КПД роботизированной ячейки: реальные показатели, скрытые потери и куда на самом деле уходит время работы

Большинство проверяемых нами ячеек отделки работают с КПД в диапазоне от 42 до 58 процентов, а большинство владельцев считают, что они работают на уровне 75–85 процентов. Разрыв — это не обман. Просто ячейка выглядит занятой всю смену — робот движется, шпиндели вращаются, детали снимаются с конвейера — в то время как потери скрыты в местах, о которых никто не регистрирует: 40-секундная замена абразива, повторяющаяся 30 раз за смену, цикл длительностью 9 секунд, который после смены инструмента увеличился до 11 секунд, зажим, который требует два удара молотком, чтобы зафиксировать искривленный отлив.

Эта статья посвящена правильному измерению этих потерь и их устранению в правильном порядке. В ней рассматриваются три фактора КПД с реалистичными эталонными числами для ячеек шлифовки и полировки, причины простоя, которые действительно доминируют, потери производительности, скрытые ниже порога тревоги, план сбора данных, который можно реализовать без приобретения системы управления производством, целенаправленные меры с ожидаемой отдачей, а также пример улучшения с окупаемостью.

Нашей отправной точкой являются роботизированные ячейки для удаления заусенцев, шлифовки и полировки, которые мы создаем в DZ Machinery для литых деталей и фурнитуры для кранов, но метод применим к любой ячейке, использующей абразивы и удерживающей детали в зажиме.

Определение КПД для ячейки отделки

КПД — это произведение коэффициентов Доступности, Производительности и Качества, выраженных в процентах и умноженных друг на друга. Важнее определения, чем формула, потому что именно здесь большинство внутренних показателей КПД завышены.

Доступность = Время работы / Плановое время производства. Плановое время производства исключает перерывы, смены и запланированное обслуживание. Время работы — это всё остальное минус внеплановые остановки.

Производительность = (Идеальное время цикла x Общее количество деталей) / Время работы. Идеальное время цикла — это лучший продемонстрированный цикл, а не цикл из коммерческого предложения на машину.

Качество = Хорошие детали / Общее количество начатых деталей. Детали, требующие повторной обработки, считаются потерями, независимо от того, восстановлены ли они в итоге.

Три решения, которые нужно принять один раз и зафиксировать, потому что их изменение позже аннулирует ваш тренд:

• Останавливается ли ячейка, когда буфер на входе пуст? Если да, то голодание — это потеря доступности для этой ячейки, даже если причина в upstream.
• Считается ли переработанная деталь, которая возвращается в ячейку, один или два раза в знаменателе? Учитывайте её в начатом количестве и как потерю качества при первом проходе. Иначе переработка становится бесплатной.
• Какое идеальное время цикла и кто имеет право его изменить? Оно должно быть самым быстрым устойчивым циклом, зафиксированным при наблюдении не менее 500 последовательных деталей, с повторной установкой после любого изменения процесса.

Реалистичные эталонные показатели

Контекст важен при чтении этих данных. Ячейка с пятью номерами деталей, ручной загрузкой и сменой за 30 минут, не может достигнуть той же доступности, что и специализированная ячейка с одной деталью и автоматической станцией загрузки. Ячейка полировки на зеркальной хромированной ручке имеет более низкий допустимый уровень качества, чем ячейка удаления заусенцев, просто потому, что косметический допуск более узкий. Устанавливайте цель исходя из вашей лучшей демонстрированной недели, а не из учебника.

Также обратите внимание, что эти показатели предполагают, что ячейка действительно работает. Ячейка, которая простаивает два смены из трех, должна измеряться по сменам, в которых она работает, а простои рассматриваться как вопрос емкости или планирования, а не скрываться в OEE.

Причины простоя, которые действительно доминируют

В наших данных по обслуживанию и полировке ячеек пять причин составляют примерно 80 процентов незапланированного простоя. В порядке убывания общего времени, а не частоты событий.

