Robaoty przemysłowe. Dlaczego sa przydatne, czy warto w nie inwestowac?

Dla wielu osób pytanie to wcale nie jest bezzasadne. Postaram się przybliżyć zasadnicze kwestie, które odróżniają roboty od niezrobotyzowanych systemów automatyki, pokazać, jakie korzyści dzięki nim odnosimy, oraz rozwiać mity, które są z nimi związane.

Roboty to maszyny, które są:
• wielofunkcyjne z możliwością programowania,
• mają możliwość poruszania materiałem, narzędziami lub specjalistycznymi urządzeniami, w celu wykonania różnorodnych zadań.
Dzięki robotyzacji zyskujemy:
• lepsze wykorzystanie zasobów - roboty zwiększają wydajność kosztownych linii produkcyjnych poprzez zachowanie ściśle zdefiniowanych i szybkich ruchów prowadzące do minimalnych czasów przestojów maszyn,
• redukcję kosztów pracy - roboty bezpośrednio redukują ilość pracy oraz usprawniają realizację trudnych zadań,
• zwiększenie ergonomii i bezpieczeństwa pracowników - roboty minimalizują wypadki spowodowane powtarzaniem tych samych czynności oraz kontaktem z niebezpiecznymi maszynami,
• lepszą jakość wyrobów przy mniejszej ilości odpadów - dzięki powtarzalności, przewidywalności i lepszej kontroli nad spójnością procesu.
Mit Rzeczywistość
Roboty całkowicie wyeliminują koszty pracy ludzkiej. Roboty nie są panaceum; zawsze będzie pewna liczba czynności, w których ludzie są lepsi od robotów.
Zakup robota oraz jego utrzymanie wiążą się z dużymi kosztami. Podobnie jak w przypadku komputerów PC, notowany jest spadek cen robotów przy równoczesnym zwiększeniu łatwości obsługi i osiągów.
Tylko duże serie produkcyjne mogą uzasadnić koszty wdrożenia robota. Roboty mogą wykonywać różne zadania na różnych elementach.
Z wyjątkiem laboratoriów, tylko duże firmy z branży motoryzacyjnej używają robotów. Największy współczynnik zainstalowanych robotów mają obecnie firmy zatrudniające mniej niż 500 pracowników.

Robotyzacja - mity a rzeczywistość.


ALTERNATYWY DLA ROBOTYZACJI

Na podstawie Tabeli numer 2 można łatwo dokonać porównania robotów z innymi, alternatywnymi rozwiązaniami. Zastosowano prostą notację - im więcej \"gwiazdek\" dla danego rozwiązania, tym jest ono lepsze w danej kategorii. Warto zwrócić uwagę na fakt, że rozwiązanie wyposażone w roboty w większości kategorii uzyskuje maksymalne noty, dodatkowo w żadnej z podanych kategorii nie posiada noty najniższej.
Człowiek Systemy automatyki Robot (\"elastyczna automatyka\")
Elastyczność *** * **
Koszty początkowe *** ** **
Wykorzystanie maszyn * ** ***
Proces starzenia się *** * **
Koszty pracy * *** ***
Spójność procesu * * ***
Możliwość przemieszczania *** * **
Przepustowość * *** ***
Czas do przezbrojenia *** * **
Czas cyklu / niezawodność * ** ***
Wartość (jednorazowe zyski) własna decyzja * ***

Tabela 2. Porównanie robotów z rozwiązaniami alternatywnymi.

DOFINANSOWANIE Z UE

Kolejnym bodźcem, ułatwiającym decyzje o inwestycji w system zrobotyzowany, jest możliwość uzyskania dotacji z Unii Europejskiej - z funduszy przeznaczonych na wsparcie inwestycji dla małych i średnich przedsiębiorstw (do 50% wartości inwestycji). Rysunek numer 1 pokazuje jak kształtuje się rozkład kosztów (w poszczególnych latach) systemu zrobotyzowanego w porównaniu z rozwiązaniem bez robota.

Można zauważyć, iż koszty początkowe systemu wyposażonego w roboty są większe w porównaniu do \"zwykłego\" systemu, jednakże dzięki możliwości skorzystania z dotacji Unii Europejskiej rozwiązanie to jest bardzo konkurencyjne, gdyż wartość początkowej inwestycji jest porównywalna do rozwiązania, w którym roboty nie są stosowane. Dodatkowo należy brać pod uwagę, że koszty utrzymania i obsługi rozwiązania zrobotyzowanego w kolejnych latach są mniejsze, niż
w przypadku zwykłego systemu.


