W porównaniu z innymi procesami zrobotyzowanymi obsługa maszyn obejmuje bardzo dużą grupę procesów, a zakres różnorodności parametrów wykorzystywanych robotów jest najszerszy. Nigdzie indziej konstrukcja robota i zakres jego udźwigu nie są tak różne (od kilku do setek kilogramów). Jeśli chodzi o samą specyfikę zrobotyzowanej obsługi maszyn, to w wielu wypadkach prawidłowa jej realizacja wymaga często zastosowania zarówno zaawansowanych opcji programowych, jak i złożonego algorytmu realizacji.
Jednym z najważniejszych warunków prawidłowej robotyzacji obsługi maszyn jest odpowiednia konfiguracja stanowiska oraz opracowanie interfejsu wymiany danych pomiędzy robotem a maszyną, tak aby współpraca przebiegała w sposób szybki i niezawodny. Pierwszy wymóg wiąże się z posiadaniem takiego urządzenia ? maszyny, dla której możliwe będzie zapewnienie poprawnej komunikacji z robotem. Może to być zrealizowane albo przez sygnały binarne (jeśli mamy do czynienia ze starszymi urządzeniami) bądź przez standardowy lub dedykowany protokół wymiany danych, co jest coraz powszechniejsze, szczególnie w przypadku gotowych produktów w postaci centrów obróbczych, dostarczanych przez takie firmy, jak FANUC Robotics, ABB, KUKA.
Mówiąc o zrobotyzowanej obsłudze maszyn, mamy najczęściej na myśli procesy obróbki skrawaniem, realizowane w centrach obróbczych, oraz procesy obsługi pras, gilotyn lub wtryskarek.
Zrobotyzowana obsługa centrów obróbczych
Integracja zrobotyzowanych centrów obróbki jest możliwa w przypadku spełnienia kilku zasadniczych warunków. Głównymi wymaganiami w stosunku do obrabiarek, które mają być obsługiwane przez roboty, jest posiadanie zautomatyzowanej obsługi otwierania i zamykania osłon, sygnalizacji stanu zamocowania elementu w uchwycie oraz zabezpieczających przed zanieczyszczeniami szczęk mocujących system odprowadzania wiórów (np. realizowany przez przedmuch lub załączenie wysokich obrotów). Dodatkowo, jeśli obróbce poddawane są elementy o nieregularnych kształtach, celowe jest sterowanie pozycyjne wrzecionem lub inna kontrola położenia detalu po obróbce, aby możliwy był jego odbiór przez robota.
Ze względu na położenie robota względem obrabiarki konstrukcję stanowisk można przedstawić w trzech zasadniczych wariantach. W pierwszym stacjonarny robot obsługuje od jednej do czterech maszyn. W drugim wariancie zainstalowany na dodatkowej osi robot obsługuje kilka maszyn lub pobiera i odkłada detale z określonego miejsca. Rozwiązanie to stosuje się szczególnie często, gdy cykl obróbki skrawaniem jest stosunkowo długi i robot, aby wyeliminować przestoje, realizuje obsługę innych maszyn, wykonuje inne dodatkowe operacje lub pobiera i odkłada wyroby w pewnej odległości od maszyny. W trzecim wariancie robot jest zintegrowany z maszyną i może się znajdować na niej lub w jej wnętrzu.
Obecnie coraz więcej firm produkujących roboty przemysłowe stara się dostarczać gotowe stanowiska realizujące określone operacje. FANUC Robotics oferuje pełną gamę obrabiarek CNC dostarczanych pod nazwą Robodrill. W zależności od potrzeb istnieje możliwość wyboru różnych modeli maszyny z wymiennym magazynem narzędzi, a proces integracji z robotem przeznaczonym do obsługi maszyny liczony jest w minutach.