Замена и заточка абразива

Самый крупный источник, и тот, который чаще всего случайно исключают из расчета OEE. Полоса изнашивается; оператор снимает защиту, меняет полосу, закрывает защиту, сбрасывает шпиндель и запускает два контрольных изделия. Это занимает от 4 до 9 минут, а на ячейке с тремя абразивными станциями, работающими по циклу в 60 секунд, это происходит 15-30 раз за смену. Это 60-180 минут за смену, что составляет 12-38 процентов восьмичасовой смены, и если оператор работает на двух ячейках, потери увеличиваются, потому что вторая ячейка простаивает, пока он занят на первой.

Что происходит физически: скорость реза абразива уменьшается по мере затупления зерен. На алюминии свежий шлифовальный ремень зернистостью 120 удаляет примерно в 2,5 раза больше материала за проход, чем тот же ремень после износа на 60 процентов. Операторы компенсируют это увеличением силы контакта, что изменяет качество поверхности и ускоряет износ. В результате цикл становится стабильным во времени, но качество дрейфует.

Меры противодействия, в порядке:

• Подбирайте размер абразива в соответствии с требованием по удалению материала, а не по каталогу. Если вы удаляете 0,15 мм с полосы шириной 40 мм, рассчитайте объем и выберите срок службы ремня, который обеспечит работу на всю смену. Ремень, служащий 4 часа вместо 2, вдвое увеличит интервал замены.
• Используйте автоматическую индексировку абразива или сменный картридж с быстрым заменой, если время цикла это оправдывает. Преобразование ручной задачи продолжительностью 3 минуты в автоматическую за 25 секунд стоит больше, чем кажется: 20 смен за смену при 3 минутах — это 60 минут; при 25 секундах — всего 8 минут.
• Группируйте смены. Синхронизируйте станции так, чтобы все ремни менялись за одну запланированную остановку, а не за три отдельные, и выполняйте это как запланированную микроостановку с определенной процедурой.
• Отслеживайте скорость резки, а не только срок службы ремня. Записывайте количество удаленного материала за ремень и результат на поверхности, и вы найдете точку, когда ремень перестает резать и начинает полировать.

Проблемы с фиксацией и расположением детали

Вторая по значимости и наиболее недооцененная. Симптомы: прерывистое пропускание функций, заикание, движение детали во время реза, а оператор постукивает по детали молотком, чтобы зафиксировать ее.

Причины, связанные с отливками:

• Вариация отливки превышает диапазон компенсации фиксатора. Плавающий фикстур с допуском ±1,5 мм сможет расположить деталь с вариацией отливки ±1,0 мм и выйдет за пределы распределения.
• Расположители на фаске разделительной линии или на остатке от литника. Если на опорной площадке отливки остался остаток фаски в 0,3 мм, деталь сидит на 0,3 мм выше, и каждая глубина реза неправильна на 0,3 мм.
• Накопление стружки и опилок в карманах расположителей. На алюминии это накапливается за смену; на линии без продувки или промывки — это приводит к отказу за два часа.
• Сила зажима слишком низкая для силы реза. Контактная сила в 40 Н при 2000 об/мин создает касательное усилие, которое сможет сдвинуть деталь, удерживаемую только за счет трения.

Меры противодействия: включите схему датировки в чертеж отливки, чтобы согласовать ее с изготовителем формы и сборщиком фиксатора; добавьте положительную проверку наличия и посадки детали с помощью двух датчиков приближения вместо одного; очищайте расположители после каждого цикла; и регистрируйте давление зажима, чтобы его снижение воспринималось как тревога, а не как медленное смещение.

Недостаток подачи деталей

Третье место, и самое вызывающее споры между отделами. Ячейка доступна, робот бездействует, и деталей нет. Причины: остановка машины на верхнем уровне, цикл погрузчика, оператор на перерыве или буфер, рассчитанный на другой takt времени.

Решение редко в ячейке. Это расчет размера буфера: если доступность верхнего процесса составляет 85%, а среднее время ремонта — 25 минут, буфер между ним и ячейкой должен удерживать как минимум 25 минут потребления ячейки, плюс один контейнер в пути. При цикле в 55 секунд это примерно 30 деталей плюс полный контейнер. Большинство ячеек, которые мы видим, имеют буфер от 6 до 10 деталей.

