Jak wybrać najlepszego robota do inteligentnej fabryki

327

Jak wybrać najlepsze rozwiązania robotyki do wdrożenia podczas planowania strategii rozwoju inteligentnej fabryki? Robot przemysłowy czy robot współpracujący (cobot)? Technologia autonomicznych robotów mobilnych (AMR) czy roboty SCARA? Znalezienie idealnego rozwiązania dla konkretnych potrzeb firmy nie jest łatwe. Do pokierowania wyborem robotów i osiągnięcia w przyszłości końcowego sukcesu potrzebny jest finezyjny katalog wymagań.

Nowe wymagania produkcyjne, zwiększona automatyzacja, wysiłki na rzecz innowacji i rynki światowe przyczyniły się do wzrostu liczby robotów przemysłowych używanych na całym świecie o 85% w ciągu ostatnich pięciu lat. Wynika tak z Raportu o robotach przemysłowych World Robotics 2020. Pomimo ujemnego wpływu pandemii koronawirusa na prognozowaną globalną sprzedaż robotów, rzeczywista wartość sprzedaży utrzymuje się na wysokim poziomie.

Innym trendem wykazanym w raporcie jest szersze wykorzystanie robotów. Współpraca pomiędzy ludźmi a maszynami (lub robotami) jest wysoko na liście priorytetów wielu dyrektorów przedsiębiorstw, którzy myślą o zmniejszeniu obciążenia pracowników, zwiększeniu wydajności i bezpieczeństwa oraz usprawnieniu procesów produkcyjnych. Wiele firm zadaje obecnie pytanie: „Jaki system powinniśmy wybrać, aby zaspokoić nasze potrzeby?”

Różne rozwiązania robotów i ich kinematyki

Roboty różnią się pod względem technologii, typu i budowy, a także zakresu zastosowania. Od robotów stacjonarnych po roboty AMR, które obecnie zastępują systemy torowe w wielu fabrykach. Dostępne są także standardowe roboty przemysłowe oraz popularne coboty. Coboty coraz częściej występują w zastosowaniach, które umożliwiają im konkretne wsparcie ludzi – na przykład podczas wyjmowania towarów ze skrzyń lub ich wkładania. Konwencjonalne roboty przemysłowe zazwyczaj pracują niezależnie, a nie wspólnie z pracownikami. Konstrukcje kinematyczne dzielą się na cztery główne kategorie: kartezjańskie, SCARA, z ramionami przegubowymi oraz typu delta/równoległe. Wybór firmy będzie zależał w dużej mierze od jej lokalizacji i planowanego zastosowania.

Kinematyka kartezjańska jest podejściem wysoce konfigurowalnym, ponieważ obejmuje wszystko od stopnia swobody poprzez pojedynczą oś do wielu osi ruchu. Roboty kartezjańskie mają kilka zoptymalizowanych napędów wykorzystujących albo mechanizm śruby z nakrętką kulkową albo układ napędu pasowego. Mogą one być używane do montażu niewielkich elementów, ale także do bardzo długich systemów transportowania części, takich jak żurawie podwieszone, które pracują pod stropem w halach produkcyjnych.

Natomiast roboty SCARA to „roboty o poziomym ramieniu przegubowym”. Mają one cylindryczny obszar roboczy i pracują znacznie szybciej niż roboty kartezjańskie i roboty przegubowe. Roboty SCARA nadają się do podnoszenia i odkładania elementów oraz do innych procesów przemieszczania elementów o małym ciężarze: na przykład składania, pakowania lub przenoszenia materiałów.

W porównaniu z systemami SCARA roboty z ramionami przegubowymi (lub  ze złączami obrotowymi) mają sferyczny obszar roboczy. Jest to największy segment robotów ze względu na wiele możliwości zastosowań. Roboty z ramionami o przegubach obrotowych są często używane w zastosowaniach wymagających intensywnego przetwarzania, takich jak spawanie, malowanie, nakładanie kleju, montaż lub przenoszenie materiałów, ponieważ umożliwiają pełne wykorzystanie ich sprawności i zręczności.

Roboty typu delta lub też równoległe mają cylindryczny obszar roboczy. Często obsługują one zastosowania, w których produkty pozostają na tej samej powierzchni podczas procesu podnoszenia i umieszczania. Tani w utrzymaniu robot równoległy to rozwiązanie do montażu podwieszonego, które maksymalizuje dostęp i zmniejsza ilość zajętego miejsca na podłodze. Nadaje się szczególnie do zastosowań o szybkich ruchach i do lekkich produktów.

