Automatizované úložiště součástek
– klíč k automatizovanému skladu pro Průmysl 4.0

S rostoucím zájmem o Průmysl 4.0 míří řada výrobců elektrotechnických zařízení OEM (Original Equipment Manufacturer - výroba originálního vybavení) a EMS (Electronics Manufacturing Services – zakázková výroba elektroniky) směrem k cílům „chytrých továren“ a „odlehčení výroby“.  Jedním z klíčových požadavků pro dosažení těchto cílů je zefektivnění materiálového toku mezi skladem a výrobním prostorem, které zajistí, že všechny součástky dosáhnou výrobních linek přesně a ve správný čas. V posledních letech začal hrát automatizovaný systém skladování součástek významnou roli při zvyšování produktivity a efektivity mnoha elektronických společností OEM a EMS.

V kombinaci s obsáhlou databází všech materiálů, procesů a postupů nezbytných pro výrobu produktů a softwarových systémů, které musí spolupracovat, aby úspěšně dosáhly svých výrobních cílů, poskytují tyto automatizované skříně mocný nástroj jak pro hromadnou výrobu, tak pro prostředí s malými sériemi. Zatímco většina firem používá k řízení podniku systém ERP (Enterprise Resource Planning – plánování podnikových zdrojů), některé mohou navíc používat systém MES (Manufacturing Execution System – výrobní informační systém). Kromě toho může mít mnoho zařízení používaných ve výrobních linkách vlastní operační software, software pro údržbu, řízení strojů a řízení linek.

Integrace a správa těchto systémů je náročný úkol. Jedním z nejdůležitějších požadavků pro dosažení této integrace je mít přesné a úplné údaje v databázi materiálů, procesů a postupů. V těchto článcích se zabýváme oblastí automatizovaného skladování a vyhledávání součástek a jejím dopadem na vazbu mezi skladem a výrobní halou. V tomto článku zkoumáme různé typy skladovacích skříní a jejich různé vlastnosti a výhody.
 

Automatická skladovací skříň

Zhruba před 15 lety se na trhu začaly objevovat první skladovací systémy speciálně určené pro SMT součástky. Jiné druhy úložných prostor, například vertikální karusely, byly samozřejmě uzpůsobeny tak, aby se do nich ukládaly SMT cívky, tyče a palety, ale systémy určené přímo pro tyto součástky dorazily zhruba v roce 2005. Tyto jednotky dodávají cívky nebo palety v požadovaném pořadí a přispívají ke zvýšení sledovatelnosti a kontrole. Expedice sady součástek z klasických regálů nebo ze zásobníků ve svislém karuselu vyžaduje osobu, která si přečte číslo dílu a vydá správnou součástku pro každou položku seznamu. Může dojít k lidské chybě a také k ní dochází. Automatizovaný skladovací systém si sám automaticky přečte čárový kód na cívce nebo paletě a vždy vyskladní správnou součástku, čímž zabrání chybám. Skutečnost, že vyskladnění nesprávné součástky do sady může způsobit stovky nebo dokonce tisíce nesprávně osazených součástek (což má za následek obrovské množství nákladných oprav), může náklady na pořízení systému automatického úložiště zaplatit samo o sobě.

Dřívější skladovací systémy SMT obsahovaly nanejvýš několik stovek balení. Dnes jsou velmi populární jednotky, které skladují až 4 000 cívek. Pojďme prozkoumat dnešní možná řešení.
 

Pouzdra nebo bez pouzder?

Existují dva základní typy úložných systémů SMT, ty, které pracují pouze s cívkami, a ty, které používají k uchování cívek uložených v systému pouzdra. Pojďme prozkoumat plusy a minusy obou způsobů.
 

Cívkové systémy

Čistě cívkový typ má výhodu v jednoduchosti. Není potřeba žádné pouzdro, systém jen uchopí cívku a položí ji na polici. Když je cívka potřeba, systém uchopí cívku za středový otvor a dopraví ji k výdejnímu oknu. Ale jaké může mít tato metoda nevýhody? Cívky musí být v dobrém stavu.

Cívky jsou obvykle vyrobeny z plastu, ale některé také z kartonu. Naštípnutá, prasklá, pokřivená, zlomená cívka nebo v případě kartonu deformovaná cívka může mít za následek neúspěšný přenos cívky k výdejnímu oknu stroje nebo z okna dovnitř, což způsobí zaseknutí a následný ruční zásah. Součástky v paletách JEDEC jsou samozřejmě také ovlivněny stavem palety. Deformovaná paleta může často rovněž způsobit zaseknutí.