Также рассмотрите двустанционное питание, чтобы оператор или конвейер могли пополнять одну станцию, пока робот работает с другой. Это превращает жесткую остановку в мягкую и обычно увеличивает доступность на 3–6% самостоятельно.

Восстановление после столкновения

Четвертое по времени, первое по боли. Столкновение резко останавливает ячейку, а восстановление занимает в среднем от 20 до 90 минут: вывести робота из режима, проверить шпиндель, проверить фиксацию, проверить инструмент, повторно обучить, если держатель инструмента согнут, и затем выполнить проверочные детали. Еще хуже, столкновение, повредившее шпиндель или датчик силы, — это многодневное событие с задержкой деталей.

Основные причины по частоте: деталь загружена не в положении; изношенный или сломанный держатель инструмента; программа отредактирована без проверки сухого запуска; зажим фиксатора не закрылся; и точка обучения сместилась после обслуживания.

Рабочие меры противодействия, которые работают:

• Шпиндели с ограничением силы с установкой срабатывания при столкновении чуть выше нормальной силы процесса. На плавающем шпинделе срабатывание при 1,4-кратной номинальной контактной силе ловит почти все события до того, как что-либо согнется.
• Мониторинг крутящего момента на приводе шпинделя как вторичный срабатывающий механизм.
• Обязательный сухой запуск в одноступенчатом режиме после любого редактирования программы, с обеспечением блокировки в контроллере, а не в рабочей инструкции.
• Проверка длины инструмента и наличия инструмента при каждой смене инструмента.

Отказы системы вытяжки и пылеудаления

Пятое и самое сезонное. Полировка создает мелкую пыль; удаление заусенцев из алюминия создает стружку и, при неправильных условиях, воспламеняемую пыль. Отказы системы вытяжки отключают ячейку через блокировки, и они развиваются медленно: засорение фильтра увеличивает перепад давления, поток воздуха падает, ячейка срабатывает при низком расходе, кто-то сбрасывает ее, и она срабатывает снова через 40 минут.

Отслеживайте дифференциальное давление на фильтре как тенденцию, а не как срабатывание. Установите предупреждение при 60 процентах от точки срабатывания и запланируйте замену фильтра. В влажных климатах и на предприятиях, где туман полировальных веществ смешивается с алюминиевой пылью, засорение фильтра примерно удваивается; если вы эксплуатируете ячейку в Юго-Восточной Азии или прибрежной Бразилии, изначально подберите фильтр для этого.

Потери времени цикла, скрывающиеся ниже порога тревоги

Потери производительности труднее заметить, потому что ничего не останавливается. Ячейка продолжает работать, просто медленнее, чем должна. Вот где обычно уходит 10-15 процентов.

• Запас по ускорению и замедлению. Программисты добавляют запас безопасности к каждому движению. Двадцать движений по 0,3 секунды ненужного сглаживания — это 6 секунд на цикл; при цикле в 55 секунд это составляет 10 процентов производительности, постоянно.
• Обмен сигналами между роботом и станцией. Каждое ожидание сигнала имеет задержку. Если ячейка выполняет восемь обменов за цикл при 150 мс неоптимизированной логики каждый, это 1,2 секунды.
• Консервативные параметры резки. Если скорость поверхности ремня или подача были установлены во время пусконаладочных работ и никогда не пересматривались, обычно доступно 8-15 процентов. На алюминии, скорость поверхности в диапазоне 25-32 м/с для покрытых абразивов — это нормальное рабочее окно; ячейки, работающие при 18 м/с, оставляют время на столе.
• Компенсация изношенного абразива. По мере затупления ремня срез уменьшается, и программа делает то же количество проходов, но результат хуже. Потеря производительности проявляется как снижение качества позже, поэтому их необходимо анализировать вместе.
• Многопроходное дрейфование. Программа, написанная для трех проходов, становится программой из четырех проходов после того, как кто-то добавляет финальный проход для исправления косметической проблемы, и никто не обновляет идеальное время цикла.
• Оператор контролировал нагрузку. Если станция нагрузки ручная, и оператор также управляет другой машиной, ячейка ожидает. Измерьте фактическое время нагрузки по сравнению с запланированным временем нагрузки; разница — это потеря производительности, а не потеря доступности.