Rys.1. Porównanie kosztów.

CZAS ZWROTU INWESTYCJI

Ważnym aspektem inwestycji w rozwiązanie zrobotyzowane jest jej zwrot. Poniższy wzór obrazuje sposób jego oszacowania.


gdzie:
• Y - Ilość lat potrzebnych do zwrotu inwestycji
• P - Cena robota
• F - Koszty podstawy i narzędzi
• I - Koszty integracji
• L - Koszty pracy plus koszty administracji
• M - Oszczędności kosztów materiałów
• O - Koszty pracy i utrzymania systemu zrobotyzowanego
• H - Ilość godzin pracy w roku
• D - roczna amortyzacja robota przy założeniu 5,6 lat amortyzacji, liczona metodą liniową, wartość robota po czasie 5,6 roku
• Tr - Podatek dochodowy od firm

Do obliczenia przykładowego czasu zwrotu inwestycji posłużmy się następującymi założeniami:
• P = 55 000 EUR
• F = 25 000 EUR
• I = 15 000 EUR
• L = około 10 EUR/godzinę
• M = około 2 EUR/godzinę
• O = około 4 EUR/godzinę
• H = 2000/1 zmianę lub 4000/2 zmiany
• D = P + F + I = 95000 EUR / 5,6 = 16950 EUR
• Tr = 19%
Należy wyraźnie zaznaczyć, że są to przykładowe dane, które w przypadku każdej inwestycji będą różne w związku z innym jej charakterem.

Do oszacowania kosztów pracy i administracji (L) oraz pracy i utrzymania systemu zrobotyzowanego (O) posłużyliśmy się następującymi założeniami:
• L:
a. Koszty pracy człowieka dla firmy: 30000 PLN/rok
b. Liczba dni pracy z uwzględnieniem urlopu: 225 dni/rok
c. Liczba godzin pracy w jednym dniu: 8
• O:
a. Koszt pracy człowieka dla firmy: 50000 PLN/rok (ale przeznacza on na obsługę robota tylko 2 godziny dziennie)
b. Liczba dni pracy z uwzględnieniem urlopu: 225 dni/rok
c. Liczba godzin pracy w jednym dniu: 2
d. Koszt rocznego przeglądu robota: 5600 PLN

Po wzięciu pod uwagę powyższych założeń czas zwrotu inwestycji kształtuje się na poziomie:
• 5,8 lat przy pracy na 1 zmianę,
• 3,3 lat przy pracy na 2 zmiany.


Wizualizacja pracy robota.


WIRTUALNE STANOWISKO

Przy projektowaniu systemu niebagatelną kwestią jest wybranie optymalnego rozwiązania danego zadania, jak również czas integracji systemu. Bardzo istotne jest dokładne przetestowanie systemu jeszcze na etapie projektowania, co jest możliwe dzięki wirtualnemu sprawdzeniu stanowiska, pozwalającemu na:
• sprawdzenie stanowiska na komputerze PC przed zainstalowaniem robota,
• import rysunków obecnych maszyn i elementów w celu polepszenia wizualizacji,
• wykonanie analizy \"co jeśli?\",
• optymalizacja rozmieszczenia komponentów systemu,
• przeniesienie programów do rzeczywistego robota.
INNE ASPEKTY

Decydując się na inwestycje należy dodatkowo rozważyć jak robot wpłynie na:
• wydajność i przepustowość,
• koszty odpadów/przeróbki,
• ilość zwrotów produktów od klientów,
• jakość wyrobów,
• ergonomię pracy,
• wykorzystanie przestrzeni na jednostkę wyprodukowaną,
• zmiany produktów,
• wykorzystanie innych maszyn,
• wąskie gardła,
• szkolenia pracowników,
• akceptację nowych technologii przez pracowników,
• strategię produkcji.
Dzięki całościowemu spojrzeniu na zagadnienie wprowadzenia systemu zrobotyzowanego może się okazać, iż np. inwestycja w roboty może przynieść zwiększenie przepustowości i wydajności na kluczowej dla procesu maszynie, co spowoduje dodatkowe oszczędności mogące znacząco wpłynąć na wydajność całego procesu, a to w konsekwencji doprowadzi do skrócenia czasu zwrotu inwestycji.


