Łamiemy schematy robotyki

Bariera ekonomiczna, która chyba jeszcze długo będzie obecna w świecie zastosowań produkcyjnych, jest określana przez kwotę inwestycji w relacji do uzyskanych przychodów z tego typu nakładów. Ma to miejsce szczególnie tam, gdzie proces jest skomplikowany i niepowtarzalny i gdzie wysoki wolumen oraz powtarzalność procesu nie gwarantują uzyskania zadowalającej stopy zwrotu z inwestycji.

Tym samym produkcja niskoseryjna i praca wymagająca ludzkiego „czucia” procesu są wciąż wyzwaniem dla robotyzacji. Ma się jednak ku lepszemu i tu apel: z punktu widzenia producentów warto podjąć współpracę z integratorem robotów przemysłowych, właściwie niezależnie od reprezentowanej branży czy skali produkcji. Ci „zawodowcy” bowiem mogą czasem wesprzeć proces produkcji w jego najmniej oczekiwanym dla inwestora miejscu, ku zadowoleniu obu stron procesu.

Kilka przykładów przekonuje, że obszary z pozoru mało podatne na robotyzację doskonale się jej poddały, gwarantując inwestorom zwrot inwestycji i osiągnięcie zakładanych parametrów, np. powtarzalności procesu, utrzymanie jego jakości czy niezwykle istotnej poprawy bezpieczeństwa pracowników. Coraz tańsze elementy automatyki, rosnący koszt pracy, maksymalizacja uniwersalności i możliwości stosowanych manipulatorów już przez samych producentów sprawiają, że roboty pojawiają się tam, gdzie – delikatnie rzecz ujmując – nie spodziewalibyśmy się ich spotkać: w obszarach do chwili obecnej zarezerwowanych dla człowieka i jego zmysłów oraz wszędzie tam, gdzie trzeba widzieć, adaptować się i czuć proces, by wykonywać go w sposób prawidłowy.

Ale rzeźnia…

Skupiając się na konkretach, można rozpocząć podróż po robotyce innej, nietypowej, trochę może nawet szalonej od… rzeźni. I gdzie tu miejsce na roboty, nasuwa się oczywiste pytanie? Przy pakowaniu gotowych elementów, szczególnie umieszczonych w jednakowych opakowaniach, oczywiście tak, ale gdzie dalej?… A raczej, biorąc pod uwagę realizowany proces – bliżej, wcześniej?

Wdrożenie, które przedstawiamy, nie jest nowością, ale cały czas zasługuje na uwagę ze względu na swój niepowtarzalny i, trzeba się chyba zgodzić, wciąż innowacyjny charakter. Otóż roboty firmy KUKA przed podzieleniem tusz wieprzowych usuwają najpierw końcową część jelita grubego. Ubrane w gustowne fartuchy, chroniące je przed środowiskiem a produkt przed zanieczyszczeniem pracują, wytrwale dzieląc materiał wejściowy na mniejsze części. Można zapytać, gdzie tu innowacja, gdzie przywoływana nowość.

Clou sprawy tkwi w samym produkcie, który jest mniej lub bardziej, ale jednak niepowtarzalny.

Jak to się zaczęło? Najpierw, co przy tak nietypowym zastosowaniu robotów przemysłowych okazało się dobrą strategią, odbyły się testy, które pozwoliły uwiarygodnić możliwość automatyzacji procesu. Dopiero po rozbudowanych testach i badaniach oraz po określeniu założeń ekonomicznych zrealizowano właściwe wdrożenie.

Uchylając rąbka tajemnicy, można przedstawić, dzięki jakim zabiegom instalacja ma szansę pracować poprawnie. Podwieszony transporter utrzymuje tusze w ruchu, gdy przejeżdżają one wzdłuż linii obsługiwanej przez roboty. I tu już wkracza pierwszy system współpracy robota z transporterem, który pozwala zwiększyć możliwości pracy robota z ruchomym produktem. W tym czasie – i tu kolejne znakomite rozwiązanie projektantów linii – laserowy system obmierza każdą z tusz w trzech wymiarach, archiwizując dokładne dane o wymiarach i kształtach każdej tuszy z osobna. Dane te są przesyłane do sterownika robota, który generuje indywidualną ścieżkę ruchu ramienia − docelowo trajektorię ruchu narzędzia, przeznaczoną dla konkretnej tuszy.

Na linii zastosowano dwa roboty. Pierwszy z nich odcina kończyny przednie, a drugi, podwieszony do góry nogami usuwa część wnętrzności. Odbywa się ponowna kontrola geometryczna produktu i do gry wkracza właściwy „rzeźnik” – również umieszczony do góry nogami robot o udźwigu 60 kg, który z drugim, bliźniaczym manipulatorem, realizują finalną rozbiórkę tuszy.

Wdrożenie zostało zrealizowane dzięki zastosowaniu zaawansowanych systemów laserowej detekcji kształtu i możliwości adaptacyjnych robotów, tak na poziomie generowania pojedynczej, niepowtarzalnej ścieżki ruchu, jak i właściwie dobranych narzędzi, pozwalających w pełni wykorzystać zaawansowane systemy sterowania. Należy podkreślić, że aplikacje do pracy z detalami niepowtarzalnymi nie są już nowością, tu jednak na uwagę zasługuje posługiwanie się skanowaniem 3D dla generowania „obrazu” absolutnie niepowtarzalnego, biologicznego bytu.

Można zaryzykować wniosek, że generowanie indywidualnej ścieżki trajektorii ruchu robota, na podstawie oceny rzeczywistego elementu, jest coraz intensywniej rozwijanym kierunkiem robotyzacji, który pozwala na zastosowanie robotów w obszarach wcześniej dla nich niedostępnych.

Uff, jak gorąco

Bardzo ciekawym i wartym odnotowania zastosowaniem robota przemysłowego jest pomiar temperatury ciekłego metalu w przemyśle hutniczym, tutaj realizowany za pomocą termopary jednorazowej. Praca człowieka przy piecu, w którym znajduje się płyn o temperaturze przykładowo – dla żeliwa – rzędu 1400 °C, musi budzić pewne emocje oraz zrozumiałą troskę o pracownika. W praktyce pomiar temperatury tą metodą przeprowadza się, manipulując jednorazową termoparą zamontowaną na długim pręcie i umieszczając ją w miejscu pomiaru. Łatwo sobie wyobrazić, jakie panują tam warunki pracy…

I tu z pomocą przyszła również robotyzacja procesów – w odróżnieniu od pierwszego przykładu − powtarzalnych. Zastosowany robot, oczywiście w wykonaniu „foundry”, do pracy w podwyższonej temperaturze jest dodatkowo ubrany w rękaw ochronny, który chroni manipulator. Rękaw taki izoluje od ciepła, ale i chroni ruchome elementy robota przed drobinami zanieczyszczeń. Na rynku funkcjonują firmy wyspecjalizowane w produkcji tego typu osłon, przeznaczonych do różnych prac robotów.

W zależności od przyjętej koncepcji pracy instalacji można sobie wyobrazić, że w uproszczonej wersji to człowiek wymienia zużytą termoparę na nową. Natomiast w wersji pełnej automatyki robot sam, współpracując z układami autonomicznymi, pobiera i wymienia termoparę w trybie automatycznym. Zastosowanie o tyle warte odnotowania, że jest doskonałym przykładem odciążania człowieka od niebezpiecznych i uciążliwych prac, przy jednoczesnym zachowaniu poprawności prowadzonego procesu oraz pokazuje, w jak trudnych warunkach mogą obecnie pracować odpowiednio przygotowane manipulatory przemysłowe.

Oko Ra..bota

Kontrola wizyjna już na stałe zadomowiła się w wielu gałęziach przemysłu i w licznych zakładach produkcyjnych. Rosnąca wydajność maszyn produkcyjnych wymusza coraz szybszą kontrolę produktu, często na wielu etapach produkcji. Odpowiedzią są coraz szybsze i wydajniejsze systemy wizyjne. Co jednak w przypadku, gdy kontrolowany detal nie jest produkowany na masową skalę, natomiast jego kontrola musi być bardzo dokładna i przebiegać w różnych kierunkach i w różnych odległościach od elementu? I tu ponownie z pomocą przychodzą roboty przemysłowe.

W zrealizowanym w przemyśle wdrożeniu rozwiązaniem okazała się kamera zamontowana na ramieniu robota przemysłowego, współpracującego z jednoosiowym stołem obrotowym, stanowiącym dodatkową oś manipulatora. Stół umożliwia obrót skrzyni biegów, bo to jest przedmiotem kontroli, a także zajęcie optymalnej pozycji przez robota. Następnie manipulator kieruje procesem, prowadząc kontrolę wizyjną obecności wszystkich wymaganych elementów detalu oraz poprawności ich montażu, przy jednoczesnym pomiarze niektórych geometrycznych parametrów produktu. Dodatkowym wyzwaniem podczas integracji instalacji było wymaganie delikatnego obchodzenia się z precyzyjnym sprzętem wizyjnym zamocowanym na ramieniu robota. Alternatywą było umieszczenie szeregu kamer lub części z nich na niewielkich manipulatorach, które obejmowałyby wymagany obszar pomiarowy. Okazało się jednak, że przy spełnieniu wymaganej wydajności procesu byłoby to rozwiązanie droższe i nie tak uniwersalne patrząc pod kątem przyszłej produkcji, jak zastosowanie robota przemysłowego.