Komentarz eksperta

Wojciech Łaś – Product Manager Robot
Ekspert robotyki, absolwent Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Doświadczenie w zakresie robotyzacji zdobywał pracując w oddziałach Mitsubishi Electric w Polsce i Czechach jako inżynier wsparcia technicznego i aplikacyjnego. Spędził dwa lata w głównej fabryce Mitsubishi Electric w Japonii, gdzie w sekcji robotów odpowiadał za kontakty z Europą, Ameryką Północną i Indiami. Obecnie menedżer produktu odpowiedzialny za roboty przemysłowe w Europie środkowo-wschodniej.

Dane nazywane są walutą XXI wieku. Dlatego robot w inteligentnej fabryce powinien oferować łatwą komunikację na każdym poziomie produkcji. Pierwszy to łączność z resztą maszyny – sterownikiem PLC, innymi robotami, systemami wizyjnymi. Platforma iQ-R Mitsubishi Electric pozwala na instalację kontrolera robota bezpośrednio na modułowej platformie PLC. Zapewnia to dostęp do wszystkich informacji w robocie. Dzięki temu jesteśmy w stanie w prosty sposób monitorować samego robota (utrzymanie ruchu) oraz jego pracę (kontrola jakości). Drugi poziom to wysłanie tych danych na zewnątrz. Robota jesteśmy w stanie zdalnie monitorować z poziomu przeglądarki internetowej dzięki aplikacji Me2Robot. W połączeniu z algorytmami sztucznej inteligencji daje nam to pełny obraz jego stanu i pozwala np. wykrywać awarie z wyprzedzeniem. Z kolei dane o samej pracy robota (np. czas cyklu, potwierdzenia z czujników) trafiają do systemu ERP. Tam mogą być dołączone do informacji o każdym z produktów, uzupełniając systemy traceability.

Inteligentna fabryka to też szybkie reagowanie na zmiany. Proste, graficzne systemy programowania robotów pozwalają na przezbrajanie produkcji przez niewykwalifikowanych operatorów. Roboty zyskują też więcej autonomii. Dzięki rozwiązaniom takich firm jak RealtimeRobotics robot sam decyduje o swojej trajektorii omijając napotkane przeszkody. Dzięki zespołowi kamer „widzi” otoczenie wokół siebie i jest w stanie reagować na jego zmiany, np. wejście człowieka czy przejazd innego robota.

W robotyzacji inteligentnej fabryki warto zadbać, aby roboty również były inteligentne, stawiając na łączność i elastyczność.

Wybór robota

W zależności od lokalizacji, celu produkcji i indywidualnych potrzeb, wszystkie parametry, takie jak zasięg, nośność, wymagania dotyczące ruchu, elastyczne możliwości rozbudowy i interakcja z innymi technologiami, takimi jak sztuczna inteligencja (AI) lub przetwarzanie obrazu, mogą odegrać pewną rolę podczas wyboru odpowiedniego robota. Dlatego przed dokonaniem wyboru należy zawsze dokładnie określić wymagania dotyczące procesu. Dopiero wtedy można określić osiągi i funkcje, jakie ma za zadnie zapewniać robot.

Jakie produkty mają być produkowane lub przetwarzane i w jaki sposób? Jakie ruchy powinien wykonywać robot? Jakie odległości muszą być pokonywane? Czy jego zadania będą często zmieniane? Czy w firmie są odpowiedni eksperci, czy robotem powinien sterować operator? Dotyczy to nie tylko zastosowań wymagających prostego ruchu (podnoszenie i umieszczanie), ale także zakłóceń występujących pomiędzy robotem a jego kinematyką, a także innymi elementami, które mogą poruszać się w obrębie komórki produkcyjnej.

Należy również wziąć pod uwagę sposób produkcji części i przepustowość. Powtarzalność robota pokazuje jego zdolność (po nauczeniu się) do powrotu z tej samej pozycji do żądanej pozycji. Precyzja polega na określeniu konkretnego położenia i przesunięcia robota do dokładnie tego punktu. Należy również uwzględnić kwestię przetwarzania obrazu, ponieważ technologia ta staje się coraz ważniejsza dla poprawy efektywności automatyzacji robotów.

Przetwarzanie obrazu umożliwia systemowi rejestrowanie obrazów, obliczanie rozmieszczenia i orientacji odpowiednich części oraz prowadzenie robota do części dzięki transmisji robot–kamera. Systemy przetwarzania obrazu zwiększają elastyczność i zmniejszają koszty, ponieważ eliminują konieczność naprawiania części. Rozwiązanie wizyjne zintegrowane z systemem robota umożliwia również jednoczesną kontrolę części podczas procesu obróbki skrawaniem, co skraca czasy cyklu i zwiększa przepustowość.

System zamontowany na stałe czy elastyczny cobot?