Wizualizacja stanowiska zrobotyzowanego.

ELASTYCZNOŚĆ SYSTEMU

Kluczem rozstrzygającym i przemawiającym za robotyzacją jest możliwość wykorzystania naturalnej dla robotów elastyczności przy wykonywaniu różnorodnych zadań przy bardzo małych lub zerowych kosztach dodatkowych. Bardzo istotne parametry produkcji, tj. m.in.: elastyczność, dokładność, jakość, efektywne wykorzystanie parku maszynowego, koszty pracy, mogą zostać poprawione dzięki zastosowaniu robotów.
Roboty przemysłowe FANUC Robotics
Roboty przemysłowe FANUC Robotics to ogromna precyzja wykonywanych operacji, realizacja zadań niewykonalnych dla człowieka, takich jak działanie w środowisku chemicznie niebezpiecznym, przenoszenie ciężkich elementów, oraz optymalne wykorzystanie przestrzeni.

W dzisiejszych przedsiębiorstwach sprawą najwyższej wagi jest zapewnienie elastyczności działania, tak aby móc szybko reagować na wymagania i potrzeby rynku. Tempo i wydajność produkcji muszą być nieustannie optymalizowane, bez kompromisów w sferze jakości produktów, opłacalności ich wytwarzania oraz zadowolenia użytkowników. W tym procesie niewątpliwym wsparciem może być zastosowanie robotów przemysłowych japońskiej firmy FANUC Robotics Ltd, światowego dostawcy urządzeń automatyki dla fabryk.


Robot + kontroler + ręczny programator.


FANUC Robotics produkuje roboty, systemy sterowania CNC, serwonapędy, obrabiarki CNC i systemy laserowe. Roboty przemysłowe FANUC znane są z bardzo szerokiego zakresu zastosowań, m.in. do paletyzowania, przenoszenia materiałów, pakowania, maszynowego załadunku i rozładunku, mechanicznego montażu, precyzyjnego spawania łukowego, cięcia laserowego oraz przy użyciu strumienia wody, pieczętowania, wysokowytrzymałego zgrzewania w przemyśle samochodowym oraz malowania. Z powyższej listy wynikają zastosowania w następujących branżach przemysłu: samochodowym, elektronicznym, spożywczym, maszynowym, farmaceutycznym metalowym, papierniczym, urządzeń medycznych, plastikowym, hutach szkła.


Schemat robota M6iB - 6 osi ruchu; J1, J2, J3 - osie główne.

Budowa

Zasadnicze elementy składowe robota przemysłowego to:
• mechaniczny zespół wykonawczy (z napędami sterowanymi numerycznie);
• podręczny programator (Teach Pendant);
• zintegrowana szafa sterownicza (Controller).

Mechaniczny zespół wykonawczy

Składa się z osi i ramion poruszanych za pomocą serwonapędów. Charakteryzują go następujące parametry:
• Liczba swobodnych osi ruchu - standardowo od 2 do 6. Decyduje ona o możliwościach ruchu, a tym samym o wykonywanych przez robota czynnościach. Każda z osi ruchu ma ograniczenia związane z ruchem obrotowym - ilością stopni (w rozumieniu kąta - np. oś J1 na rys. 2 ma ograniczenie 340).
• Udźwig - maksymalny ciężar, jaki robot może podnieść i przemieszczać. W ofercie firmy FANUC Robotics znajdują się jednostki, które umożliwiają przenoszenie ładunków w granicach 3 450 kg (w najbliższym czasie aż do 600 kg).
• Zasięg - pozioma odległość (promień obszaru), w ramach której robot może operować.
• Powtarzalność - parametr związany z precyzją ruchu - dokładność, z jaką robot powróci do żądanego punktu w przestrzeni. W przypadku nowo wyprodukowanych robotów FANUC Robotics ich faktyczna precyzja jest znacznie wyższa niż obrazują to dane katalogowe. Nominalne parametry robot FANUC osiąga dopiero po 8 latach nieprzerwanego działania. W zależności od modelu, powtarzalność mieści się w zakresie 0,04 2 mm.
• Prędkość ruchu - maksymalna prędkość, z jaką można poruszać poszczególnymi osiami ruchu, podawana w /s lub w mm/s.

