Robotyka w dzisiejszej produkcji samochodów

Roboty przemysłowe są jednym z filarów nowoczesnej produkcji. Wykonują one szeroki zakres funkcji, koordynując zadania z innymi formami automatyzacji. Pierwszą branżą, w której zastosowano robotykę na szeroką skalę, a także miejscem rozwoju technologii związanych z robotyką, był przemysł motoryzacyjny, którego wartość szacuje się na 1 bilion dolarów. Nic w tym dziwnego - samochody są wysoce zaawansowanymi urządzeniami o dużej wartości, co może uzasadniać inwestycje w fabryki, które mogą nie przynieść zwrotu z inwestycji przez wiele lat. Obecnie zdecydowana większość ośrodków produkcyjnych w branży motoryzacyjnej wykorzystuje roboty. Tylko w ciągu ostatnich dwóch dekad przyspieszono wdrażanie robotyki w branży pakowania, produkcji półprzewodników czy stosunkowo nowej gałęzi automatycznego magazynowania w ślad za przemysłem motoryzacyjnym.

Ilustracja 1: przemysł motoryzacyjny przyczynił się do rozwoju technologii robotycznych bardziej niż jakakolwiek inna branża. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Roboty i komplementarne urządzenia z dziedziny automatyki przemysłowej zawierają silniki elektryczne, układy hydrauliczne, napędy, elementy sterowania, sprzęt sieciowy, interfejsy człowiek-maszyna (HMI) i systemy oprogramowania, a także czujniki oraz komponenty zapewniające informacje zwrotne i bezpieczeństwo. Elementy te zwiększają wydajność poprzez wykonywanie zaprogramowanych procedur, które mogą łatwo i na bieżąco dostosowywać się do zmieniających się warunków. Coraz częściej oczekuje się również możliwości rekonfiguracji zrobotyzowanych gniazd produkcyjnych pod kątem nowych ofert, ponieważ preferencje konsumentów zmieniają się szybciej niż kiedykolwiek.

Terminologia stosowana w automatyce i robotyce

Słownik Oxford English Dictionary definiuje roboty jako „maszyny zdolne do automatycznego wykonywania złożonych serii ruchów, zwłaszcza z możliwością programowania”. Mylące jest to, że ta definicja może opisywać wszystko od pralek do obrabiarek CNC. Nawet definicja robota zawarta w normie ISO 8373 mówiąca, że jest to „automatycznie sterowany, wielozadaniowy manipulator z możliwością wielokrotnego programowania, programowany w trzech lub więcej osiach”, może obejmować przenośnik magazynowy z pionowymi stanowiskami podnoszenia. Jednak takie maszyny nigdy nie byłyby klasyfikowane jako roboty.

Tu istotną praktyczną różnicą jest to, że maszyny zbudowane do jednego (tj. bardzo jasno zdefiniowanego) zastosowania, wykorzystywane w stałej lokalizacji nie są zwykle uważane za roboty, przynajmniej nie w kręgach przemysłowych. Dla przykładu, choć typowa frezarka może obsługiwać dowolną liczbę złożonych programów do obróbki różnych części, jest ona przeznaczona do cięcia metalu za pomocą obrotowych ostrzy zamontowanych w trzpieniu obrotowym i prawdopodobnie będzie na stałe zamontowana w jednym miejscu przez cały okres jej użytkowania.

Ilustracja 2: w niektórych przypadkach rozróżnienie między robotem a maszyną opiera się na wyglądzie zautomatyzowanej konstrukcji. Niektórzy klasyfikują ramiona przegubowe przypominające zmechanizowane ramiona ludzkie jako roboty, a zautomatyzowane układy kartezjańskie prowadnic liniowych (jak CT4 do montażu i kontroli małych części) jako maszyny. (Źródło ilustracji: IAI America Inc.)

Niekiedy nawet definicje te są sprzeczne. Na przykład zautomatyzowane maszyny takie jak obrabiarki CNC zapewniają coraz większą elastyczność dzięki centrom frezarsko-tokarskim pełniącym rolę zarówno frezarek, jak i tokarek. Wiele takich maszyn wykonuje inspekcje i pomiary części za pomocą sond dotykowych oraz skanerów laserowych. Takie obrabiarki mogą być nawet wyposażone w urządzenia do produkcji addytywnej. Z drugiej strony rzekomo elastyczne roboty przemysłowe często są wyspecjalizowanymi urządzeniami przeznaczonymi do wykonywania konkretnych zadań, takich jak malowanie natryskowe lub spawanie. Mogą spędzić cały swój okres użytkowania w jednym gnieździe na linii produkcyjnej.

Wniosek jest taki, że w dzisiejszym przemyśle motoryzacyjnym, od zautomatyzowanych systemów klasyfikowanych jako roboty rzeczywiście często oczekuje się dużej elastyczności - możliwości wykonywania zadań transportowych, sortowania, montażu, spawania i malowania, które mogą się zmieniać z dnia na dzień (po rekonfiguracji). Od robotów przemysłowych oczekuje się również możliwości przenoszenia ich w inne miejsca w zakładzie, czy to w celu ponownego wdrożenia jako systemy produkcyjne i rekonfiguracji, czy też ciągłego przemieszczania na torach liniowych w siódmej osi w celu obsługi gniazd roboczych na linii.

Grupy robotów dla zakładów produkcyjnych z branży motoryzacyjnej

Roboty stosowane w zakładach produkcyjnych branży motoryzacyjnej są szeroko klasyfikowane na podstawie ich konstrukcji - w tym rodzaju przegubów, układów członów i stopni swobody.

Rozwiązania robotyczne wyposażone w manipulatory szeregowe stanowią większość robotów przemysłowych. Konstrukcje z tej grupy posiadają liniowy łańcuch członów z podstawą na jednym końcu i efektorem końcowym na drugim oraz pojedynczy przegub pomiędzy poszczególnymi członami w łańcuchu. Należą do nich roboty przegubowe, przegubowe ramię robota o selektywnej zgodności (z ang. selective compliance articulated robot arm, SCARA), współpracujące roboty sześcioosiowe, roboty kartezjańskie (składające się z siłowników liniowych) i nieco rzadsze roboty cylindryczne.

Ilustracja 3: roboty współpracujące są coraz częściej spotykane w zakładach dostawców motoryzacyjnych Tier-2, w których stosuje się zautomatyzowaną paletyzację. (Źródło ilustracji: Dobot)

Rozwiązania robotyczne z manipulatorami równoległymi doskonale sprawdzają się w zastosowaniach wymagających dużej sztywności i szybkości działania. W przeciwieństwie do ramion przegubowych (zawieszonych w przestrzeni 3D za pomocą pojedynczej linii mechanizmów) manipulatory równoległe są podtrzymywane lub zawieszone na układzie mechanizmów. Ich przykładem mogą być roboty typu delta i Stuart.

Mobilne rozwiązania robotyczne obejmują jednostki na kołach służące do przenoszenia materiałów i produktów w fabrykach i magazynach. Mogą one funkcjonować jako automatyczne wózki widłowe do pobierania, przenoszenia i umieszczania palet na półkach lub podłodze fabryki. Ich przykłady obejmują pojazdy kierowane automatycznie (AGV) i autonomiczne roboty mobilne (AMR).

Klasyczne zastosowania robotów w produkcji motoryzacyjnej

Klasyczne zastosowania robotów w zakładach produkcyjnych z branży motoryzacyjnej obejmują spawanie, malowanie, montaż oraz (w przypadku transportu 30 tysięcy części, z których składa się przeciętny samochód) zadania związane z obsługą materiałów. Zastanówmy się nad sposobem wykorzystania niektórych podtypów robotów w tych zastosowaniach.

Roboty z sześcioosiowym ramieniem przegubowym to manipulatory szeregowe, w których każdy przegub jest obrotowy. Najczęściej spotykaną konfiguracją jest robot sześcioosiowy posiadający stopnie swobody umożliwiające ustawianie obiektów w dowolnym położeniu i orientacji w obrębie swojej przestrzeni roboczej. Są to bardzo elastyczne roboty nadające się do wielu procesów przemysłowych. Roboty z sześcioosiowym ramieniem przegubowym są tym, co większość ludzi wyobraża sobie, gdy myśli o robotach przemysłowych.

Ilustracja 4: wysokowydajne czytniki kodów kreskowych szybko i niezawodnie odczytują jedno- i dwuwymiarowe kody kreskowe. Niektóre z nich są montowane na manipulatorach, aby obsłużyć pobieranie części elektronicznych i motoryzacyjnych, a także elementów podzespołów. (Źródło ilustracji: Omron Automation and Safety)

Duże sześcioosiowe roboty są często używane do spawania ram samochodowych i punktowego spawania paneli karoserii. W przeciwieństwie do metod ręcznych roboty precyzyjnie śledzą ścieżki spawania w przestrzeni 3D bez zatrzymywania się, jednocześnie dostosowując się do parametrów ściegu spoiny zależnych od warunków otoczenia.

Ilustracja 5: roboty sześcioosiowe są tym, co większość ludzi wyobraża sobie, gdy myśli o robocie przemysłowym. (Źródło ilustracji: Kuka)

W innych miejscach roboty z sześcioosiowym ramieniem przegubowym, w połączeniu z systemami siedmioosiowymi, wykonują gruntowanie, malowanie, lakierowanie bezbarwne i inne procesy uszczelniające na karoseriach samochodowych. Takie układy zapewniają w pełni powtarzalne rezultaty, ponieważ procesy te są wykonywane w dobrze odizolowanych kabinach natryskowych wolnych od cząstek pochodzących z zewnątrz. Sześcioosiowe roboty podążają programowo zoptymalizowanymi ścieżkami natrysku dla uzyskania perfekcyjnych wykończeń przy minimalizacji nadmiernego natryskiwania oraz marnowania farb i środków do gruntowania. Co więcej, eliminują potrzebę narażania personelu fabryki samochodowej na działanie szkodliwych oparów wytwarzanych przez materiały nakładane metodą natryskową.

Ilustracja 6: aplikacja SIMATIC Robot Integrator upraszcza integrację robotów w zautomatyzowanych instalacjach poprzez dostosowanie parametrów robotów różnych dostawców, geometrii aplikacji oraz wymagań montażowych. Uzupełnieniem tych instalacji są skalowalne, wysokowydajne sterowniki SIMATIC S7 posiadające zintegrowane wejścia-wyjścia oraz różne opcje komunikacji umożliwiające elastyczne dostosowanie projektu. (Źródło ilustracji: Siemens)

Roboty SCARA posiadają dwa przeguby obrotowe o równoległych osiach skrętu biegnących w kierunku pionowym dla pozycjonowania X-Y w jednej płaszczyźnie ruchu. Następnie trzecia oś liniowa umożliwia ruch w kierunku Z (góra-dół). Roboty SCARA są stosunkowo tanie i doskonale sprawdzają się w ograniczonych przestrzeniach - nawet przy wykonywaniu szybszych ruchów niż w przypadku porównywalnych robotów kartezjańskich. Nic dziwnego, że roboty SCARA są wykorzystywane w produkcji samochodowych systemów elektronicznych i elektrycznych - w tym systemów klimatyzacji, łączności z urządzeniami mobilnymi oraz elementów audio/wideo, rozrywki i nawigacji. Tu są one najczęściej wykorzystywane do wykonywania precyzyjnych zadań związanych z przenoszeniem materiałów i montażem.

Roboty kartezjańskie mają co najmniej trzy osie liniowe, które są ułożone piętrowo w celu wykonania ruchu w kierunkach X, Y i Z. Roboty kartezjańskie stosowane przez dostawców motoryzacyjnych Tier-2 to m.in. obrabiarki CNC, drukarki 3D oraz współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) służące do weryfikacji jakości i powtarzalności produktów końcowych. Wliczając te maszyny, roboty kartezjańskie są najbardziej rozpowszechnioną formą robota przemysłowego w branży. Jak wspomniano wcześniej, maszyny kartezjańskie są często nazywane robotami, tylko gdy są używane do prac obejmujących manipulację elementami, a nie narzędziami - na przykład do montażu, chwytania i umieszczania elementów oraz paletyzacji.

Inną odmianą robota kartezjańskiego stosowaną w przemyśle motoryzacyjnym jest zautomatyzowana suwnica bramowa. Jest ona niezbędna w procesach mocowania i łączenia wymagających dostępu do podwozia częściowo ukończonych zespołów pojazdów.

Nowe i innowacyjne zastosowania robotów w produkcji motoryzacyjnej

Roboty cylindryczne to kompaktowe i ekonomiczne roboty umożliwiające trzyosiowe pozycjonowanie za pomocą przegubu obrotowego znajdującego się u podstawy oraz dwóch osi liniowych wysokości i wysuwania ramienia. Są one szczególnie dobrze przystosowane do obsługi maszyn, pakowania i paletyzacji podzespołów samochodowych.

Sześcioosiowe roboty współpracujące (koboty), o których była mowa wcześniej, mają taką samą podstawową strukturę członów, jak ich większe odmiany przemysłowe, ale w każdym przegubie zawierają niezwykle kompaktowe i zintegrowane napędy oparte na silnikach - zazwyczaj w formie silnika przekładniowego lub napędu bezpośredniego. W branży motoryzacyjnej zadaniem tych urządzeń jest spawanie wsporników, mocowań i skomplikowanych geometrycznie ram nośnych. Zapewniają wysoką precyzję i powtarzalność.

Roboty delta posiadają trzy ramiona zawierające przeguby obrotowe zamontowane w podstawie i są często montowane do sufitu w celu uzyskania układu podwieszanego. Każde ramię jest wyposażone w równoległowód z uniwersalnymi przegubami zamontowanymi na jego końcu, a wszystkie równoległowody są następnie połączone z efektorem końcowym. Dzięki temu robot delta posiada trzy stopnie swobody translacyjnej, a efektor końcowy nigdy nie obraca się względem podstawy. Roboty delta mogą osiągać bardzo duże przyspieszenia, dlatego są wysoce wydajne w montażu maszynowym obejmującym sortowanie i przenoszenie małych elementów mocujących i elektrycznych w przemyśle motoryzacyjnym.

Platformy Stewarta (nazywane również sześcionogami) składają się z trójkątnej podstawy i trójkątnego efektora końcowego połączonych sześcioma siłownikami liniowymi w ośmiościan. Daje to sześć stopni swobody przy niezwykle sztywnej konstrukcji. Jednak zakres ruchu jest stosunkowo ograniczony w porównaniu z wielkością konstrukcji. Platformy Stewarta są wykorzystywane do symulacji ruchu, mobilnej obróbki precyzyjnej, kompensacji ruchu dźwigu oraz drgań przy dużych prędkościach w testach z dziedziny fizyki precyzyjnej i optyki, w tym do weryfikacji konstrukcji zawieszenia pojazdów.

Pojazdy kierowane automatycznie (AGV) poruszają się po ustalonych trasach wyznaczonych liniami namalowanymi na podłodze, przewodami na podłodze lub innymi sygnalizatorami prowadzącymi. Pojazdy AGV zazwyczaj posiadają pewien stopień inteligencji, aby zatrzymywały się oraz ruszały, unikając kolizji ze sobą i z ludźmi. Doskonale nadają się do zadań związanych z transportem materiałów w fabrykach samochodów.

Autonomiczne roboty mobilne (AMR) nie wymagają stałych tras i mogą podejmować bardziej zaawansowane decyzje niż pojazdy kierowane automatycznie (AGV). Są one szczególnie przydatne w rozległych magazynach producentów samochodów, ponieważ do swobodnej nawigacji wykorzystują skanery laserowe i algorytmy rozpoznawania obiektów. W przypadku wykrycia zagrożenia kolizją, zamiast zatrzymywać się i czekać jak pojazd AGV, roboty AMR mogą po prostu zmienić kurs i ominąć przeszkodę. Ta zdolność adaptacyjna sprawia, że roboty AMR są znacznie bardziej wydajne i elastyczne w dokach załadunkowych zakładów motoryzacyjnych.

Podsumowanie

W ciągu ostatnich 30 lat przemysł motoryzacyjny przyczynił się do powstania ogromnych innowacji w dziedzinie robotyki, a w związku z rosnącym rynkiem pojazdów elektrycznych (EV) trend ten będzie się utrzymywał. Branża zaczęła również wykorzystywać nowe zastosowania sztucznej inteligencji i widzenia maszynowego do ulepszenia instalacji robotycznych wszelkiego rodzaju.