Способ обнаружения этих случаев — измерить 30 последовательных циклов с точностью до секунды и проанализировать распределение, а не среднее значение. Одномодальное распределение с центром около 58 секунд при идеале 62 секунды — это одна проблема, а бимодальное с пиками на 56 и 71 секунду — другая. Вторая ситуация имеет дискретную причину — конкретную станцию, состояние детали или ветку программы.

Простая схема сбора данных OEE

Вам не нужна система управления производством для начала. Вам нужны три потока данных и человек, который владеет этими данными.

1. Автоматический сбор данных с PLC ячейки (сделайте это первым). Записывайте эти теги с частотой 1 Гц в CSV-файл на локальный диск:

• Состояние ячейки (работает, голодание, блокировка, неисправность, ручной режим, смена режима) с кодом причины состояния.
• Счетчик запущенных деталей и счетчик отвергнутых деталей, с причиной отказа, если оператор может ввести её.
• Время цикла на деталь, в миллисекундах.
• Нагрузка шпинделя или сила контакта, на станцию.
• События смены абразива, из счетчика смены инструмента.

Это пять тегов. Большинство контроллеров могут записывать их в журнал данных без дополнительного оборудования, и недельные данные при 1 Гц занимают не более нескольких сотен мегабайт.

2. Ручной ввод причины для остановок длительностью более 3 минут. Держите список причин коротким — менее десяти кодов — иначе операторы выберут неправильную. Наш стандартный список: смена абразива, подача деталей, фиксация, столкновение, извлечение, контроль качества, программа, другое. Сделайте обязательным ввод кода для перезапуска, иначе 60 процентов данных будет “другое”.”

3. Ежедневное сводное отчётное состояние за смену. Общее количество деталей, хорошие детали, минуты работы, запланированные минуты и три основные причины остановки по минутам. Пятнадцать минут в день, и это должно быть рассмотрено на собрании, иначе через три недели это перестанет происходить.

Цикл анализа: еженедельный парето по минутам простоя по причинам и ежемесячное переосмысление идеального времени цикла. Не делайте ежедневные отчеты OEE для цеха как метрику эффективности; ежедневный OEE шумный и вызывает игру. Еженедельные тренды, ежемесячные решения.

Меры противодействия и ожидаемые выгоды

Два пункта по использованию этой таблицы. Во-первых, недорогие позиции вверху стоят больше в сумме, чем дорогие внизу, и обычно доступны в первый месяц. Во-вторых, выгоды не складываются. Если взять доступность с 78 до 88 процентов и производительность с 74 до 88 процентов, то умножение дает, а не сложение: 0,78 x 0,74 x 0,94 = 54 процента становится 0,88 x 0,88 x 0,96 = 74 процента. Это прирост OEE на 20 пунктов, что примерно соответствует на 37 процентов больше хороших деталей с той же ячейки.

Пример с расчетами и окупаемостью

Одно-роботная ячейка шлифовки и полировки для корпуса крана, две смены, 5 дней в неделю.

Базовое значение (измерено за четыре недели):

• Плановое время производства: 80 часов в неделю (2 смены x 8 часов x 5 дней, минус перерывы)
• Доступность: 76 процентов (18,9 часов в неделю на внеплановые остановки)
• Производительность: 74 процента
• Качество: 91 процент
• OEE: 0.76 x 0.74 x 0.91 = 51.2 процента
• Идеальное время цикла: 52 секунды
• Хороший выпуск: 2128 деталей в неделю

Топ три причины простоя по минутам в неделю:

1. Замена и доводка абразива: 8,4 часа (69 событий, в среднем 7,3 минуты)
2. Недостаток подачи деталей: 4,6 часа
3. Неполадки фиксатора и посадочных мест: 3,1 часа

Принятые меры, в порядке:

Результат через восемь недель:

