Przemysł w parze z nauką

Relacja z targów Hannover Messe

Każdy, kto przybył do Hanoweru na jedne z największych targów na świecie, mógł zauważyć, że tegoroczne spotkanie stało pod znakiem przemysłu 4.0. To efekt długofalowej strategii rządu niemieckiego, rozwijanej również przez inne kraje, która ma doprowadzić do tego, aby proces produkcyjny był w pełni adaptacyjny i jak najbardziej efektywny pod względem wykorzystywanych zasobów. Mają to zagwarantować m.in. coraz bardziej inteligentne przetworniki i sterowniki. Dzięki nim w niedalekiej przyszłości większość pracowników będzie mogła pracować przy biurkach, projektując skomplikowane systemy regulacji oraz czuwając nad ciągłością produkcji. Sam proces będzie można dostosowywać, wprowadzając zmiany ad-hoc, bez konieczności wgrywania nowych programów i testowania ich w terenie, a decyzje dotyczące produkcji będą mogły być podejmowane na poziomie zarządu, bez ingerencji inżynierów pracujących na hali.

Jednym z rozwiązań idealnie wpisujących się w ten nurt jest oprogramowanie Siemens COMOS Walkinside. Jak można było zaobserwować na targach, pozwala ono na pełną symulację procesu produkcji w połączeniu z widokiem 3D. Umożliwia to przebadanie różnych sytuacji awaryjnych, np. pożaru i wpływu wysokiej temperatury na elementy znajdujące się w pobliżu, jak i sprawdzenie rozmieszczenia poszczególnych elementów instalacji przemysłowej jeszcze przed integracją procesu w hali.

Nowatorskie systemy wizyjne

Biorąc pod uwagę całokształt tegorocznej ekspozycji, widać było potwierdzenie jednej tendencji – rosnącej popularności zastosowań systemów wizyjnych i początek drugiej – zastosowań robotów mobilnych w przemyśle.
Systemy wizyjne w różnych zastosowaniach stają się codziennością – są coraz prostsze, tańsze i łatwiejsze w stosowaniu. Firma KUKA opracowała systemy wizyjne 2D i 3D (kamery Cognex), wymagające jedynie pakietu systemowego w robocie – programowanie systemu wizyjnego odbywa się na poziomie programowania robota. Nie jest potrzebne zewnętrzne, złożone przetwarzanie obrazu na korektę ruchu robota. Systemy te były prezentowane w „rozrywkowy” sposób – dwa roboty rzucały do siebie kostką do gry. Położenie kostki – siłą rzeczy przypadkowe – było rozpoznawane przez systemy mocowane na robotach.

Na wielu stanowiskach prezentowano rozpoznawanie przez systemy wizyjne 2D położenia płaskich elementów, połączone z przekazywaniem danych do robotów chwytających te elementy. Ciekawym rozwiązaniem było zastosowanie systemu 3D do rozpoznawania położenia trójwymiarowych „kolanek” wodociągowych, umieszczonych bezładnie w pojemniku. Chwytał je robot z pojedynczą przyssawką, przenosił na płaską powierzchnię, gdzie był powtarzany pomiar wizyjny, a następnie – po powtórnym uchwyceniu – robot prezentował precyzję uchwytu, przesuwając „kolanko” przez wycięcie w ściance.
Nowym, ciekawym rozwiązaniom w zakresie systemów wizyjnych poświęcono na tegorocznych targach wiele miejsca. Jeden z bardziej interesujących układów zaprezentowała firma VRmagic – kompaktowe systemy akwizycji obrazu, oparte na układzie FPGA, pozwalają na wstępną obróbkę danych jeszcze przed wysłaniem ich do systemu nadrzędnego.
Uwagę przyciągał również system Compact Vision System firmy National Instruments. Pozwala on na podłączenie dwóch kamer i wewnętrzną obróbkę danych za pomocą wbudowanego mikrokontrolera oraz układu FPGA, a także umożliwia interakcję z zewnętrznymi układami za pomocą rozbudowanych wyjść IO, bez ingerencji komputera. Małe rozmiary sprawiają, że można je umieścić blisko obiektu. Zaletą jest też możliwość napisania całego programu w LabVIEW. W przypadku, gdy możliwości Compact Vision System okażą się niewystarczające, można zdecydować się na jego większego „brata” – Embedded Vision System.
Innym ciekawym produktem amerykańskiej firmy dla branży pomiarów oraz zaawansowanych systemów regulacji jest system CompactRIO. To konfigurowalna platforma, w skład której może wchodzić zaawansowany system obróbki danych, oparty na procesorze oraz matrycy FPGA, oraz różne karty rozszerzeń, wśród których można wymienić szybkie i precyzyjne przetworniki ADC/DAC, przetworniki do termopar czy szybkie złącza IO. Pozwala to na integrację wielu pomiarów, a następnie zaimplementowanie skomplikowanych systemów regulacji, które będą charakteryzować się dużo większą częstotliwością przetwarzania niż najszybsze sterowniki PLC.

