Elastyczny system prototypowania procesów produkcyjnych i montażowych

Podejścia i techniki stosowane w celu osiągnięcia sprawnego i efektywnego zarządzania wywarzaniem produktów w krótkich cyklach produkcyjnych, nazywane są elastycznymi. W artykule opisano typowe dla nich cechy, opierając się na przykładzie laboratorium uruchomionego na Politechnice Poznańskiej.

Tradycyjnie pojęcie elastycznych systemów wytwarzania jest utożsamiane z automatycznymi układami obrabiarek skrawających. Termin elastyczności wykracza obecnie ponad ten dział, przynosząc wymierne korzyści w produkcji żywności, artykułów gospodarstwa domowego, wyrobów z tworzyw sztucznych czy też kosmetyków. Należą one do kategorii produktów szybkozbywalnych, charakteryzujących się bardzo dużym zróżnicowaniem produktów dostarczanych klientowi. Elastyczne podejście do produkcji w tych branżach, zwiększające konkurencyjność przedsiębiorstwa, wymaga jednak przekształceń w parku maszynowym oraz sposobie sterowania i zarządzania.

Czym są systemy elastyczne?

Prawidłowa konfiguracja elastycznego systemu produkcyjnego jest zadaniem strategicznym, którego rozwiązaniem powinno być optymalne zestawienie komponentów, realizujących założone zadanie produkcyjne. Danymi wejściowymi są plan procesu produkcyjnego dla rodziny produktów, które mają być wywarzane oraz zestaw scenariuszy możliwych zmian produkcji w przyszłości. Elastyczność systemu produkcyjnego wiąże się z większymi nakładami inwestycyjnymi, jednak ogranicza ryzyko nieprzydatności układu do przyszłych, zmodyfikowanych warunków produkcji. Poziom elastyczności musi zostać odpowiednio dostosowany, aby nie zwiększać nadmiernie kosztów, ale również zachować margines bezpieczeństwa w przypadku zmian. Połączenie tych sprzecznych dążeń rozszerzyło koncepcję elastycznych systemów wytwarzania o pojęcie rekonfigurowalności, rozumianej jako możliwość zmiany struktury systemu, przez dodawanie, usuwanie i zamianę poszczególnych członów funkcjonalnych systemu, w celu przystosowania do nowych zadań produkcyjnych. Wielokrotnie używane moduły sprzętu i oprogramowania minimalizują koszty i wysiłki, wynikające z modyfikacji gamy wytwarzanych produktów.

Część producentów obrabiarek i centrów obróbkowych upraszcza to zadanie i oferuje swoim odbiorcom opcje rozszerzenia możliwości swoich maszyn przez układy zmieniające je w elastyczną celę produkcyjną. Przykładowo firma Okuma przedstawiła system PALLETACE-C, który ma pełne oprzyrządowanie do przenoszenia, załadunku i odbioru palet, całkowicie zintegrowane z centrami obróbkowymi. Rozwiązanie takie może okazać się korzystne cenowo i daje pewne możliwości rozbudowy. Wydaje się jednak, że firmy mające już pewien park maszynowy będą się skłaniać w kierunku rozszerzenia możliwości posiadanego kapitału oraz zapewnienia sobie większego wachlarza komponentów do specyficznych potrzeb prowadzonego obecnie procesu technologicznego. 

Laboratorium na Politechnice

W Zakładzie Projektowania Technologii Politechniki Poznańskiej uruchomiono laboratorium, będące w pełni funkcjonalnym systemem produkcyjnym, realizującym założenia elastyczności. Zaprojektowane głównie z myślą o prowadzeniu zajęć dydaktycznych i przygotowaniu młodej kadry inżynierskiej laboratorium nie różni się jednak od systemów spotykanych w zakładach przemysłowych i obejmuje wszystkie elementy niezbędne do przeprowadzania rzeczywistej produkcji. Zgromadzony sprzęt jest bazą do przeprowadzania testów nowych urządzeń i sprawdzania ich zdolności do rozwiązywania realnych problemów. Daje również możliwość symulacji i kontroli poprawności działania zaprojektowanych procesów i algorytmów sterowania.

Zintegrowane środowisko programistyczne

System produkcyjny składa się z ogromnej liczby elementów. Dobór komponentów wielu różnych producentów mógłby być ciekawy ze względów badawczych, lecz również skrajnie trudny do wdrożenia, kłopotliwy w utrzymaniu i podatny na usterki. Konieczność nauki wielu różniących się aplikacji i podejść do programowania sterowników PLC, znacząco utrudniłby pracę inżynierom obsługującym system. Układ sterowania Elastycznego Systemu Produkcyjnego (ESP), działającego na Politechnice Poznańskiej, składa się z komponentów firmy Siemens. Za wyborem przemawiało jedno zintegrowane środowisko programistyczne, pozwalające na obsługę z jednego miejsca, sterowania przenośników materiału, stacji podnoszących i kierujących palety, rozproszonej sieci wejść i wyjść cyfrowych, komunikacji z kontrolerami robotów i maszyn CNC oraz panelami operatorskimi HMI. Wszystkie te funkcje są realizowane za pomocą łatwego w nauce interfejsu. Dzięki temu studenci w czasie ograniczonej liczby zajęć są w stanie zrealizować znacznie więcej zadań i skupić się na rzeczywistych problemach wytwarzania, a nie na poznawaniu nowego interfejsu programowania. Wspólne środowisko programistyczne znacząco upraszcza diagnostykę urządzeń, wyszukiwanie błędów w programie i monitorowanie pracy linii.

Podobne korzyści, skrócenia czasu opracowania programu i dostosowania go do nowych zadań produkcyjnych z pewnością mogą osiągnąć również firmy wdrażające podobne systemy we własnych zakładach. Nadrzędny układ sterowania integruje system. Komunikaty z obrabiarek i robotów nie są wyświetlane jedynie na ich własnych sterownikach, ale również są przesyłane przez magistralę danych i wyświetlane na głównym panelu HMI dla całej linii. Pozwala to również na integrację danych. Tworzony jest tylko jeden dziennik pracy oraz jedna baza danych z parametrami procesu. W przypadku uchybień nie ma konieczności szukania źródeł nieprawidłowości w raportach stworzonych przez kontrolery obrabiarki, robota lub innych urządzeń. Wszystko dostępne jest z jednego miejsca, z poziomu oprogramowania TIA Portal firmy Siemens.

Zdalnie i przez przeglądarkę

Nie zawsze funkcje sterowania przepływem, planowania, harmonogramowania i kolejkowania muszą być programowane z poziomu panelu operatorskiego sterownika PLC. Producenci elastycznych systemów obróbkowych są gotowi zaoferować rozwiązania integrujące wszystkie te funkcje w postaci prostych w obsłudze aplikacji. Oprogramowanie firmy Mazak Palletech Manufacturing Web oferuje oprócz wyżej wymienionych funkcji również możliwość wysyłania programu do obrabiarek CNC oraz sprawdzanie stanu narzędzi. Co więcej, wymienione oprogramowanie nie musi być instalowane na komputerach pracowników, a może być dostępne poprzez zwykłą przeglądarkę sieci web. Operacje na paletach i znajdujących się na nich produktach są dokonywane przy użyciu przycisków i rozwijalnych drzew, w sposób znany z obsługi systemów operacyjnych i stron internetowych.

Idealnym rozwiązaniem jest możliwość obsługi i programowania wszystkich urządzeń w obrębie systemu, za pomocą jednego interfejsu. Daje to możliwość łatwej integracji urządzeń, ułatwia ustalenie komunikacji i współpracy pomiędzy poszczególnymi elementami elastycznego systemu produkcyjnego. Upraszcza to też komunikację między pracownikami, ustanawia standardy formatu plików i przesyłania danych. Wizja ta jest wdrażana częściowo, tak jak wspomniane wcześniej rozwiązanie firmy Mazak, łączące zarządzanie przepływem palet z funkcją programowania obrabiarek.

Innym przykładem jest zintegrowane środowisko automatyki IQ Platform, oferowane przez firmę Mitsubishi. Zapewnia ono łatwą integrację i komunikację sterowników PLC i kontrolerów robotów oraz obrabiarek CNC tej firmy, zarówno elektryczną, jak i programową.

Jeden język programowania

Korzyścią dla operatorów jest wprowadzenie wspólnego języka programowania. Jeden algorytm dla wszystkich elementów pozwala kontrolować wiele mechanizmów z użyciem wspólnych pętli, funkcji matematycznych i struktur danych, z jasnymi zależnościami czasowymi, prostą komunikacją i odczytem danych z sensorów w czasie rzeczywistym. Dużym uproszczeniem dla integracji obrabiarek CNC, robotów przemysłowych i systemów wizyjnych jest możliwość sprawnego przekształcania układów współrzędnych między układem globalnym a układami poszczególnych urządzeń. Korzystne byłoby zawarcie w języku programowania komend, odpowiadających za obsługę modeli elementów otoczenia, a także zintegrowanie systemu automatyki ze środowiskiem modelowania 3D, z możliwością swobodnego posługiwania się modelami CAD. Trójwymiarowe systemy wizyjne mogą dostarczać dane o przestrzennej geometrii wyrobów na paletach oraz na temat narzędzi w magazynie. Wizualizacja z odpowiednio dużą częstotliwością odświeżania w oprogramowaniu pozwoliłaby na zdalne monitorowanie i zarządzanie pracą systemu.

Otwarty kod źródłowy

Trudno oczekiwać, aby w przyszłości miał powstać uniwersalny system, pozwalający na integrację elementów automatyki różnych producentów. Środowisko takie, działające na zasadach otwartego kodu, tworzone przez społeczność, byłoby jednak krokiem milowym pozwalającym na prostą integrację skomplikowanych systemów produkcyjnych. Jako pierwszy krok wykonany przez producentów w tym kierunku można traktować tworzenie konsorcjów, zajmujących się opracowywaniem wspólnych standardów komunikacyjnych, takich jak Ethernet POWERLINK.

A może w chmurze?

Ostatnie sukcesy oprogramowania, bazującego na rozproszonych systemach przechowywania i przetwarzania danych, czyli popularnej chmurze sprawiły, że aktualnie badacze, producenci i użytkownicy myślą o systemach produkcyjnych wykraczających poza ramy pojedynczego zakładu. Przewiduje się, że podstawą optymalnego użycia posiadanych środków produkcji będzie traktowanie infrastruktury, maszyn i oprogramowania jako usług dostępnych dla użytkowników. Wiąże się to z dynamicznym alokowaniem zadań produkcyjnych do poszczególnych maszyn z wielu połączonych zakładów ze względu na kryterium ekonomiczności lub oszczędności energii. Wymaga to systemów analizujących ogromne ilości danych, pozwalających na bieżącą ocenę jakości i opłacalności produkcji oraz pozwalających na swobodną komunikację między producentami i jednostkami zamawiającymi wyroby. Systemy informatyczne, integrujące możliwości i zapotrzebowania wielu firm, wkrótce mogą zmienić sposób myślenia o wytwarzaniu.

