Inovace v obrábění pomáhají automobilce

Vrchlabský výrobní závod společnosti Škoda Auto má dlouhou tradici, založen byl už v roce 1864. Od roku 1946 se zde vyráběly osobní automobily Škoda, mimo jiné modely 1203, 105, 120, Favorit, Octavia a Roomster. V roce 2012 závod prošel zásadní transformací ve vysoce moderní závod na výrobu komponentů a dnes vyrábí přímo řazené automatické převodovky, jež se montují nejen do škodovek, ale i do vozů ostatních značek koncernu Volkswagen. Zhruba 1 000 zaměstnanců tu denně ve dvousměnném provozu vyrobí až 2 300 dvouspojkových sedmistupňových automatických převodovek typu DQ 200 s přímým řazením DSG.

Vrchlabí je jedním z nejmodernějších výrobních závodů v koncernu Volkswagen a zároveň jedním z nejvýznamnějších průmyslových zaměstnavatelů v Královéhradeckém kraji. Ve výrobním procesu jsou důsledně využívány nejnovější technologie podle zásad Průmyslu 4.0 – internet věcí, kolaborativní roboty, autonomní dopravní systémy či digitální dvojče.

Dodávání dílů k příslušným CNC obráběcím linkám probíhá zcela automaticky. Pracovníci logistiky vychystají ve skladu přepravku s potřebnými díly. Automatický přepravní robot ji vyzvedne a dopraví k jedné z CNC obráběcích linek. Přitom je robot naváděn senzorikou internetu věcí. Na zpáteční cestě s sebou robot vezme prázdnou přepravku, která ve skladu dílů automaticky nahlásí svůj návrat.

Díky technologii internetu věcí proces umožňuje plynulé automatické zásobování dílů tam, kde jsou potřeba, což dále zvyšuje produktivitu výroby. Škoda Auto navíc dosáhla výrazného zvýšení pracovní bezpečnosti: již není nutné, aby se zaměstnanci logistiky pohybovali ve výrobě, neboť veškerá přeprava dílů k obráběcím linkám CNC probíhá zcela automaticky. Denně jsou CNC obráběcí stroje takto zásobovány více než 50 000 díly. Investice do tohoto procesu automatizace se vrátí za méně než tři roky.

Na začátku výrobního procesu dodávají autonomní roboty výkovky hřídelí převodovky v paletách k CNC obráběcím linkám. Naváděny jsou přitom senzorickými technologiemi internetu věcí (Internet of Things). Nový chytrý manipulační robot odebírá výkovky z palet a umísťuje je na vstupní dopravník obráběcích center. Následně odebírá obrobené díly převodovek a odkládá je do přepravního koše. V obou pracovních krocích přemístí robot za směnu celkem 900 kg těchto obráběných dílů. Zaměstnanci, kteří tuto těžkou práci dříve vykonávali, nyní plní nové úkoly při výměně nástrojů a při měření.

Po technické stránce je nový proces založen na principu digitální detekce obrazu. 3D kamera zaznamenává pozici výkovků, které jsou náhodně uloženy v paletě. Na základě obrazu z kamery algoritmus stanoví, který z dílů je pro uchopení chapačem robotu optimálně dosažitelný, a následně propočítá potřebné pohyby. Robot pak přesune výkovek k obrobení a poté jej zase odebere, aby jej odložil do přepravního koše. Po jeho naplnění si robot vymění chapač a přesune koš k odvozu. Celý proces je plně automatizován a probíhá velmi efektivně. Další autonomní dopravní systém přiveze obrobené díly z oblasti mechanického obrábění do měřicího centra, kde budou precizně proměřeny.

Výkovky pro hřídele a ozubená kola k CNC obráběcím strojům přiváží autonomní robot, přičemž objednávání a odvolávky dílů probíhají rovněž automaticky. Denně robot přepraví přibližně 50 000 výkovků. Manipulační transportní robot nevyžaduje navádění pomocí indukčních smyček nebo magnetických pásů, orientuje se pomocí laseru.

Pro jednotlivé projekty automobilka využívá takzvané digitální dvojče. Jde o detailní virtuální obrazy strojů, pracovišť a procesů, které dokážou reálný provoz nejen plánovat, věrně simulovat a optimalizovat, ale také testovat, sledovat a řídit. Lze je využít rovněž ke školení obsluhy.

Příkladem využití této technologie z nedávné doby může být úspěšné rozšíření stávající výrobní linky o nové pracoviště (robotickou stanici) za plného provozu. Realizaci tohoto projektu umožnila právě virtuální simulace všech pracovních kroků a výrobních procesů pomocí digitálního dvojčete. Díky počítačové simulaci bylo možné v předstihu projít všechny nezbytné postupy a scénáře. Doba operativní realizace projektu se tak významně zkrátila o tři týdny, a kromě toho se díky optimalizaci prostorových nároků nového pracoviště dosáhlo úspory asi 40 čtverečních metrů výrobní plochy. Řídicí programy robotů byly pro digitální dvojče vyvinuty ještě před tím, než byly stroje a jejich periferie v závodě fyzicky přítomné. Aby vzniklo přesné digitální dvojče reálné pracovní stanice, byl v počítači nejprve navržen 3D model. Celý proces zahrnoval důkladné napodobení robotických ramen, senzorové logiky a bezpečnostních prvků. Díky tomu bylo možné věrně nasimulovat všechny mechanické a kinematické procesy zařízení. Softwarové funkce dvojčete dokážou zprostředkovat vzájemnou komunikaci mezi všemi hardwarovými komponenty výrobní linky i jejími kontrolními procesy.

