Robotika v dnešní automobilové výrobě

Průmysloví roboti mají zásadní význam pro moderní výrobu - provádějí širokou škálu funkcí a zároveň koordinují úkoly s jinými formami automatizace. Automobilový průmysl v hodnotě 1 triliónu dolarů byl ve skutečnosti prvním průmyslovým odvětvím s prostředky k rozsáhlému využití robotiky… a také k rozvoji technologií spojených s robotizací. Není divu, protože automobily jsou vysoce sofistikované a nákladné produkty, ospravedlňující výrobní investice, které nemusejí přinášet návratnost po mnoho let. Robotiku nyní využívá drtivá většina výrobních center automobilů. V odvětví balení, výroby polovodičů a relativně novém oboru automatizovaného skladování došlo k urychlení přijetí robotiky teprve během posledních dvou desetiletí, kdy tato odvětví mohou konkurovat automobilovému průmyslu.

Obrázek 1: Automobilový průmysl urychlil rozvoj robotických technologií patrně více než kterýkoli jiný. (Zdroj obrázku: Getty Images)

V samotných robotech a v doplňkových zařízeních průmyslové automatizace se nacházejí elektromotory, hydraulické systémy a kapalinové pohonné systémy; pohony, ovládací prvky, síťový hardware, rozhraní člověk-stroj (HMI) a softwarové systémy; dále snímací, zpětnovazební a bezpečnostní součásti. Tyto prvky přinášejí efektivitu vykonáváním předem naprogramovaných rutin, které se mohou snadno přizpůsobovat měnícím se podmínkám v reálném čase. Stále více se očekává, že robotické pracovní buňky budou také konfigurovatelné, aby mohly vyrábět nové nabídky automobilů... protože spotřebitelské preference se vyvíjejí rychleji než kdy jindy.

Objasnění terminologie používané pro automatizaci a robotiku

Oxfordský anglický slovník definuje roboty jako „stroje schopné automaticky provádět složité série pohybů, zejm. programováním." Je zavádějící, že tato definice by mohla popisovat vše od praček až po CNC obráběcí stroje. Dokonce i definice robota podle normy ISO 8373 jako „automaticky řízený, přeprogramovatelný, víceúčelový manipulační stroj, programovatelný ve třech nebo více osách“ by mohla popisovat skladový dopravník s vertikálními zdvihovými stanicemi. Takové stroje by však za normálních okolností nikdy nebyly klasifikovány jako roboti.

Praktický rozdíl, který je třeba si zapamatovat, spočívá v tom, že stroje postavené pro jediný [čti: velmi jasně definovaný] účel na pevném místě nejsou obvykle považovány za roboty… alespoň ne v průmyslových kruzích. Například, ačkoli typická fréza může pracovat podle libovolného počtu složitých programů pro obrábění různých dílů, je navržena tak, aby řezala kov pomocí rotačních nožů namontovaných na vřeteni... a pravděpodobně zůstane bezpečně instalována na jediném místě po celou dobu své životnosti.

Obrázek 2: v některých případech je rozdíl mezi robotem a strojem založen na vzhledu automatizovaného návrhu. Někteří považují kloubová ramena, která se podobají mechanizovaným lidským pažím, za roboty - a automatizovaná kartézská uspořádání lineárních saní (například CT4 na montáž a kontrolu malých dílů) za stroje. (Zdroj obrázku: IAI America Inc.)

Někdy jsou dokonce i tyto definice v rozporu. Například automatizované stroje, například CNC obráběcí stroje, jsou stále flexibilnější, přičemž soustružnicko-frézovací centra plní úlohu fréz i soustruhů - a mnoho takových strojů provádí kontrolní a měřicí úlohy na součástech pomocí kontaktních sond a laserových skenerů. Takové obráběcí stroje mohou být dokonce vybaveny pro provádění aditivní výroby. Na druhou stranu jsou údajně flexibilní průmysloví roboti často dodáváni jako specializované modely určené pro konkrétní úlohu, například stříkání barvy nebo svařování… a mohou bez problémů strávit celou svou životnost zaparkované v jedné pracovní buňce na výrobní lince.

Celkově jde o to, že v dnešním automobilovém průmyslu se od automatizovaných systémů klasifikovaných jako roboti skutečně často očekává, že budou vykazovat vysokou flexibilitu - schopné (s rekonfigurací) provádět přepravu, třídění, montáž, svařování a lakování, které se mohou každý den měnit. Očekává se také, že tato průmyslová robotika bude přemístitelná do nových oblastí výroby - ať již za účelem nové instalace jako výrobní systémy s překonfigurací nebo jako souvisle pohyblivá na lineárních drahách sedmé osy pro obsluhu řady polí pracovních buněk.

Rodiny robotů pro výrobní provozy automobilů

Roboti v automobilových výrobních závodech jsou široce klasifikovány podle jejich mechanických struktur – včetně typů kloubů, uspořádání vazeb a stupňů volnosti.

