Jak istotne jest prawidłowe przygotowanie wytwarzanych towarów do transportu?
Na czym polega proces paletyzacji oraz jak roboty przemysłowe mogą ułatwić pracę?
Odpowiedzi na te pytania zamieściliśmy w artykule.
Handel jest procesem gospodarczym polegającym na sprzedaży, czyli wymianie dóbr i usług na pieniądze. Jego poprawne funkcjonowanie poprzez rozwój konsumpcji społeczeństwa (popytu) wpływa na podaż, czyli ilość dóbr oferowanych na rynku przez producentów po określonej cenie. Handel wydaje się więc bardzo złożonym procesem zawierającym w sobie m.in.: uzgadnianie struktury rodzajowej towarów, kierowanie ruchem towarów w czasie (w zależności od rozbieżności między produkcją a konsumpcją), kierowanie ruchem towarów w przestrzeni (w dobie globalizacji miejsca produkcji dóbr nie pokrywają się z miejscami popytu, spożycia lub zużycia) i w końcu kształtowanie struktury asortymentowej towarów (grupowanie dóbr według rodzaju zaspokajanych potrzeb na etapie przechodzenia ich ze sfery produkcji do sfery konsumpcji). Stąd niezmiernie ważnym aspektem jest odpowiednie ?przygotowanie handlowe? wytwarzanych dóbr już na etapie produkcji. W pojęciu globalnym przygotowanie to ze względu na hurtowy obrót towarami sprowadza się często do realizacji procesu zrobotyzowanej paletyzacji.
Planowanie przepływu produktów na zautomatyzowanych liniach produkcyjnych ma ogromne znaczenie dla każdego procesu produkcyjnego. Cała linia technologiczna powinna być tak skonfigurowana, aby przepływ produktów odbywał się płynnie, a urządzenia realizujące proces były w maksymalnym stopniu wykorzystane, tzn. aby ?martwe czasy? tych urządzeń były jak najkrótsze lub nie pojawiały się w ogóle. W większości fabryk, zwłaszcza produkujących towary o małych i średnich gabarytach, zachodzi konieczność ich pakowania i paletyzowania, aby nadawały się one do transportu.
Znajdujący się na końcu linii produkcyjnej proces paletyzacji ma w tym przypadku szczególne miejsce. Z jednej strony ze względu na fakt, że kierowanych jest do niego wiele linii dostarczających produkty (wiele stacji pakujących), dotykają go problemy wydajności całej linii technologicznej (konieczność zapewnienia przez stanowisko krótkich cyklów pracy, aby umożliwić płynny przepływ produktów), z drugiej strony gabaryty i masa paletyzowanych produktów bardzo utrudniają osiągniecie zamierzonego efektu.
Konfiguracja stanowiska do paletyzacji
Opuszczające fabrykę produkty powinny być w pełni przygotowane do transportu. Dlatego podczas budowy stanowisk do paletyzacji należy zwrócić szczególną uwagę na kompleksowość rozwiązania (stanowisko nie powinno ograniczać się do nieprzemyślanego załadowania palety transportowej). Dzięki elastyczności mechanicznej i programowej, jaką gwarantują roboty przemysłowe (w przeciwieństwie do rozwiązań dedykowanych), możliwe jest wykonanie całej gamy czynności, w wyniku których produkt zaspokoi oczekiwania działu logistycznego każdej firmy transportowej.
Podczas projektowania/zamawiania zrobotyzowanego stanowiska do paletyzacji należy wziąć pod uwagę m.in. elastyczność stanowiska i jego bezpieczeństwo, projekt linii dostarczającej produkty, dobór robota i jego wyposażenia, sposób dostarczania palet (np. magazyn palet), sposób zabezpieczenia palety po załadowaniu (np. owijarka automatyczna), projekt linii odsyłającej zapakowane palety.
