Przemysł motoryzacyjny – pionierzy automatyzacji

Branża motoryzacyjna należy do jednej z najbardziej zautomatyzowanych gałęzi przemysłu. Fabryka samochodów jest miejscem, w którym produkcja odbywa się w szczególnie wymagającym środowisku. Żeby sprostać tym wymaganiom oraz zdobyć przewagę nad konkurencją, trzeba zaopatrzyć się w odpowiednie narzędzia, które pozwolą poprawić wydajność produkcyjną zakładu, zwiększyć tempo wytwarzania produktów oraz osiągnąć ich wyższą jakość, przyjednoczesnym obniżeniu kosztów i poprawie wyników przedsiębiorstwa.
Współczesne fabryki samochodów to miejsca w znacznym stopniu zautomatyzowane i zrobotyzowane. Na terenie naszego kraju w wielu zakładach produkcyjnych związanych z szeroko pojętą motoryzacją można spotkać specjalistyczne maszyny, zautomatyzowane linie produkcyjne oraz roboty odpowiedzialne za wykonywanie różnorodnych czynności, z których składa się złożony proces produkcji auta. Przykładami zakładów wykorzystujących najnowsze technologie są fabryki samochodów: Fiat w Tychach, Volkswagen w Poznaniu czy General Motors w Gliwicach.
Jeśli chodzi o roboty przemysłowe, to okazuje się, że zarówno w Polsce, jak i w innych krajach europejskich największym ich odbiorcą jest właśnie przemysł motoryzacyjny. Około 70% ogólnej sumy zainstalowanych robotów pracuje w branży samochodowej. We wspomnianej wcześniej gliwickiej fabryce Opla roboty wykonują ok. 58% prac na linii technologicznej ? począwszy od zgrzewania punktowego, przenoszenia blach pomiędzy prasami, a skończywszy na napawaniu kołków, inspekcji wizyjnej nałożonego kleju itd. Na wielu stanowiskach (np. podczas zgrzewania) praca robota jest wydajniejsza niż wykonywana przez człowieka, a dzięki zastosowaniu robotów w miejscach szczególnie trudnych (duże zapylenie, opary gazów, wysoka temperatura itd.) niebezpieczeństwo utraty zdrowia zostaje wyeliminowane.
Wszystko zaczyna się w tłoczni
Proces produkcji samochodu rozpoczyna się w tłoczni. To tutaj powstają panele karoseryjne, takie jak dach, maska, drzwi itd. Surowcem jest blacha karoseryjna, wykonana ze specjalnych gatunków stali, która jest dostarczana do zakładu w ogromnych zwojach. W pierwszym etapie wycina się ze zwojów płaskie elementy, które stanowią wstępne profile, po czym są one przetłaczane na matrycach przy użyciu pras. Te największe w całej fabryce maszyny pracują z ogromną siłą nacisku ? nawet kilku tysięcy ton. Oprócz siły niezwykle ważna jest też precyzja ? każdy element składowy karoserii tłoczony jest z dokładnością do ok. 0,01 mm. Ważne jest przy tym, żeby powierzchnia matryc tłoczących była idealnie czysta.
Tłocznia jest miejscem, gdzie stosowane są z powodzeniem nowoczesne systemy sterowania, które służą do kontroli pras, zapewniają stabilność procesu oraz dbają o to, żeby wytwarzane panele były najwyższej jakości i np. nie miały żadnych, nawet najdrobniejszych nierówności na powierzchni.
W celu prawidłowego działania tłoczni stosuje się różne rozwiązania. Przykładem są przetwornice, które zapewniają oszczędność energii niezależnie od typu stosowanych silników ? od jednostek dużej mocy, napędzających główny napęd prasy do systemów transportu materiałów. Z kolei precyzyjne serwonapędy napędzają zautomatyzowane podnośniki transportujące elementy karoserii w miejsca tymczasowego składowania. W tym czasie sterowniki organizują pracę urządzeń i oferują potężne możliwości przetwarzania danych. Zarządzanie danymi jest krytyczne, gdyż całkowita identyfikacja wykonanych elementów decyduje o efektywności. Niedokładność lub niekompletność danych lub ich utrata powoduje znaczny spadek wydajności.
Poszczególne elementy karoserii powstają na półautomatycznych lub w pełni zautomatyzowanych liniach produkcyjnych. Czynności, takie jak tłoczenie, załadunek oraz wyładunek odbywają się automatycznie oraz są w pełni nadzorowane dzięki zastosowaniu sterowników tworzących sieć komunikacyjną.
