Roboty pick&place ułatwiają pracę

Szybkie roboty pick&place spotkać można coraz częściej nie tylko na liniach montażowych w przemyśle motoryzacyjnym czy elektrotechnicznym i elektronicznym, gdzie wykonują powtarzające się czynności montażowe (w tym lutowanie czy klejenie), ale również w przemyśle spożywczym, kosmetycznym i farmaceutycznym. Wykorzystywane są one tam, m.in. do automatycznego sortowania i pakowania produktów. Standardem stało się też łączenie lekkich robotów tego typu z systemami wizyjnymi pozwalającymi nie tylko zidentyfikować produkt na linii, ale również określić jego pozycję i orientację w przestrzeni. W wielu aplikacjach, robot współpracujący z kamerą lub zestawem czujników jest w stanie rozpoznawać również kolory oraz samodzielnie kontrolować odchyłki kształtu czy wymiarów przemieszczających się w jego zasięgu działania obiektów. Dzięki tym cechom roboty pick&place wypierają z wielu prac, zdawałoby się niezastąpionych na liniach montażowych czy w sortowniach, ludzi.

Specyficzna konstrukcja

Ponieważ procesy pick&place dotyczą bardzo szybkiego dostarczania, przemieszczania, pakowania lub montażu pojedynczych, drobnych i jednocześnie stosunkowo lekkich elementów, a miejsca jego pobrania i odłożenia z odpowiednią orientacją są oddalone od siebie zwykle nie więcej niż 0,5 metra, robot wykorzystywany w aplikacjach pick&place musi mieć specyficzną konstrukcję. Należy w niej uwzględnić fakt, że pobieranie i odkładanie lub montaż elementów odbywa się bez zatrzymywania linii transportowej, co dodatkowo zwiększa wydajność procesu, ale jednocześnie wymaga bardziej skomplikowanej budowy robota.

Do tego typu zadań nie nadają się standardowe roboty wieloosiowe. Ze względu na swoją antropomorficzną budowę, wymagającą przemieszczania dużej masy ramienia w stosunkowo krótkim czasie, w dużej przestrzeni roboczej, nie są one w stanie osiągnąć nieodzownych w aplikacjach pick&place ultraszybkich cykli roboczych trwających krócej niż sekundę. Dlatego konstrukcja elementów ruchomych robota pick&place musi być znacznie lżejsza tak, aby element roboczy mógł szybko przemieszać się w wyznaczonym obszarze. Robot taki nie musi mieć dużego udźwigu i dużej liczby stopni swobody.

Typowa konstrukcja robota pick&place (tzw. robot typu Delta) to układ trzech lekkich, prętowych ramion, z których każde jest przytwierdzone przegubowo z jednej strony do swojej korby, a z drugiej – wszystkie ramiona spinane są ze sobą przegubami w jednym punkcie, przytwierdzane do efektora. Każda korba jest w niezależny sposób podłączana do wirnika swojego obrotowego systemu napędowego, który znajduje się u góry, w podstawie robota. Osie poszczególnych napędów, rozmieszcza się poziomo na tej samej wysokości w taki sposób, aby tworzyły trójkąt równoboczny. Dzięki temu uzyskać można trzy stopnie swobody, pozwalające operować efektorem w obszarze roboczym o promieniu zwykle od 400 mm do 1500 mm oraz przemieszczać efektor w kierunkach góra-dół na wysokość zazwyczaj od 50 mm do 350 mm. Bardzo często również wprowadza się możliwość obrotu samego modułu efektora (czasem całego robota) wokół własnej osi, dzięki czemu robot uzyskuje dodatkowy, czwarty stopień swobody.