Rekonfigurowalny system transportowy

Szkieletem ESP, wdrożonego przez Zakład Projektowania Technologii Politechniki Poznańskiej, są moduły transportu materiału, powstałe w oparciu o komponenty Bosch Rexroth. Palety poruszają się na paskach zębatych, leżących na płaskich prowadnicach. W skład modułu wchodzą również napęd oraz szafa, w której znajduje się blok wejść i wyjść cyfrowych, połączony magistralą PROFINET z głównym sterownikiem. W dowolnym miejscu modułu można zainstalować napędzany pneumatycznie stoper, zatrzymujący paletę lub bardziej dokładny, podnoszący ją pozycjoner, stosowane w celu wykonania na przenoszonych elementach zabiegów technologicznych. Szybkiemu montażowi i demontażowi podlegają także mechanizmy podnoszenia palety i przenoszenia jej na inny, ustawiony poprzecznie moduł przenośnika. Znajdująca się w skrzynce elektrycznej wyspa rozproszonych wejść i wyjść cyfrowych ma przypisany adres IP. Sprawia to, że moduły mogą zostać połączone w dowolnej kolejności i konfiguracji, i rozpoznane przez główny program sterujący. Pozwala to w prosty sposób skalować linię, w zależności od rodzaju i wielkości serii wytwarzanych produktów.

Krótki czas rozbudowy, od projektu do uruchomienia, wynika z modułowej budowy, prostego montażu i oprogramowania przyspieszającego planowanie nowych konfiguracji systemu transportowego. Moduły transportowe mają dwa komplety przyłączy, co pozwala ustawiać je w formie linii i pierścieni. W obecnej postaci, przedstawionej na rysunku 1, system jest ustawiony w układzie pętli z poprzeczką i podwojoną jedną z linii. Takie rozmieszczenie modułów transportowych pozwala na wybór dowolnej sekwencji przepływu palety między stanowiskami oraz powrót do maszyny, po wykonaniu innych operacji, jeżeli wymaga tego proces technologiczny. Ruch przenośników odbywa się zawsze w jedną stronę. Elementy toru transportowego położone wzdłużnie są ustawione na nieco innej wysokości niż elementy poprzeczne. Przenoszenie palet pomiędzy modułami dokonuje się za pomocą podnośników. Ich pas ma własny, niezależny napęd, który może działać w obie strony; mogą zatem kierować paletę z przenośnika w trzech kierunkach, do przodu, w lewo i prawo. Cecha ta pozwala budować dowolnie skomplikowane struktury rozgałęzionych linii, pętli i siatek.

ESP działający w laboratorium Politechniki Poznańskiej nie obejmuje systemu transportowego drugiego rzędu. Paleta w czasie zabiegu technologicznego pozostaje na linii, a przejazd jest blokowany. Minimalizacja związanych z tym faktem niedogodności wymaga starannego projektowania algorytmów ustalających kolejność wprowadzania produkowanych części na linię oraz sterowania przepływem. Są to zagadnienia, którymi zajmują się studenci w ramach zajęć oraz przygotowywania prac dyplomowych.

Zastosowanie RFID

Firma Bosch Rexroth jest również producentem układu śledzenia palet za pomocą znaczników RFID. Bez urządzeń ID 200, przesyłających dane do centralnej bazy, obsługiwanej przez główny sterownik, zaprogramowanie algorytmu kierującego palety na odpowiednie stanowiska w ESP byłoby bardzo trudne. Anteny znajdujące się przy każdym stanowisku systemu odczytują niewielki znacznik, umieszczony w narożu palety. Zapisana jest w nim informacja o numerze palety, identyfikatorze transportowanego na nim produktu oraz o sekwencji wykonanych i jeszcze oczekujących zabiegów. Następstwem przeprowadzenia operacji na elemencie z danej palety jest aktualizacja informacji o stanie operacji, przez nadpisanie danych w znaczniku.

Urządzenie ID 200 komunikuje się z głównym sterownikiem PLC przez magistralę PROFIBUS i ma możliwość podłączenia dwóch anten. Jego konfiguracja w zintegrowanym systemie TIA Portal firmy Siemens nie jest skomplikowana. Po wgraniu plików konfiguracyjnych GSD urządzenie jest widoczne w projekcie. Odczytane tagi mogą być w prosty sposób przechowywane w bazach danych i przetwarzane przez algorytm sterowania. Gromadzone dane są nie tylko niezbędne w programie sterującym przepływem przez sieć, ale umożliwiają również przygotowywanie raportów o wydajności i stopniu użycia systemu oraz liczbie wykonanych wyrobów z poszczególnych grup. Elektroniczny system rozpoznawania palet zapewnia bezpieczeństwo procesu technologicznego poprzez gwarancję uruchomienia za każdym razem odpowiedniego programu obróbki oraz właściwą kolejność zabiegów obróbkowych.

Robotyzacja elastycznego wytwarzania

Roboty przemysłowe są uznawane za środki produkcyjne o najwyższym stopniu elastyczności. Jedno urządzenie daje możliwość przeprowadzania wielu zabiegów, od spawania i zgrzewania, poprzez montaż, aż po malowanie i kontrolę jakości. Możliwości mogą zostać rozszerzone jeszcze bardziej poprzez zastosowanie elastycznego systemu wymiany chwytaków z magazynem.

W ramach ESP działają obecnie trzy roboty przemysłowe. Dwie jednostki ABB IRP 140 stanowią odrębne stanowiska w systemie. Jeden manipulator został podwieszony na pomoście na słupach i obejmuje swoim zasięgiem cztery pozycjonery palet. Ma możliwość przekładania wyrobów i oprzyrządowania technologicznego między paletami. Program robota może być pisany on-line – przy robocie, na kontrolerze z ekranem dotykowym i dżojstikiem sterującym manipulatorem, w kartezjańskim układzie współrzędnych lub w układzie członów robota. Możliwe jest również opracowanie programu off-line na dowolnym komputerze z zainstalowanym oprogramowaniem ABB Robot Studio. Pakiet daje sposobność modelowania całego stanowiska i otoczenia robota, co ułatwia wyznaczenie stref niebezpiecznych, w których nastąpi zmniejszenie prędkości ramienia lub jego zatrzymanie. Minimalizuje to ryzyko kolizji, uszkodzenia robota i oprzyrządowania. Proces programowania on-line przy zastosowaniu modeli CAD wyrobów jest szybszy od tradycyjnego i zwykle wymaga jedynie drobnych korekt na stanowisku produkcyjnym.