Podczas automatyzacji procesów technologicznych punktem wyjścia jest zawsze aspekt ekonomiczny. Dlatego na początku należy postawić sobie pytanie, czy automatyzacja jest ekonomicznie uzasadniona. Oczywiście, ekonomicznie uzasadniona nie oznacza jednoznacznie, że nie jest ona opłacalna, ponieważ ?dwóch pracowników fizycznych za najniższą stawkę może wykonać te same zadania?. Proces oceny jest bardziej złożony (zawiera wiele czynników: wydajność, tempo pracy, powtarzalność, bezpieczeństwo, zapewnienie dostaw itp.) i należy go zostawić ekonomistom. Jeśli automatyzacja jest uzasadniona, to w jakim stopniu. Podjęcie stosownych decyzji powinno wiązać się z organizacją przestrzenną całego stanowiska (w obecnych trendach stanowisko powinno zajmować jak najmniejszą powierzchnię ze względu na minimalizację kosztów) oraz możliwością łatwego dostosowania go do zmiany gamy paletyzowanych produktów (duża konkurencyjność wymusza relatywnie częstą zmianę opakowań).
Bezpieczeństwo i środowisko pracy
Zastosowane na stanowisku urządzenia powinny cechować się dużą niezawodnością oraz mieć mechanizmy automatycznej kontroli oraz lokalizacji uszkodzeń. Szczególną uwagę należy zwrócić na aspekty bezpieczeństwa, poprzez zastosowanie nowoczesnych systemów i wyeliminowanie elementów mogących powodować wypadki (np. bezpośredni udział człowieka czy ruch wózków widłowych). Zgodnie z obowiązującymi normami bezpieczeństwa bardzo dużym ograniczeniem dla projektantów jest ilość miejsca wymagana dla robota przemysłowego. Ilość ta zależy od przestrzeni roboczej (a tym samym zasięgu) danego urządzenia wprost proporcjonalnie ? im większy zasięg robota, tym wymagana jest większa przestrzeń (roboty dedykowane do procesu paletyzacji cechuje największy zasięg z całej rodziny robotów). Z drugiej strony oczekiwania odbiorców dążą do minimalizacji tej przestrzeni.
Producenci robotów starają się sprostać oczekiwaniom przez stosowanie coraz bardziej rozbudowanych systemów zabezpieczeń. Oprócz ograniczeń mechanicznych poszczególnych osi robota stosowane są dzisiaj zgodne z normami ograniczenia programowe, zapewniające zdefiniowanie określonej przestrzeni, w której może poruszać się narzędzie robota (np. firma Fanuc ? system DCS V2, firma ABB ? system SafeMove). Rozwiązania te umożliwiają ograniczenie przestrzeni roboczej w sposób wirtualny, bez konieczności montażu dodatkowych urządzeń. Systemy te mogą być również stosowane w przypadku, kiedy przestrzeń robocza jest wspólnie wykorzystywana przez wiele urządzeń lub urządzenie i operatora. Najbardziej zaawansowane systemy są w stanie kontrolowaćpozycję i prędkość całego ramienia robota. Daje to możliwość definiowania bezpiecznych stref pracy robota, zatrzymywanie robota w bezpiecznej odległości i oczekiwanie, aż operator po wykonaniuczynności opuści kontrolowaną strefę (np. z wykorzystaniem skanerów i kamer bezpieczeństwa), następnie kontynuowanie realizacji zautomatyzowanego procesu.
Istotnym elementem, który należy wziąć pod uwagę podczas projektowania zrobotyzowanych stanowisk do paletyzacji, jest środowisko pracy określające m.in.:
- stopień ochrony urządzenia (zwykle roboty paletyzujące mają stopień ochrony IP67),
- konieczność wyposażenia robota w dodatkowe elementy ochronne (np. rękawy).
- Dobór robota i jego wyposażenia
W związku z różnorodnością asortymentu procesów produkcyjnych, szybkością wytwarzania produktów, ich liczbą i gabarytami konieczny jest wybór robota przemysłowego do konkretnego zastosowania. Niemniej jednak wśród podstawowych czynników, jakie należy wziąć pod uwagę podczas projektowania zrobotyzowanego stanowiska do paletyzacji są: udźwig i zasięg robota, liczba cykli produkcyjnych, powtarzalność i środowisko pracy oraz stopnień ochrony urządzenia.