Zabudowa robota wewnątrz stanowiska może być zrealizowana w specjalnym module (podobnie do rozwiązania firmy Dreher AG, np. DR-1B). Przenośnik taśmowy transportuje obrabiane detale do modułu robota, a następnie robot firmy KUKA odbiera je i magazynuje tymczasowo w specjalnym przyrządzie w obrębie modułu. Następnie detale są ładowane do frezarki VF-2SS, która wykonuje prace związane z wierceniem i frezowaniem. Po zakończeniu obróbki robot odbiera obrobione detale i upuszcza na zsuwnię, która transportuje je do zbiornika wychwytowego znajdującego się na zewnątrz modułu.
Firma ABB opracowała funkcjonalne stanowisko o nazwie FlexMT. Jest to ustandaryzowane i jednocześnie elastyczne rozwiązanie w obszarze robotyki, wyznaczające nową klasę jakości w dziedzinie automatyzacji obrabiarek. FlexMT gwarantuje uzyskiwanie produktu wyjściowego z obrabiarki w stały i przewidywalny sposób, co pozwala na zwiększenie stopnia wykorzystania obrabiarek nawet do 90°. To doskonały wynik, biorąc pod uwagę tradycyjne obrabiarki, których wykorzystanie oscyluje na poziomie 50%. W omawianym przykładzie istotnym elementem systemu jest, znajdujący się w ofercie firmy ABB, zintegrowany system wizyjny. Dzięki niemu możliwy jest załadunek i rozładunek tradycyjnych obrabiarek, w tym również poziomych i pionowych tokarek oraz urządzeń do obróbki skrawaniem.
Pozwalające na uzyskanie większej samodzielności przez roboty, systemy wizyjne już na stałe zagościły w procesach obsługi maszyn. Obecnie niemal wszyscy światowi liderzy rynku robotyki oferują wbudowane systemy wizyjne 2D, nawet 3D (np. FANUC Robotics), co we współczesnych aplikacjach pozwala na pobieranie detali bezpośrednio ze skrzyń.
W przypadku gdy robot znajduje się na zewnątrz maszyny, możliwa jest obsługa więcej niż jednej obrabiarki. Przykładem prezentującym tego typu rozwiązanie może być stanowisko, w którym kilka maszyn jest obsługiwanych przez kilka robotów. Rozwiązanie to ma tę zaletę, że detal po obróbce w jednej maszynie może być odbierany przez kolejnego robota, przy wykorzystaniu dedykowanego do obrobionego detalu chwytaka, co w znacznym stopniu ułatwia proces obsługi maszyny i eliminuje konieczność stosowania zaawansowanych chwytaków bądź układów wymiany chwytaków.
Roboty przemysłowe sprawdzają się w obsłudze maszyn produkcyjnych, takich jak centra obróbkowe CNC. Szczególnie niezastąpione są tam, gdzie detale produkowane są w długich seriach albo ich przenoszenie jest uciążliwe ze względu na gabaryty lub masę. Robot przemysłowy potrafi załadować i rozładować maszynę zawsze w taki sam, perfekcyjnie powtarzalny sposób, realizując często dodatkowe operacje, jak kontrola jakości (np. przy wykorzystaniu zintegrowanego systemu wizyjnego).
Zrobotyzowana obsługa stanowisk obróbki plastycznej
Robotyzacja procesów obróbki plastycznej to przede wszystkim procesy obsługi pras i kucia matrycowego. Czynnikami sprzyjającymi robotyzacji tych procesów są: ścisłe zdefiniowanie położenia elementów podczas pobierania, załadunku do prasy i odkładania oraz zbliżone czasy operacji obróbkowych i czynności związanych z manipulacją podczas dostarczania materiału do maszyny i odbierania gotowego detalu. Istotne jest również to, że z racji specyfiki procesów stosunkowo łatwy jest dostęp robota do maszyny oraz magazynów z materiałem i produktami procesu.
