Roboty w przemyśle - budowa i zastosowanie. Koszty inwestycji w roboty przemysłowe
Rozwój automatyki i robotyki przyczynia się do coraz szerszego zastosowania robotów w różnych dziedzinach przemysłu. Nowoczesne maszyny są funkcjonalne, precyzyjne i niezawodne oraz relatywnie przystępne cenowo. Ich użycie niesie poprawę jakości produkcji oraz jej efektywności, a także bezpieczeństwa pracy. Jak wdrożyć roboty w zakładzie przemysłowym?
Spis treści
- Rynek robotyzacji w Polsce
- Budowa robota przemysłowego
- Robot przemysłowy vs człowiek
- Zastosowanie robotów przemysłowych
- Parametry robotów przemysłowych
- Gdzie opłaci się wdrożyć roboty przemysłowe?
- Koszty inwestycji w roboty przemysłowe
- Problemy związane z robotyzacją przemysłu
- Coboty - roboty współpracujące z ludźmi
- Roboty w branży motoryzacyjnej
- Wykorzystanie robotów przemysłowych w architekturze
- Wady i zalety robotyzacji przemysłu
Rynek robotyzacji w Polsce
Dane Międzynarodowej Federacji Robotyki IFR (ang. International Federation of Robotics) wskazują, że na całym świecie pracuje obecnie ok. 3 mln robotów przemysłowych. Większość z nich znajduje się w krajach wysoko rozwiniętych, tj. Korea Płd., Japonia, USA, Niemcy. Jeżeli chodzi o rynek polski – liczba robotów rośnie powoli, a nasz kraj plasuje się poniżej średniej światowej. Po chwilowym załamaniu sprzedaży nowych maszyn w roku ubiegłym, nastąpił powrót do trendu wzrostowego. Jest to szczególnie widoczne m.in. w Chinach, które stały się obecnie głównym rynkiem inwestycji w robotyzację i inne nowoczesne technologie.
Szacuje się, że liczba robotów w przemyśle będzie rosnąć, ponieważ mamy obecnie do czynienia z czwartą fazą rewolucji przemysłowej (Przemysł 4.0), obejmującą zastosowanie szeregu nowoczesnych technologii, ze szczególnym uwzględnieniem robotyki. Aktualne trendy rozwojowe w dziedzinie robotyzacji są związane z robotami humanoidalnymi oraz współpracującymi z ludźmi, a także pracami nad inteligentnymi i mobilnymi urządzeniami piątej generacji. Badane są także możliwości zastosowania robotów w innych gałęziach przemysłu, m.in. w architekturze i budownictwie oraz różnorodnych usługach.
Budowa robota przemysłowego
Na rynku dostępnych jest wiele, często znacznie różniących się, konstrukcji o różnorodnej funkcjonalności. Najliczniejszą grupę stanowią tzw. roboty przemysłowe, czyli przeznaczone do pracy w środowisku przemysłowym z zachowaniem wszystkich wymogów bezpieczeństwa, wynikających z Dyrektywy Maszynowej.
Ogólna definicja robota przemysłowego określa jedynie, że jest to maszyna służąca do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka. W odróżnieniu od manipulatora robot ma więcej niż trzy ruchome człony oraz programowalny układ sterowania. Większość robotów przemysłowych ma konstrukcję przegubową zbliżoną do budowy ludzkiego ramienia, dzięki temu charakteryzują je duże możliwości ruchowe przy stosunkowo małych gabarytach. Nowoczesne urządzenia mogą być wyposażone w sześć lub więcej ruchomych członów (inaczej stopni swobody – osi obrotu lub przemieszczeń liniowych), co czyni je bardziej funkcjonalnymi i umożliwia wykonywanie złożonych czynności manipulacyjnych. Jednocześnie są wyposażone w zaawansowane układy sterowania komputerowego z interfejsami ułatwiającymi programowanie przez operatora, które może być prowadzone bezpośrednio (online), poprzez tzw. ręczne uczenie robota na stanowisku, lub pośrednio (offline) – z wykorzystaniem specjalnych programów komputerowych emulujących środowisko jego pracy. Raz zdefiniowany program można wielokrotnie odtwarzać, z zachowaniem wysokiej powtarzalności ruchów i dokładności usytuowania, tak że ewentualne przesunięcia punktów pozycjonowania nie przekraczają 1 mm (a zwykle mają wartość dziesiątych milimetra).