Wyłaniają się pierwsze kształty
W dalszej kolejności wszystkie części karoserii ? zarówno te pochodzące z tłoczni, jak i dostarczone przez zewnętrznych dostawców podzespołów ? trafiają do miejsca zwanego Body, w którym dochodzi do scalenia gotowych komponentów. Na skutek spawania lub zgrzewania wszystkich elementów w jedną całość wytwarzana jest dokładna pod względem formy i wymiaru karoseria.
Na początku następuje zmontowanie komory silnika, która po zgrzaniu z dwoma elementami podłogi tworzy kompletne podwozie pojazdu. Kolejnym krokiem jest montaż ścian bocznych oraz dachu, na skutek czego dochodzi do powstania gotowego szkieletu samochodu. Połączone ze sobą blaszane elementy zaczynają wreszcie kształtem przypominać samochód. Następnie montuje się drzwi, maskę silnika oraz wreszcie klapę bagażnika.
Sterowanie parametrami podczas całego procesu spawania odbywa się w pełni automatycznie, z wykorzystaniem nowoczesnych technik sterowania cyfrowego.
Poszczególne czynności wykonywane są na stacjach manualnych lub zautomatyzowanych. Na stacjach manualnych pracują odpowiednio wykwalifikowani pracownicy, a cały proces znajduje się jednocześnie pod kontrolą systemów automatycznych, dzięki czemu można osiągnąć wysoką jakość produkowanych tu karoserii. Z kolei praca na stacjach w pełni zautomatyzowanych przypisana jest robotom oraz współpracującym z nimi urządzeniom, które są sterowane przez nowoczesne systemy komputerowe.
Warto zaznaczyć, że roboty odgrywają bardzo ważną rolę w produkcji karoserii. Ich zadaniem jest punktowanie, spawanie, a także przenoszenie i nakładanie poszczególnych części. Niewielkie elementy, np. poszycie drzwi, mogą być zgrzewane przy użyciu zgrzewarek ręcznych, ale główne zgrzewy punktowe wykonywane są na stacjach w pełni zautomatyzowanych.
Poziom automatyzacji procesu zależy często od modelu auta. Przykładowo w fabryce samochodów General Motors w Gliwicach przy produkcji Astry III ok. 40% operacji przeprowadzanych jest automatycznie, natomiast w przypadku Astry IV stopień automatyzacji wynosi ok. 70%.
Oprócz składania wszystkich części w jedną całość na tym etapie produkcji następuje też wytłoczenie na karoserii numeru identyfikacyjnego VIN.
Zanim gotowa karoseria opuści spawalnię, musi najpierw zostać poddana odpowiedniej weryfikacji. Do tego celu używa się specjalnych robotów wyposażonych w czujniki laserowe, które dokonują, z dokładnością 0,1 mm, pomiaru kilkudziesięciu punktów na karoserii. Daje to gwarancję poprawności wymiarowej każdego nadwozia. Istotne, że na jednej linii produkcyjnej można jednocześnie produkować karoserie różnych modeli samochodów.
Czas na lakier
Lakierowanie to kolejna czynność, która odbywa się po spawaniu. Większość procesów lakierniczych wykonywanych jest z zastosowaniem specjalistycznych urządzeń i robotów. Na przykładzie fabryki samochodów Volkswagen Poznań omówimy pokrótce, jak przebiega proces lakierniczy, w wyniku którego karoseria uzyskuje odpowiedni kolor.
Karoseria po przetransportowaniu do lakierni przez naziemny rękaw, który łączy oba budynki, poddawana jest obróbce wstępnej, przygotowującej do lakierowania. Następnie zanurza się karoserię w wielkich wannach, gdzie nakładana zostaje pierwsza warstwa ochronna lakieru, której zadaniem jest zabezpieczenie karoserii przed korozją. W dalszej kolejności ma miejsce uszczelnianie zgrubne i dokładne wszelkich spoin oraz miejsc łączenia blach. Po tych czynnościach następuje nałożenie przez roboty na spód karoserii warstwy ochronnej, zabezpieczającej podwozie przed skutkami wpływów atmosferycznych. Zaraz potem na nadwozie nakłada się kilka warstw lakieru ? najpierw gruntujący, później bazowy, a na końcu bezbarwny. Nakładanie tych warstw lakieru odbywasię w Cleanroomie ? wydzielonym i zamkniętym obszarze lakierni, w którym obowiązują restrykcyjne przepisy dotyczące czystości pomieszczeń i odzieży ochronnej pracowników.