Ręczny programator (Teach Pendant)


Ręczny programator.
Jest on swoistym "pilotem" sterującym całym systemem, wyposażonym w 40-znakowy, 16-linijkowy wyświetlacz LCD, 11 sygnalizacyjnych diod LED oraz 61 przycisków, z których 7 użytkownik może sam skonfigurować do realizacji przez robota konkretnych funkcji. Za jego pomocą można dokonywać wszelkich manipulacji robotem, zmieniać prędkość ruchu, śledzić pracę robota, przechodzić pomiędzy różnymi układami współrzędnych, zmieniać konfigurację, robić kopie zapasowe, kontrolować status, itd. Ponadto programator służy do konstruowania programów w sytuacji, gdy nie posiadamy opcjonalnego oprogramowania umożliwiającego tworzenie programów przy użyciu komputera PC.

Bardziej zaawansowaną wersją programatora jest graficzny, kolorowy iPendant, umożliwiający użytkownikowi pracę nie tylko z robotem, ale także z wszelkimi innymi urządzeniami podłączonymi do sieci.

Bardzo istotnymi elementami programatora są przycisk bezpieczeństwa Deadman switch (1) oraz przycisk awaryjny Emergency stop button (2).

Deadman switch jest przyciskiem (rys. 3) zabezpieczającym, który umożliwia operowanie robotem w trybach testowych T1 i T2. Oba te tryby służą do programowania robota oraz testowania napisanego programu. Tryb T1 cechuje ograniczenie prędkości poruszania się robota do 250 mm/s, co sprawia, że operacje są bezpieczne, zaś w trybie T2 prędkość nie jest ograniczona (100% możliwości). Oprócz powyższych trybów dostępny jest jeszcze tryb AUTO - automatyczna praca urządzenia.

Naciśnięcie przycisku bezpieczeństwa Deadmen switch, gdy programator jest włączony, powoduje załączenie zasilania serwonapędów i zwolnienie hamulców, co pozwala na manipulację robotem. Gdy podczas poruszania robotem zwolnimy przycisk, spowoduje to zatrzymanie robota.
Przycisk awaryjny Emergency stop button (2) jest kolejnym zabezpieczeniem umieszczonym na programatorze, powodującym przy naciśnięciu natychmiastowe załączenie hamulców i zatrzymanie robota.
Zintegrowana szafa sterownicza (Controller)

Kontroler jest sercem systemu - elementem zarządzającym całością, przy pomocy którego następuje wymiana informacji pomiędzy programatorem a zespołem wykonawczym oraz wszelkimi innymi urządzeniami.

Kontroler zawiera:
• zasilacz,
• interfejs użytkownika (umieszczony na płycie zewnętrznej kontrolera, wyposażony w przyciski umożliwiające: załączenie/wyłączenie urządzenia, przełączanie pomiędzy trybami pracy, reset błędów, start, emergency stop, funkcje zdefiniowane dla użytkowników oraz licznik godzin pracy urządzenia);
• układ odpowiadający za poruszanie robotem;
• obwody I/O;
• płytę główną z CPU;
• układy pamięci.

Oprogramowanie do kontrolera

Robot może być wyposażony w oprogramowanie dedykowane do specjalnych czynności, m.in. np. przenoszenia elementów (HandlingTool), spawania (ARC Tool), formowania plastikowych elementów (AccuDeflash), malowania (ACCUmist), przenoszenia elementów o różnych gabarytach (Random Order PalletTool), wykańczania powierzchni i krawędzi (RemovalTool), pieczętowania (Sealing Tool), laserowego cięcia (Laser Tool).

Oprogramowanie komputera PC

Należy tu wspomnieć o dwóch bardzo użytecznych pakietach: oprogramowaniu symulacyjnym 3D FANUCWorks oraz o programie do zarządzania plikami PC File Services.


Przykładowy zrzut ekranu z oprogramowania symulacyjnego 3D FANUCWorks.