• Доступность: измерена 78,5 процента, но с учетом прироста в 4,5 пункта за счет обнаружения ранее неучтенных микроостановок, которые были переклассифицированы после внедрения логирования PLC. Чистый показатель 76 до 84 процентов.
• Производительность: 74 до 86 процентов
• Качество: 91 до 95 процентов
• OEE: 0.84 x 0.86 x 0.95 = 68,6 процента
• Хороший результат: 2 853 деталей в неделю, увеличение на 725 деталей в неделю

Возврат инвестиций:

• Дополнительный вклад: 725 деталей в неделю при марже вклада 3,10 USD = 2 248 USD в неделю
• Дополнительные расходы на расходные материалы из-за увеличенной пропускной способности: примерно 380 долларов США в неделю
• Чистая прибыль: 1 868 долларов США в неделю, примерно 93 000 долларов США в год при 50 неделях
• Инвестиции: 20 800 USD
• Простая окупаемость: 11 недель

Обратите внимание, что в этой окупаемости не учтено: ячейка также поглотила увеличение объема на 12 процентов без третьей смены, а уровень дефектов косметической отвертки при гальванике снизился благодаря тому, что процедура смены абразива стабилизировала скорость резки. Это реальные факторы, но их сложнее отнести к конкретным причинам, и мы сознательно исключили их из расчета, чтобы число было обоснованным.

Также обратите внимание на честную часть: первые две недели после внедрения логирования ПЛК, сообщенный КПД оборудования (OEE) снизился. вниз примерно на 6 пунктов. Это нормально, и это самая распространённая причина, по которой проекты по OEE отменяются. Ничего не ухудшилось; измерение стало лучше. Ожидайте этого и заранее объявляйте, иначе проект будет оцениваться по второй неделе.

Выбор дизайна, который задает потолок OEE

Некоторые показатели OEE определяются до того, как ячейка будет введена в эксплуатацию. Если вы сейчас выбираете ячейку, важны следующие решения:

• Абразивная способность относительно объема удаления. Ячейка, которая должна менять ремни каждые 90 минут, не может достичь 90-процентной доступности. Запросите расчет срока службы ремня в предложении, а не только время цикла.
• Количество станций по сравнению с количеством абразивных зерен. Каждое изменение уровня — это станция, а каждая станция — потенциальная остановка. Иногда два прохода через одну станцию с разной программой превосходят три станции с пересадками между ними.
• Автоматическая загрузка против ручной загрузки. Автоматическая загрузка стоит дороже и исключает целый класс потерь от недогрузки и замедления.
• Управление инструментом и абразивом. Быстросменные картриджи, проверка наличия инструмента и автоматическая правка превращают ручную операцию в машинный цикл.
• Доступность. Если для смены ремня требуется снять защитный кожух с шестью болтами, каждая смена ремня будет стоить три дополнительные минуты в течение всего срока службы ячейки.
• Надежность оснастки. Оснастка — это компонент, который с наибольшей вероятностью определяет ваш уровень качества, и обычно это последнее, что проектируется.

На автоматический станок для снятия заусенцев стороне нашего сайта мы подробно рассматриваем механику сборки ячейки из шпинделя, выбор медиа и оснастки, а наш оборудование для автоматической обработки поверхности ассортимент показывает конфигурации ячеек, из которых берутся эти цифры, и для прямого сравнения производительности ячейки с ручным стендом, роботизированной и ручной очистки от заусенцев анализ использует ту же структуру OEE, примененную к труду, а не к машинам.

DZ Machinery производит роботизированные ячейки для удаления заусенцев, шлифовки и полировки для литья под давлением и производства фурнитуры для кранов, и мы проектируем их с учетом целевого показателя OEE, а не заявленного времени цикла: срок службы абразива, размер буфера, диапазон компенсации оснастки и процедура смены определяются до сборки ячейки. Если у вас есть линия финишной обработки, и вы подозреваете, что фактический OEE ниже, чем число в отчете, отправьте нам чертежи деталей, ваш годовой объем производства и ваш текущий график смен, и наша команда инженеров рассмотрит с вами модель потерь и сообщит, где находятся первые 10 пунктов.