Roboty przemysłowe

Wstęp

Producenci, którzy rozważają zaopatrzenie swych zakładów w roboty przemysłowe zapewne zadają sobie pytanie: czy naprawdę ta inwestycja się zwróci? Czy gra jest warta świeczki? W niniejszym dokumencie zostaną przybliżone kwestie odróżniające roboty od systemów automatyki niezrobotyzowanej, korzyści jakie przynosi korzystanie z nich oraz wyjaśnione zostaną wszelkie mity związane z robotami.

Przedstawmy teraz kilka ogólnych cech charakteryzujących roboty, są one maszynami:

• Wielofunkcyjnymi, posiadającymi możliwość programowania ich działania.
• Potrafią poruszać narzędziami, materiałami oraz specjalistycznymi urządzeniami, wykonując przy tym różnorodne, a często bardzo skomplikowane działania.

Dzięki robotyzacji producenci zyskują:

• O wiele lepsze, w porównaniu do tradycyjnych metod, wykorzystanie zasobów. Roboty znacznie zwiększają wydajność kosztownych linii produkcyjnych przez zachowanie dokładnie określonych oraz szybkich ruchów, które prowadzą do minimalizacji czasu przestoju maszyn.
• Znaczną redukcję kosztów wykonywanej pracy, roboty znacznie redukują ilość pracy jaką należy wykonać oraz upraszczają, a także przyspieszają realizację trudnych przedsięwzięć.
• Polepszenie jakości produkowanych towarów, przy możliwie minimalnej ilości odpadów. Jest to zasługą przewidywalności, powtarzalności oraz większej kontroli nad spójnością całego procesu produkcyjnego.
• Powiększenie ergonomii oraz bezpieczeństwa zatrudnionych. Użycie robotów minimalizuje wypadki powodowane ciągłym powtarzaniem takich samych czynności i kontaktem z maszynami niebezpiecznymi dla życia ludzkiego.

Robotyka - mity a rzeczywistość

W przyszłości roboty wyeliminują całkowicie koszty ludzkiej pracy. Nie stanowią one jednak lekarstwa na wszystkie dolegliwości, zawsze będą istniały zadania, z którymi roboty nie będą potrafiły sobie poradzić i gdzie konieczne będzie zatrudnienie ludzi.

Kupno robota to nie wszystkie wydatki jakie musi ponieść przedsiębiorca. Jego utrzymanie i konserwacja są związane z dość dużymi kosztami. Analogicznie do rynku komputerów PC, notuje się ciągły spadek cen robotów wraz z wprowadzaniem nowych technologii, które służą zwiększeniu łatwości obsługi oraz osiągów produkowanych robotów.

Wprowadzenie robota ma sens ekonomiczny przy większych seriach produkcyjnych. Roboty potrafią wykonywać różne zadania operując różnymi elementami, w zależności od odpowiedniego zaprogramowania ich pracy.

Obecnie roboty są stosowane jedynie w laboratoriach oraz w dużych firmach branży motoryzacyjnej. Największym współczynnikiem zainstalowanych robotów cieszą się firmy, gdzie zatrudnionych jest nie więcej niż 500 osób.

Alternatywy robotyzacji

Analizując tabelę przestawioną poniżej, można w łatwy sposób porównać roboty z ich alternatywnymi rozwiązaniami. Im więcej gwiazdek posiada dane rozwiązanie tym lepiej prezentuje się w konkretnej kategorii. Należy zwrócić uwagę na to, że roboty uzyskują w większości kategorii najwyższe noty, a także w żadnej z kategorii nie zajęły pozycji najniższej.