Roboty mobilne w aplikacjach

Na tegorocznych targach Hannover Messe nie prezentowano samodzielnie robotów przemysłowych – bogata prezentacja robotyki pojawia się z zasady co dwa lata. Roboty wielu firm (KUKA, ABB, FANUC, Stäubli) były jednak obecne na stanowiskach integratorów, przedstawiających rozwiązania aplikacyjne.
Na kilku stanowiskach były prezentowane roboty mobilne i platformy mobilne, przewożące między stacjami „obróbczymi” palety (pojemniki) z detalami. Po dojechaniu platformy do stanowiska uruchamiany był krótki transporter na platformie, który przekazywał pojemnik na transporter stanowiska. Takie rozwiązania są już stosowane w praktyce – jak poinformowano na seminarium wdrażającej takie systemy niemieckiej firmy Ortner, ponad 50 platform mobilnych pracuje w dużym zakładzie produkującym urządzenia elektroniczne, przewożąc podzespoły między stanowiskami produkcyjnymi. W tym rozwiązaniu na mobilnej platformie znajduje się mały robot przemysłowy, wspomagany dla poprawy powtarzalności pozycji platformy systemem wizyjnym.
Stoiska wielu znanych firm imponowały wielkością i widocznymi nakładami finansowymi. Nieco gorzej było z nowościami technicznymi. Przykładowo na stoisku dużego niemieckiego integratora KUKA, firmy IBG, czołowe miejsce zajmowało stanowisko montażowe z małym robotem, wykorzystujące celowe drgania ramienia robota w trakcie wsuwania wałka w otwór. Takie prace, z robotem IRb-6, były prowadzone w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP, ale w latach 80., czyli 30 lat temu. Na tym samym stoisku kilka robotów powoli przenosiło fragmenty karoserii, symulując montaż samochodu. W nieco innej wersji taki montaż prezentowano też na stoiskach firm Siemens i Volkswagen, na których duże roboty KUKA przenosiły fragment karoserii. W przypadku firmy Siemens odbywało się to pod hasłem „Future of production”. Taką przyszłość można od kilkunastu lat obejrzeć choćby w fabryce Fiata w Tychach, gdzie 1,2 tys. robotów Comau pracuje przy montażu samochodów.

Rozwiązania przyszłości

Podczas targów zostały również zaprezentowane liczne produkty innowacyjne, będące w fazie badań i rozwoju, opracowywane w międzynarodowych centrach badawczych, takich jak np. Fraunhofer-Gesellschaft. Szczególny nacisk został położony na prezentację materiałów „inteligentnych”, które wykazują nieoceniony potencjał w zastosowaniach przemysłowych. Najciekawsze wydały się aktuatory zbudowane w formie sprężyn zmieniających swą długość pod wpływem zmian temperatury (sterowanie odbywało się poprzez nagrzewanie sprężyny dzięki przepływowi prądu). W tym przypadku osiąga się już do 6 proc. wydłużenia przy sterowaniu liniowym. Należy jednak pamiętać o ograniczeniach – należą do nich: osiąganie stosunkowo niewielkich sił, mała dynamika ruchu spowodowana bezwładnością cieplną, konieczność zamknięcia obwodu przy sterowaniu prądowym (podłączenie musi występować na obu końcach). Zastosowanie materiałów z magnetyczną pamięcią kształtu (ang. Magnetic Shape Memory Materials) nasuwa na myśl wiele możliwych aplikacji, np. wygaszanie wibracji, gromadzenie energii, czujniki sił i naprężeń itp.
Postępujące trendy minimalizacji wymiarów i masy można także było zauważyć w materiałach przeznaczonych dla elektroniki przemysłowej i użytkowej. Zaprezentowane zostały przezroczyste, przewodzące pokrycia powierzchni płaskich (także giętkich), które znajdują zastosowanie np. przy wytwarzaniu wyświetlaczy i diod świecących. Gotowe i dostępne są już nawet komercyjne produkty, takie jak charakteryzujące się niewielką grubością (<2 mm), wysoką jakością koloru i jasnością oraz niskim zużyciem energii ekrany OLED. Wyświetlacze tego typu, wytwarzane przez firmę Tridonic, mogą znaleźć szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie brakuje miejsca lub potrzebna jest redukcja masy, np. w robotach mobilnych, panelach sterowniczych lub miernikach przenośnych. Nie zabrakło także cienkowarstwowych przetworników piezoelektrycznych, szeroko stosowanych w sensorach i aktuatorach. Charakteryzują się one dużym zakresem temperatury pracy (do 150 °C), widmowym zakresem pracy (od 0,1 Hz do 200 kHz), łatwością montażu i niską ceną.
Na targach pojawiły się także stoiska, reprezentujące poszczególne kraje oraz uczelnie wyższe z całej Europy. Udostępniano informacje o zapotrzebowaniu poszczególnych regionów na różnego typu rozwiązania oraz o udogodnieniach, na które mogą liczyć firmy techniczne rozpoczynające działalność. Polskie firmy przemysłowe wystawiały się w kilku halach, ze względu na lepsze dopasowanie tematyczne. Produkty prezentowane przez naszych rodaków na tle konkurencji – głównie z Europy i Azji – nadal okazują się konkurencyjne zarówno pod względem technologicznym, jak i cenowym.
Targi były niewątpliwie ogromnym i dobrze zrealizowanym przedsięwzięciem, na którym obecna była większość liczących się na rynku firm, powiązanych z ogólnie pojętą techniką. Niestety, zaskakujących, wysoce innowacyjnych i jednocześnie już dostępnych na rynku produktów było bardzo niewiele. Obraz, jaki rysuje się po odwiedzeniu targów, zdecydowanie daje nadzieję na intensywny rozwój w przyszłości, jednak pozwala stwierdzić duże spowolnienie przemysłu w ostatnich latach, nie tylko w obrębie Europy, ale i całego świata.

Filip Czubaczyński
Piotr Mateusiak
Marek Petz
Robert Ugodziński
Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP