Roboty i wyposażenie stanowisk zrobotyzowanych

Głównym elementem każdego systemu zrobotyzowanego jest robot, jednak na powodzenie robotyzacji i osiągnięcie wymiernych korzyści z jej wprowadzenia w przedsiębiorstwie znaczący wpływ mają wszystkie elementy stanowisk zrobotyzowanych. Można do nich zaliczyć:

• chwytaki manipulujące obiektem, narzędzia, które pozwalają na realizację procesu produkcyjnego,
• pozycjonery i tory jezdne, znacząco zwiększające zakres możliwych ruchów,
• urządzenia współpracujące dostarczające media,
• czujniki i systemy wizyjne pozwalające na lokalizowanie i identyfikowanie obiektów, kontrolę jakości oraz sprawdzanie prawidłowości przebiegu procesu technologicznego,
• systemy zabezpieczeń, które zapobiegają awariom, kolizjom i zapewniają ochronę strefy pracy robota przed nieautoryzowanym dostępem.

Zastosowanie systemów zrobotyzowanych

Jednym z klasycznych zastosowań robotyzacji w przemyśle jest spawanie. Zaletami tego procesu są:

• lepsza jakość spoin o wysokiej powtarzalności,
• optymalizacja zużycia materiałów spawalniczych,
• redukcja narażania personelu na niekorzystny wpływ warunków środowiskowych,
• uniezależnienie się od braków kadrowych na rynku pracy.

Należy jednak pamiętać, że robotyzacja spawania przynosi największe korzyści przy produkcji seryjnej. Przykładowe serie robotów spawalniczych to: Arc Mate (FANUC), BA (ASTOR), Motoman MA (Yaskawa), Smart5 ARC4 (Comau), QIROX (Closs).

Kolejnym zastosowaniem systemów zrobotyzowanych jest pakowanie oraz rozpakowywanie jednostkowe i zbiorcze produktów. Z pakowaniem jest związane dozowanie i sortowanie. Zastosowanie robota do pakowania przedmiotów delikatnych powoduje znaczną redukcję ryzyka powstawania uszkodzeń mechanicznych. W przypadku ciężkich towarów robot zapobiega nadmiernemu obciążeniu personelu obsługującego. Przykładowe zrobotyzowane urządzenia pakujące można znaleźć w portfolio firmy Stäubli, np. model FA80 z chwytakiem TP80. Te czteroosiowe ramiona robotyczne zapewniają zasięgu ruchu do 800 mm oraz powtarzalność sięgającą do 0,05 mm.

Często robotyzowanym zadaniem jest paletyzacja i depaletyzacja. Zaletą stosowania zrobotyzowanych rozwiązań w realizacji tych zadań jest elastyczność, która umożliwia dostosowanie tempa pracy do wydajności pozostałych elementów linii produkcyjnych, obsługę większej liczby linii przez jedno urządzenie oraz regulację czasu cyklu paletyzacji.

Warto zwrócić uwagę na optymalne wykorzystanie przestrzeni przez robota, minimalizację potencjalnych strat i pomyłek rodzaju paletyzowanego produktu, zwielokrotnienie liczby przenoszonych produktów w jednostce czasu.

Kolejne zalety stosowania robotów paletyzujących to: możliwość zwiększenia udźwigu, maksymalizacja wypełnienia palet oraz możliwość paletyzowania w trudnych warunkach środowiskowych bez narażania personelu na  czynniki szkodliwe. Przykładowe roboty dedykowane do zadania paletyzacji to: KR 1000 titan (KUKA), IRB 460 (ABB), Smart5 NJ 370-500 (Comau).

Innymi zastosowaniami systemów zrobotyzowanych są malowanie, lakierowanie i powlekanie. Zaletą robotyzacji w tym zakresie jest równomierność w nanoszeniu kolejnych warstw farby, lakieru lub powłoki, co bezpośrednio wpływa na osiąganie precyzji oraz wydajności.

Elastyczność omawianych robotów polega na możliwości pokrywania różnego typu powierzchni i elementów oraz odpowiedniego konfigurowania zgodnego z aktualnymi potrzebami grubości i liczby nanoszonych warstw. Do rozprowadzania substancji po powierzchni służy odpowiednio dostosowany pistolet natryskowy. Zaletą robota jest zniwelowanie szkodliwego wpływu nanoszonych substancji na obsługę. Przykładowe urządzenia dedykowane do omawianych zadań to roboty lakiernicze Paint Mate (FANUC).