Chwytaki

Dla zapewnienia szerokich możliwości manipulowania przedmiotami o zróżnicowanym kształcie i wielkości do robota przypisano magazyn chwytaków. Zastosowana w tym przypadku została technologia firmy Schunk. Chwytaki równoległe, różniące się kształtem szczęk, przeznaczone do chwytania zewnętrznego, jak i wewnętrznego (przy rozwieraniu szczęk), zamocowane są na interfejsach systemu wymiany chwytaków (fot. 1). Zacisk na precyzyjnych elementach bazujących jest przeprowadzany pneumatycznie. Zaletą jest brak konieczności dokładnego pozycjonowania robota i narzędzia w celu zamocowania. Mogłoby być to kłopotliwe w przypadku mniej sztywnych manipulatorów.

System wizyjny

Drugi robot ABB obsługuje stanowisko montażowe, wspierane systemem wizyjnym. Połączenie możliwości systemu wizji maszynowej z robotem przemysłowym może dać wymierne korzyści w zakresie ograniczenia złożoności oprzyrządowania niezbędnego do wykonania zabiegu. Studenci badają na tym stanowisku możliwość montażu wyrobów elektronicznych i elektromechanicznych.

Manipulator na torze

Trzeci, niewielki manipulator Mitsubishi (fot. 2), poruszający się po torze jezdnym, służy jako transport drugiego rzędu, przenoszący obrabiane elementy z palety transportowej do uchwytów obrabiarek.

Robot przemysłowy współpracujący z obrabiarkami stanowi już przykład prostej elastycznej celi wytwarzania. Stanowiska tego typu znajdują się w ofercie producentów obrabiarek.

Przykłady z rynku

Firma DMG MORI zaprezentowała układ, w którym robot przemysłowy za pomocą wymiennych chwytaków przenosi zarówno palety, jak i elementy obrabiane. Stanowi on jedyny element transportowy. Możliwość wielokrotnej zmiany orientacji przedmiotu oraz szybka wymiana oprzyrządowania pozwalają na znaczące zwiększenie wydajności i kompletną obróbkę na jednej frezarce całej gamy produktów.

Takie stanowisko, wsparte odpowiednim systemem sterowania i oprogramowaniem CAM, może już być nazywane elastycznym. Spełnia podstawowe kryteria w zakresie możliwości wykonywania pojedynczych wyrobów zamiast serii, łatwości wdrażania nowych modeli elementów, możliwości wprowadzania zmian w harmonogramie i kolejności produkcji. Słabą stroną rozwiązania jest fakt braku redundancji. W przypadku awarii któregoś z komponentów całe stanowisko zostanie zatrzymane.

Podobne rozwiązanie, lecz w połączeniu z tokarkami, prezentuje firma Mazak. Dodatkowym atutem jest oferta pełnego oprogramowania zarządzającego stanowiskiem, łączącego funkcje programów CAM, zarządzających gospodarką narzędziową, ustalających kolejność przeprowadzania operacji i podawania części oraz pozwalających na zdalne monitorowanie działania systemu. Bogatą ofertą mogą pochwalić się również integratorzy elastycznych systemów wytwarzania. Robot przemysłowy w systemie posługującym się paletami z punktem zerowym, zaprezentowany przez firmę Fastems, porusza się po torze jezdnym, dzięki czemu może obsłużyć cztery obrabiarki i magazyn palet.

Elastyczny montaż

Elastyczne systemy wytwarzania to nie tylko obróbka skrawaniem. Dąży się coraz częściej do wdrażania systemów montażowych, niewymagających rekonfiguracji urządzeń w produkcji pewnej klasy wyrobów. Najbardziej efektownym przykładem elastycznego montażu są linie w zakładach motoryzacyjnych, pozwalające na składanie kilku modeli samochodów bez zmiany oprzyrządowania. Podobne podejście obowiązuje już także przy wytwarzaniu produktów elektronicznych i medycznych. Niedoścignionym punktem odniesienia dla tego typu systemów jest praca człowieka. Żadne urządzenia nie są jak dotąd w stanie zastąpić ludzkich dłoni i długo nie będą pozwalać na montowanie jednego dnia telefonów komórkowych, a drugiego układów zawieszenia ciężarówek. Wypracowane rozwiązania montażu automatycznego stają się opłacalne w stosunku do pracy ręcznej dopiero, gdy liczba wyrobów przekracza dziesiątki tysięcy sztuk rocznie. Automatyczny montaż musi uwzględniać chwytanie, orientowanie, transport, pozycjonowanie części oraz wykonanie połączenia. Najlepiej, aby obejmował również funkcje bieżącej kontroli jakości. Uczynienie tego procesu elastycznym wymaga możliwości integracji danych z wielu czujników, budowy modeli przestrzennych otoczenia, planowania trajektorii ruchów i chwytania elementów o różnorodnych kształtach.

Niestety, te cechy manipulatorów przemysłowych nadal są w fazie badań i są wciąż mało powszechne w rzeczywistych zastosowaniach przemysłowych. Nadal brakuje łatwego w użyciu oprogramowania, pozwalającego w prosty sposób programować złożone zadania montażowe, uwzględniające kontrolę ruchu z użyciem czujników siły, dynamicznym mapowaniem otoczenia za pomocą trójwymiarowej wizji maszynowej, automatyczne planowanie trajektorii ruchu na podstawie zadaniowych komend oraz obsługę błędów.