Taka konstrukcja robota pick&place pozwala przemieszczać przedmioty, w zależności od budowy i wielkości urządzenia, o masie od 0,5 kg do nawet 8 kg z bardzo dużą prędkością i czasem cyklu krótszym niż sekunda. Precyzyjny system sterowania pozwala pozycjonować efektor z powtarzalnością wynoszącą zwykle ±0,1 mm lub większą. Najszybsze roboty pick&place są w stanie realizować od 3 do 5 cykli na sekundę czyli wykonywać 
do 200–300 cykli na minutę.

Niezbędne elementy

Sam układ kinematyczny robota typu pick&place to jednak nie wszystko. W zależności od aplikacji, konstrukcja urządzenia musi często zapewniać ochronę przed zapyleniem lub spełniać wymagania dyrektywy ATEX, jeśli robot będzie pracował w strefie zagrożonej wybuchem. W przypadku przemysłu spożywczego i farmaceutycznego obudowa powinna umożliwiać też bezpieczne mycie robota strumieniem wody pod ciśnieniem, bądź zanurzenie go w wodzie na głębokość do 1 m (stopień ochrony IP67/68).

W wielu przypadkach producenci robotów standardowo stosują obudowy z materiałów odpornych na działanie przemysłowych środków czystości, używanych w różnych procesach produkcyjnych, szczególnie w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. Co więcej, w zależności od aplikacji, robot pick&place musi też mieć obowiązkowo wszystkie atesty wymagane w przemyśle spożywczym (kontakt z żywnością), chemicznym bądź farmaceutycznym. Dodatkowe uszczelnienia, specjalne smary, antyadhezyjne powierzchnie czy specjalistyczne chwytaki sprawiają, że robot może pracować w bezpośrednim kontakcie z żywnością.

Kolejnym warunkiem technicznym, który nowoczesny robot pick&place powinien spełniać, jest możliwość śledzenia przez niego procesów związanych z przesunięciem taśmy przenośnika i znajdujących się na niej obiektów – tzw. system conveyor tracking. Zazwyczaj stosuje się tutaj enkodery, które umożliwiają dokładne określenie położenia detalu na linii produkcyjnej w czasie rzeczywistym. Roboty pick&place coraz częściej wyposaża się również w zaawansowane systemy wizyjne. Wiele dostępnych na rynku robotów, standardowo wyposażonych jest w możliwość nie tylko współpracy z systemami wizyjnymi, ale również pozwala na bezpośredni montaż jednej lub kilku kamer. Co ważne, nowoczesny system wizyjny pozwala przetwarzać bezpośrednio na linii różne elementy, bez potrzeby przezbrajania robota. Na podstawie dostarczanych informacji wizyjnych robot jest w stanie dopasować swoje działanie do zmieniających się warunków produkcyjnych.

W wielu przypadkach, istotny może się okazać system kontroli siły, który wyeliminuje możliwość powstania uszkodzeń przenoszonych produktów. Coraz więcej zrobotyzowanych aplikacji pick&place wyposażanych jest też w systemy wykrywania i przeciwdziałania kolizjom. W ten sposób nie tylko poprawia się bezpieczeństwo na stanowisku pracy, ale również można uchronić robota przed uszkodzeniem związanym z uderzeniem ramienia lub chwytaka w przedmiot, który nieoczekiwanie pojawił się w obszarze roboczym.

W tym miejscu warto też wspomnieć, że do aplikacji typu pick&place bardzo często wykorzystuje się roboty typy SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm). Roboty te charakteryzują się przede wszystkim większym udźwigiem i stosunkowo dużym zasięgiem. Parametry te kształtują się odpowiednio w granicach: od 1 kg do 50 kg i od 120 mm do 1200 mm. Roboty te są w większości przypadków wolniejsze niż maszyny w układzie typu Delta, ale, dzięki swojej budowie, pozwalają na jednoczesną obsługę kilku stanowisk.