Interesujący jest sposób nakładania lakieru gruntującego: najpierw na urządzeniu EMU prawdziwe strusie pióra o właściwościach antystatycznych oczyszczają zewnętrzne elementy karoserii, następnie pracownicy ręcznie aplikują lakier w miejsca trudno dostępne wewnątrz pojazdu, później zaś urządzenie typu ESTA nakłada metodą elektrostatyczną lakier na zewnętrzne powierzchnie karoserii.
Zanim zostanie nałożony lakier bazowy, karoseria czyszczona jest na trzy sposoby: najpierw za pomocą szczotek, następnie za pomocą dwóch robotów myjących, wreszcie następuje trzecia faza, w której karoseria odsączana jest w stacji przechyłu.
Dwa ostatnie etapy lakierowania przebiegają podobnie: lakier rozpylają roboty, a w miejscach trudno dostępnych pracownicy nakładają lakier ręcznie. Niektóre rodzaje lakieru kolorowego wymagają dwukrotnego nałożenia warstwy nawierzchniowej. Po nałożeniu lakieru nawierzchniowego karoseria jest lekko podsuszana, a po nałożeniu lakieru bezbarwnego ? dokładnie suszona.
Następnie szczegółowej kontroli poddaje się powłokę lakieru każdej karoserii, po czym następuje odbiór końcowy. Po odbiorze końcowym na karoserię nakładane są emblematy marki oraz listwy ochronne.
W przypadku wybranych karoserii sprawdza się również grubość powłoki lakierniczej, uzyskany odcień i strukturę w odniesieniu do koncernowych wytycznych jakościowych.
Ostatnim etapem procesu lakierniczego jest konserwacja przestrzeni zamkniętych, podczas której przez specjalne dysze pod ciśnieniem wtryskiwany jest wosk zabezpieczający pojazd przed korozją. Wreszcie polakierowana, błyszcząca i zabezpieczona karoseria wędruje wewnętrznymi liniami transportowymi do hali montażu.
Należy przy tym podkreślić, że dzięki zautomatyzowaniu procesu lakierowania i wykorzystaniu najwyższej klasy robotów można uzyskać bardzo wysoką jakość powłoki lakierniczej oraz zminimalizować ilość odpadów. Ważne, że nowoczesne linie lakiernicze wyposażone są w system wizualizacji komputerowej, dzięki czemu można kontrolować cały przebieg procesu lakierowania. Ponadto zastosowanie robotów na wszystkich zasadniczych etapach procesu przyczynia się nie tylko do znacznych oszczędności finansowych, ale także do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery.
Warto dodać, że przy ogromnej liczbie różnych karoserii lakierowanych na każdej zmianie niezwykle istotna jest możliwość właściwego zarządzania dużą ilością danych. Zastosowany kolor czy kształt strumienia lakieru zmienia się w zależności od modelu auta. W przypadku niektórych fabryk, gdzie kolejno lakierowane są różne modele, najważniejszy jest system, który musi odpowiednio zarządzać strumieniem ciągle zmieniających się parametrów i instrukcji roboczych. W tym miejscu znajdują zastosowanie sterowniki PLC wyposażone w pamięć, zapewniającą przechowywanie, udostępnianie i wymianę dużych ilości danych między różnymi procesami lakierowania i suszenia. Łatwość udostępniania danych ma ogromny wpływ na poprawę wydajności lakierni i umożliwia ustawienie parametrów różnych procesów według indywidualnych wymagań każdej malowanej karoserii.
Montaż końcowy
Ostatnim przystankiem na drodze produkcji samochodu jest wydział montażu końcowego. Kompletowanie pojazdu do ostatecznego kształtu rozpoczyna się od demontażu drzwi, które uzbrajane są w szyby, zamki itd. Zdemontowanie drzwi ma na celu ułatwienie dostępu do wnętrza auta, w którym umieszczane są pasy bezpieczeństwa, wiązki elektryczne, mata podłogowa, podsufitka, kokpit z deską rozdzielczą itd. Montowane są również światła, kierunkowskazyoraz inne ważne elementy, których nie może zabraknąć w samochodzie. Dopiero w ostatniej fazie procesu produkcyjnego drzwi są montowane z powrotem, tym razem już na stałe.
