Technologia robotów jest coraz bardziej zaawansowana, a ich zastosowanie coraz wszechstronniejsze. Pracując razem z ludźmi, roboty zapewniają nie tylko wysoką jakość i dużą wydajność, ale także większe bezpieczeństwo.
Od czasu, kiedy w 1954 r. po raz pierwszy zaprojektowano programowalnego robota, dużo się wydarzyło, lecz niewiele zmieniło. Choć pierwsze roboty przemysłowe zostały zastosowane w 1962 r. w fabryce samochodów General Motors w New Jersey, mając za zadanie zgrzewanie punktowe i wyciąganie odlewów ciśnieniowych, to prawie pół wieku później roboty wciąż wykonują spawanie oraz prace związane z obróbką materiałów.
Kiedy w przemyśle zaczęto stosować roboty, wielu ludzi sądziło, że mają one zastąpić człowieka w pracy. Dla dzisiejszych czołowych firm produkcyjnych automatyka ma zastosowanie w zwiększaniu wydajności i elastyczności, a nie w zastępowaniu ludzi. Producenci zmagający się ze znalezieniem wykwalifikowanych robotników wypełniają tę lukę robotami. Roboty mają zastosowanie również tam, gdzie prace można wykonać bezpieczniej, nie narażając zdrowia ludzi.
Trend na rynku robotów
Roboty wciąż mają tradycyjne zastosowanie w takich pracach, jak: spawanie, montaż; ładowanie i rozładowywanie maszyn. Wykonują także inne prace związane z obsługą materiałów, szlifowaniem; wygładzaniem i inną obróbką skrawaniem oraz paletowaniem. Według Jeffa Burnsteina, wiceprezesa Robotic Industries Association, kluczowymi czynnikami wpływającymi na zastosowanie robotów są:
- niższe koszty technologii robotów,
- wyższa niezawodność robotów i technologii czujników,
- szybsze i bardziej elastyczne roboty,
- zapotrzebowanie przemysłu na podwyższoną jakość i produktywność,
- szczególne wymagania dla zwiększenia siły przerobowej, weryfikacja procesu i identyfikowalności.
W związku ze spadkiem cen pojawiają się nowe możliwości zastosowań robotów w takich sektorach, jak: badania nad nowymi lekami, artykuły spożywcze i napoje, towary konsumpcyjne, plastik i guma, meble i ogniwa paliwowe. Np. w przemyśle towarów konsumpcyjnych czołowy producent środków higieny osobistej twierdzi, że paletowanie przy użyciu robotów obniżyło koszty robocizny od 50% do 60%. W przemyśle meblowym system zrobotyzowanego pakowania zwiększył produkcję o 45% u pewnego szwedzkiego producenta. Natomiast w przemyśle spożywczym jeden z czołowych producentów pewnego rodzaju bułek używa robotów w celu zmniejszenia uszkodzeń tychże bułek wynikających z nienależytego obchodzenia się po zakończonym procesie pieczenia.
RIA (Robotic Industries Association) ocenia, że w fabrykach w USA pracuje obecnie około 178 tys. robotów, plasując tym samym Stany Zjednoczone na drugim miejscu za Japonią pod względem ogólnego wykorzystania robotów. Na świecie zainstalowano dotychczas ponad milion robotów.
Ergonomia, operowanie materiałami
Do głównych powodów inwestowania w automatykę przemysłową – oprócz zautomatyzowania procesu spawania – zaliczyć należy konieczność operowania materiałami. – Notuje się stały wzrost zastosowań robotów w operacjach związanych z obróbką materiałów, częściowo spowodowany skargami personelu, które wynikały ze zdarzających się wypadków uszkodzeń ciała, a co za tym idzie, z roszczeniami – mówi Jay Sachania, dyrektor ds. marketingu w firmie Adept Technology Inc. – Dodatkowo, coraz trudniej znaleźć pracowników, którzy chcieliby stać bez przerwy w tym samym miejscu i wykonywać ciągle te same czynności.