Instalacje przemysłowe

Polscy klienci poszukują przede wszystkim małych i szybkich robotów pick&place, które zajmują jak najmniejszą przestrzeń roboczą. Nie wymagają też od nich dużych udźwigów. Zwykle wystarcza robot, który jest w stanie podnieść 6 kg, maksymalnie 10 kg. Jeśli chodzi o parametry pracy to na pierwszym miejscu polskie firmy stawiają czas cyklu, ale co ważne, właśnie w powiązaniu z udźwigiem i zasięgiem.

– Największą popularnością wśród naszych klientów cieszą się roboty typu Delta (model FlexPicker). Z uwagi na zasięg i udźwig oraz bardzo duże prędkości pracy znajdują one zastosowanie, gównie w aplikacjach pobierania oraz odkładania małych produktów, na przykład ciastek do pudełek. Warto zwrócić uwagę na fakt, że dla klientów z branży spożywczej lub farmaceutycznej w wielu aplikacjach istotne jest to, aby robot wykonany był w wersji Clean Room. Z kolei dla klientów branży elektronicznej, często najważniejsza jest szybkość oraz precyzja i powtarzalność ruchów – zauważa Jakub Stec, Channel Manager w firmie ABB. – W wielu przypadkach, dla robotów typu pick&place nieodzownym staje się wyposażenie ich w system wizyjny lub w system śledzenia przenośnika. Można powiedzieć, że są to „oczy” robota. Jeśli chcemy, aby robot był urządzeniem uniwersalnym i jednocześnie elastycznym, musi mieć możliwość dynamicznej współpracy z urządzeniami zewnętrznymi – dodaje Jakub Stec.

– Dla klientów bardzo ważne są dodatkowe opcje: montażu i współpracy z systemami wizyjnymi oraz możliwość zastosowania zintegrowanego systemu śledzenia ruchu przenośnika taśmowego. Dotyczy to zwłaszcza operacji typu pick&place. W tym przypadku doskonale sprawdzają się tutaj zarówno nasz system wizyjny, jak i oprogramowanie KUKA.ConveyorTech, które przeznaczone jest do śledzenia ruchu detali na przenośniku taśmowym – zauważa Janusz Jakieła, Sales Manager GI w firmie KUKA 
Roboter.

– Do operacji typu pick&place stosowane są z reguły roboty o niezbyt dużym udźwigu. W przypadku robotów o kinematyce szeregowej, nasi klienci wybierają zazwyczaj maszyny o nominalnym udźwigu 7 kg (LRMate200iD). Do lżejszych detali stosowane są zaś roboty o kinematyce równoległej i o udźwigu 0,5 lub 1 kg – mówi Mateusz Amroziński, inżynier w firmie FANUC Polska. – Nasze roboty stosowane są przeważnie w aplikacjach szybkiego pakowania i sortowania. Bardzo często współpracują też z przenośnikami taśmowymi. Do tego typu zadań stosujemy wówczas system śledzenia linii (Line Tracking) – uzupełnia Mateusz Amroziński.

– Z naszych obserwacji wynika, że wśród klientów największym zainteresowaniem cieszą się roboty kartezjańskie, a to ze względu na modułowość konstrukcji oraz ich łatwą adaptację do różnych aplikacji. Zaraz za nimi plasują się roboty typu SCARA, które pomimo stosunkowo niewielkich udźwigów, pozwalają na jednoczesne obsłużenie kilku stanowisk bez konieczności ich zabudowywania, jak to ma miejsce w przypadku konstrukcji kartezjańskich. Roboty SCARA są też bardziej elastyczne i łatwiej dostosowuje się je do innych procesów produkcyjnych – zauważa Paweł Zülsdorff, specjalista ds. mechatroniki w firmie WObit.