FANUCWorks jest łatwym w użyciu programem symulacyjnym 3D stosowanym do automatycznego generowania i testowania programów. Pozwala on operatorowi na znaczące zredukowanie czasu przestojów, nieuniknionych w przypadku stosowania tradycyjnych metod uczenia robota. Za pomocą FANUCWorks użytkownik jest w stanie błyskawicznie stworzyć trójwymiarową trajektorię ruchu modelu robota, sprawdzić czy jego ruchy nie powodują żadnej kolizji oraz skontrolować czas pojedynczego cyklu.

Z kolei oprogramowanie PC File Services umożliwia zrobienie backup'u aplikacji robota na komputerze (PC) poprzez Eternet. PC File Services przesyła pliki programów, zmiennych i systemowe do komputera za pomocą protokołu FTP (File Transfer Protocol).

Zastosowanie robotów przemysłowych FANUC Robotics w procesie produkcyjnym przynosi przedsiębiorstwu szereg korzyści, wśród których na szczególne podkreślenie zasługują:
• zwiększenie wydajności produkcji oraz jakości produkowanych wyrobów przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów produkcji;
• ogromna precyzja wykonywanych operacji;
• realizacja prac niemożliwych do wykonania przez człowieka, np. działanie w środowisku chemicznie niebezpiecznym czy też przenoszenie ciężkich elementów (ważących 100 kg i więcej);
• optymalne wykorzystanie przestrzeni
M-900iA - nowa rodzina robotów FANUC Robotics do przenoszenia
Na rynku pojawiła się ostatnio nowa rodzina robotów przemysłowych FANUC Robotics - M-900iA, charakteryzującą się niespotykanymi dotąd możliwościami w zakresie udźwigu: aż do 600 kg, zasięgu: do 3100 mm i powtarzalności ruchu: ±0,3 ±0,4 mm, przy jednoczesnym zachowaniu zwartej i sztywnej konstrukcji.

W stosunku do poprzedniej wersji tej rodziny (S-900iB) poprawie uległy nie tylko powyższe parametry, ale także zakres ruchu na kluczowych osiach (J1, J2, J3) oraz maksymalna prędkość ruchu poszczególnych członów robota. W skład rodziny M-900iA wchodzą następujące modele:
• M-900iA/260L (udźwig 260 kg);
• M-900iA/350L (udźwig 350 kg);
• M-900iA/600L (udźwig 600 kg).
Parametry tych robotów mają kolosalne znaczenie przy spawaniu, zgrzewaniu, przenoszeniu, paletyzowaniu/depaletyzowaniu ciężkich elementów o dużych gabarytach, np. karoserii samochodowych. Dotychczasowe rozwiązania wymagały zastosowania w takim przypadku większej liczby robotów, zaś M-900iA pozwala na samodzielne wykonanie tego zadania.

Istotną zaletą tej rodziny jest możliwość przenoszenia elementów o bardzo dużych gabarytach, np. płyt o wymiarach większych niż 2 x 3 m, przy jednoczesnej bardzo dokładnej kontroli realizowanej ścieżki ruchu. Elastyczne przemieszczanie elementów uzyskuje się poprzez sześć swobodnych osi ruchu, pozwalających na osiągnięcie wybranego punktu w przestrzeni z dowolnego kierunku.


Duża prędkość poruszania członami robota wpływa na skrócenie czasu trwania cyklu pracy, co wydatnie wpływa na zwiększenie wydajności. Kluczową sprawą jest też ogromna przestrzeń robocza urządzenia, która w połączeniu z udźwigiem sprawia, iż robot ten jest niezwykle elastycznym rozwiązaniem, umożliwiającym obsługę kilku linii produkcyjnych jednocześnie.

Sterowanie całym układem odbywa się przy pomocy kontrolera R-J3iB, który może być wyposażony w pakiety oprogramowania przeznaczone do aplikacji różnego typu, np. Handling Tool (do przenoszenia), Spot Tool (do zgrzewania) czy też Arc Tool (do spawania).
Zastosowanie dodatkowych funkcji sterujących dedykowanych do wykonania konkretnego zadania jeszcze wydatniej podkreśla elastyczność rozwiązania. Na szczególne podkreślenie zasługuje funkcja współpracy robotów (Robot Link), dzięki której możliwe jest połączenie robotów przy pomocy sieci Ethernet i synchroniczne wykonywanie przez nie operacji. W tym przypadku cztery jednostki M-900iA/600 mogą unieść aż 2400 kg.