Wiele firm zadaje obecnie pytanie, czy coboty spełnią ich konkretne wymagania. Odpowiedź zależy od sytuacji. Roboty montowane na stałe mają zalety polegające na dużej szybkości działania, precyzji, możliwości przeprogramowania, zapewnieniu bezpieczeństwa i zastosowaniu technologii o wysokiej wydajności. Takie systemy pozwalają też na zwiększenie elastyczności linii produkcyjnych, ale w tym przypadku konieczne jest zaangażowanie ekspertów do przeprogramowania robotów. Wymagają one również znacznie więcej miejsca.

Natomiast coboty są łatwiejsze w użyciu. Są idealnym partnerem w przypadku zastosowań do krótkich serii o dużej zmienności. Zapewniają zintegrowane bezpieczeństwo, mogą współpracować z pracownikami oraz są bardziej elastyczne i mobilne. Ponieważ są one znacznie prostsze w programowaniu, a ich oprogramowanie jest bardziej intuicyjne w obsłudze, nawet zwykły operator maszyn może wdrożyć nowe zastosowanie, a więc korzystanie z zewnętrznych specjalistów nie jest zwykle wymagane. Coboty mogą być również montowane na robotach mobilnych.

Ale która technologia jest najlepsza dla poszczególnych zastosowań? W firmach o krótkich cyklach produkcyjnych i czasach pracy najlepiej sprawdzić się mogą tradycyjne roboty montażowe, ponieważ pracują szybciej. Coboty są znacznie wolniejsze, zwłaszcza podczas bezpośredniej pracy z ludźmi. W kwestii bezpieczeństwa standardowe roboty muszą być odgrodzone od ludzi (współpracowników), podczas gdy coboty mogą działać bliżej ludzi (współpracować z nimi). W zależności od zastosowania oferują one tryb współpracy lub tryb bezpieczeństwa.

Komentarz eksperta

Mateusz Amroziński, inżynier wsparcia technicznego, specjalista ds. nowych projektów FANUC Polska Sp. z o.o.

Absolwent kierunku Mechatronika na wydziale mechanicznym Politechniki Wrocławskiej. W polskim oddziale FANUC zatrudniony od czerwca 2012 r. Od początku związany z działem wsparcia technicznego firmy FANUC Polska. W zakresie jego obowiązków leży wspieranie przedsiębiorstw w przygotowaniach do inwestycji w nowoczesne rozwiązania zrobotyzowane, m.in. pomoc w analizie potrzeb linii produkcyjnych, nadzorowanie nowych projektów wdrożeniowych, szkolenia dla klientów, testy nowych pakietów oraz upowszechnianie wiedzy na temat innowacji i autorskich rozwiązań technologicznych marki FANUC wśród polskich producentów.

Kluczem do sukcesu w przypadku automatyzacji jest precyzyjne określenie indywidualnych potrzeb zakładu. Na etapie planowania inwestycji bardzo pomocny jest audyt technologiczny, który pozwala ocenić przebieg procesów wytwórczych realizowanych w zakładzie i wskazać miejsca, w których robotyzacja przyniesie najwięcej korzyści. Wśród kwestii, którym trzeba się przyjrzeć, by odpowiednio dobrać robota, są m.in.: rodzaj procesu technologicznego, specyfika i asortyment produktu, skala produkcji oraz warunki środowiska produkcyjnego. Warto ocenić również ryzyko występowania ewentualnych przeszkód, czyli zidentyfikować „wąskie gardła”, które zakłócając płynny przebieg działań na linii produkcyjnej mogłyby niekorzystnie wpływać na pracę robota lub wręcz uniemożliwić  wykorzystanie funkcji kolaboracyjnych w przypadku instalacji cobota. Warto pamiętać również o kwestii TCO (całkowity koszt posiadania) związanej z żywotnością robota i jego niezawodnością. Wielu inwestorów nie analizuje szczegółowo danych, które odpowiadają na pytanie jaki wkład finansowy będzie potrzebny, aby utrzymać robota w pełnej sprawności.