Dział montażu to miejsce, gdzie znajdują zastosowanie najnowsze rozwiązania techniczne umożliwiające płynny ruch linii montażowej. Komputerowe sterowanie systemem przenośników wpływa bezpośrednio na prawidłową synchronizację wszystkich odcinków linii. W konsekwencji mogą przebiegać bez zakłóceń kolejne etapy montażu samochodu: wyposażanie nadwozia, łączenie go z zespołem napędowym oraz wyposażanie pojazdu w siedzenia, drzwi i inne elementy.
Linia montażu końcowego podzielona jest na kilka obszarów. Dzięki temu w przypadku wystąpienia jakiegoś problemu nie ma potrzeby nagłego zatrzymywania całej linii produkcyjnej, lecz jedynie jej części. We wspomnianym zakładzie Volkswagen Poznań linia montażowa podzielona jest na trzy podobszary: obszar wysokiej linii, obszar niskiej linii oraz obszar podmontażu układu napędowego i tzw. wesele.
Na obszarze wysokiej linii pojazdy poruszają się na zawieszkach montażowych, których wysokość można dowolnie regulować. Zanim samochód zostanie zaopatrzony w koła i zostanie opuszczony w dół, jest on uzupełniany m.in. w paliwo czy płyn hamulcowy. Równocześnie auto zostaje wyposażone zarówno w drobne elementy pobierane z pojemników logistycznych, jak i w kompletnie zabudowane moduły.
W obszarze niskiej linii, gdzie samochody stoją już na własnych kołach i są przemieszczane wzdłuż linii montażowej na specjalnych płytach, następuje montaż wewnętrznych części auta, instalowane są szyby oraz montowane dodatkowe wyposażenie, które zażyczył sobie klient.
Z kolei obszar podmontażu układu napędowego i wesele to miejsce, gdzie dochodzi do połączenia takich elementów, jak silnik, skrzynia biegów w jeden zespół napędowy. Następnie zespół napędowy trafia na tzw. stację wesele, gdzie następuje połączenie go z już częściowo wyposażoną karoserią.
Po zmontowaniu samochodu na wysokiej taśmie, połączeniu go z zespołem napędowym i zabudowie wnętrza pojazdu oraz wypełnieniu płynami wszystkich układów, na końcu linii auto po uruchomieniu silnika opuszcza linię montażową i przejeżdża do kolejnej hali, w której zostaje poddane kompleksowej kontroli (m.in. kontrola szczelności, testy dynamiczne auta, ocena pracy silnika, ustawienie geometrii). Ze względu na konieczność zapewnienia najwyższej jakości produktu finalnego w tym czasie wykorzystuje się wiele różnych elektronicznych urządzeń służących do przeprowadzania testów jakościowych.
Większość małych części montowanych jest na karoserii manualnie. Większe części, na przykład rura wydechowa, zbiornik, siedzenia, montowane są za pomocą manipulatorów. Do montażu wielkorozmiarowych i czułych części, takich jak deska rozdzielcza, osie lub szyby, wykorzystuje się w pełni zautomatyzowane roboty.
Czynnością końcową na tym odcinku jest ostateczne zatwierdzenie jakościowe wyprodukowanego samochodu.
Ponieważ montaż końcowy jest miejscem, gdzie instalowanych jest wiele unikatowych opcji zgodnie z wizją klienta (np. rodzaj silnika, elementy wykończenia wnętrz), nietrudno tu o pomyłki. Pomocnym rozwiązaniem okazują się wyświetlacze HMI, podłączone sieciowo do sterowników PLC i systemu MES, które zapewniają operatorom kompletny system ochrony, dzięki czemu można zminimalizować ryzyko popełnienia błędu.
Zarządzanie na wzór japoński
Podejście Toyoty do produkcji samochodów, którego jednym z najważniejszych filarów jest bezwzględna kontrola jakości, zrewolucjonizowało przemysł motoryzacyjny. Opracowany na przełomie lat 60. i 70. ubiegłego wieku System Produkcji Toyoty (TPS ? Toyota Production System) znalazł zastosowanie w wielu zakładach przemysłowych, również tych niezwiązanych z produkcją samochodów.
Filozofia łańcucha dostaw ?dokładnie na czas? ? JiT (Just in Time) stała się wzorcem dla wielu producentów na całym świecie, którzy zaczęli z dużym powodzeniem stosować w swoich fabrykach japońskie metody zarządzania. JiT to strategia zarządzania zapasami, która w efekcie prowadzi do usprawnienia zwrotu z inwestycji poprzez redukcję poziomu zapasów w całym procesie produkcyjno-magazynowym.