Robot przemysłowy vs człowiek
Roboty przemysłowe mogą wykonywać czynności manipulacyjne podobnie jak ludzie, ale z dużo większą precyzją i powtarzalnością. Co więcej, maszyny nie męczą się i mogą pracować 24 godziny na dobę, nie przeszkadzają im także szkodliwe dla ludzi warunki pracy. Z uwagi na powyższe roboty początkowo znalazły najszersze zastosowanie w procesach spawania (zgrzewania), wymagających precyzji ruchów podczas układania spoiny oraz zachowania powtarzalności przy tworzeniu kolejnych spoin/zgrzein. Ze względu na zwiększające się zapotrzebowanie na spawanie precyzyjne i brak wykwalifikowanych spawaczy znacząco wzrosła liczba robotów spawalniczych. Jednocześnie podniosła się świadomość korzyści związanych z ich użyciem, co zaowocowało wdrożeniem rozwiązań przystosowujących maszyny do wykonywania innych prac, takich jak np. lakierowanie czy manipulacja substancjami niebezpiecznymi.
Czytaj więcej:
- Smart Factory. Jak będzie wyglądać fabryka przyszłości?
- Wirtualna i rozszerzona rzeczywistość. Czym się różnią i jakie mają zastosowanie w przemyśle?
Zastosowanie robotów przemysłowych
Obecnie typowe roboty przemysłowe to uniwersalne maszyny manipulacyjne, które dzięki wymiennemu wyposażeniu (tj. chwytaki, dysze, narzędzia itp.) można przystosować do realizacji różnych zadań. W ofercie producentów dostępne są różne warianty konstrukcyjne urządzeń o różnej wielkości, ładowności (ang. payload) i przeznaczeniu, które sprawdzą się m.in. w paletyzacji ciężkich produktów i przenoszeniu ładunków, czyli w pracach niedogodnych i męczących dla człowieka. Wytwarzane są także specjalne wersje robotów przystosowane do specyficznych zadań i warunków, np. do pracy w wysokich lub niskich temperaturach, wodoodporne czy też w wersji clean room. Dzięki temu wykorzystywane są w przemyśle elektronicznym, a także spożywczym i farmaceutycznym, gdzie występują wysokie wymagania odnośnie do czystości i sterylności. Z kolei roboty o podwyższonej dokładności pozycjonowania znajdują szerokie zastosowanie w montażu precyzyjnym oraz w procesach obróbki i obsługi maszyn.
Minęło ponad 60 lat od wdrożenia pierwszego robota w przemyśle. Prototypowy model Unimate od 1961 roku pracował w zakładzie firmy General Motors w Trenton (USA) przy obsłudze wysokociśnieniowej maszyny odlewniczej. Jego zadaniem było pobranie gorącego odlewu z aluminium i umieszczenie go w zbiorniku chłodzącym. Zastąpił on aż trzech pracowników, którzy do tej pory pracowali na trzy zmiany, wykonując ręcznie monotonne i niebezpieczne zadania. Robot Unimate miał napęd hydrauliczny i, jak na tamte czasy, bardzo nowatorski cyfrowy układ sterowania.
Rozwiązanie to wytyczyło nowe kierunki badań, przyczyniając się do szybkiego rozwoju automatyki i robotyki przemysłowej. Od tego czasu opracowano już cztery generacje coraz bardziej zaawansowanych robotów. Jednym z przełomowych momentów stało się wprowadzenie mikrokomputerowych programowalnych układów sterowania, co jest uznawane za trzecią fazę rewolucji przemysłowej.