Kolejnym zadaniem, które może realizować robot, jest montaż. Robotyzacja tego procesu umożliwia osiągnięcie precyzyjniejszych oraz lepszych wyników czasowych. Naturalne ograniczenia ruchowe oraz zmęczenie mięśni przestaje być problemem podczas precyzyjnego montażu komponentów. Przykładem robotów montażowych jest seria Motoman SDA (Yaskawa).

Efektory i narzędzia dodatkowe

Złożonym zagadnieniem dotyczącym zrobotyzowanych rozwiązań przemysłowych jest temat efektorów, czyli chwytaków i narzędzi dodatkowych, jak lasery i pistolety.

Chwytak to urządzenie nakładające na manipulowany obiekt tyle ograniczeń swobody ruchu, aby ten nie przemieszczał się podczas transportu. Precyzyjna manipulacja jest możliwa dzięki jednoznacznemu ustaleniu pozycji oraz orientacji obiektu względem ramienia robota. Odpowiedni chwytak musi umożliwiać chwycenie, trzymanie i uwolnienie przedmiotu. Ponadto powinien być możliwie lekki, mały i nieskomplikowany konstrukcyjnie. Dzięki temu minimalizowane są naprężenia statyczne i dynamiczne robota oraz wymagana przestrzeń robocza, zaś zwiększana jest niezawodność.

Podstawowym kryterium podziału chwytaków jest sposób chwytania przedmiotów. Przyjmując takie kryterium, można wyróżnić chwytaki kształtowe – chwytające obiekt przez utworzenie połączenia między nim a obiektami, chwytaki siłowe – wywierające na obiekt odpowiednie siły oraz ich połączenie, czyli chwytaki siłowo-kształtowe.

Innym kryterium podziału może być układ napędowy chwytaka.

Chwytaki podciśnieniowe

Ze względu na konieczność zachowania szczelności, przyssawki są przeznaczone do chwytania płaskich i kulistych przedmiotów o gładkich powierzchniach. Znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle, sprawdzają się w transporcie blach, szyb i elementów samochodowych. Ich zaletą jest łatwe zwiększenia udźwigu przez zwiększanie wartości podciśnienia, zwiększanie powierzchni przyssawki lub powszechniej stosowane rozwiązanie – utworzenie zespołu wielu przyssawek. Oprócz zwiększenia udźwigu zwiększa się również pewność chwytu.

Ograniczeniami chwytaków podciśnieniowych, które wynikają z ich budowy i charakteru są: ograniczona trwałość gumowych przyssawek, wrażliwość na warunki środowiskowe oraz hałas powstający w wyniku rozprężania gazu. Ten ostatni można ograniczyć, stosując tłumiki. Chwytaki podciśnieniowe charakteryzują się większym niż chwytaki innego typu czasem uchwycenia przedmiotu, a do bezproblemowego zwolnienia obiektu należy pamiętać o zapewnieniu dodatkowego krótkotrwałego impulsu ciśnieniowego. Do wytwarzania podciśnienia wykorzystuje się wirnikowe pompy próżniowe lub eżektory. Pierwsze z nich zapewniają cichą, energooszczędną pracę, małą wrażliwość na zanieczyszczenia manipulowanych przedmiotów. Charakteryzuje je wysoka cena, złożoność konstrukcyjna, długi czas reakcji i duże wymiary. Z kolei eżektory są rozwiązaniem tańszym, jednak charakteryzują się dużym zapotrzebowaniem na sprężone powietrze i głośną pracą. W zależności od umiejscowienia układu sterowania zespołem przyssawek można wyróżnić systemy scentralizowane, w których pompa i układ sterowania są umiejscowione centralnie, zdecentralizowane, w przypadku których przy każdej przyssawce zlokalizowana jest pompa oraz częściowo zdecentralizowane, czyli takie, w których układ sterowania jest umiejscowiony centralnie, zaś pompa próżniowa znajduje się blisko punktu ssania.

Chwytaki pneumatyczne

Do wytwarzania siły zacisku konieczne jest sprężone powietrze. Stosunkowo prosta budowa i zasada działania czyni omawiane chwytaki rozwiązaniem elastycznym. Wśród rozwiązań pneumatycznych można wyróżnić chwytaki równoległe, kątowe, szczękowe, o rozwarciu do kąta półpełnego i modele specjalne o szerokim rozwarciu.

Chwytaki adhezyjne

Zastosowanie ich uniemożliwia przemieszczanie się przenoszonego obiektu dzięki wywarciu takiej siły, która powoduje szczelne przyleganie manipulowanego przedmiotu do przyssawek. Chwytaki adhezyjne wykorzystują międzycząsteczkowe siły van der Waalsa. Dzięki brakowi konieczność zasilania energią są bardzo energooszczędne. Są dobrym rozwiązaniem do zastosowań sterylnych, ponieważ nie zostawiają śladów na manipulowanych przedmiotach.

Chwytaki magnetyczne i elektromagnetyczne

Obiekty manipulowane za pomocą tych chwytaków są trzymane przez magnes trwały lub elektromagnes, w związku z tym warunkiem koniecznym jest budowa z materiałów o właściwościach ferromagnetycznych. W przypadku magnesu stałego obiekt jest trzymany dzięki działaniu sił pola magnetycznego, a jego uwolnienie jest dokonywane mechanicznie. Z kolei elektromagnes zapewnia chwyt podczas przepływu prądu przez jego uzwojenie, a uwolnienie przedmiotu następuje w wyniku zmiany jego biegunowości, ewentualnie wspomaganej za pomocą dźwigni. Charakter omawianego sposobu chwytu oprócz warunku ferromagnetyczności niesie ze sobą niedogodności: utratę dokładności położenia początkowego w związku z przemieszczaniem obiektu przy zbliżaniu się chwytaka, przyciąganie drobin metalowych i zmniejszanie się w wyniku tego siły chwytu, wydzielanie się ciepła w uzwojeniu elektromagnesu.

Chwytaki elektryczne

Ich charakterystyczną cechą jest duża precyzja, której osiągnięcie jest możliwe dzięki wysokiej rozdzielczości siły zacisku, zapewnianej przez sterowanie napięciem.

Chwytaki hydrauliczne

Ich zasada działania opiera się na prawie Pascala, które dotyczy równomiernego rozkładu ciśnienia w cieczy. Chwytaki te są przeznaczone głównie do większych robotów.

Kolejne kryterium podziału chwytaków może stanowić budowa układu wykonawczego czyli efektora.

Chwytaki ze sztywną końcówką

Wśród nich wyróżniamy chwytaki dwupalcowe, trójpalcowe do chwytania obiektów kulistych i walcowatych oraz chwytaki wielopalcowe, które sprawdzają się w aplikacjach do obsługi obiektw o nieregularnych kształtach. Chwytaki ze sztywnymi końcówkami umożliwiają chwytanie przedmiotów z uwzględnieniem tolerancji wymiarów sięgającej kilkanastu procent. Przy projektowaniu układu należy zwrócić uwagę na wartość siły chwytu oraz zakres przemieszczania się elementów chwytnych. Należy również mieć na uwadze, że wspomniane elementy mogą mieć skłonność do odrywania, prowadzącego do niepożądanego przemieszczenia się obiektu w szczękach.

Chwytaki ze sprężystą końcówką

Umożliwiają wyeliminowanie silnego oddziaływania końcówek na przenoszony obiekt w szczególności w momencie chwytania. Siła uchwytu jest zależna od sztywności elementów sprężystych.

Chwytaki z elastyczną końcówką

Umożliwiają zmianę swojego kształtu pod wpływem dostarczanej energii, charakteryzują się zmiennym wymiarami szczęk, zmienną siłą chwytania, dużą elastycznością osiągania różnych pozycji i orientacji. Należy pamiętać o problemach, które wiążą się ze stosowaniem elastycznych końcówek, np. starzenie się materiałów, z których są wykonane oraz wysoka wrażliwość na temperaturę otoczenia.

Wybrane narzędzia procesowe

Wiele aplikacji wymaga od robota realizacji innych zadań niż transport i manipulacja. Wtedy zamiast chwytaka, jako końcówka ostatniego członu kinematycznego robota, stosowane jest wybrane narzędzie procesowe. Wśród nich można wyróżnić: narzędzia spawalnicze, tnące, lasery, pistolety do kleju czy farby, wiertarki, wkrętarki czy inne narzędzia specjalistyczne. Każde narzędzie wymaga zaprojektowania odpowiedniego układu sprzęgającego. Ponadto należy zadbać o układ automatycznego dostarczania materiałów i mediów niezbędnych do realizacji procesu technologicznego przez robota. W przypadku spawania będzie to elektroda drutowa.

W celu zwiększenia elastyczności urządzenia coraz częściej stosuje się uniwersalne kołnierze, do których można podłączyć różne efektory. Typowym zadaniem, w którym taka koncepcja usprawnia działanie, jest zadanie montażu. Kilka czynności technologicznych można wykonać bez konieczności transportowania elementu między kolejnymi stanowiskami. Wiąże się z tym konieczność wymiany narzędzi, realizowana w sposób w pełni zautomatyzowany. Należy więc zadbać o automatyczne odkładanie nieużywanego już efektora, uchwycenie pożądanego efektora, jego zablokowanie oraz automatyczne podłączenie niezbędnych linii zasilających i systemów kontrolnych danego efektora. Jednym ze sposobów blokowania efektora jest zastosowanie pneumatycznej zasuwy. Rozwiązanie polega na zamykaniu pneumatycznego zaworu, jego otwarcie zwalnia zasuwę. Magazyn narzędzi powinien być w miejscu łatwo dostępnym i niepowodującym kolizyjności.

Pozycjonery i tory jezdne

Jednym z elementów stanowiska zrobotyzowanego może być pozycjoner. Jest to programowalny mechanizm ściśle współpracujący z robotem. Oba urządzenia muszą pracować synchronicznie, co pozwala zwiększać możliwości manipulacji obiektu poddawanego określonemu procesowi technologicznemu, np. spawaniu czy malowaniu. Ponadto pozycjoner pozwala na stabilizację obiektu. Obracanie i przechylanie nawet ciężkich elementów nie stanowi problemu, co umożliwia znalezienie optymalnej pozycji pracy.

Wśród pozycjonerów można wyróżnić modele jednoosiowe umożliwiające obrót detalu wokół jednej, wybranej osi. Czasami możliwa jest korekcja wysokości, jeżeli przewidziano taką funkcję w postumencie obrotnika. Innym wariantem są pozycjonery dwuosiowe umożliwiające obrót obiektu zarówno wokół osi poziomej, jak i pionowej. Bardziej złożoną formę mają pozycjonery wieloosiowe, umożliwiające dodatkowo ustawianie jednego z wielu stanowisk w przestrzeni roboczej robota. Najprostszym przykładem jest pozycjoner obracający wokół osi pionowej dwa stanowiska, z których każde może działać niezależnie. Na jednym może trwać proces technologiczny, zaś na drugim – demontaż gotowego elementu lub przygotowanie materiału do realizacji procesu. Zwiększa to znacząco wydajność całego systemu. Przykłady dostępnych na rynku pozycjonerów to:

– trójosiowy, dwustanowiskowy pozycjoner SMART PTDV (Comau) o dostępnych udźwigach 500 kg, 1000 kg, 1500 kg lub 1700 kg,

– dwuosiowy, jednostanowiskowy pozycjoner WP-TSF (Closs) o dostępnych udźwigach 250 kg lub 500 kg,

– jednoosiowy, dwustanowiskowy pozycjoner KP1-V2T (KUKA) o dostępnych udźwigach 500 kg lub 1000 kg,

– dwuosiowy, jednostanowiskowy pozycjoner (FANUC) o udźwigu 500 kg,

– jednoosiowy, dwustanowiskowy pozycjoner VMH (Yaskawa) o udźwigu 1000 kg.

W celu zwiększenia dokładności przebiegu procesu technologicznego przydatne okazują się tory jezdne, na których umieszcza się robota. Stanowią one dodatkową oś poziomą robota, po której może się przemieszczać w kolejnych fazach realizacji procesu. Oś może przybrać formę toru umieszczonego na podłodze lub konstrukcji bramowej, na której robot jest podwieszany. Dzięki takiej koncepcji możliwe jest wykonanie większej liczby czynności podczas jednego chwytu elementu poddawanego określonemu procesowi. Tory jezdne są szczególnie użyteczne do  transportowania przedmiotów na krótkie odległości podczas realizacji różnego typu zadań, jak paletyzacja czy pakowanie oraz w przypadku obsługiwania przez robota większej liczby maszyn lub linii produkcyjnych. Jednym z przykładów toru jezdnego jest konstrukcja TSL firmy Yaskawa. Tor jezdny jest przystosowany do montażu na podłodze i współpracy, w zależności od modelu, z jednym lub dwoma robotami. Jego podstawowe parametry to: maksymalna nośność 4000 kg oraz długość 24 m.

Czujniki w stanowiskach zrobotyzowanych

Czujniki stosowane w stanowiskach zrobotyzowanych można podzielić na dwie grupy. Pierwsza z nich składa się z sensorów, które wskazują na stan robota. Należą do niej: czujniki położenia i prędkości poszczególnych członów oraz czujniki siły, która jest wywierana na każdy z nich. Do pomiaru położenia stosuje się czujniki przemieszczeń kątowych i liniowych, w szczególności są to przetworniki obrotowo-impulsowe.

Rozróżnia się przetworniki inkrementalne i przetworniki absolutne. Pozwalają one na bieżącą kontrolę położenia każdego z członów i osiąganie wysokiej powtarzalności oraz dokładności. Utrzymanie zadanej prędkości programowej ułatwiają czujniki prędkości, przyrostowe enkodery optyczne czy czujniki położenia z elektronicznym urządzeniem różniczkującym. W celu zabezpieczenia robota przed przeciążeniem mechanicznym w układach sterowania prędkością i pomiarach masy używa się czujników tensometrycznych.

Do drugiej grupy czujników stosowanych w stanowiskach zrobotyzowanych należą czujniki, które charakteryzują otoczenie i dostarczają informacji na temat stanu środowiska, w którym pracuje robot. Wśród nich są sensory pozwalające opisać położenie i orientację w przestrzeni chwytanych przedmiotów, rozpoznawanie ich cech tj. barwa oraz cechy środowiskowe istotne do prawidłowego przebiegu zrobotyzowanego procesu.

Do omawianej grupy czujników należy zaliczyć indukcyjne, pojemnościowe i ultradźwiękowe czujniki odległości, pozwalające na określanie odległości między miejscem montażu czujnika a obiektem znajdującym się w jego zasięgu. Czujniki indukcyjne są elementami, które reagują na wprowadzenie metalu w strefę zasięgu ich działania. Są stosowane do kontroli położenia, przemieszczeń i ruchu mechanizmów związanych ze sterowanymi urządzeniami. Pozwalają na precyzyjne określenie położenia ruchomych elementów zrobotyzowanego stanowiska. Sprawdzają się w trudnych warunkach środowiskowych, jak wilgoć czy wysoki stopień zapylenia. Cyfrowy sygnał wyjściowy czujnika pozwala na współpracę ze sterownikiem lub bezpośrednie sterowanie wybranym układem wykonawczym. Ze względu na istotne ograniczenie wynikające z rodzaju materiału, z którego musi być wykonany wykrywany obiekt, szersze zastosowanie znajdują czujniki pojemnościowe. Mogą wykrywać materiały proszkowe, ziarniste, elementy wykonane ze szkła, drewna, tworzyw sztucznych, ale również metalu. Odległość jest określana za pomocą zmiany pojemności między okładzinami kondensatora, które tworzą czoło sensora i obiekt. Odległość może być również określana z wykorzystaniem czujników ultradźwiękowych, których stan na wyjściu jest zależny od ewentualnej obecności obiektu w ultradźwiękowej wiązce generowanej przez czujnik. Ich zaletą jest reagowanie na wszystkie obiekty niezależnie od materiału, z jakiego są wykonane.

Kolejną grupą czujników pozwalających na opisanie otoczenia robota są czujniki tensometryczne. Umożliwiają one określenie sił i momentów obrotowych i są umieszczane najczęściej między chwytakiem a ramieniem robota oraz między palcami chwytaka. Ich działanie polega na zmianie oporności przez przewodnik elektryczny pod wpływem jego wydłużania lub skracania. Ich zaletami są: duża czułość, duża dokładność, odporność na drgania, możliwość pracy w trudnych warunkach środowiskowych.

Najszerszą grupę czujników opisujących otoczenie robota stanowią czujniki optyczne. Można do nich zaliczyć bariery i kurtyny świetlne, czujniki odległości, koloru, kontrastu, skanery, czytniki kodów oraz kamery. Są stosowane do kontrolowania położenia ruchomych elementów stanowisk zrobotyzowanych, identyfikowania obiektów poddawanych manipulacji i zrobotyzowanej obróbce, określania ich cech i położenia w przestrzeni.

Wśród czujników optycznych znajdują się czujniki odbiciowe, charakteryzujące się określoną strefą roboczą i czułością oraz czujniki refleksyjne, których głównym parametrem jest zasięg. Czujniki odbiciowe i refleksyjne mają spory zasięg, a ich zaletą jest brak wrażliwości na kolor obiektu. Do czujników opisujących i wykrywających obiekty np. na taśmociągu należą czujniki pozwalające określić kolor oraz kontrast, które wykrywają kontrast między obiektem a tłem, na którym występuje. Wymienione rodzaje czujników są stosowane do kontroli jakości, realizacji sortowania, identyfikacji z użyciem nadruków na opakowaniach. Z kolei skanery 2D pozwalają zeskanować w dwóch wymiarach otoczenie robota. Wykorzystuje się je do pomiarów obiektów, określania pozycji i kontroli obszaru.