 


 

Systémy na bázi pouzder

V těchto systémech jsou jednotlivé cívky nebo palety se součástkami uloženy v bezpečném ESD pouzdře. To zjednodušuje skladovacím systémům manipulaci se součástkami, protože všechna pouzdra mají naprosto stejné rozměry a stav cívky nebo palety uvnitř nemá vliv na spolehlivost manipulace. Manipulační robot se také nikdy nedotkne cívky, palety ani součástek uvnitř. Dotýká se pouze vnějšku pouzdra, takže součástky nikdy nemohou být poškozeny.
 

 

Flexibilní návrh pouzdra

Chytré provedení pouzdra umožňuje, aby základní 8mm pouzdro velikosti 7" nebo 15" zvládlo až 88 mm široké cívky nebo stoh palet. Rozšiřující lišty umožňují, aby se ze základního 8mm pouzdra stalo 16mm pouzdro přidáním jedné lišty, až do 88 mm v 8mm krocích. Zákazník může upravit skladbu pouzder tak, aby odpovídala libovolné skladbě součástek, která se během doby mění - aniž by musel kupovat různě velká pouzdra.
 

Sady nebo jeden kus?

Čistě cívkové systémy vydávají součástky jednu po druhé. Poté, co je přehled materiálu v sadě odeslán do systému, je každá cívka přemístěna k přednímu výdejnímu oknu a před vyskladněním další cívky musí být odebrána. Je tedy nutné, aby byl při expedici každé sady u stroje přítomen operátor. Totéž platí při vracení součástek zpět do skladovacího systému. Jednu cívku po druhé umístí u vstupu obsluha, která musí počkat, až si ji stroj převezme, než vloží další cívku.

Zde má systém s pouzdry obrovskou výhodu. Když je požadavek na materiál v sadě odeslán do stroje, systém vyskladní a naskládá na sebe až 54 cívek bez přítomnosti obsluhy. Po dokončení zazní zvukové znamení, které upozorní operátora, aby přišel a sadu vyjmul. Operátor otevře dveře a vyjme celý stoh najednou. U pouzder je to možné, protože tvoří úhledný a rovnoměrný stoh, něco, co s holými cívkami není možné. Pokud je v sadě více než 54 položek, systém pokračuje a vyskladní druhý stoh. Při zakládání součástek do systému obsluha jednoduše poskládá pouzdra na sebe do stohu, umístí jej na vstupu do stroje, uzavře dveře, stiskne tlačítko a odejde.

Systém s pouzdry vyžaduje pouze 10 sekund času obsluhy na vytažení 54 cívek, zatímco holé cívky vyžadují nejméně 15 minut času obsluhy. Pokud zákazník porovnává ruční vyskladňování sad se systémem s pouzdry, je zde potřeba více než hodina času obsluhy, zatímco u systému s pouzdry stále potřebuje pouze 10 sekund. Automatizovaný skladovací systém využívající pouzdra má značné úspory pracovních sil oproti čistě cívkovému systému a obrovské úspory pracovních sil oproti ručnímu vyskladňování sad z regálů.
Pouzdra přinášejí ještě jednu výhodu. Skutečnost, že pouzdra jsou stohovatelná, umožňuje bezpečnou manipulaci se součástkami mimo stroj. Snaha přenést najednou 50 holých plastových cívek je obtížná a riskantní. V pouzdrech mohou být díly přenášeny bezpečně a neustále chráněny dle ESD.

 



MSD

Jednou z vlastností většiny automatizovaných úložných systémů je jejich správa součástek MSD (Moisture Sensitive Device - součástky citlivé na vlhkost). Skladovací systém dokáže automaticky udržovat vnitřní vlhkost pod 5 % a automaticky sledovat zbývající dobu použitelnosti pro každou jednotlivou součástku. Jakmile součástka uvedená na seznamu MSD opustí automatizovaný skladovací systém, systém spustí odpočítávání času u této součástky a zároveň zaznamená čas odebrání, vnitřní a vnější vlhkost. Když se zbylá část vrátí do systému, odpočítávání času se zastaví a u součástky se zaznamená zbývající doba použitelnosti. V době, kdy je součástka mimo skladovací systém, budou odesílána varování o blížícím se vypršením upotřebitelnosti součástky a s blížícím se koncem použitelnosti je lze stupňovat.