Z uwagi na to, że skuteczna robotyzacja to taka, która w 100 proc. realizuje zarówno aktualne, jak i przyszłe potrzeby producenta warto zadbać o przygotowanie odpowiedniej infrastruktury sieciowej zakładu. Dzięki niej robot będzie potrafił komunikować się z innymi urządzeniami obecnymi w hali produkcyjnej, a producent będzie miał możliwość nieustannego monitorowania pracy robota, łatwego wprowadzania zmian w produkcji, a także dbania o nienaganną kondycję techniczną mechanicznego pracownika za pomocą narzędzi takich jak MtLinki, czy ZDT, dostępnych w ofercie firmy FANUC. Nowoczesne rozwiązania techniczne tworzone w celu pozyskiwania i analizowania dużych zbiorów danych z warstwy produkcyjnej są ważnym krokiem w kierunku inteligentnej produkcji. Umożliwiając bieżące porównywanie wskaźników obrazujących pracę maszyn i stanowisk produkcyjnych zapewniają producentom wysoki poziom kontroli nad produkcją, możliwość prowadzenia diagnostyki predykcyjnej, skuteczne minimalizowanie nieprzewidzianych przestojów oraz istotne ograniczenie kosztów produkcji. Trafne i świadome decyzje podejmowane zarówno na etapie wdrożenia, jak i eksploatacji robota przyczyniają się do szybkiego zwrotu z inwestycji (ROI).

Łączność czyli elastyczność

Innym aspektem, który może ułatwić wybór pomiędzy tradycyjnymi robotami przemysłowymi a cobotami, jest łączność. Urządzenia firmy OMRON można łatwo podłączyć do sterowników maszyn, są one również wyposażone w zintegrowaną technologię wizyjną z różnymi opcjami kamer. Zarówno stacjonarne, jak i współpracujące technologie firmy OMRON TM obsługują różne interfejsy i programowanie według normy IEC 61131-3. Wszystkie informacje o maszynach są zatem dostępne za pośrednictwem sterowników. Aby zapewnić większą elastyczność, coboty powinny być również w stanie komunikować się z technologiami innych producentów. Różne moduły chwytaków, technologie kamer, osprzęt itp. zwiększają dostępne możliwości.

LD-250

Kolejnym ważnym punktem do rozważenia jest zwrot z inwestycji (ROI). Stacjonarne, bardziej złożone roboty zwykle wymagają szkoleń i wiedzy zewnętrznej, a w przypadku cobotów serii OMRON TM dostępne są proste samouczki online, co umożliwia ich szybkie uruchomienie. Systemy tradycyjne muszą być zarządzane przez specjalistów w dziedzinie robotyki, podczas gdy coboty są zarządzane przez użytkowników. Rozwiązania stacjonarne często wymagają dodatkowego sprzętu do bardziej rozbudowanych zadań oraz instalacji urządzeń zabezpieczających (takich jak bariery świetlne lub klatki), podczas gdy coboty są zwykle łatwiejsze i tańsze w rozbudowie. Mają one przewagę polegającą na szybszym zwrocie z inwestycji (ROI).

Technologia dostosowana do potrzeb

Podsumowując, tradycyjne roboty przemysłowe często lepiej nadają się do wielu zastosowań w dziedzinie szybkiego i precyzyjnego montażu. Z drugiej strony coboty lepiej radzą sobie z zadaniami polegającymi na obsłudze palet, konserwacji maszyn i przenoszeniu materiałów. Inne zastosowania obejmują załadunek maszyn, odbiór zamówień, pakowanie i testowanie. W połączeniu z urządzeniami mobilnymi (takimi jak seria LD firmy OMRON) coboty są także bardziej elastyczne i wszechstronne. Obecnie urządzenia te są na przykład dostępne ze specjalnymi nasadkami UV do dezynfekcji pomieszczeń. Dzięki narzędziom programowym i zintegrowanym funkcjom czujników, takim jak przetwarzanie obrazu, określanie lokalizacji i integracja z systemami pamięci masowej, coboty wypełniają na rynku robotyki lukę w zastosowaniach, w których elastyczność jest ważniejsza od szybkości.

Nie ma jednak jednej technologii, która byłaby odpowiednia do każdego zastosowania. Dlatego też szczegółowe zestawienie wymagań i ustalonych celów projektu jest niezbędne dla każdego udanego projektu robotyzacji w nowoczesnej, inteligentnej fabryce. W tym kontekście coraz ważniejsze staje się również wykorzystanie sztucznej inteligencji. Na poziomie maszynowym algorytmy sztucznej inteligencji mają kluczowe znaczenie dla aplikacji pracujących w czasie rzeczywistym. Linie produkcyjne i urządzenia są monitorowane za pomocą czujników w czasie rzeczywistym, a dane są gromadzone i przetwarzane z dużą prędkością w celu szybkiego wykrywania wszelkich anomalii.

Dlatego firmy chcące sprostać przyszłym wyzwaniom muszą wyszukać partnera w dziedzinie robotyzacji, który najlepiej zaspokoi ich potrzeby. Czy to będzie rozwiązanie mobilne czy stacjonarne, zmontowane czy elastyczne, wszystko zależy od rodzaju zastosowania.

Michał Osiecki, Specjalista Produktów Sterowanie i Napędy, Omron Electronics Sp. z o.o.