Fabryka Chryslera w Belvidere dokonała wymiany oprzyrządowania pod koniec 2005 r. w celu przystosowania linii produkcyjnej do montażu czterech różnych samochodów. Wydział produkcji karoserii wykorzystał szansę zajęcia się ergonomią. Bardzo trudną czynnością było ładowanie przedniej pokrywy podłogi na stół obrotowy. Wytłoczone pokrywy przyjeżdżały poukładane jedna na drugiej na poziomym wózku. Pracownik musiał nachylić się podczas zabierania górnej pokrywy, chwycić drugą stronę podłogi i unieść ją. Następnie musiał obrócić przód pokrywy do pozycji pionowej, przenieść ją na krótkim odcinku i umieścić na stole obrotowym. Zespół próbował zastosować dodatkowe urządzenia pomocnicze, lecz bez większych sukcesów.
Stosując roboty, ekipa zautomatyzowała ten proces, rozwiązując przy okazji poważny problem ergonomiczny. Robot przesuwa się nad wózkiem, wysuwa oprzyrządowanie, wykrywa płytę podłogową i za pomocą ssawek podnosi jeden z elementów z wózka. Następnie przenosi dany element na przenośnik i ustawia go w oprzyrządowaniu przenośnika. Wzmocnienie siedzenia jest podnoszone do pozycji pod panelem podłogowym. Robot podnosi oba elementy i umieszcza je na stole obrotowym, który pozwala drugiemu robotowi na przyspawanie wzmocnienia do podłogi.
Ergonomia zmotywowała także SEW Eurodrive w Lyman, żeby zautomatyzować produkcję. – Jednym z czynników, który przekonał nas do automatyki, była ergonomia. Chcieliśmy uniknąć powtarzających się obrażeń związanych z ruchem – twierdzi dyrektor zakładu Carl Hinze. – Zdjęliśmy obciążenie z naszych pracowników.
W fabryce SEW roboty rozładowują nieobrobione osłony i przemieszczają do zautomatyzowanych stacji walcowniczych, gdzie są poddawane obróbce, nawiercane i gwintowane. Typowa stacja robocza używa ramienia bramowego i kilku wolno stojących robotów, które ładują i rozładowują elementy z maszyn.
Kontrola wizyjna
Wykorzystanie wizji do sterowania robotami przemysłowymi zwiększyło dokładność i staranność montażu wykonywanego przez roboty. Sterowane wizyjnie roboty są w stanie jednocześnie montować i kontrolować swoją pracę. Wczesne zlokalizowanie defektów – lub nawet zapobieganie im w procesie montażu – znacznie podwyższa produktywność poprzez eliminację dodatkowych kosztów w przypadku powtórnego montażu.
– Wizja jest istotnym elementem systemu automatyki w aplikacjach związanych z szybkim pakowaniem, ponieważ umieszczanie poszczególnych elementów na taśmie przenośnikowej w sposób ciągły musi być wcześniej ustalone i kontrolowane – mówi Ed Roney, odpowiedzialny za rozwój produktów wizyjnych w firmie FANUC Robotics. – Obiekty te (często artykuły konsumpcyjne) przemieszczają się do różnego typu robotów, które kolejno wykorzystują informację o lokalizacji w celu pobrania odpowiedniego produktu z taśmy i zapakowania do stosownych pojemników. Bez zastosowania systemu wizji każdy z elementów musiałby być dokładnie umieszczony. Mogłoby to okazać się trudne, biorąc pod uwagę obecne wysokie tempo produkcji.
Ten robot firmy FANUC ma zamontowany czujnik zderzenia i uchwyt elektrody do spawania metodą MIG
Wizja pozwala producentom na przetwarzanie różnych typów elementów bez potrzeby zmiany oprzyrządowania robotów. – W przeciwieństwie do zwykłych robotów, roboty sterowane wizyjnie nie potrzebują drogiego i precyzyjnego wyposażenia do chwytania elementów. Roboty o typowym wyposażeniu i standardzie wymagają dodatkowej pracy w celu załadowania i ułożenia obiektów. Roboty te potrzebują dodatkowych serwomotorów, sortowników i podajników, aby posegregować elementy do dalszej obróbki – mówi Bryan Boatner, dyrektor produktu In-Sight w firmie Cognex.