System TPS opiera się takich fundamentalnych zasadach, jak ciągłe doskonalenie i szacunek do ludzi, a jego celem jest eliminacja 3M (tj. Muri ? nadwyrężenie i trudności, Mura ? nieregularność, Muda ? marnotrawstwo). Według japońskiego systemu nic nie powinno zakłócać procesu produkcji samochodu. Poszczególne części powinny być dostarczane w odpowiedniej liczbie na linię produkcyjną jedynie wtedy, kiedy są potrzebne, aby zapobiec niepotrzebnemu gromadzeniu zapasów na miejscu. Niekonwencjonalne podejście Toyoty zakłada utrzymywanie stanów magazynowych na możliwie niskim poziomie i koncentrowanie się na zaspokajaniu popytu, elastyczności i reagowanie na potrzeby rynku. Dzięki temu Toyota osiągnęła znacznie krótszy czas zmian matryc produkcyjnych i konfiguracji maszyn w porównaniu z konkurencją.
Grunt do odpowiednia logistyka
Aby zrozumieć, jak ważne jest planowanie logistyczne w fabryce samochodów, przytoczmy kilka danych z zakładu Volkswagen Poznań. Żeby wyprodukować każdego dnia 700 samochodów, potrzeba do tego ok. miliona części. Muszą one zostać dostarczone w odpowiedniej ilości, we właściwym czasie i do odpowiedniego miejsca. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że części trafiające do fabryki pochodzą od 800 różnych dostawców z całego świata i dostarczane są do fabryki w 600 różnych rodzajach pojemników.
Wszystko to powoduje, że logistyka w fabryce jest nie lada wyzwaniem. Jak uporać się z terminowym zaopatrzeniem działów produkcyjnych w materiały i części niezbędne do produkcji, a przy tym ? w myśl zasady Just in Time ? utrzymać jak najniższe stany części na linii? Rozwiązaniem są obecne na wszystkich stanowiskach terminale ogólnokoncernowego systemu informacji. Dzięki komunikacji systemowej możliwe jest natychmiastowe dotarcie do ważnych informacji pochodzących z najdalszych zakątków świata w celu np. ustalenia aktualnego miejsca, w którym znajdują się ciężarówki z materiałem. Posiadanie tych danych zapewnia terminowe dotarcie towaru do odpowiedniego punktu rozładunkowego.
Ze względu na to, że duże zakłady produkcyjne, w tym również fabryki samochodów, wykorzystują dziesiątki, a niekiedy setki różnorodnych systemów obsługujących produkcję, procesy kadrowe, finansowe itd., które zazwyczaj pochodzą od wielu dostawców, konieczna jest ich integracja. W tym celu stosuje się specjalne platformy integracyjne, zapewniające stworzenie jednorodnego środowiska informatycznego i współpracę wszystkich systemów.
Umiejętne sterowanie logistyczne ma też ogromne znaczenie w przypadku bardzo zróżnicowanych zleceń. Zaznaczyć przy tym trzeba, że różnorodność ta jest znacznie większa w przypadku samochodów ciężarowych, składających się z większej liczby komponentów niż samochody osobowe. Duże zróżnicowanie wariantów montażu tych pojazdów wyklucza możliwość zastosowania sztywnej automatyzacji, z jaką często można się spotkać przy produkcji aut osobowych. Oznacza to, że procesy produkcyjne montażu, wzorowane na systemie TPS, nie mogą tu zostać wdrożone. Niewielki stopień zautomatyzowania i niezwykle elastyczne procesy produkcyjne powodują jednocześnie ograniczenie wprowadzania zautomatyzowanych procesów kontroli jakości.
Tak więc koncepcje produkcyjne, które sprawdzają się w jednym miejscu, nie zawsze nadają się do zastosowania w innym. Przede wszystkim muszą one zawsze uwzględniać specyficzne cechy produktu. Elastyczność ? niezwykle ważną w procesie produkcjisamochodów ? można osiągnąć, stosując zaawansowane systemy sterowania, które zapewniają prosty sposób przeprowadzenia większej bądź mniejszej modyfikacji produktu. Dzięki temu na tych samych liniach produkcyjnych można wytwarzać różnorodne modele i odmiany konstrukcyjne określonego produktu, które spełniają wymagania konkretnego zamówienia.
CE