Dwa pierwsze czynniki są bezpośrednio związane z przenoszonymi produktami. Ich masa jednostkowa, dodając do tego masę chwytaka, będzie wskazywała wymagany udźwig robota (często stosuje się 20% zapas masy), natomiast ich gabaryty oraz wymagania związane z umieszczeniem odpowiedniej liczby produktów na palecie zadecydują o wysokości stosu, a tym samym o wymaganym zasięgu robota.
Z wysokością stosu jest związana również powtarzalność robota ? duża powtarzalność zapewni równiejsze ułożenie produktów, a tym samym większą stabilność stosu. Duża liczba cykli pracy zapewnia płynny przepływ produktów i wysoką wydajność.
Stale rosnące wymagania zwiększenia produkcji stawiają przed inżynierami wysokie wymagania. Analizując rzeczywiste czasy cykli pracy dla danego stanowiska, należy wziąć pod uwagę moment bezwładności (obciążenie dynamiczne) występujący podczas transportu danego produktu. Konieczne jest to ze względu na zapewnienie bezpiecznego i pewnego chwytu, zwłaszcza podczas przyspieszania (po uchwyceniu) i zwalniania (przed upuszczeniem) transportowanych dóbr. Zwykle wprowadza to konieczność rozbudowy chwytaka o dodatkowe mechanizmy (zabezpieczające chwyt), zwiększając tym samym jego masę.
Firmy produkujące roboty przemysłowe mają w swojej ofercie dedykowane procesowi paletyzacji roboty cztero- i pięcioosiowe. Z reguły w większości przypadków roboty czteroosiowe wydają się wystarczające (trzy główne osie robota zapewniają dowolne przemieszczanie ładunku w przestrzeni kartezjańskiej, wzdłuż osi X, Y, Z, oś czwarta umożliwia zmianę orientacji ładunku wokół pionowej osi Z). Czasami jednak, zwłaszcza przy paletyzacji ładunków o nieregularnych kształtach (np. worki), stosowane są roboty pięcioosiowe, które dodatkowo umożliwiają przechylenie ładunku, a tym samym zapewniają ułożenie bardziej uporządkowanego, wyższego stosu. Analizując oferowane produkty, łatwo zauważyć, że roboty przeznaczone do paletyzacji ogólnie charakteryzują się m.in.:
- relatywnie małą masą manipulatora w stosunku do udźwigu, ok. 800÷2300 kg,
- dużym zakresem udźwigu, ok. 80÷500 kg,
- dużym zasięgiem, ok. 2,5÷3 m,
- krótkimi cyklami pracy, ok. 1500÷2000 cykli/h (test 400/2000/400 mm),
- wysoką powtarzalnością, ok. 0,03÷0,2 mm,
- standardowo stopniemochrony IP67.
Konfiguracja stanowiska do paletyzacji może przyjmować różne formy ? od podstawowej, w której robot zastępuje człowieka jedynie przy przenoszeniu produktu z linii na paletę, do całkowicie zautomatyzowanej, w której zabezpieczona folią paleta jest gotowa do transportu. Dlatego wyposażenie robota może być różne. Na nowoczesnych, w pełni zautomatyzowanych stanowiskach do zadań robota należy zaliczyć:
- przenoszenie produktów z linii na paletę zgodnie z algorytmem paletyzacji:
- układanie warstw parzystych i nieparzystych,
- maksymalne wykorzystanie powierzchni palety,
- odpowiednie zorientowanie produktów do celów logistycznych (widoczne logo, kody kreskowe itp.)
- układanie przekładek pomiędzy warstwami,
- sprawdzanie wysokości stosu palet w magazynie,
- przenoszenie palet z magazynu na stanowisko,
- rozpoznawanie kodów kreskowych (np. w przypadku paletyzacji różnych produktów).