Kolejnym ciekawym przykładem wdrożeń, gdzie na stałe już w proces wpisują się roboty przemysłowe, są aplikacje spawania. Przytoczony dalej przykład jednak obrazuje nieco inną stronę tego obszaru robotyzacji. Realizowany projekt spawania z wykorzystaniem technologii hybrydowej – plazma plus tradycyjny MIG/MAG – daje bardzo obiecujące wyniki osiąganych w procesie parametrów spawania. Metoda pozwala na spawanie blach o grubości nawet 20 mm jednym przejściem (!) z prędkością rzędu 0,8 m/min (!). Wymaga to oczywiście wprowadzenia w materiały łączone ogromnej ilości energii cieplnej, co w powiązaniu z wagą palnika i wymaganiami dokładności jego prowadzenia silnie ogranicza możliwość prostego spawania „z ręki”. W przypadku spoin prostych można wesprzeć się popularnymi na rynku traktorkami spawalniczymi… Niestety, wprowadza to bardzo mocne ograniczenie metody, np. w przypadku spawania przenikających się rur. Tutaj doskonałym rozwiązaniem jest zastosowanie robota. To bardzo dobry przykład na to, jak wprowadzanie jednej technologii – spawania hybrydowego – wymusza zastosowanie narzędzi do jej obsługi, w tym przypadku akurat robotów przemysłowych.

Partnerzy

Osobnego zaznaczenia wymaga coraz silniej rysujący się w robotyce przemysłowej nurt współpracy robota z człowiekiem, ramię w ramię. O zaletach takiego rozwiązania nie trzeba chyba nikogo przekonywać. Robot jako partner w pracy może realizować te zadania, które dla człowieka są szczególnie uciążliwe lub niebezpieczne, np. montaż bardzo małych elementów w montowanej ręcznie całości. Może też realizować montaż elementów podgrzewanych lub schładzanych, które wymagają znaczącej precyzji operowania, w przypadku ograniczonych możliwości stosowania środków ochrony dłoni. Uważa się, że przyszłość robotyzacji przemysłowej będzie zmierzała właśnie w tym kierunku – przybliżania robotów do stanowisk pracy człowieka. Obecnie mocnym ograniczeniem technologicznym jest fakt, że do bezpośredniego sąsiedztwa człowieka „dopuszczone” są roboty o relatywnie niewielkim, zaledwie kilkukilogramowym udźwigu.

To ograniczenie wynika z konieczności zapewnienia bezpieczeństwa operatorowi, co jest najczęściej realizowane za pomocą czujników momentu znajdujących się w napędach robota. Ponadto małą masę łatwiej zatrzymać „w miejscu”, co gwarantuje pełne bezpieczeństwo człowieka współpracującego z urządzeniem. Wydaje się, że kontrola obecności człowieka w przestrzeni roboczej oraz zmniejszenie prędkości ruchów w przypadku dużych robotów to rozwiązania pośrednie, pozwalające na współpracę człowieka z dużym manipulatorem. Zbliża się czas, gdy duże roboty będą mogły pracować w obecności człowieka, z właściwymi sobie prędkościami, gwarantując mu pełne bezpieczeństwo.

Zabawa na poważnie

Finalnie, traktując bardzo poważnie kwestie bezpieczeństwa, można pozwolić sobie na chwilę rozrywki. Firma KUKA opracowała specjalną edycję robota przemysłowego, jednego ze swych dużych modeli, nadając mu przydomek RoboCoaster. Zadaniem tego robota jest dostarczanie niezapomnianych wrażeń rodem z treningu dla astronautów. Zanim krótko zostanie przedstawiona idea systemu, należy odnieść się do silnie zaakcentowanej już kwestii bezpieczeństwa. Otóż wszystkie użyte w tym robocie istotne części konstrukcyjne są kontrolowane na okoliczność występowania wad wewnętrznych. Robot jest sprawdzany pod tym względem niezwykle rygorystycznie, tak aby zapewnić użytkownikom maksimum bezpieczeństwa.

Sam pomysł aplikacji polega na zamontowaniu na ramieniu robota dwuosobowych foteli dla osób żądnych wrażeń, a robot zapewnia poruszanie się po trajektorii wcześniej wybranej przez samych zainteresowanych. Możliwe są obroty, szybki przelot tuż nad podłożem, a także błyskawiczny transport w górę. Należy pamiętać, że robot jest – delikatnie mówiąc – duży: osiągana jest więc wysokość ponad 5 m. Emocje gwarantowane.

Podsumowanie

Warto podkreślić, że jedną z bardzo istotnych wartości robotyzacji jest jej uniwersalność i coraz większa możliwość adaptacji do zmieniających się warunków otoczenia. Pod tym względem kierunek robotyki przemysłowej został już wyznaczony i roboty uzyskują coraz większą autonomię, wiedzę i „czucie” procesów, w które są angażowane. Jakie ma to przełożenie na decyzje potencjalnych klientów inwestujących w procesy automatyzacji i robotyzacji?

Otwartość na nowe jest cechą, która procentuje pozytywnymi zmianami. Takie zmiany, wprowadzane umiejętnie i z doświadczonym, rzetelnym partnerem, oznaczają dla firmy większe zyski oraz większą elastyczność przy poprawie warunków pracy. Aktualna jest treść apelu kierowanego do osób zaangażowanych w procesy produkcji o kontakty z firmami integratorskimi, z ogólnym pytaniem „w czym mogą pomóc”. Kontakt taki umożliwi inwestorowi zorientowanie się, w jakim obszarze i zakresie może swój proces usprawnić, poprawiając status firmy na rynku i zapewniając jej stabilność na przyszłość.

źródło: "Automatyka" 6/2015