Projekt ROS

Pierwsze próby kompleksowego podejścia do tego problemu zostały już wykonane i to na zasadach wolnego oprogramowania oraz dostępu do wiedzy. Projekt ROS jest zestawem bibliotek programistycznych, które stanowią swego rodzaju system operacyjny dla robotów różnego rodzaju. Jest bazą dla komunikacji między elementami systemu, czujnikami oraz sterownikiem. Ma także możliwość generowania ścieżek manipulatora, ich wizualizację i posługuje się uniwersalnym językiem opisu struktury robotów. Obsługa systemu ROS nie należy jednak do najprostszych, gdyż wymaga znajomości programowania w języku C++.

W oparciu o to oprogramowanie powstają bardzo ciekawe konstrukcje, które mogą wkrótce znaleźć zastosowanie w elastycznych systemach wytwarzania. Przykładem jest dwuramienny robot Baxter, mający zintegrowane narzędzia do przestrzennego rozpoznawania otoczenia za pomocą kamer i czujników siły. Robot nie jest programowany w sposób standardowy, przez wskazywanie kolejnych pozycji z użyciem kontrolera, ale trenowany, czynności są przypisywane do poszczególnych elementów w przestrzeni pracy, a pozycja robota może być w dowolny sposób zmieniana przez ręczne przesuwanie ramion.

Dzięki czujnikom siły robot jest bezpieczny dla operatorów, nie są wymagane kosztowne i zajmujące znaczną przestrzeń ściany, bariery świetlne, maty ani skanery bezpieczeństwa. Baxter może zastąpić pracowników w uciążliwej pracy kompletowania i pakowania wyrobów, obsługi maszyn i przenośników materiału, gdy serie wyrobów są zbyt krótkie, aby opłacalna stała się sztywna automatyzacja produkcji.

Pobieranie części z pojemnika

Kłopotliwym zagadnieniem montażu elastycznego jest pobieranie i wstępne orientowanie części, które trafiają na linię. W automatycznym montażu dostarczane są w pojemnikach i wstępnie orientowane przez podajniki rurowe lub z misą wibracyjną. Zwykle jednak są to urządzenia działające z jednym, ściśle określonym elementem. Problemy z poprawnym działaniem mogą się pojawić nawet w przypadku niewielkiej zmiany produkowanego wyrobu. Alternatywą dla tych urządzeń jest dostarczanie do elastycznego systemu montażowego części niezorientowanych, przechowywanych w pojemnikach. Manipulator wyposażony w system wizyjny o odpowiedniej precyzji jest w stanie uchwycić różnorodne części i ustawić je w pozycji właściwej dla dalszego montażu. Jest to rozwiązanie elastyczne, gdyż zmiana produkowanego wyrobu wywoła jedynie korekty w oprogramowaniu i ewentualną zmianę szczęk chwytaka, w celu dostosowania się do nowego kształtu części. Kosztem jest dłuższy czas uchwycenia i reorientacji przedmiotu, niż przy zastosowaniu pojemników dokładnie dostosowanych do wybranych komponentów.

Z powyższych względów do tych zadań stosuje się szybkie roboty o kinematyce równoległej, oferowane m.in. przez firmy Fanuc (seria M1) i Kawasaki (seria Y). Urządzenia te nadają się do korekty położenia i obrotu elementów na przenośnikach taśmowych. Do mniejszych części można zastosować podajniki firmy Flexfactory, integrujące manipulator, system wizyjny i oprogramowanie, pozwalające na wprowadzenie nowej części i wybór żądanej orientacji w kilka sekund. Podajnik tego typu rozdziela elementy umieszczone w zasobniku oraz, analizując kluczowe wymiary, ustala aktualną pozycję i przesyła dane do manipulatora, nadającego elementowi zadane położenie. W takich stanowiskach orientujących stosuje się systemy wizji maszynowej 2D. Zwykle wystarczające jest zastosowanie czujnika wizyjnego z funkcją wyszukiwania części i określania pozycji.

Orientacja w trzech wymiarach

Tego typu podejście jest przydatne, gdy element ma płaszczyznę symetrii i jest stabilny na płaszczyźnie (nie przewraca się ani nie toczy) w pożądanej pozycji wyjściowej. Często okazuje się jednak, że przedmiot jest bardziej złożony, ma wiele stabilnych pozycji oraz nie jest symetryczny – tzn. musi być orientowany w sześciu kierunkach. W takim przypadku stosowane są systemy wizji 3D, w połączeniu z przegubowym, sześcioosiowym robotem przemysłowym. Zwykle rozwiązania takie dotyczą większych elementów urządzeń elektromechanicznych. Kamery 3D do tego typu zadań proponuje m.in. firma Sick (seria Ruler).

Urządzenie takie posługuje się triangulacją laserową i przesyła chmurę punktów, odzwierciedlającą elementy na palecie lub w pojemniku do komputera, gdzie rozpoznawane są kształty odpowiadające zadanemu modelowi 3D. Ustalana jest aktualna orientacja oraz obliczane przesunięcie i obrót, jaki musi wykonać manipulator, aby ułożyć wybrany z zasobnika element w pozycji odpowiedniej do dalszego montażu.