Uniwersalność manipulatorów robotów przemysłowych umożliwia wyposażanie ich w rozbudowane, wielofunkcyjne chwytaki, zapewniające wykonywanie kilku różnych operacji (m.in. przenoszenie produktów, przekładek, palet).
Z punktu widzenia odbiorcy stanowiska do paletyzacji czasami celowe jest również odpowiednie przygotowanie interfejsu dla ewentualnego operatora. Interfejs taki powinien umożliwić przeprogramowanie (dostosowanie) robota w przypadku zmiany asortymentu paletyzowanych produktów bez konieczności wzywania specjalisty. Panele operatorskie tego typu można przygotować jako programy zaimplementowane na specjalizowanych terminalach HMI lub jako aplikacje programowe instalowane na panelu nauczania robota przemysłowego.
Specjaliści z zakresu automatyki przemysłowej wśród zalet zautomatyzowanej paletyzacji jednomyślnie wyliczają:
- automatyczną pracę 24 godziny na dobę,
- zwiększenie bezpieczeństwa,
- dużą powtarzalność i stałe tempo pracy,
- wysoką wydajność i niezawodność,
- optymalizację kosztów produkcji,
- relatywnie małą przestrzeń zajmowaną przez stanowiska do paletyzacji.
Zgodnie z wynikami prowadzonych ankiet (źródło: Control Engineering, sierpień 2013) użytkownicy nie są w pełni zgodni z dostawcami w kwestii wykorzystania robotów przemysłowych w zrobotyzowanych aplikacjach do paletyzacji, w świetle wszystkich zastosowań (prym wiodą spawanie i zgrzewanie). Użytkownicy wskazują, że wykorzystanie robotów do paletyzacji jest na poziomie 12% (dostawcy ? na poziomie 75%). Niemniej jednak aplikacji tych z każdym rokiem przybywa. Zainteresowanie jest na tyle duże, że producenci robotów proponują dziś moduły wspierające tworzenie takich komór w trybie offline (np. ABB ? pakiet Palletizing PowerPac dla środowiska RobotStudio) oraz moduły wspierające szybką konfigurację procesu paletyzacji (np. PickMaster 5 firmy ABB). Należy jednak pamiętać, że niemal każda aplikacja wymaga indywidualnego podejścia uwarunkowanego czynnikami (zarówno od strony procesu technologicznego, jak i samego stanowiska) przedstawionymi w pierwszej części artykułu.
Aplikacje zrobotyzowanych stanowisk do paletyzacji
Rosnące zaufanie użytkowników do wysoko zaawansowanych, a tym samym złożonych systemów sprawia, że coraz częściej w fabrykach można spotkać nie tylko pojedyncze roboty, ale kompletne cele do paletyzacji. Stanowiska takie są już oferowane przez największych integratorów jako moduły dołączane do całego procesu technologicznego. Dzięki modułowej budowie oraz kreatorowi graficznemu (aplikacja dla operatora) łatwo dają się dostosować do indywidualnych potrzeb, a co najważniejsze ich wdrożenie jest znacznie szybsze w porównaniu do podejścia konwencjonalnego.
Zautomatyzowane stanowiska do paletyzacji można spotkać w różnych branżach przemysłowych. Znalazły one swoje miejsce m.in. w przemyśle meblarskim. Przykładem jest Grupa Swedwood ? jeden z największych producentów łóżek na świecie. Należący do grupy zakład w Lubawie rocznie wytwarza towary o łącznej wartości ponad 600 mln PLN. W tym przypadku wdrożone przez firmę ABB stanowisko do paletyzacji obsługuje dwie linie technologiczne produkujące komponenty meblowe (fot. 1). Zadaniem robota jest układanie na palecie ośmiu warstw kartonów (w każdej warstwie 4 sztuki) z trzema przekładkami w cyklu 7,5 s (na karton z każdej linii). Mające jeden format kartony (200×200×2000 mm) o masie do 30 kg mogą zawierać różny zestaw elementów. Paletyzacja odbywa się na dwóch miejscach odkładczych, po jednym na każdą podłączoną do systemu linię. Cela jest dodatkowo wyposażona w miejsce składowania i poboru przekładek oraz pustych palet.
Nie zawsze proces paletyzacji związany jest z kartonami o jednakowych kształtach. Często przenoszonymi produktami są worki, co mogłoby sprawiać wrażenie, że ze względu na niejednoznaczne kształty w tym przypadku nie do końca ważna jest duża powtarzalność robota (trudno ułożyć worki z dużą dokładnością). Nic bardziej mylnego ? aby uzyskać wysoki stos na palecie, konieczne jest zwrócenie szczególnej uwagi na rozłożenie worków na palecie, zwłaszcza że trudno je pozycjonować w miejscu pobierania. Przykładem może być rozwiązanie zastosowane przez Cukrownię Strzyżów (fot. 2), gdzie pracę manualną zastąpiono pracą robota. Robot firmy Fanuc przenosi dwa worki, po 25 kg lub 50 kg cukru każdy, z wydajnością ok. 250 i 400 cykli na godzinę. W omawianym przykładzie poprawność ułożenia warstw na palecie wpływa na wysokość stosu, dzięki czemu w dalszym procesie składowania zapełnionych palet możliwe jest umieszczenie czterech, a nawet pięciu pełnych palet jedna na drugiej. Wcześniej układano stosy maksymalnie z trzech zapełnionych palet.
Oprócz rozwiązań, gdzie paletyzowanych jest maksymalnie do kilku różnych towarów, istnieją aplikacje obejmujące automatyczne systemy przystosowane do obsługi nawet kilkudziesięciu typów produktów. Przykładem może być firma Strauss Cafe Poland, producent znajdujący się w czołówce palarni kawy w Polsce, który wytwarza rocznie 20 000 ton kawy, sprzedając ją pod różnymi markami. Tworzenie tak rozbudowanych i kompleksowych rozwiązań jest praktycznie zarezerwowane dla największych firm integratorskich. W tym przypadku wymaganiom sprostała firma FlexLink, która uzyskała sumaryczną wydajność paletyzacji około 60 kartonów na minutę, przy jednoczesnej obsłudze do 50 palet na godzinę. W pełni kompleksowe rozwiązanie przy wykorzystaniu robotów firmy ABB uwzględnia m.in.: transport produktów, roboty przemysłowe, dystrybucję palet wraz z integracją automatycznej owijarki i etykieciarki oraz oprogramowanie SCADA, zintegrowane z urządzeniami wykonawczymi oraz oprogramowaniem SAP, umożliwiając automatyczne generowanie na etykiecie miejsc magazynowych dla palet pełnych wraz z raportowaniem produkcji.
Dużym atutem zautomatyzowanej paletyzacji, jak wskazują użytkownicy, jest identyczny sposób ułożenia wszystkich produktów. Zwraca również na to uwagę dyrektor produkcji firmy Megaron ? Katarzyna Harwat. Firma Megaron zajmuje się produkcją suchych mieszanek gipsowych, gotowych zapraw szpachlowych oraz emulsji gruntujących. Roboty przemysłowe pracują tam na dwóch liniach: wyrobów suchych i mokrych. W przypadku produktów suchych robot chwyta, przenosii układa na palecie po jednym worku, natomiast na linii produktów mokrych chwytane są przez dwa roboty wiaderka o masie 20 i 17 kg, przenoszone i ustawiane na palecie po 4 sztuki jednocześnie, wiaderka 5 kg po 6 sztuk, a opakowania 1,5 kg po 9 sztuk jednocześnie (fot. 3).