Sériové robotické manipulátory zahrnují většinu průmyslových robotů. Konstrukce v této řadě používají lineární řetěz článků se základnou na jednom konci a koncovým efektorem na druhém konci … s jediným spojem mezi každým článkem v řetězu. Patří mezi ně klouboví roboti, roboti SCARA (selektivně ovládané kloubové robotické rameno), kolaborativní šestiosí robotí, kartézští roboti (složené v zásadě z lineárních pohonů) a (poněkud neobvyklí) válcoví roboti.

Obrázek 3: Kolaborativní roboti jsou stále běžnější v zařízeních dodavatelů pro automobilový průmysl úrovně Tier-2, kteří využívají automatizované paletizace. (Zdroj obrázku: Dobot)

Paralelní robotické manipulátory vynikají tam, kde aplikace vyžadují vysokou tuhost a provozní rychlost. Na rozdíl od kloubových ramen (zavěšených ve 3D prostoru prostřednictvím jedné řady vazeb) jsou paralelní manipulátory podporovány nebo zavěšeny pomocí polí vazeb. Jako příklady lze uvést roboty delta a Stuart.

Mobilní roboti jsou pojízdné jednotky, které přemisťují materiály a skladové položky po továrnách a skladech. Mohou fungovat jako automatizované vysokozdvižné vozíky pro vyzvedávání, přemísťování a umísťování palet na regály nebo na výrobní halu. Jako příklady lze uvést automatizovaná řízená vozidla (AGV) a autonomní mobilní roboty (AMR).

Klasické využití robotů v automobilové výrobě

Klasické robotické aplikace v automobilových výrobních závodech zahrnují svařování, lakování, montáž a (pro přepravu 30 000 jednotlivých dílů, které jdou do průměrného automobilu) úlohy manipulace s materiálem. Podívejme se, jak se v těchto aplikacích využívají některé podtypy robotů.

Šestiosí roboti s kloubovým ramenem jsou sériové manipulátory, ve kterých je každý kloub otočný. Nejběžnější konfigurací je šestiosý robot se stupni volnosti pro umístění objektů v libovolné poloze a orientaci v rámci svého pracovního objemu. Jedná se o velmi flexibilní roboty vhodné pro nesčetné průmyslové procesy. Ve skutečnosti jsou šestiosí roboti s kloubovým ramenem tím, co se vybaví většině lidí, když přijde řeč na průmyslového robota.

Obrázek 4: čtečky čárových kódů s vysokým výkonem dokáží rychle a spolehlivě dekódovat 1D a 2D čárové kódy. Některé se montují na robotické koncové efektory, aby podporovaly vychystávání dílů elektronických a automobilových dílů a také prvků podsestav. (Zdroj obrázku: Omron Automation and Safety)

Ve skutečnosti se velcí šestiosí roboti často používají při svařování rámů automobilů a bodovém svařování panelů karoserie. Na rozdíl od manuálních řešení mají roboti schopnost přesného sledování dráhy svaru ve 3D prostoru bez zastavení se současným přizpůsobováním měnícím se parametrům svarové housenky v reakci na podmínky prostředí.

Obrázek 5: Tito šestiosí roboti se vybaví většině lidí, když přijde řeč na průmyslového robota. (Zdroj obrázku: Kuka)

Jinde se šestiosí roboti s kloubovým ramenem pohybují na systémech sedmé osy, aby prováděli základní nátěry, lakování, bezbarvé lakování a další těsnicí procesy na karoseriích automobilových panelů. Taková uspořádání poskytují trvale bezchybné výsledky, které jsou velmi spolehlivé zejména proto, že procesy jsou prováděny v dobře izolovaných stříkacích kabinách, které jsou účinně zbavovány kontaminace částicemi z vnějšího prostředí. Šestiosí roboti také sledují programově optimalizované dráhy stříkání pro perfektní povrchovou úpravu, a to i při minimalizaci přestřiku a odpadu barvy a tmelu. Navíc eliminují potřebu vystavovat personál automobilových závodů škodlivým výparům spojeným s některými materiály nanášenými stříkáním.

Obrázek 6: aplikace SIMATIC Robot Integrator zjednodušuje integraci robotů do automatizovaných prostředí přizpůsobením parametrů robotů od různých dodavatelů a geometrií a montážních požadavků různých aplikací. Tyto instalace pak doplňují škálovatelné, vysoce výkonné řídicí jednotky SIMATIC S7 s integrovanými I/O a různými komunikačními možnostmi pro flexibilní přizpůsobení návrhu. (Zdroj obrázku: Siemens)

Roboti SCARA (selektivně ovládané kloubové robotické rameno) mají dva otočné klouby s rovnoběžnými osami otáčení ve vertikálním směru pro polohování X-Y v jedné rovině pohybu. Třetí lineární osa pak umožňuje pohyb ve směru Z (nahoru a dolů). Roboti SCARA představují relativně levná řešení ideální do stísněných prostorů, i když poskytují rychlejší pohyby než ekvivalentní kartézští roboti. Není divu, že roboti SCARA se používají při výrobě automobilové elektroniky a elektrických systémů - včetně těch pro ovládání klimatizace, konektivitu mobilních zařízení, audio/vizuální prvky, zábavu a navigaci. Při výrobě těchto systémů se roboti SCARA nejčastěji používají k přesné manipulaci s materiálem a k montážním úkolům.

