędności dzięki automatyzacji i niższym kosztom poprawy jakości, bez konieczności dokonywania zasadniczych zmian w procesie obróbki. Koszt inwestycji wymaganych do wprowadzenia opisanej tu kontroli jest stosunkowo niski, powinien zwrócić się w ciągu kilku miesięcy. Wyeliminowanie zmienności w procesie zwiększy także zwrot z jakichkolwiek przyszłych inwestycji kapitałowych. Zadania kontroli przedstawione w koncepcji piramidy powinny być wdrażane od samego dołu, ponieważ każdy poziom dyskontuje korzyści uzyskane w niższych warstwach, co pozwala stopniowo redukować wpływ zmienności procesu. Wprowadzona na szeroką skalę kontrola typowa dla podstawy procesu jest doskonałym punktem wyjścia do dalszych usprawnień, takich jak zautomatyzowane pomiary na etapie przygotowania procesu. Aktywna kontrola parametrów procesu zależy od jego specyfiki. Rozsądne byłoby zastosowanie jej w przypadku podobnych procesów wobec pozostałych obrabiarek w zakładzie. Jeżeli każda obrabiarka jest inna, wprowadzenie tego rodzaju kontroli może być czasochłonne. W takim przypadku zaleca się ujednolicenie rodzajów maszyn i wprowadzenie nowych metod. Zastąpienie pomiarów na maszynie współrzędnościowej pomiarami na obrabiarce nie jest zazwyczaj najlepszą strategią. Podstawowym celem obrabiarki jest wytwarzanie części i dlatego weryfikacja na obrabiarce powinna skupiać się na dopiero co zakończonym procesie obróbki, a nie na sprawdzaniu każdej cechy przedmiotu. Inspekcja na obrabiarce ma największy sens w przypadku dużych i skomplikowanych części, kiedy odpowiednie pomiary poza obrabiarką są niemożliwe (np. gabaryty przedmiotu), a czas potrzebny do przetransportowania części i związany z nim koszt są wysokie. Należy zwrócić uwagę na dokładność pomiarów wykonywanych na obrabiarce, a szczególnie na wpływ zmienności temperatury. W większości przypadków maszyna pomiarowa wykorzystująca techniki szybkiego skanowania jest najbardziej oszczędnym sposobem weryfikacji geometrii komponentów i poprawności wykończenia powierzchni. Nowy, uniwersalny komparator oferuje opłacalne możliwości kontroli w hali produkcyjnej dla średniej i wieloseryjnej produkcji. Rozwiązania dotyczące poziomu produktywności i kosztów są w centrum zainteresowania wielu firm. Zastosowanie przedstawionych w koncepcji piramidy rodzajów kontroli jest zalecaną strategią, która nie wymaga dużych nakładów finansowych, a równocześnie zapewnia silną pozycję Twojej firmy na rynku międzynarodowym. Renishaw Sp. z o.o Warszawa ul. Szyszkowa 34 tel , fax poland@renishaw.com M A J- C Z E R W I E C 2013