Parametry robotów przemysłowych
Ładowność (udźwig) jest głównym parametrem charakteryzującym robota. Wyróżnia się jej trzy kategorie – lekką, średnią oraz ciężką, w których udźwig może wynosić od kilku kilogramów do kilku ton. Kolejna cecha to zasięg ramienia, związany także z ograniczeniem przestrzeni roboczej. Wiele robotów (przeważnie o lekkiej konstrukcji) ma możliwość montażu w różnych położeniach kątowych, czyli nie tylko na płaskim podłożu, ale także nachylonym pod różnymi kątami, na ścianie lub w położeniu górnym „głową w dół”. Takie rozwiązania pozwalają na dostosowanie urządzenia do specyfiki różnych zadań i lepsze wykorzystanie dostępnej przestrzeni roboczej.
Gdzie opłaci się wdrożyć roboty przemysłowe?
Z dotychczasowych doświadczeń związanych z wykorzystaniem robotów w przemyśle wynika, że najlepiej sprawdzają się one w warunkach produkcji masowej, przy realizacji powtarzalnych i monotonnych czynności wymagających wysokiej dokładności wykonania oraz w przypadku występowania szkodliwych warunków pracy. Badania przeprowadzone przez OECD pokazują, że firmy efektywnie wykorzystujące nowoczesne technologie są dziesięciokrotnie bardziej wydajne niż te, które tego nie robią. Przedsiębiorstwa na całym świecie ponownie oceniają swoje modele biznesowe globalnego łańcucha dostaw w odpowiedzi na wnioski wyciągnięte z pandemii koronawirusa. Prawdopodobnie przyspieszy to wdrożenie robotyzacji i doprowadzi do renesansu produkcji przemysłowej w niektórych regionach i przywrócenia miejsc pracy. Po ustaniu kryzysu eksperci IFR spodziewają się znacznego wzrostu w dziedzinie robotyki i automatyzacji.
Koszty inwestycji w roboty przemysłowe
Największy wpływ na wdrażanie robotów w przemyśle mają kwestie ekonomiczne. Ponieważ podlegają one dużym wahaniom, dla każdej inwestycji należy przeprowadzić odrębną analizę kosztów (jej zakres wykracza poza ramy tego artykułu). Trzeba ponadto zwrócić uwagę, że cena zakupu samego robota to tylko część ogólnej sumy kosztów wdrożenia. Jego poprawna instalacja związana jest również z nabyciem odpowiedniego wyposażenia (np. chwytaków, narzędzi) oraz przystosowaniem stanowiska pracy, a także integracją z innymi procesami produkcji i zapewnieniem bezpieczeństwa (odgrodzenie celi robota stanowi zabezpieczenie przed dostępem osób niepowołanych ze względu na wypadki z udziałem robotów, w tym śmiertelne). Podczas instalacji robota można skorzystać z pomocy dostawcy lub wyspecjalizowanych firm zajmujących się integracją robotów przemysłowych. Dodatkowe koszty inwestycji w robotyzację mogą sięgnąć ok. 100% ceny samego robota lub więcej, w zależności od rodzaju wdrożenia – w nietypowych sytuacjach trzeba zaprojektować i wykonać specjalne oprzyrządowanie dla danego urządzenia lub przystosować całą linię produkcyjną. Potrzebne jest także przeszkolenie pracowników nadzorujących i obsługujących roboty, przy czym jeden specjalista może nadzorować wiele urządzeń. Ponadto dla zapewnienia ich poprawnej pracy wymagane są również okresowe przeglądy techniczne. Szacowana długość cyklu życia robota wynosi ok. 10 lat. Po tym czasie zalecany jest jego remont generalny. Efekty ekonomiczne inwestycji w roboty związane są z obniżeniem kosztów pracy (jeden robot może zastąpić do trzech ludzi przy pracy na trzy zmiany) i zwiększeniem wydajności produkcji w sytuacji, gdy jedna maszyna wykonuje pracę kilku pracowników. W związku z czynnikami wymienionymi powyżej okres zwrotu z inwestycji jest silnie uzależniony od liczby zmian pracy w danym zakładzie oraz stabilności popytu rynkowego. W przypadku korzystnych uwarunkowań ekonomicznych i technicznych może on wynieść kilka miesięcy lub rok, a w mniej – kilka lat, w skrajnie negatywnych wdrożenie może natomiast okazać się ekonomicznie nieopłacalne.