Kartézští roboti používají minimálně tři lineární osy uspořádané pro vykonávání pohybu ve směrech X, Y a Z. Ve skutečnosti mají někteří kartézští roboti používané dodavateli automobilového průmyslu Tier-2 podobu CNC obráběcích strojů, 3D tiskáren a souřadnicových měřicích strojů (CMM) na ověřování kvality a konzistence konečných produktů. Pokud započítáme i tyto stroje, jsou kartézští roboti nejrozšířenější formou průmyslových robotů. Jak již bylo zmíněno dříve, kartézské stroje jsou často nazývány roboty pouze tehdy, pokud se používají pro operace zahrnující manipulaci s obrobky, nikoli nástroje - například při montáži, pick-and-place a paletizaci.

Další variantou kartézského robota používanou v automobilovém průmyslu je automatizovaný portálový jeřáb. Ty jsou nepostradatelné u procesů upevňování a spojování vyžadujících přístup k podvozku částečně smontovaných vozidel.

Nové a neobvykle využití robotů v automobilové výrobě

Válcoví roboti jsou kompaktní a ekonomická zařízení, která poskytují tříosé polohování s otočným kloubem na základně a dvěma lineárními osami pro výšku a prodloužení ramen. Jsou zvláště vhodní pro strojní obsluhu, balení a paletizaci dílčích součástí automobilů.

Dříve zmínění kolaborativní šestiosí roboti (coboti) mají stejnou základní spojovací strukturu jako větší průmyslové varianty, avšak s extrémně kompaktními a integrovanými motorovými pohony v každém kloubu…typicky v podobě převodového motoru nebo přímého pohonu. V automobilovém prostředí mají za úkol svařovat držáky, objímky a geometricky komplikované pomocné rámy. K výhodám patří vysoká přesnost a opakovatelnost.

Delta roboti mají tři ramena, která jsou ovládána pomocí otočných kloubů ze základny - často namontovaná na strop pro zavěšené uspořádání. Každé rameno má na svém konci namontovaný rovnoběžník s univerzálními klouby a všechny tyto rovnoběžníky se poté připojují ke koncovému efektoru. To dává delta robotu tři stupně translační volnosti, přičemž koncový efektor se nikdy neotáčí vzhledem k základně. Delta roboti mohou dosahovat extrémně vysokých zrychlení, čímž jsou vysoce efektivní pro operace typu pick-and-place v aplikacích zahrnujících třídění a jinou manipulaci s malými automobilovými spojovacími prvky a elektrickými součástmi.

Stewartovy platformy (také nazývané hexapody) se skládají z trojúhelníkové základny a trojúhelníkového koncového efektoru připojeného pomocí šesti lineárních ovladačů v oktaedru. Vzniká tak šest stupňů volnosti s extrémně pevnou konstrukcí. Rozsah pohybu je však ve srovnání s velikostí konstrukce relativně omezený. Stewartovy platformy se používají pro simulaci pohybu, přesné mobilní obrábění, kompenzaci pohybu jeřábu a vysokorychlostní kompenzaci vibrací v přesných fyzikálních a optických testovacích rutinách … včetně těch, které ověřují návrhy zavěšení vozidel.

Automaticky řízená vozidla (AGV) sledují stanovené trasy vyznačené čarami namalovanými na podlaze, dráty na podlaze nebo jinými naváděcími majáky. Vozidla AGV mají obvykle určitý stupeň inteligence, aby se zastavila a začala se vyhýbat srážkám mezi sebou a s lidmi. Jsou velmi vhodná pro přepravu materiálu v automobilových výrobních závodech.

Autonomní mobilní roboti (AMR) nevyžadují pevné trasy a jsou schopny provádět sofistikovanější rozhodnutí než vozidla AGV. Tito roboti, kteří jsou obzvláště praktičtí v rozlehlých skladech výrobců automobilů, obvykle dosahují volné navigace pomocí laserových skenerů a algoritmů rozpoznávání objektů pro vnímání prostředí. Při detekci potenciální kolize mohou roboti AMR namísto zastavení a čekání jako vozidla AGV jednoduše změnit kurz a obcházet překážky. Díky této přizpůsobivosti se roboti AMR v nakládacích rampách automobilových závodů stávají podstatně produktivnějšími a flexibilnějšími.

Závěr

Automobilový průmysl podnítil za posledních 30 let masivní inovace v oblasti robotiky a tento trend bude pokračovat s rostoucím trhem elektromobilů (EV). Průmysl také začal využívat nové adaptace AI a strojového vidění k vylepšení robotických instalací směrem k používání všech typů.