Kategoria	Automatyka zrobotyzowana	Systemy automatyki tradycyjnej	Człowiek
Koszty początkowe	**	**	***
Elastyczność	**	*	***
Proces starzenia się	**	*	***
Wykorzystanie maszyn	***	**	*
Spójność procesu	***	*	*
Koszty pracy	***	***	*
Przepustowość	***	***	*
Możliwość przemieszczania	**	*	***
Czas cyklu / niezawodność	***	**	*
Czas do przezbrojenia	**	*	***
Wartość własnej decyzji	***	*	***

Dofinansowanie z Unii Europejskiej

Następnym czynnikiem, który powinien ułatwić decyzje o zrobotyzowanie linii produkcyjnej jest możliwość pozyskania na ten cel pieniędzy z Unii Europejskiej, a konkretnie z funduszu wspierającego inwestycje małych oraz średnich przedsiębiorstw, aż do 50% wartości danej inwestycji. Początkowo koszty systemu, który jest wyposażony w roboty jest znacznie większy niż w przypadku analogicznego systemu z tradycyjną automatyką. Jeżeli rozważymy jednak możliwość wysokich dotacji z Unii Europejskiej rozwiązanie to staje się bardzo interesujące, gdyż pieniądze które sami musimy wyłożyć na roboty jest porównywalny z tym który musielibyśmy zainwestować w tradycyjną automatykę. Należy również mieć na uwadze, że wydajność oraz elastyczność pracy urządzeń zrobotyzowanych jest w miarę upływu czasu coraz większa w porównaniu do zwykłego systemu zautomatyzowanego. Także koszt utrzymania w miarę upływu czasu przedstawia się zdecydowanie na korzyść robotów.

Czas zwrotu pieniędzy zainwestowanych w robotyzację

Podstawowym aspektem inwestowania pieniędzy jest ich zwrot po pewnym czasie. Podobnie w przypadku robotyzacji, obliczmy jak długo potrwa zanim ta inwestycja nam się zwróci. Do potrzebnego wzoru wprowadzamy odpowiednie oznaczenia:

• P - cena zakupionego robota.
• Y - ilość lat, które są potrzebne aby inwestycja się zwróciła.
• I - koszty integracji.
• K - koszty narzędzi oraz podstawy.
• M - pieniądze zaoszczędzone na materiałach.
• L - koszty administracji oraz koszty pracy.
• H - ilość wypracowanych godzin w ciągu roku.
• O - koszt utrzymania oraz pracy zrobotyzowanego systemu.
• Tr - podatek dochodowy, jaki muszą płacić firmy.
• D - roczna amortyzacja kupionego robota, przy założonym okresie 5,6 lat amortyzacji.
• F - liczona liniową metodą wartość robota po czasie 5,6 lat użytkowania.

Aby obliczyć przykładowy czas zwrotu naszej inwestycji załóżmy następujące wartości parametrów podanych wyżej:

• F = 25 000 EUR
• P = 55 000 EUR
• I = 15 000 EUR
• M = 2 EUR/h
• L = 10 EUR/h
• O = 4 EUR/h
• D = F + P + I = 95 000 EUR / 5,6 = 16 950 EUR
• H = 2000 / jedna zmiana albo 4000 / dwie zmiany
• Tr = 19%

Należy podkreślić, że dane są wybrane w sposób przypadkowy, aczkolwiek rozsądny. Oczywistym jest że w zależności od rodzaju i skali inwestycji w obliczeniach mogą pojawić się istotne różnice. Przy szacowaniu kosztów administracji oraz pracy - L i kosztów utrzymania zrobotyzowanego systemu - O zostały użyte następujące założenia:

1) L - koszty administracji oraz koszty pracy:

• Koszt pracy jaką dla firmy wykonuje człowiek: 30 000 PLN/rok.
• Liczba przepracowanych dni po uwzględnieniu płatnego urlopu: 225 dni/rok.
• Liczba godzin przepracowanych każdego dnia: 8.

2) O - koszt utrzymania oraz pracy zrobotyzowanego systemu:

• Koszt pracy jaką dla firmy jaką wykonuje człowiek: 50 000 PLN/rok, należy zaznaczyć że dzięki robotyzacji poświęca on swojej pracy 2 h/dzień.
• Liczba przepracowanych dni po uwzględnieniu płatnego urlopu: 225 dni/rok.
• Liczba godzin przepracowanych każdego dnia: 2.
• Koszt corocznego przeglądu robota: 5000 PLN.

Bazując na wszystkich przedstawionych założeniach otrzymujemy czas zwrotu naszej inwestycji kształtującej się na poziomie:

• 3,3 lat podczas pracy robota na dwie zmiany.
• 5,8 lat podczas pracy robota na jedną zmianę.

Stanowisko wirtualne

Projektując system należy zwrócić uwagę na kwestię wyboru odpowiedniego rozwiązania konkretnego zadania, oraz na czas integracji projektowanego systemu. Istotną sprawą jest dokładne testowanie systemu jeszcze w trakcie jego projektowania, co umożliwia wirtualne sprawdzenie stanowiska, które polega na:

• Sprawdzeniu stanowiska przy wykorzystaniu komputera PC wyposażonego w odpowiednie interfejsy komunikacyjne, jeszcze zanim zainstalujemy na tym stanowisku robota.
• Wykonaniu analizy najgorszego przypadku.
• Imporcie rysunków maszyn oraz innych elementów używanych obecnie, co powinno znacząco polepszyć wizualizację.
• Optymalizacji w odpowiednim rozmieszczeniu poszczególnych komponentów systemu.
• Przeniesieniu wszystkich wymaganych programów do prawdziwego robota.

Pozostałe aspekty inwestycji

Przy podjęciu decyzji o inwestycji w robotyzację należy się zastanowić jak użycie robotów wpłynie na:

• Przepustowość i wydajność
• Koszty przeróbki i odpadów
• Jakość wyrobów
• Ilość produktów jaką klienci zwrócą
• Wykorzystanie wolnej przestrzeni na wyprodukowaną jednostkę
• Ergonomię pracy
• Wykorzystanie pozostałych maszyn
• Zmiany produkowanych wyrobów
• Dodatkowe szkolenia w obsłudze robotów dla pracowników
• Strategię produkcji
• Akceptację nowych rozwiązań technologicznych przez pracowników

Właśnie dzięki takiemu całościowemu spojrzeniu na dane zagadnienie wprowadzenia zrobotyzowanego systemu można dojść do wniosku, że inwestycja może przynieść znaczne zwiększenie przepustowości oraz wydajności w kluczowej dla całego procesu maszynie, co spowoduje znacznie większe zyski, co w konsekwencji przyspieszy zwrot poniesionej inwestycji i sprawi że przyszłe dochody będą znacznie wyższe niż dotychczasowe.

Elastyczność systemu

Sprawą jednoznacznie przemawiającą za robotyzacją produkcji jest możliwość wykorzystania dużej elastyczności, jaką charakteryzują się roboty wykonujące rozmaite zadania przy praktycznie zerowych dodatkowych kosztach. Tak istotne parametry produkcji jak dokładność, elastyczność, jakość, koszt pracy oraz efektywne wykorzystanie dostępnych maszyn mogą zostać znacznie poprawione właśnie dzięki zastosowaniu robotów.

Roboty przemysłowe firmy FANUC Robotics

FANUC Robotics są robotami przemysłowymi charakteryzującymi się ogromną precyzją każdej wykonanej operacji, potrafią wykonywać zadania, z którymi nie byłby w stanie poradzić sobie człowiek. Działają w chemicznie niebezpiecznym środowisku, przenoszą bardzo ciężkie materiały oraz w sposób optymalny wykorzystują dostępną przestrzeń.

Dzisiejsze przedsiębiorstwa za sprawę najwyższej wagi uważają zapewnienie możliwie jak największej elastyczności działania, co sprzyja szybkiej reakcji na dynamicznie zmieniające się potrzeby i wymagania rynku konsumpcyjnego. Wydajność produkcji oraz jej tempo są ciągle optymalizowane, bez żadnych kompromisów między jakością produkowanych wyrobów, opłacalnością ich wytwarzania oraz zadowoleniem końcowego użytkownika. W procesie tym duże wsparcie stanowi zastosowanie robotów przemysłowych produkowanych przez japońską firmę FANUC Robotics Ltd., która jest światowym importerem różnego rodzaju automatyki przeznaczonych dla fabryk.

Firma FANUC Robotics zajmuje się produkcją robotów, systemów starowania CNC, serwonapędów, obrabiarek CNC oraz systemów laserowych. Roboty tej firmy są znane przede wszystkim z szerokiej gamy zastosowań, na przykład mają swoje zastosowanie w paletyzowaniu, przenoszeniu materiałów, pakowaniu, załadunku i rozładunku maszynowym, montażu mechanicznym, precyzyjnym spawaniu łukowym, cięciu laserowym, pieczętowaniu, malowaniu, zgrzewaniu w przemyśle samochodowym oraz przy użyciu strumieni wody. Analizując powyższą listę można dojść do wniosku, że roboty tej firmy znajdują zastosowanie w niniejszych branżach przemysłu: elektronicznym, samochodowym, maszynowym, spożywczym, metalowym, farmaceutycznym, plastikowym, papierniczym, przemyśle urządzeń medycznych oraz w hutach szkła.

Budowa robota przemysłowego

Zasadniczymi elementami składowymi każdego robota przemysłowego są:

• Mechaniczne zespoły wykonawcze ze sterowanymi numerycznie napędami
• Programator podręczny - Teach Pendant
• Szafa sterownicza w pełni zintegrowana - Controller

Mechaniczne zespoły wykonawcze

Składają się one z osi oraz ramion, które poruszane są przy pomocy serwonapędów. Charakteryzują je poniższe parametry:

• Ilość swobodnych osi ruchu, która w zależności od robota wynosi od 2 do 6. Determinuje ona możliwości ruchu danego robota, a tym samym może ograniczać wachlarz wykonywanych przez niego czynności. Każda z osi ruchu ma w swoim oznaczeniu podany kąt, który określa ilość stopni o jaką może poruszyć się robot w konkretnej osi.
• Udźwig, będący maksymalnym ciężarem, który robot jest w stanie podnieść i przemieścić w inne miejsce. FANUC Robotics oferują swoim klientom jednostki umożliwiające przenoszenie ładunków o ciężarze od 3kg do 450 kg. Obecnie w fazie projektów znajdują się jednostki podnoszące nawet 600kg.
• Zasięg, czyli promień obszaru w ramach którego robot jest w stanie operować.
• Powtarzalność, czyli parametr związany ściśle z precyzją ruchu robota, jest to dokładność z jaką robot jest w stanie powrócić do zadanego mu punktu w przestrzeni. W najnowszych robotach firmy FANUC Robotics ich precyzja jest nawet wyższa od tej podawanych w kartach katalogowych. Parametry katalogowe są osiągane dopiero po 8 latach nieprzerwanej pracy. Zależnie od modelu, powtarzalność wynosi od 0,04mm do 2mm.
• Prędkość ruchu stanowi prędkość maksymalną z jaką robot może poruszać każdą z osi ruchu. Parametr ten podaje się w °/s albo w mm/s.

Programator ręczny

Teach pendant jest pilotem, który steruje całym systemem. Jest wyposażony w 40 - znakowy wyświetlacz LCD 16 - linijkowy, 11 diod LED pełniących funkcję sygnalizacyjną, a także 61 przycisków, spośród których 7 jest oddanych do skonfigurowania przez użytkownika, który może zaprogramować robota do wykonywania określonych funkcji.

Przy pomocy tego programatora jest możliwe dokonanie różnego rodzaju manipulacji robotem, na przykład zmiana prędkości jego ruchu, śledzenie pracy robota, przechodzenie pomiędzy układami współrzędnych, zmiana konfiguracji, robienie kopii zapasowych, kontrolowanie statusu. Poza tym programatora można używać do programowania robota, w wypadku, gdy nie posiadamy, bądź nie mamy dostępu do komputerów PC oraz odpowiedniego oprogramowania. Najbardziej zaawansowaną wersją opisywanego programatora jest kolorowy Pendant, który umożliwia użytkownikowi pracę zarówno z robotem jak i z innymi urządzeniami podpiętymi do sieci.

Jednymi z najważniejszych elementów programatora są przycisk bezpieczeństwa, nazwany Deadman Switch oraz awaryjny przycisk zatrzymania - Emergency Stop. Przycisk Deadman Switch jest klawiszem zabezpieczającym, umożliwia on operowanie robotem w testowych trybach pracy: T1 i T2. Każdy z tych trybów służy do programowania robota, a także do testowania napisanego właśnie programu. W trybie T1 prędkość poruszania ograniczona jest do 250 mm/s, dzięki czemu mamy zagwarantowaną bezpieczność operacji. Tryb T2 nie posiada zaprogramowanych ograniczeń prędkości. Poza tymi dwoma trybami pracy istnieje także tryb AUTO, który używany jest w normalnej pracy urządzenia. Po naciśnięciu klawisza bezpieczeństwa Deadmen Switch, w czasie gdy programator poprawnie pracuje, powoduje włączenie zasilania serwonapędów oraz zwolnienie hamulców, dzięki czemu możliwa jest manipulacja robotem. Jeżeli podczas ruchu robota klawisz zostanie zwolniony, zostanie on natychmiast zatrzymany. Awaryjny przycisk Emergency Stop stanowi kolejne zabezpieczenie umieszczone na programatorze. Po jego naciśnięciu następuje natychmiastowe włączenie hamulców, a co za tym idzie zatrzymanie robota.

Controller, czyli zintegrowana szafa sterownicza

Kontroler stanowi serce całego systemu, jest elementem który zarządza całością robota. Przy jego pomocy jest możliwa wzajemna wymiana informacji między zespołem wykonawczym, programatorem i innymi urządzeniami.

W skład kontrolera wchodzą:

• Zasilacz
• Układ odpowiedzialny za poruszanie robotem
• Płyta główna wraz z jednostką centralną
• Banki pamięci
• Obwody wejścia / wyjścia
• Interfejs użytkownika

Interfejs użytkownika jest umieszczony na zewnętrznej płycie kontrolera. Wyposaża się go w klawisze dzięki którym można: załączyć i wyłączyć urządzenie, przełączać się pomiędzy trybami pracy robota, zresetować robota, włączyć awaryjne zatrzymanie, włączać funkcje zaprogramowane przez użytkowników, widoczny jest również licznik godzin pracy robota.

Oprogramowanie robota FANUC Robotics

Robota można wyposażyć w oprogramowanie umożliwiające wykonywanie określonych czynności, na przykład w funkcje Handling Tool - przenoszenie elementów, ARC Tool - spawanie, AccuDeflash - formowanie elementów plastikowych, ACCUmist - malowanie, Random Order PalletTool - przenoszenie obiektów o różnych gabarytach, Removal Tool - wykańczanie powierzchni oraz krawędzi, Saling Tool - pieczętowanie, Laser Tool - cięcie laserowe.

W skład pakietu oprogramowania robota, wchodzą również programy symulacyjne przeznaczone dla komputerów PC. Są to 3D FANUC Works oraz program zarządzający plikami i folderami PC File Services.

FANUC Works stanowi łatwe w użyciu trójwymiarowe oprogramowanie symulacyjne stosowane do automatycznej generacji oraz testów napisanego dla robota oprogramowania. Stanowi ono wielkie ułatwienie dla operatora pozwalając na znaczne zredukowanie czasu przerw w pracy, które są nieuniknione przy wykorzystaniu tradycyjnych metod nauki robota. Przy pomocy FANUC Works użytkownik może natychmiastowo utworzyć trójwymiarową drogę ruchu wirtualnego modelu robota, skontrolować pojedynczy cykl pracy a także sprawdzić, czy działania robota nie spowodują żadnej kolizji.

Program PC File Services pozwala na utworzenie kopii zapasowej aplikacji robota zazwyczaj na komputerze PC, z wykorzystaniem sieci Ethernet. Omawiany program przesyła pliki systemowe, zmiennych oraz programów wykonywalnych do komputera wykorzystując protokół FTP.

Stosowanie robotów FANUC Robotics przynosi wielkie korzyści w niemal każdym procesie produkcyjnym. Na szczególne wyróżnienie zasługują następujące korzyści:

• Niezwykła precyzja wykonania skomplikowanych operacji.
• Powiększenie wydajności produkcji, a także jakości wyrobów, wraz z jednoczesnym zmniejszeniem kosztów produkcji.
• Optymalizacja wykorzystania dostępnej przestrzeni.
• Realizowanie prac, które są niemożliwe do wykonania przez człowieka, jak przenoszenie bardzo ciężkich materiałów, czy praca w środowisku niebezpiecznym chemicznie.

Nowe roboty rodziny M - 900iA, produkowane przez firmę FANUC Robotics

Nowa rodzina robotów firmy FANUC Robotics, nazwana M - 900iA, dostarcza ogromne możliwości udźwigu materiałów,. Roboty tej rodziny potrafią podnosić ciężary o wadze aż 600 kg, przy zasięgu ramienia 3 metrów oraz o powtarzalności ruchu od 0,3mm do 0,4mm. Dodatkową zaletą jest zwarta i sztywna konstrukcja robota.

Porównując do wersji poprzedniej opisywanej rodziny, a konkretnie rodziny S - 900iB, poza powyżej wymienionymi, znacznej poprawie uległy zakresy ruchów osi kluczowych, a także maksymalna prędkość, z jaką mogą się poruszać ramiona robota.

W ramach rodziny M - 900iA możemy wyróżnić poniższe modele:

• M - 900iA/260L o udźwigu 260kg
• M - 900iA/350L o udźwigu 350kg
• M - 900iA/600L o udźwigu 600kg

Wspomniane parametry, którymi charakteryzują się te roboty mają niebagatelne znaczenie przy zgrzewaniu, spawaniu, przenoszeniu, paletyzowaniu oraz depaletyzowaniu elementów ciężkich, o dużych wielkościach, na przykład karoserie samochodowe. W dotychczasowych rozwiązaniach używano większej liczby robotów do wykonania powierzonego im zadania, teraz jeden robot M - 900iA wystarcza aby to zadanie wykonać.

Wielką zaletą wspomnianej rodziny jest możliwość przemieszczania elementów, często o dużych gabarytach, jak płyty o wymiarach przekraczających 2m x 3m, przy niezwykle dokładnej kontroli trajektorii ruchu. Elastyczność przemieszczana jest gwarantowana dzięki istnieniu aż sześciu swobodnych osi ruchu, które pozwalają osiągnąć określony punkt przestrzeni z dowolnie wybranego kierunku.

Zwiększona prędkość ruchu robota ma wpływ na skrócenie czasu jaki zajmuje jeden cykl pracy, wpływa to znacznie na zwiększenie wydajności pracy. Ważną zaletą jest bardzo duża przestrzeń robocza omawianej rodziny M - 900iA, która wespół z dużym udźwigiem sprawia, że roboty te są niezwykle elastycznymi rozwiązaniami, umożliwiającymi jednoczesną obsługę większej liczby linii produkcyjnych.

Cały układ jest sterowany za pomocą kontrolera R - J3iB, którego można wyposażyć w pakiety oprogramowania, będące użyteczne w różnego typu aplikacjach, na przykład Handling Tool przy przenoszeniu, Spot Tool przy zgrzewaniu, czy Arc Tool przy spawaniu.

Stosowanie funkcji sterujących przeznaczonych do wykonywania określonych zadań, w jeszcze większym stopniu uwydatnia elastyczność urządzenia. Szczególnej uwagi wymaga funkcja Robot Link, dzięki które jest możliwa współpraca robotów, przy wykorzystaniu sieci Ethernet oraz synchronizacji wykonywanych operacji. Stosując połączonych wiele robotów M - 900iA/600L można unosić ciężary o wadze nawet 2,4 tony.