Standardowa paleta wyrobów suchych zawiera zwykle 54 sztuki mieszanki gipsowej. Jak twierdzą pracownicy, przed automatyzacją procesu takich palet dziennie firma zapełniała ok. 60, przy założeniu 8-godzinnego trybu pracy 10 osób. Po wprowadzeniu automatyzacji linię bezpośrednio obsługuje tylko jedna osoba, a wydajność wynosi 200 palet/8 h (54 sztuki po 20 kg/8 h). Zastąpienie ciężkiej pracy fizycznej robotami utworzyło nowe stanowiska dla osób o wyższych kwalifikacjach (m.in. elektryk, informatyk, konserwator).
Innym przykładem wdrażania zrobotyzowanych stanowisk do paletyzacji produktów z naszego ?krajowego podwórka? jest fabryka farb i lakierów Śnieżka SA z Lubziny. Zatrudniając ponad 600 osób i wytwarzając rocznie około 90 mln litrów różnego rodzaju wyrobów chemii budowlanej, Śnieżka SA weszła do grona największych producentów krajowych. Wdrożone w firmie stanowiska, w skład których wchodzą dwa roboty Kawasaki ZD250 z oferty ASTOR (fot. 4), pozwalają na automatyczną paletyzację wiaderek o pojemnościach 3, 5, 10 i 15 litrów z dwóch linii rozlewniczych. Zrobotyzowane stanowisko, dostarczone przez ASTOR, zaprojektowała i wykonała firma Zakłady Mechaniczne Rufus z Dębicy. Podczas uruchamiania stanowiska kierowano się zasadami przedstawionymi w pierwszej części artykułu, zwracając szczególną uwagę m.in. na:
- pozycjonowanie wiaderek, co zapewniło widoczność loga firmy paletyzowanego produktu,
- użycie specjalistycznego chwytaka mechanicznego, chroniąc wiaderka przed niekontrolowanym upadkiem,
- zastosowanie panelu operatora z oprogramowaniem Wonderware InTouch, zwiększając elastyczność stanowiska, m.in.: umożliwiając operatorowi wybór aktualnie produkowanego asortymentu oraz określenie sekwencji ułożenia wiaderek i przekładek.
Wdrożenie zrobotyzowanych stanowisk zwiększyło wydajność i niezawodność całego ciągu produkcyjnego, zapewniło wysoką jakość i powtarzalność ułożenia produktu na paletach oraz poprawiło warunki pracy, ?wyręczając? pracowników w fizycznych i monotonnych zadaniach (15-litrowe wiaderko waży 22 kilogramy). Zwiększający prestiż firmy przykład uzasadnia celowość robotyzacji procesów technologicznych, zwłaszcza że poziom zatrudnienia w firmie nie uległ zmianie, a osoby, które do tej pory układały wiaderka, zostały przesunięte do prac bardziej przyjaznych dla organizmu człowieka.
Podsumowanie
Coraz szersze wykorzystanie robotów przemysłowych w aplikacjach paletyzujących, kierunki rozwoju środowisk do projektowania zrobotyzowanych komór do paletyzacji w trybie offline oraz aplikacji dla operatorów ? to wszystko pozwala sądzić, że rynek ten nadal będzie się rozwijał. Na podstawie tworzonych przez inżynierów aplikacji można obecnie zauważyć, że przyszłością programowania robotów przemysłowych zainstalowanych na liniach produkcyjnych będzie możliwość programowania zadaniowego, będącego rozszerzeniem obecnie znanych języków wysokiego poziomu (np. RAPID, KAREL, MELFA-BASIC, KRL). Ze względu na specyfikę poszczególnych procesów technologicznych możliwe jest już dzisiaj dostarczenie odbiorcom produktów, których przeprogramowanie (w pewnym zakresie) nie będzie wymagało głębokiej znajomości danego języka programowania, ale jedynie dobrej znajomości języka zadaniowego oraz parametrów danego procesu technologicznego.
W artykule nie poruszono problemów urządzeń specjalistycznych, które również można spotkać na stanowiskach do paletyzacji.
Za pomoc w opracowaniu artykułu autorzy dziękują firmom ABB, ASTOR i FANUC Robotics.
CE