Robotyzacja obsługi pras niesie ze sobą wiele korzyści, z których najważniejszymi są: zastąpienie człowieka w uciążliwych procesach (wymagających dużego wysiłku fizycznego oraz realizowanego w trudnych warunkach), a także możliwość łączenia pras w linie technologiczne, co z kolei powoduje wzrost wydajności procesu wytwórczego oraz pozwala na zapewnienie stałego czasu cyklu procesu.
Pomimo tego, że obsługa zarówno pras, jak i stanowisk kucia matrycowego sprowadza się w zasadzie do operacji przenoszenia ? robot może być dodatkowo wykorzystany do czyszczenia lub smarowania matryc ? istnieją problemy, które w konsekwencji mogą powodować niebezpieczeństwo uszkodzenia matryc, a co za tym idzie ? znaczne straty dla przedsiębiorstwa. W przypadku obsługi pras, gdzie materiałem wejściowym jest blacha, bardzo istotnym zagadnieniem jest zapewnienie pobierania tylko jednej blachy ze stosu materiału. Nie jest to rzeczą prostą, ponieważ blachy na etapie ich przechowywania są zaolejone i bardzo często może dojść do ich sklejenia (może to prowadzić do uszkodzenia matrycy prasy z powodu zbyt dużej grubości materiału poddanego tłoczeniu). W praktyce na linii produkcyjnej są stosowane specjalne układy rozdzielające poszczególne arkusze.
Przykładem łączenia pras w linie technologiczne może być rozwiązanie opracowane przez firmę COMAU, w którym transfer detalu pomiędzy poszczególnymi operacjami tłoczenia na kolejnych prasach jest zapewniony przez odpowiednio rozmieszczone między prasami roboty.
Na początku linii pras umieszczone są specjalne jednostki rozdzielające blachy, nazywane destakerami. Ich zadaniem jest zapewnienie pobrania zawsze tylko jednego arkusza blachy, pomiar grubości pobranej blachy oraz kontrola właściwego pozycjonowania arkusza przed pobraniem przez robota. Pomiędzy poszczególnymi maszynami umieszczono roboty przekładające materiały na kolejne stanowiska. Na końcu linii z kolei znajdują się roboty odbierające wyprodukowane detale i odkładające je na przenośniki taśmowe lub palety.
Kolejnym istotnym problemem, wymagającym szczególnej uwagi, jest prawidłowe uchwycenie materiału przed obróbką i po niej. Wynika to z faktu, że o ile załadunek materiału do prasy można wykonać za pomocą płaskiego chwytaka wieloprzyssawkowego lub elektromagnetycznego (w przypadku materiałów ferromagnetycznych), o tyle odbiór elementów z matrycy może być utrudniony, ponieważ produkt obróbki plastycznej często zmienia swój kształt z płaskiego na przestrzenny. W związku z tym istnieje konieczność zmiany położenia przyssawek tak, aby zachować pełną powierzchnię chwytu.
W odróżnieniu od procesu tłoczenia realizowanego na prasach, kucie matrycowe wiąże się z operowaniem elementami charakteryzującymi się znacznie większą masą w stosunku do wytłoczek.
Cechą typową dla tego procesu jest wysoka temperatura odkuwek, co pociąga za sobą konieczność zabezpieczenia termicznego zarówno robota, jak i kontrolera. W przypadku robotów jest to realizowane przez zastosowanie specjalnych izolatorów ceramicznych montowanych pomiędzy chwytakiem a kiścią robota oraz specjalnych fartuchów ochronnych, zabezpieczających całą jednostkę mechaniczną przed promieniowaniem termicznym występującym na stanowisku.
Temperatura elementów odbieranych przez robota sięga nawet 1200°C, zaś temperatura otoczenia może wynosić ok. 50°C. Zastosowanie robotów pozwala w tym wypadku na odsunięcie ludzi ze strefy działania szkodliwych czynników, takich jak wysokie temperatury, hałas, rozpryski zgorzeliny czy trujące opary.