Jednym z najbardziej powszechnych zastosowań zrobotyzowanych rozwiązań w przemyśle jest pakowanie produktów do opakowań, opakowań do kartonów i paletyzowanie kartonów. Znaczącym ułatwieniem dla tego typu zadań jest stosowanie kodów, które umożliwiają szybką identyfikację produktów i opakowań zbiorczych. Pomocne okazują się zintegrowane z robotami skanery kodów. Pozwalają na szybką i bezproblemową identyfikację przenoszonych opakowań i transportowanych palet.

Systemy wizyjne

Wśród systemów wizyjnych można wyróżnić: czujniki wizyjne składając się z zintegrowanej kamery i prostego procesora przetwarzającego obraz, kamery inteligentne zintegrowane w jednej obudowie z komputerem, kamery z zewnętrznymi komputerami wyposażonymi w procesory wizyjne. Wśród systemów wizyjnych można wyróżnić systemy 2D, które pozwalają określić położenie i orientację obiektów znajdujących się w jednej płaszczyźnie. W przypadku obiektów wielkogabarytowych istnieje możliwość rozszerzenia systemu 2D o funkcję pobierania obiektów znajdujących się na różnych wysokościach. W tym celu stosowana jest estymacja odległości wykonywana na podstawie klasycznego zdjęcia. Takie rozwiązanie nie wymaga używania dodatkowych czujników w celu wykrywania poziomu warstwy i jest określane mianem 2,5D. Jest ono często wykorzystywane w realizacji zadań paletyzacji i depaletyzacji. Rozpoznawanie pozycji i orientacji obiektów jest również możliwe z użyciem systemów wizyjnych 3D. Jest to rozwiązanie niezwykle użyteczne w przypadku losowości położenia manipulowanego obiektu, np. gdy jest umieszczony w kontenerze lub pojemniku.

Istnieją różne koncepcje integracji systemu wizyjnego z systemem sterowania robotem. Jedną z nich jest stosowanie niezależnych środowisk do programowania systemu wizyjnego i opracowania aplikacji do obsługi robota. Przykładem jest system wizyjny In-Sight firmy Cognex. Inną koncepcją jest integracja obu środowisk, tak jak ma to miejsce w przypadku RobotStudio firmy ABB. Najbardziej zaawansowanym wariantem jest integracja kontrolerów systemu wizyjnego i robota. W tym przypadku kamera stanowi dla robota sensor rejestrujący obraz. Pozwala to na miniaturyzację kamery i optymalne wykorzystanie pamięci.

Przykładowym czujnikiem wizyjnym jest czujnik BVS firmy Balluff. Ma on rozdzielczość 640 × 480, wbudowany oświetlacz LED światła czerwonego i podczerwieni, oprogramowanie z funkcją symulatora, możliwość komunikacji za pomocą protokołu Ethernet TCP/IP oraz RS-232. Pozwala na określanie pozycji obiektu, porównywanie ze wzorem, detekcję konturów, kodów jedno- i dwuwymiarowych.

Innym przykładem czujnika wizyjnego jest Inspector PI firmy Sick. Oferuje on tę samą rozdzielczość, komunikację za pomocą TCP/IP, Ethernet IP, UDP, FTP, wbudowany oświetlacz światła białego, podczerwieni i ultrafioletu, filtry polaryzacyjne, podczernieni i kolorowe. Pozwala między innymi na detekcję obiektów, określanie odległości, badanie krawędzi, porównywanie do wzoru.

Przykładowy czujnik wizyjny oferuje firma Keyence. Model IV-500 ma rozdzielczość maksymalną 752 × 480, może komunikować się za pomocą protokołów Ethernet IP, Profinet i FTP, pozwala na określanie pozycji, detekcję obiektu i identyfikację przestrzeni w określonym kolorze. Ma wbudowany oświetlacz LED światła czerwonego, białego i podczerwieni oraz filtry polaryzacyjne i podczerwieni. Podobnie jak w przypadku wcześniej wspomnianych czujników producent oferuje oprogramowanie na komputer z funkcją symulatora.