Różne chwytaki

W większości przypadków, roboty przemysłowe manipulują materiałem za pomocą przyssawek podciśnieniowych lub chwytaków o dwóch palcach. Chwytaki te nie są przystosowane do elastycznej produkcji – zwykle kształt szczęk i przyssawek jest dostosowany do przenoszenia ściśle określonego elementu. Modyfikacja części pociąga za sobą opracowanie nowej techniki chwytania i dopasowania szczęk. Aktualnie stosowanym rozwiązaniem jest korzystanie z systemu wymiany chwytaków. Zwiększa to jednak koszty oprzyrządowania i przestrzeń potrzebną do magazynowania. Możliwe, że wkrótce problem zostanie rozwiązany poprzez powszechne stosowanie chwytaków inspirowanych ludzką dłonią, których prototypy już są prezentowane. Problemem pozostaje jednak sterowanie – sam taki chwytak ma więcej stopni swobody niż cały sześcioosiowy robot. Algorytmy pozwalające automatycznie wybrać strategię chwytu zadanej modelem CAD części nie zostały do tej pory opracowane.

Elastyczny System Produkcyjny, wdrożony przez Zakład Projektowania Technologii, ma służyć jako miejsce dla testów procesów elastycznego montażu. Badane są: wpływ kolejności montażu na sumaryczny czas procesu oraz techniki programowania robotów przemysłowych z użyciem systemów wizji maszynowej w montażu z minimalną ilością oprzyrządowania technologicznego. Rozpatruje się również zagadnienia powtarzalności i dokładności manipulatorów oraz wpływu tych parametrów na zdolność wykonania określonych zabiegów montażowych. Stanowiska wyposażone w roboty przemysłowe ABB IRB 140, wspomagane magazynem chwytaków i systemem wizyjnym, oraz ergonomiczne stanowisko montażu ręcznego pozwalają sprawdzać w praktyce zaprojektowane procesy technologiczne montażu szerokiej gamy wyrobów.

Elastyczne oprzyrządowanie

Większość czasu przygotowania produkcji nowego wyrobu pochłania zaprojektowanie i wykonanie odpowiedniego oprzyrządowania. Również koszty przezbrajania maszyn, związane z zaangażowaniem wysoko wykwalifikowanych pracowników, są znaczne. W elastycznych systemach produkcyjnych zmiana asortymentu może być przeprowadzana kilka razy dziennie. Bardzo kosztowne byłoby w takim przypadku posiadanie oprzyrządowania mocującego i bazującego poszczególne elementy każdej możliwej wersji wyrobu. Pilną potrzebą jest opracowanie oprzyrządowania elastycznego, które w obrębie pewnej klasy wyrobów może się dostosować do zmian pewnych wielkości i cech. Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie zestawu modułowych, regulowanych bloków i zacisków, dających możliwość pozycjonowania, podparcia i unieruchomienia elementów.

Pełny asortyment elementów tego typu modułowego systemu mocowania ma w swej ofercie m.in. firma Kipp. Rozwiązania takie są stosowane powszechnie od jakiegoś czasu na centrach obróbkowych, lecz mają także szanse na popularyzację w oprzyrządowaniu montażowym. Trwają pracę nad oprogramowaniem ułatwiającym proces doboru elementów i ich wzajemnego rozmieszczenia. Na podstawie modelu CAD dobierane są punkty podparcia, gwarantujące pewne odebranie wszystkich stopni swobody elementu obciążonego siłami technologicznymi. Projekty te wciąż jednak nie wyszły poza fazę badań i nie trafiły do praktyki przemysłowej.

Roboty dwuramienne

Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie ramienia robota przemysłowego, orientującego i ustalającego pozycje części bazowej przy montażu. Rozwinięciem tego podejścia są antropomorficzne konstrukcje robotów o dwóch ramionach. Jedno utrzymuje element w dogodnej pozycji, a drugie wykonuje proces technologiczny. Budowa opisywanego systemu umożliwia także i tego typu operacje.

Ze względu na potrzebę zachowania zadowalających dokładności pozycjonowania i powtarzalności, oba roboty umocowane są na sztywno do podłoża z użyciem kotw. Dzieląca je odległość uniemożliwia współpracę na drobnych przedmiotach. Przesunięcie robotów bliżej siebie umożliwiłoby jednak ich współpracę. Udostępnione przez firmę ABB środowisko programistyczne RobotStudio pozwala na projektowanie ruchów opartych na współpracy dwóch robotów. Gotowe moduły zdejmują z użytkownika konieczność wielokrotnego bazowania i poprawiania trajektorii dla wspólnie pracujących robotów. W takim przypadku współpraca, jak i samo programowanie, odbywają się w jednym układzie współrzędnych dla obu robotów. Przy odpowiednim odwzorowaniu rzeczywistego stanowiska w środowisku wirtualnym, można stworzyć skomplikowany program, pozwalający na wykonywanie jednego zadania przez dwa roboty. Programowanie takiej funkcji w sposób niezależny dla dwóch manipulatorów byłoby żmudne i mało efektywne.

Dodatkowym atutem jest zabezpieczenie tak stworzonego układu przed przypadkową kolizją, która zostanie zakomunikowana użytkownikowi już na etapie projektowania, co pozwoli na jej wyeliminowanie i korektę programu.

Bezpieczeństwo

System produkcyjny powinien być przede wszystkim niezawodny, dlatego znaczna część wysiłków programistów przeznaczona jest na obsługę ewentualnych błędów. Oczywiste jest, że im więcej elementów systemów, tym więcej jest możliwości powstania niezgodności. Na szczęście funkcje raportowania błędów i rejestrowania danych o funkcjonowaniu systemu są częścią większości pakietów oprogramowania. Nadal brak jest jednak wdrożonych systemów, mających możliwość automatycznej naprawy błędów, wyboru kolejnego celu ruchu na podstawie danych z sensorów i geometrycznego modelu otoczenia.