Oprócz zapewniania elastyczności w produkcji związanej z dostosowywaniem zmian elementów, Boatner zauważa, że dzisiejsze systemy wizyjne są znacznie tańsze, co uzasadnia zastosowanie tego typu robotów w różnych aplikacjach. – Uproszczona kalibracja, łatwiejsza integracja i nowe standardy podłączeń sprawiają, że sterowane wizyjnie roboty są szybsze i łatwiejsze w zastosowaniu. Poza lokalizacją elementów w celu ich pobrania lub sterowaniem montażem komponentów, roboty z systemami wizyjnymi pozwalają na kontrolę, pomiary i czytanie kodów paskowych oraz kodów matrycowych podczas konkretnej operacji czy montażu poszczególnych komponentów.
Według Boatnera większość aplikacji związanych z systemami wizyjnymi wykorzystuje oprogramowanie do analizy wizyjnej. Oprogramowanie to przetwarza informację o położeniu z obrazu 2D i przesyła ją do sterownika robota. Aplikacje typu „chwyć i umieść” (pick-and-place) wykorzystują zazwyczaj kamerę do uzyskania obrazu z obszaru przenośnika wiozącego towary do pakowania, paletowania lub montażu. – System wizyjny znajduje i oblicza położenie obiektów na przenośniku, a następnie przekłada położenie na współrzędne X–Y oraz kąt ustawienia i przesyła te dane do robota.
Systemy sterowania wizyjnego robotów – pracujące pomiędzy 2D a 3D – standardowo wykorzystują zmiany perspektywy lub wymiarów, aby obliczyć współrzędne 3D. – Layered bin picking polega na pobieraniu elementów z pojemników ułożonych warstwami. Elementy mogą być ułożone w różnych pozycjach i kierunkach – wyjaśnia Boatner. – Gdy kamera widzi stos elementów, to górny obiekt wydaje się mniejszy, ponieważ stos staje się coraz krótszy i jego odległość od kamery rośnie. W tego typu zastosowaniach system wizyjny wykorzystuje zmianę rozmiarów w celu obliczenia wysokości górnej palety, tak aby robot mógł dokładać lub pobierać elementy ze stosu. W większości skomplikowanych aplikacji wykorzystuje się wiele kamer lub specjalne techniki oświetlenia do tworzenia danych 3D – twierdzi Boatner.
Różnorodność elementów może przeszkadzać czujnikom wizyjnym w dostarczaniu powtarzalnych jakościowo danych o położeniu elementu. Proces produkcyjny ma kilka nieodłącznych cech zmiennych, które, według Boatnera, zazwyczaj sprowadzają się do następujących kategorii:
- obracanie się elementów spowodowane brakiem mocowania, drgania/przesuwanie na linii itd.,
- zmiany w skali elementu spowodowane zmianami w nastawach optyki w kamerach wizyjnych,
- niewłaściwe lub słabe oświetlenie,
- elementy produkowane w różnorodnych kolorach, strukturach, kształtach i rozmiarach,
- różnice spowodowane zmianami w procesie produkcyjnym,
- zamienniki komponentów lub materiałów,
- różni poddostawcy elementów,
- obecność oleju, farby, środków czyszczących i innych substancji mogących zaciemniać element lub zmieniać jego wygląd; czynniki te mogą być wprowadzone przypadkowo lub mogą być jednym z elementów procesu produkcji.
W przypadku różnorodności elementów wybranie odpowiedniego oprogramowania wspierającego skomplikowane kształty geometryczne zapewni dokładne i zgodne lokalizowanie materiałów.
Roney twierdzi, że sterowniki znajdujące się obecnie na rynku systemów wizyjnych mają elastyczność adaptacji do różnorodności wyglądu elementów, niższe koszty z powodu zmniejszonych wymagań w odniesieniu do oprzyrządowania i mogą na bieżąco wykrywać błędy, zanim produkty trafią do dalszej obróbki.
Kontrola siły
Kontrola siły może pomóc producentom wyeliminować uszkodzenie związane z błędnym mocowaniem części lub niewłaściwym wyregulowaniem podczas montażu. Siła, z jaką używane jest dane narzędzie, może być kontrolowana poprzez znajomość wielkości przyłożonej siły. Istnieje kilka sposobów na osiągnięcie tego, w zależności od sumy, jaką dany producent chce wydać.