Bezpieczeństwo stanowiska zrobotyzowanego

Na stopień bezpieczeństwa stanowiska zrobotyzowanego wpływ ma projektowanie konstrukcji oraz struktury oprogramowania. Istotny okazuje się dobór materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych, które same w sobie są bezpieczne, a w przypadku braku takiej możliwości zastosowanie technicznych środków bezpieczeństwa, jak osłony czy wygrodzenia. Niemniej ważna jest redukcja ryzyka resztkowego, którą można uzyskać za pomocą stosowania znaków informacyjnych i ostrzegawczych, sygnałów i urządzeń ostrzegawczych, zawieranie stosowanych informacji o możliwych zagrożeniach w instrukcji obsługi. Ważnym aspektem jest skonfigurowanie układu sterowania w taki sposób, aby możliwe było wyróżnienie dwóch sekcji – jednej odpowiedzialnej za bezpieczeństwo i drugiej związanej z aspektami technologicznymi. W praktyce oznacza to istnienie dwóch niezależnych układów, które wymagają ścisłej współpracy, z nadrzędnym charakterem systemu bezpieczeństwa. Należy pamiętać o stosowaniu certyfikowanego sprzętu.

W przypadku celi przeznaczonej dla robota do zapewnienia bezpieczeństwa obsługi służą: instalacja w stosowanych miejscach przycisków bezpieczeństwa, odpowiednie oznakowanie stref niebezpiecznych, bezpieczne rozmieszczenie urządzeń, które nie generuje sytuacji kolizyjnych. Ważne jest również odpowiednie przeszkolenie personelu oraz selekcja pod względem kompetencji i kwalifikacji. Częstokroć stosuje się systemy autoryzacyjne, w wyniku czego pracownik uzyskuje dostęp tylko do wybranych funkcji. Przykładowo operator może obsługiwać stanowisko zrobotyzowane – uruchamiać programy i włączać i wyłączać robota, nie ma on dostępu do wnętrza chronionej strefy, programista, który ma taki dostęp podczas programowania robota i inżynier utrzymania ruchu, który ma prawo obsługiwać, programować i konserwować elementy stanowiska, w związku z czym również ma dostęp do wnętrza chronionej strefy.

Należy pamiętać o zabezpieczeniu strefy bezpośredniego zagrożenia, co w praktyce oznacza zastosowanie różnego typu komponentów bezpieczeństwa, jak bariery i kurtyny świetlne, wyłączniki, maty, skanery, kamery, czujniki i podłączenie ich do wejść bezpieczeństwa w kontrolerze robota. W przypadku rozbudowanych systemów zrobotyzowanych konieczne może okazać się użycie programowalnego sterownika bezpieczeństwa. Jednak podstawowym elementem systemu bezpieczeństwa robota jest ogrodzenie. W razie konieczności należy pamiętać o możliwości dostępu do zabezpieczanej strefy. Wtedy należy skorzystać z bramki mechanicznej z odpowiednią blokadą lub przejścia zabezpieczonego kurtyną bezpieczeństwa. Zestawienie przykładowych komponentów bezpieczeństwa wraz z ich wybranymi cechami przedstawiono w tabeli.

System zrobotyzowany powinien uwzględniać zapisy zawarte w dyrektywie maszynowej oraz normie PN-EN ISO 13849-1 (Maszyny. Bezpieczeństwo. Elementy systemów sterowania związane z bezpieczeństwem. Część 1: Ogólne zasady projektowania). Konieczne jest wykonanie analizy ryzyka, wynikiem której powinno być wyznaczenie strefy ograniczonego dostępu oraz w razie potrzeby strefy dodatkowej. Panel operatorski musi mieć wolny, niczym nieograniczony dostęp. Każdy z elementów stanowiska winien być usytuowany na stabilnym podłożu.

Podczas programowania robota oraz napraw i konserwacji elementów stanowiska, może dojść do bezpośredniego ich kontaktu, w tym robota z personelem. Dlatego należy pamiętać o zachowaniu odpowiednich środków bezpieczeństwa. Należą do nich: zmniejszenie prędkości ruchu robota, zakaz pomijania elementów bezpieczeństwa, np. przez blokowanie wyłączników, uczenie robota w obecności dwóch osób, z których jedna ma nieprzerwany i bezpośredni dostęp do przycisku bezpieczeństwa, umożliwiającego odłączenie zasilania w czasie wszelkich napraw i wykonywania czynności konserwacyjnych.