Obok tłoczenia w prasach i kucia matrycowego roboty znajdują powszechne zastosowanie również w obsłudze gilotyn i giętarek. Proces ten, choć z pozoru prosty, wymaga jednak dynamicznego zaangażowania robota podczas gięcia, aby tym samym zapewnić założony wynik. W momencie kiedy materiał zaczyna się wyginać, robot musi wykonać odpowiedni ruch, utrzymując materiał tak, aby jego odkształcenie nastąpiło tylko w określonym miejscu.
Zaletą robotyzacji procesu w tym wypadku jest to, że odpowiednio skonfigurowane stanowisko umożliwia uzyskanie wysokiej jakości i powtarzalności giętych elementów, praktycznie niemożliwe do zrealizowania przy ręcznej obsłudze maszyny.
Roboty są jednak wykorzystywane nie tylko do automatyzacji obsługi maszyn realizujących obróbkę metali. Przykładem może być nagrodzone w tym roku na XVIII Międzynarodowych Targach Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych i Gumy PLASTPOL rozwiązanie Roboshot, oferowane przez firmę FANUC Robotics. Jest to połączenie nowoczesnego zespołu wtryskowego z zaawansowanym sterowaniem CNC (dodatkowo uzupełnione o robota LR Mate 200iD na potrzeby Targów Kieleckich). FANUC Roboshot doskonale nadaje się do zastosowania wszędzie tam, gdzie konieczne jest zachowanie wysokich norm czystości produkcji, szybkości i precyzji.
Podsumowanie
Zrobotyzowana obsługa maszyn niezależnie o tego, czy dotyczy pras, gilotyn, czy kompleksowych centrów obróbczych CNC, pozwala na uzyskanie wielu korzyści w zakładach produkcyjnych. Przede wszystkim umożliwia optymalizację wykorzystania parku maszynowego. W przypadku klasycznych stanowisk obsługiwanych przez człowieka wraz ze wzrostem szybkości ich obsługi rośnie prawdopodobieństwo błędu, a nawet wypadku, co wynika bezpośrednio ze zmęczenia operatora. W tym przypadku nawet zwiększenie liczby pracowników nie pozwala na uzyskanie takiej sprawności i wydajności, jak zastosowanie robota. Robotyzacja pozwala więc nie tylko na podniesienie efektywności produkcji, lecz także bezpieczeństwa pracy. Kolejną zaletą jest pełna skalowalność procesu produkcyjnego, a co za tym idzie, możliwość łatwiejszego zarządzania produkcją. Zalety te sprawiają, że robotyzacja staje się niemal nieodzownym elementem stanowisk produkcyjnych, w których wykorzystywane są maszyny specjalistyczne. Bardzo istotnymi cechami stanowisk zrobotyzowanej obsługi maszyn są: pełna mierzalność parametrów procesu i możliwość uwzględnienia kontroli jakości bezpośrednio na stanowisku produkcyjnym, a w konsekwencji ograniczenie potencjalnych strat związanych z wypuszczeniem wadliwych produktów procesu produkcyjnego.
Za pomoc w opracowaniu artykułu autorzy dziękują firmom: ABB, ASTOR, COMAU, FANUC Robotics, KUKA.
Autorzy:
Wojciech Kaczmarek jest kierownikiem Zespołu Mechatroniki na Wydziale Mechatroniki i Lotnictwa Wojskowej Akademii Technicznej. Zajmuje się m.in. modelowaniem układów robotyki, programowaniem robotów przemysłowych oraz satelitarnymi systemami nawigacji.
Jarosław Panasiuk jest adiunktem w Katedrze Mechatroniki na Wydziale Mechatroniki i Lotnictwa Wojskowej Akademii Technicznej. Zajmuje się m.in. modelowaniem układów robotyki, programowaniem robotów przemysłowych, sieciami neuronowymi, analizą obrazu oraz modelowaniem matematycznym.