– Warto też wspomnieć, że w wielu aplikacjach roboty typu SCARA wykorzystywane są jako uniwersalne manipulatory, zamiast układów pneumatycznych, czy napędów elektrycznych w układzie kartezjańskim X-Y-Z.  Pomimo wolniejszej pracy, w porównaniu z robotami typu Delta, roboty SCARA zapewniają bardzo wysoką powtarzalność i dokładność operacji – szczególnie w osi Z, a ich instalacja jest znacznie prostsza – dodaje Michał Osiecki, Product Engineer Automation & Drive w firmie OMRON Electronics. – Roboty SCARA, które przeznaczone są do montażu na posadzce lub urządzenia stojące, przytwierdzane do konstrukcji maszyny, nie wymagają wytrzymałej, stabilnej i obszernej konstrukcji służącej do podwieszenia robota. Na rynku dostępne są również roboty SCARA przeznaczone do montażu podwieszanego. Mocuje się je wówczas ponad obszarem roboczym – zauważa Michał Osiecki.

– Jeśli chodzi o naszą ofertę manipulatorów typu pick&place, to dużym zainteresowaniem cieszą się zarówno manipulatory o kinematyce kartezjańskiej jak i równoległej typu Tripod. W ostatnim czasie, to jednak manipulatory Tripod znajdują zdecydowanie większe grono nabywców ze względu na osiągane przez nie większe liczby cykli oraz lepszą dokładność pozycjonowania detalu. Interesuje się nimi przede wszystkim przemysł motoryzacyjny oraz spożywczy – stwierdza Marek Gaj, Business Development Manager Electric Automation w Festo.

– Oczywiście, z perspektywy klienta końcowego najważniejszym kryterium wyboru będzie czas cyklu, ale tak naprawdę ten parametr jest wynikiem wielu składowych: prędkości ruchów, zasięgu, udźwigu oraz odpowiedniego oprogramowania robota. Warto zauważyć, że udźwig robota musi być tak dobrany, aby mógł on przenosić nie tylko zadany detal, ale również powinien uwzględniać ciężar stosowanych w danej aplikacji chwytaków. W wielu aplikacjach kluczowy jest również zasięg robota. Należy konieczne sprawdzić, czy robot sięgnie w każde miejsce niezbędne do wykonania danego zadania. W dokumentacji robotów często parametr ten przedstawiany jest w postaci sześciu wymiarów liniowych. W przypadku prostych aplikacji, taka informacja jest wystarczająca, ale przed zakupem warto skorzystać z oprogramowania do symulacji pracy robotów, aby sprawdzić dokładnie poszczególne punkty, w których robot ma pracować – podsumowuje Marcin Gwóźdź, inżynier sprzedaży w firmie Comau Robotics.

Sterowanie i programowanie

Oprócz parametrów bezpośrednio uwarunkowanych kinematyką robota i jego możliwościami związanymi z dostosowaniem go do konkretnej aplikacji, dla wielu klientów istotne jest również sterowanie, możliwości programowania oraz zastosowane w robocie interfejsy komunikacyjne. – Robot w zdecydowanej większości przypadków jest tylko częścią większego układu. Dlatego też musi mieć możliwości komunikacji z systemami automatyki różnych producentów – stwierdza Marcin Gwóźdź.

– Klienci często są zainteresowani inteligentnymi maszynami, czyli takimi, w których nie programujemy na sztywno punktów w przestrzeni, ale gdzie informacja o pozycji obiektu manipulacji jest zwracana przez np. współpracujący z robotem system wizyjny. Niestety często nie zdają sobie sprawy ze słabych punktów takiego rozwiązania (zmienne oświetlenie), a także z ceny implementacji. Klasyczne metody pozycjonowania są tańsze, ale w wielu aplikacjach zwrotna informacja pozyskiwana, np. z systemu wizyjnego, jest po prostu niezbędna – zauważa Paweł Zülsdorff. – Sterowanie jest dla klientów kluczową sprawą, ponieważ nie chcą oni zostać z nawet najbardziej zaawansowaną technicznie maszyną bez wiedzy, jak ją skutecznie obsługiwać. Większe firmy często mają swoje preferencje w zakresie sterowników oraz protokołów komunikacyjnych. Małe i średnie przedsiębiorstwa oczekują prostoty, stabilności działania, liczą też na ciągłe wsparcie przy ewentualnych modyfikacjach – dodaje Paweł Zülsdorff.