I v takto moderním provozu existují rezervy a jsou tu příležitosti pro optimalizaci. Dobrým příkladem je projekt, jehož cílem bylo odstranění úzkého místa ve výrobním postupu konkrétního dílu. Soustružení tohoto dílu s postupným využitím tří různých standardních ISO nástrojů trvalo téměř 51 sekund a druhé vřeteno soustružnického centra, které na tomto dílu provádělo navazující operace, muselo čekat a vykazovalo nežádoucí prostoje. Požadavek tedy byl zkrátit výrobní čas na tomto centru, a tím umožnit zvýšení výroby. Návrhy řešení od stávajících dodavatelů, jež spočívaly především v úpravách řezných rychlostí a ve výměně břitových destiček při použití standardních ISO nástrojů, kýžený efekt nepřinesly. Sice by vedly k určité úspoře strojního času, ale došlo by k ní na úkor neúměrného zvýšení nákladů.

Výrobce proto využil nabídky specialistů ze společnosti Seco Tools a navrhl společný projekt. Ti se k výzvě postavili po svém a během několika dní navrhli netradiční způsob řešení. Pouhé čtyři dny od zadání předvedli výrobci plastové modely dvou nových nástrojů, vyrobené pomocí 3D tiskárny. Po odsouhlasení prvotního návrhu, při rozpracovávání detailů navrženého řešení, se jim podařilo vytvořit jediný kombinovaný nástroj, který v případě obrábění daného dílu zvládne všechny potřebné operace. Po dvou týdnech mohla být zahájena zkušební výroba, která ověřila funkčnost navrženého řešení a dosažení požadovaných parametrů. Přibližně osm týdnů od zahájení práce na tomto projektu bylo výsledné řešení nasazeno do plného provozu.

Díky nahrazení tří nástrojů nástrojem jedním došlo ke zkrácení výrobního času tím, že odpadly výměny nástrojů mezi jednotlivými operacemi. Zároveň však technici navíc optimalizovali pořadí operací a trajektorie obrábění tak, aby ušetřili další čas potřebný pro pohyby nástroje.

Výsledný čas obrábění dílu činí 40,2 s. Úspora strojního času je 10,7 s, což je více než 20 % původní doby obrábění. To je skvělý výsledek, který pouze na nákladech na nástroje představuje roční úsporu přes 10 tisíc eur.

Na straně dodavatele, společnosti Seco Tools, se na návrhu řešení podíleli technik a obchodník – aplikační technik Milan Kudrnáč a key account manager Petr Zeman. Jejich společnou práci výrazně zjednodušilo využití 3D tisku k rychlému a levnému vytvoření modelů navrhovaných nástrojů. Pomocí fyzických modelů lze snadno a rychle ověřit správnost návrhu a odhalit jeho případné nedostatky jako např. kolize nástroje ve stroji, modely zároveň výborně poslouží k prezentaci návrhu zákazníkovi.

Oba též oceňují aktivní přístup zákazníka, jeho zájem o prezentované řešení a možnost vše průběžně konzultovat přímo ve výrobě. Vzájemná komunikace je základem úspěšné spolupráce.

Za zákazníka – závod Škoda Auto Vrchlabí – se projektu zúčastnil specialista mechanického obrábění Vladimír Flandera. I on při svém hodnocení klade důraz na aktivní přístup, rychlost a pružnost dodavatele a na dobrou průběžnou komunikaci.

Splněním hlavního cíle projektu zákazník získal přímou roční úsporu nákladů pouze v nástrojích ve výši 10 650 eur. Další úspory vyplývají z toho, že jeden speciální obráběcí nástroj je levnější než trojice původně používaných standardních ISO nástrojů. Největší úsporou bylo odstranění úzkého místa ve výrobě – zejména čekání dalšího soustružnického vřetena a navazující frézovací operace. Celá produkce se tímto sladila v požadovaném taktu a výroba je plynulejší a rychlejší. Díky zkrácení obráběcího času navíc stroj šetří i stlačený vzduch, používaný k chlazení a k odstraňování třísek z místa řezu.

Velkým přínosem je rovněž nápad využít v průběhu realizace projektu trojrozměrné modely vyvíjených nástrojů vytištěné prostřednictvím 3D tiskáren. Tento postup nyní Škoda Auto využívá i v případě jiných projektů.

Projekt následně uspěl i ve vnitropodnikové inovační soutěži společnosti Škoda Auto a vrchlabský závod řešení nabídl k využití i zahraničním výrobním závodům koncernu VW.