Roboty mogą wymieniać swoje narzędzia w czasie krótszym od czasu trwania cyklu montażowego – fabryka Chrysler Belvidere
Według Thomasa J. Petronisa, wiceprezesa i dyrektora generalnego w firmie Applied Robotics, w wielu aplikacjach z kontrolą siły stosuje się pomiar prądu w serwo. Pomimo istnienia aplikacji wykorzystujących czujniki siły i ogniwa obciążnikowe, to użycie mierników prądu w serwo jest najbardziej opłacalne w środowisku produkcyjnym. Kilka zastosowań w medycynie oraz tych, w których wymagana jest duża dokładność, może uzasadniać wydatek na tego typu serwo-system. Jednakże dla większości aplikacji przemysłowych i produkcyjnych pomiar prądu serwo jest odpowiedni i mniej kosztowny.
Niektóre roboty wykorzystują pomiar siły, aby kontrolować łączniki kolumny kierownicy. Roboty stale pobudzają te styki podczas badania niezawodności. – Takie aplikacje wykorzystują informacje, jak duża siła jest przykładana – mówi Sachania.
Uważa on, że kontrolowanie siły nie jest szeroko wykorzystywane w produkcji. Wiele operacji produkcyjnych stawia raczej na szybkość operacji, niż na dokładność przyłożonej siły. – Szukasz zwrotu z inwestycji, a jeśli linia jest wolna, to twój przerób jest mniejszy. A jeśli chcesz być konkurencyjny na rynku, to musisz być pewny – pomimo wykorzystania większych prędkości – że wytwarzasz produkty najwyższej jakości. Na przykład rozważmy linię do pakowania, która pobiera elementy z jednego przenośnika i układa na drugi, albo bierze element i wkłada go do pudełka. Jeśli spróbujesz dołożyć tu układ kontroli siły, to spowodujesz spowolnienie linii.
Sachania mówi, że w przypadku bułeczek „muffin” producenci nie stosują bezpośredniej kontroli siły. Zamiast tego, systemy monitorujące podciśnienie podane na przyssawki lub moment podany na silnik zapewniają sprzężenie, które gwarantuje możliwość kontrolowania sił.
Wstępne przygotowanie i planowanie jest krytyczne. Można wybrać odpowiednie oprzyrządowanie, aby zastosować kilka zakresów ciśnienia. Opierając się na testowaniu podczas projektowania aplikacji, komponenty mogą być pobierane, chwytane i przesuwane z dużą prędkością bez uszkodzeń – nawet bułeczki.
Akcesoria robotów
Akcesoria są to narzędzia nakładane na ramię robota w celu wykonania pracy, do jakiej robot został przeznaczony. Do takich typowych akcesoriów należą pistolety do malowania, narzędzia spawalnicze, narzędzia szlifierskie, narzędzia do gratowania, ssawki i wiele różnych typów chwytaków. Urządzenia te mogą być bardzo skomplikowane i w rzeczywistości mają konkretne zastosowanie. Urządzenia do wymiany narzędzi znacznie zwiększają uniwersalność i elastyczność robotów przemysłowych. Na przykład w fabryce Chrysler Belvidere Assembly Plant roboty wyposażone w specjalne, szybko wymienne oprzyrządowanie i akcesoria ustalają położenie elementów karoserii, podczas gdy roboty spawające łączą je. Roboty mogą wymieniać swoje narzędzia w czasie krótszym od czasu trwania cyklu montażowego.
Urządzenia do wymiany narzędzi umieszczone blisko robotów mogą utrzymywać kilka zestawów narzędzi – jeden na każdy model samochodu, który w danym momencie Chrysler produkuje. Każdy robot jest wyposażony w standardowe akcesoria oraz zestaw dopasowujący narzędzia, który je mocuje i odłącza, takie jak klucz nasadowy albo mechanizm zapadkowy.
Przyszłość
– Choć rynek robotów przemysłowych stale się rozwija i dojrzewa, to wciąż czeka go długa droga – twierdzi Bernstein. – Niezautomatyzowane obszary, takie jak nauki przyrodnicze, środki farmaceutyczne, biomedycyna, tworzywa sztuczne i guma oraz artykuły spożywcze i konsumpcyjne wciąż czekają na rozwój. Im więcej samochodów sprzedaje się na świecie, tym więcej jest obszarów do zastosowania automatyki. Ponieważ ceny robotów spadają, a ich możliwości rosną, szukajcie nowych zastosowań, takich jak obróbka skrawaniem, aby zwiększyć przerób.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Jack Smith