– Większość klientów preferuje połączenia w oparciu o Ethernet (Ethernet/IP, Modbus/TCP czy EtherCAT). Obecnie trudno sobie wyobrazić maszynę, czy stanowisko z robotem, który pracuje samodzielnie, bez połączenia z innymi urządzeniami. Większość naszych robotów ma możliwość komunikowania się z nadrzędnymi sterownikami PLC – roboty mogą być sterowane i programowane bezpośrednio z PLC (opcja ePLC z robotach Cobra, Horner czy Viper) – mówi Michał Osiecki.

– Oczywiście, że każdy dostawca dowolnych produktów mających zastosowanie w systemach automatyki, musi oferować odpowiednie interfejsy komunikacyjne umożliwiające ich integracje w systemach automatyki. Tak jest też w przypadku Festo. Nasze manipulatory pick&place dostępne są z szerokim wyborem interfejsów komunikacyjnych. Najczęściej wybieranym jest Profinet – stwierdza Marek Gaj.

– Nasi klienci korzystają praktycznie z każdego typu interfejsów a jest to możliwe dzięki szczególnym cechom robotów KUKA, w tym bardzo cenionej wśród klientów czy integratorów, otwartości naszego systemu – dodaje Janusz Jakieła.

– W dobie Przemysłu 4.0, integracja maszyn i robotów między sobą oraz z systemami nadrzędnymi typu SCADA, ERP jest wręcz nieodzowna. W przypadku naszych robotów są to funkcjonalności wbudowane w system sterowania i pozwalają na pełną wymianę danych oraz monitorowanie pracy – mówi Jakub Stec. Co więcej, roboty do aplikacji pick&place bardzo często pracują w grupach, np. osiem robotów pakujący czekoladki do pudełek. W przypadku tego typu zastosowań kluczowym zagadnieniem jest łatwość programowania ich wzajemnej współpracy, tak by były równomiernie obciążone pracą, a proces integracji był szybki i bezproblemowy. W przypadku robotów ABB klient ma do dyspozycji oprogramowanie PickMaster 3, które jest zarówno systemem wizyjnym, jak i też narzędziem do konfiguracji robotów oraz rozdziału pomiędzy nie zadań, tak by każdy produkt był obsłużony przy minimalnym nakładzie pracy programistycznej – dodaje Jakub Stec.

Rynek robotów

Dane z rynku potwierdzają, że robotyka przemysłowa na świecie ma się bardzo dobrze. Według danych Międzynarodowej Federacji Robotyki IFR (International Federation of Robotics)przeciętna gęstość robotyzacji w gospodarce światowej wynosi 62 roboty przemysłowe na 10 tys. pracowników zatrudnionych w przemyśle. W tej statystyce dominują Korea Południowa z 437 robotami na 10 tys. pracowników oraz Japonia z 323 robotami. Na trzecim miejscu znajdują się Niemcy. Gęstość robotyzacji u naszych zachodnich sąsiadów wynosi 282 roboty na 10 tys. pracowników.

Zgodnie z danymi Międzynarodowej Federacji Robotyki w 2013 roku, średnia europejska wynosiła 82 roboty przemysłowe na 10 tys. pracowników zatrudnionych w przemyśle. Niestety na tym tle nasz kraj wypada bardzo słabo. Polska, z wartością wskaźnika na poziomie 22, znajduje się w dolnej części rankingu. Wyprzedzamy jedynie takie kraje UE jak Grecję (13 robotów), Rumunię (7), Estonię (6) i Chorwację (2). Dla porównania w Czechach pracują 72 roboty na 10 tys. zatrudnionych, a na Węgrzech 47. Co gorsze, robotyzacja polskiego przemysłu przebiega wolniej niż przeciętna w Europie. Sytuacja ta przekłada się również na krajowy rynek robotów pick&place, co potwierdzają przedstawiciele firm – dostawców robotów.