Pokud je součástka externě vysušena, aby se obnovila její doba použitelnosti, může oprávněná osoba zadat její kód a potvrdit obnovenou dobu použitelnosti. Dojde-li k auditu, stačí zadat číslo součástky či jedinečný ID a systém může vytisknout historii životnosti této součástky od přijetí až po kompletní spotřebování. Nejsou potřeba žádné informační tabule ani ruční záznamy. Vnitřní sledovací systém pro MSD je také schopen sdílet data s jakýmkoli vnějším softwarovým systémem, jako je MES, a aktualizovat tak stav MSD součástek.

Podlahová plocha

Jednou z dalších výhod automatizovaných skladovacích systémů je úspora podlahové plochy v důsledku využití místa uvnitř systémů. Pro úsporu prostoru mají výhodu systémy založené na pouzdrech, jelikož mají vyšší vnitřní hustotu než systémy s volně uloženými cívkami. Systém obsahující 3 600 cívek může ušetřit asi 70 % podlahové plochy ve srovnání s tradičními regály.
 

Náklady na cívku nebo paletu

Při porovnávání různých automatizovaných skladovacích systémů před nákupem by se měl kupující zásadně řídit náklady na cívku (nebo paletu), nikoli náklady na skladovací jednotku. Proč je tato zásada důležitá? Důvodem jsou velké rozdíly v kapacitě mezi skladovacími systémy. Vyšší pořizovací náklady systému se mohou ve skutečnosti ukázat jako nejlepší volba, protože jeho velká kapacita vede k mnohem nižším provozním nákladům na jednu uloženou cívku.

Příklad:

Jednotka F      kapacita:    964            pořizovací cena: $47 500        náklady na cívku: $49.27
Jednotka E      kapacita: 3 602            pořizovací cena: $93 000        náklady na cívku: $25.82

Jednotka F má tedy nižší pořizovací náklady, ale jednotka E obsahuje téměř čtyřnásobek počtu cívek, což má za následek téměř poloviční náklady na jednu cívku, než u jednotky F. A navíc, aby se kapacita jednotky E vyrovnala kapacitě jednotky E, by bylo zapotřebí téměř čtyř jednotek F.


UltraFlex

Nejoblíbenější jednotka na bázi pouzder na trhu má ještě jednu výraznou výhodu mezi automatizovanými úložnými systémy, a tou je UltraFlex. Abychom porozuměli řešení UltraFlex, musíme přezkoumat, jak jsou automatizované skladovací systémy poskládány dohromady. Každý systém je vyráběn se specifickou konfigurací. Například systém může být vybaven pouze s 8mm přihrádkami a může pojmout pouze 7 palcové 8mm cívky. Nebo může být nakonfigurován tak, aby obsahoval jak 7 palcové, tak 15 palcové cívky, s různými velikostmi přihrádek pro 8mm, 16mm, 24 mm, 32mm, 44mm, 52mm, 64mm, 72mm nebo 88mm šířky cívek.

Potíž je v tom, že v průběhu času se bude měnit skladba součástek zákazníka, což vyžaduje odlišnou skladbu velikostí, aby odpovídala nové skladbě součástek. Výsledkem jsou dvě možnosti. Zakoupit další skladovací systém s konfigurací, která v kombinaci se stávajícím systémem splňuje novou skladbu součástek zákazníka. Či druhou možností je nechat výrobce poslat servisního technika, aby otevřel stroj a ručně změnil konfiguraci velikosti přihrádek, přeprogramoval systém na novou konfiguraci, provedl jeho kalibraci a znovu ho uvedl do provozu. To může trvat jeden až tři dny a bude to stát několik tisíc dolarů.

S UltraFlexem nic z toho není nutné. Pomocí flexibilních pouzder, která byly popsány výše v odstavci „Systém na bázi pouzder“, je lze upravit tak, aby vyhovovaly nové skladbě. Skladovací jednotka UltraFlex pojme libovolnou kombinaci velikostí pouzder, která jsou do něj vložena. Prostor ve stroji, který dnes zabírá 15 palcové 88 mm pouzdro, může pojmout zítra tři 15 palcová pouzdra 24 mm, nebo  další den dvě 15 palcová pouzdra 44 mm. UltraFlex znamená, že v průběhu času se stejná jednotka přizpůsobí skladbě součástek zákazníka bez nutnosti vlastní modifikace.