Innym zagadnieniem jest zapewnienie bezpieczeństwa ludziom w otoczeniu maszyn. Wciąż najczęściej stosowanym podejściem jest odgrodzenie stanowisk sztywnymi ścianami, a tam gdzie nie jest to możliwe, w miejscach dostarczania materiału i odbioru gotowych wyrobów, stosowane są kurtyny świetlne i maty bezpieczeństwa.

Podobnie zabezpieczono laboratorium Elastycznego Systemu Produkcyjnego Politechniki Poznańskiej. Za bezpieczeństwo studentów odpowiadają ściany, których konstrukcję nośną stanowią profile aluminiowe systemu firmy Bosch Rexroth. Aby zapewnić możliwość obserwacji procesu, niezwykle ważną w procesie dydaktycznym, tam gdzie jest to możliwe, zastosowano płyty z przezroczystego tworzywa sztucznego. Dostęp do stanowisk, możliwy tylko w trakcie zatrzymania systemu, zapewniają kurtyny świetlne i maty, obsługiwane przez programowalny sterownik bezpieczeństwa firmy Wieland. Całość zarządzana jest przez sterownik nadrzędny, za pośrednictwem odpowiednio dobranych przekaźników bezpieczeństwa.

Podejście zakładające sztywne zabezpieczenie stanowisk nie jest efektywne. Wymaga wytworzenia trwałych, drogich konstrukcji i zastosowania stosunkowo kosztownych czujników. Zwiększa się poza tym powierzchnia zajmowana przez system. W ostatnich latach dąży się do wdrażania stanowisk, w których robot może bezpośrednio współdziałać z człowiekiem bez groźby wypadku. Działają one w oparciu o skanery bezpieczeństwa, wykrywające w czasie rzeczywistym osoby znajdujące się w przestrzeni pracy robota i wysyłają sygnały spowalniające lub zatrzymujące ruchy ramienia manipulatora.

Podobny efekt można uzyskać wyposażając manipulator w zestaw czujników siły, reagujących na kontakt członów robota z otoczeniem zewnętrznym. Robot zatrzymuje się w ułamku sekundy, w przypadku potrącenia operatora lub elementu wyposażenia stanowiska. Zgodnie z tą filozofią już wkrótce pracownicy będą mogli bez strachu podchodzić do robotów przemysłowych i współpracować z nimi.

Korzystne dla elastyczności systemu wytwarzania jest stosowanie jednorodnych, modułowych układów bezpieczeństwa. Szczególnie przydatne wydają się moduły wejść i wyjść, które mogą łączyć się za pomocą dowolnej magistrali danych. Przykładem takiego rozwiązania jest technologia SafetyBridge, opracowana przez firmę Phoenix Contact. Programowalne rozproszone moduły, połączone dowolną siecią, przesyłają między sobą sygnały wejściowe z kurtyn, przycisków bezpieczeństwa i mat oraz wyjściowe, zatrzymujące maszyny i urządzenia, traktując nadrzędny sterownik i sieć jedynie jako medium pośredniczące.

Interfejs człowiek–maszyna

Pracownicy są bardzo ważnym elementem elastycznego systemu wytwarzania, dlatego kluczową jego cechą powinna być zdolność do sprawnego i ergonomicznego przekazywania informacji o aktualnym stanie maszyn i przeprowadzanych na nich zabiegach. Podstawowym miejscem kontaktu ludzi z elastycznym systemem produkcyjnym są stacje załadunkowe i rozładunkowe. Jest to najlepsze miejsce na umieszczenie paneli wyświetlających wszelkie niezbędne do obsługi systemu dane.

Przede wszystkim konieczne jest prezentowanie informacji o aktualnym zapotrzebowaniu na oprzyrządowanie oraz półwyroby do produkcji, potrzebne do wykonania założonych planów produkcyjnych. Pracownicy umieszczają żądane elementy na paletach, na przenośnikach taśmowych, lub stołach obrotowych, w zależności od budowy danego systemu. W bardziej złożonych zastosowaniach pracownikom dostarczane są również informacje o aktualnym stanie narzędzi skrawających i komunikaty diagnostyczne obrabiarek i robotów.

Najpowszechniej stosowane do tego celu są panele HMI, komunikujące się bezpośrednio z nadrzędnym sterownikiem PLC poprzez zastosowaną magistralę danych. W omawianym laboratorium wdrożonym przez Politechnikę Poznańską, przy stacji załadunku i rozładunku palet, znajduje się dotykowy panel HMI firmy Siemens z serii Comfort o przekątnej ekranu 15 cali.

Ekranów wizualizacji technologii jest kilka. Przedstawiają topologię połączeń sieci z informacją o poprawności kontaktu (rys. 2). Uszkodzenie przewodów, jednego z modułów lub sekcji zasilania może być natychmiastowo wykryte z uwzględnieniem miejsca wystąpienia awarii. Głównym ekranem jest ekran przedstawiający zarys linii, na którym wyświetlane są średnie czasy wykonania zabiegów na danych stanowiskach, ich bieżący stan (oczekiwanie, obróbka, gotowość) i numery aktualnie obsługiwanej palety i produktu. Po umieszczeniu palety w stacji załadunku pojawia się okno przypisania konkretnego produktu. Krok ten decyduje o ścieżce przejścia między stanowiskami oraz wykonywanych na wyrobie zabiegach. Wprowadzenie do bazy danych nadrzędnego sterownika nowego produktu polega na wybraniu kolejnych stanowisk, przez jakie przejść ma wyrób. Poza tym konieczne jest zaprogramowanie obrabiarek CNC i robotów przemysłowych. W większości przypadków, jeżeli produkty należą do jednej klasy, nie jest konieczne opracowywanie algorytmów od początku. Stosując odpowiednie uporządkowanie kodu można przenosić i dostosowywać całe bloki programów. Wielokrotne użycie kodu skraca czas potrzebny do wdrożenia produktu w ramach elastycznego systemu wytwarzania.