– Polski rynek jest rynkiem w miarę dynamicznym i ciągle rośnie. Od krajów Europy Zachodniej różnimy się przede wszystkim liczbą wdrożeń. W przypadku robotów pick&place, w moim odczuciu, wyróżniamy się dobrą dynamiką wzrostu liczby wdrożeń, która jest z pewnością zadowalająca – mówi Janusz Jakieła.

– Producenci maszyn szukają nisz na bardzo konkurencyjnym rynku, dlatego można się spodziewać, że roboty pick&place znajdą zastosowania w miejscach, gdzie dotychczasowi producenci maszyn stosowali dedykowane, a tym samym mniej elastyczne rozwiązania, bez robotów – zauważa Michał Osiecki.

– W zasadzie rynek robotów w Polsce jest jeszcze niedojrzały. Na każdym polu plasujemy się daleko za krajami Europy Zachodniej czy też Południowej. Jednak od lat zauważalny jest trend wzrostu w każdej branży robotyki w Polsce. Z całą pewnością możemy stwierdzić, że polski rynek robotyki ma przed sobą ogromny potencjał. Oczywiście cena ma duże znaczenie, ale z biegiem lat zauważamy coraz większą świadomość klientów, że bardzo istotna jest również jakość wykorzystywanych elementów, a także kompleksowość wykonywanych usług – stwierdza Marcin Gwóźdź.

– W zaawansowanych aplikacjach pick&place rynek polski nie różni się w zasadzie niczym od innych rynków europejskich, poza, co oczywiste, jego wielkością z punktu widzenia wartości. Obecnie największym odbiorcą naszych rozwiązań są branże motoryzacyjna oraz spożywcza. Charakterystyka wymagań tych branż przemysłowych w Polsce nie odbiega w niczym od innych rynków europejskich – dodaje Marek Gaj.

– Wielu przedsiębiorców nie posiada świadomości na temat zalet nowoczesnych technologii, a w związku z tym trudno jest im samodzielnie odnaleźć tzw. „wąskie gardła” produkcji, w których roboty mogłyby odegrać znaczącą rolę. Na szczęście w Polsce z roku na rok przybywa zrobotyzowanych aplikacji pick&place. Ich wdrażaniu sprzyjają działania edukacyjne realizowane w ramach firm działających w branży, a także poprawa świadomości klientów w zakresie wydajności i uniwersalności takich aplikacji. Dzisiaj szacujemy, że blisko 8% naszej sprzedaży za rok 2015, to roboty sprzedane do aplikacji typu pick&place – mówi Mateusz Amroziński.

– Rynek robotów pick&place w Polsce nie odbiega znacząco od innych krajów Europy Środkowej i Wschodniej, jednak nie jest tak rozbudowany jak w Europie Zachodniej. Klienci widzą potrzebę robotyzacji produkcji, jednak wciąż niechętnie chcą angażować w nią swój kapitał. Niepewna sytuacja gospodarcza w Polsce nie sprzyja inwestycjom. Roboty 
pick&place stanowią znaczący procent wszystkich sprzedawanych robotów w Polsce. Występują one w różnych formach i o różnym stopniu skomplikowania niemal we wszystkich przedsiębiorstwach, które prowadzą produkcję masową. Na terenie naszego kraju wciąż takich robotów brakuje, a ponieważ polskie zakłady produkcyjne muszą stać się konkurencyjne w stosunku do naszych sąsiadów, sprzedaż takich rozwiązań będzie wzrastać – podsumowuje dyskusję Paweł Zülsdorff.

*Tabele produktów oraz wypowiedzi ekspertów znajdują się w Miesięczniku Automatyka

źródło: Automatyka 7-8/2016