Szczególną grupę robotów stanowią roboty współpracujące. Idea ich używania opiera się na ścisłej współpracy pomiędzy urządzeniem a człowiekiem. Najczęściej robot wykonuje ciężkie, nieergonomiczne zadanie, a człowiek skupia się na zadaniach lekkich, ale nieco bardziej złożonych. W przypadku robotów współpracujących kluczowe jest zachowanie bezpieczeństwa, ponieważ roboty i ludzie współdzielą tę samą przestrzeń roboczą. Dobrą praktyką jest automatyczna blokada ruchów urządzenia w przypadku dotknięcia człowieka. Takie zachowanie jest możliwe dzięki monitorowaniu siły w poszczególnych przegubach. W celu zwiększenia poczucia bezpieczeństwa ludzi współpracujących z robotami są one pozbawiane ostrych krawędzi i pokryte miękkimi materiałami. Przykładowe modele robotów współpracujących to CR-35iA (FANUC) oraz HC10 (Yaskawa).

Na rynku można zaobserwować integrację systemów bezpieczeństwa z systemami sterowania robotów w jedno, spójne i elastyczne środowisko. Dobrymi przykładami są systemy: Safe Motion firmy Comau, Dual Check Safety oferowane przez firmę FANUC, Cubic-S firmy Kawasaki w ofercie ASTOR czy Safe Operation firmy KUKA. Systemy tego typu pozwalają na monitorowanie obszaru pracy, monitorowanie pozycji oraz prędkości każdej z osi, ustawianie wyjścia bezpieczeństwa zgodnie ze stanem wejść bezpieczeństwa oraz stanem poszczególnych funkcji systemu.

Przemysł spożywczy

Specyfika zadań realizowanych w przemyśle spożywczym polega na konieczności zachowania higienicznych warunków pracy. Wiąże się z tym stawianie robotom dodatkowych wymagań, takich jak wodoszczelność czy wytrzymałość na częste mycie. Producenci starają się unikać kontaktu człowieka z żywnością, ponieważ to właśnie ludzie są potencjalnym źródłem skażeń w zakładach produkcyjnych. Te prowadzą do niepożądanych strat materialnych i wizerunkowych.

W związku z tym producenci robotów oferują dedykowane rozwiązania znane jako „cleanroom robots”. Urządzenia tego typu są wyposażone w specjalne pokrycia elementów konstrukcyjnych, niektóre z ich elementów są wykonane ze stali nierdzewnej, często są okrywane dedykowanymi pokrowcami. Przykładowo FANUC oferuje roboty wyposażone w specjalnie zaprojektowany pokrowiec z doprowadzeniem podgrzanego powietrza, który jest aktywny po stwierdzeniu przekroczenia założonej granicy określającej minimalną temperaturę pracy. Z kolei firma KUKA oferuje modele z serii Arctic, które są przeznaczone do pracy w chłodniach, gdzie technologie głębokiego zamrażania wymagają utrzymywania temperatury rzędu –30 °C.

W przemyśle spożywczym istotne jest również zapewnienie możliwości pracy w niskiej temperaturze, która panuje w chłodniach. Należy również zwrócić szczególną uwagę na specyfikę chwytanych produktów. Branża spożywcza ma całe mnóstwo produktów o nieregularnych kształtach, wymiarach, delikatnych strukturach, produktów kruchych oraz miękkich, które ulegają łatwemu odkształcaniu, zgnieceniu oraz uszkodzeniu.

Przetwarzane produkty spożywcze charakteryzuje również nieregularność i niepowtarzalność kształtów, wymiarów, struktury powierzchni, sztywności czy stopnia twardości. Dobrym tego przykładem jest mięso, którego przetwarzanie jest sporym wyzwaniem. Należy pamiętać, że warunki uchwycenia mogą zmieniać się ze względu na ewentualną warstwę szronu, który pokrywa zamrożone produkty.

Przykładowe aplikacje związane z branżą spożywczą, które mogą być obsługiwane przez roboty to: w przemyśle cukierniczym – pakowanie ciasteczek, cukierków, czekoladek do form, w branży mięsnej – porcjowanie mięsa, w browarnictwie – wyjmowanie pustych butelek z pojemników zbiorczych, załadowywanie skrzynek napełnionymi butelkami, paletyzowanie skrzynek.

Podsumowanie

Ważnym aspektem podczas projektowania stanowiska zrobotyzowanego jest zarówno dobór robota, jak i wszystkich innych elementów, które będą miały wpływ na przebieg danego procesu technologicznego. Szczególnie ważne jest dobranie odpowiednich efektorów i czujników, które mają bezpośredni wpływ na efekt końcowy całego procesu.

źródło: Automatyka 1-2/2024