Wizualizacja procesu produkcyjnego jest często wybieranym tematem projektów studenckich w Zakładzie Projektowania Technologii Politechniki Poznańskiej. Wdrażane są narzędzia służące usprawnieniu procesów technologicznych, jak na przykład algorytm ustalający optymalną kolejność umieszczania wyrobów w systemie produkcyjnym dla uzyskania jak najlepszego stopnia wykorzystania stanowisk. Istotną częścią zagadnienia było zaprojektowanie intuicyjnego interfejsu dla operatora, pozwalającego na proste wprowadzanie zapotrzebowania na wyroby i odczytywanie zaleceń.

Elastyczność a produktywność

Wydajność elastycznego systemu produkcyjnego, z racji uniwersalności, jest trudna do bezpośredniego określenia. Częstym przypadkiem jest nieznajomość na etapie projektowania wszystkich wyrobów, jakie będą wytwarzane w ramach rozwiązania. Kluczowym zadaniem jest określenie rodzaju wykonywanych zabiegów, kierunków, z jakich będą wykonywane i tym samym liczby i zakresu niezbędnych zmian orientacji wyrobu. Określenie czasu wykonania wyrobu wymaga wstępnego wyboru obrabiarek, maszyn montażowych i elementów układu transportowego. Konieczne jest uwzględnienie ograniczeń technologicznych, odpowiedniej sekwencji zabiegów obróbkowych i montażowych lub wymogu obróbki powierzchni o zawężonej tolerancji z jednego zamocowania.

Planowanie elastycznego systemu produkcyjnego, który ma zapewnić szerokie możliwości adaptacji do zmian i jednocześnie rozsądne nakłady inwestycyjne jest zadaniem bardzo złożonym i czasochłonnym. Integratorzy tego typu systemów mogą ułatwiać sobie zadanie i oferować rozwiązania, które w znacznym stopniu przewyższają potrzeby użytkownika końcowego i są przez to drogie. Laboratorium Elastycznych Systemów Produkcyjnych (fot. 3) ma za zadanie być miejscem testów nowoczesnych elementów elastycznej produkcji oraz metod planowania i zarządzania. Ma służyć nie tylko studentom, ale jest również otwarte na współpracę z przemysłem.

Z praktycznych obserwacji wyłania się obraz przedsiębiorstw potencjalnie zainteresowanych elastycznymi systemami produkcyjnymi. Duże firmy, zajmujące się produkcją seryjną, starają się jak najlepiej stosować posiadane środki i inwestują jedynie, gdy jest to absolutnie konieczne. Z kolei przedsiębiorstwa zajmujące się wyrobami niszowymi zwykle starają się maksymalizować wydajność przez zakup obrabiarek specjalizowanych. Firmy działające jako podwykonawcy muszą zmagać się ze zmienną, zależną od aktualnych zamówień, produkcją i to one najchętniej inwestują w rozwiązania elastyczne. Trudno jednak znaleźć wdrożony system, w pełni zasługujący na to miano. Praktyczne rozwiązania są systemami pośrednimi. Przybierają one formę automatycznych linii produkcyjnych, wyposażonych w pewne elementy umożliwiające jednoczesną produkcję kilku odmian wyrobu lub skracające czas przestojów w przypadku wprowadzenia nowych produktów. Przykładem mogą być linie montażowe w przedsiębiorstwach branży motoryzacyjnej lub artykułów gospodarstwa domowego.

Z drugiej strony mniejsi podwykonawcy są zainteresowani prostymi celami produkcyjnymi, składającymi się nieraz tylko z jednej maszyny oraz automatycznych układów transportowych i wymiany narzędzi. Stanowisko wyposażone w jedną obrabiarkę oraz manipulator przemysłowy przenoszący części obrabiane ma już znamiona stanowiska elastycznego. Stanowiska takie, o dopasowanym do potrzeb stopniu elastyczności, znane są w literaturze jako systemy produkcyjne o skupionej elastyczności FFMS (ang. Focused Flexibility Manufacturing System). Podejście takie pozwala opracować system produkcyjny na podstawie kryteriów ekonomicznych, z uwzględnieniem planów produkcyjnych na najbliższe lata.

Podsumowanie

Pojęcie elastyczności produkcji obejmuje wiele zagadnień, od typowego projektowania technologii po tematykę komputerowej integracji produkcji. Mimo dojrzałości tematu i bogactwa opracowań, część problemów nadal nie została rozwiązana na tyle skutecznie, aby wejść do praktyki przemysłowej. Powstaje jednak coraz więcej metod poprawy niezawodności, ekonomicznej opłacalności i skrócenia czasu wdrażania systemu. Nowości techniczne, takie jak coraz szybsze obrabiarki, manipulatory oraz intuicyjne sposoby ich sterowania sprawiają, że elastyczne systemy produkcyjne powinny być coraz bardziej przystępne, korzystne i tym samym częściej spotykane w polskich zakładach produkcyjnych. Przemawiać za tym powinny zyski płynące z elastycznego podejścia do zadań produkcyjnych, takie jak możliwość autonomicznej pracy dzięki układom automatycznego transportu, wymiany i magazynowania palet czy narzędzi oraz, co za tym idzie, zwiększony stopień użycia maszyn i ograniczone wymagania co do liczby maszyn oraz zajmowanej przestrzeni. Dobrze zintegrowany system pozwala na natychmiastowe zmiany w programie produkcji i dostosowywanie się do zmian, co daje wyraźną przewagę nad konkurencyjnymi przedsiębiorstwami.

źródło: Automatyka 4/2015