Problemy związane z robotyzacją przemysłu
Do czynników utrudniających robotyzację należą: brak standaryzacji wyrobów oraz zmienność procesów produkcji. Ponieważ większość robotów pracuje „na ślepo” i tylko odtwarza zaprogramowane czynności, nie są one w stanie rozpoznać wadliwych półproduktów ani nieprawidłowości w procesie pracy. Obecnie rozwijane są systemy czujników i kamer, pozwalających na odbieranie przez układ sterowania sygnałów z otoczenia, co umożliwia wykrywanie pewnych zmian i adaptowanie do nich zachowania robota. Lecz możliwości dostosowywania maszyn są mocno ograniczone (tylko do warunków zapisanych w programie sterowania) w porównaniu do zdolności ludzi, którzy szybko się uczą i potrafią samodzielnie rozwiązać wiele problemów pojawiających się na stanowisku pracy. Także częstość wprowadzania zmian i nowych wersji produktów może mieć istotny wpływ na działanie robotów przemysłowych. Każda modyfikacja w procesie produkcji wymaga przeprogramowania robota, co musi być przeprowadzone przez wykwalifikowanego operatora. Staje się to szczególnie kłopotliwe i pracochłonne w przypadku długich linii produkcyjnych zawierających np. kilkaset robotów. Podsumowując, gdy robot pracuje non-stop, wtedy może najszybciej odpracować poniesione koszty zakupu. Przy czym należy pamiętać o odpowiednim poziomie popytu rynkowego, gdyż nadprodukcja generuje dodatkowe koszty, a w myśl filozofii lean manufacturing są to niepotrzebne straty.
Coboty - roboty współpracujące z ludźmi
Ponieważ uwarunkowania bezpieczeństwa związane z tradycyjnymi robotami przemysłowymi ograniczają możliwości ich wykorzystania, powstał nowy trend związany z budową robotów współpracujących z ludźmi (ang. cobots – collaborative robots). Tego typu urządzenia mają wbudowane systemy bezpieczeństwa, dzięki czemu mogą pracować ramię w ramię z ludźmi na jednym stanowisku pracy, bez potrzeby stosowania barier ochronnych. Takie rozwiązanie pozwala znacznie zredukować czas i koszty wdrożenia, a dzięki współpracy człowieka i robota można uzyskać pewien efekt synergii. Nowoczesne coboty stają się coraz bardziej humanoidalne, co zapewnia większą elastyczność ruchową, a w połączeniu z łatwością uczenia się robota pozwala znacznie zwiększyć zakres potencjalnych zastosowań. Z drugiej strony coboty mają dużo bardziej ograniczoną prędkość ruchu i siłę udźwigu, co wpływa na niższą wydajność pracy w porównaniu do typowych robotów przemysłowych.
Roboty w branży motoryzacyjnej
W 2016 roku otwarto nowy zakład marki Volswagen w Białężycach k. Wrześni. To obecnie jedna z najnowocześniejszych fabryk samochodów na świecie, w której wytwarzana jest nowa generacja dostawczego modelu VW Crafter. Obecnie w zakładzie znajduje zatrudnienie ok 3600 osób oraz 430 robotów przemysłowych, pracujących na trzy zmiany. Większość maszyn znajduje się na spawalni oraz lakierni. Wykonują one 68% procedur spawania i klejenia w nadwoziowni, a także istotne zadania transportowe. Poziom zautomatyzowania w lakierni wynosi 65%. Kilka robotów wyposażonych w skanery optyczne jest także wykorzystywanych do bezdotykowej kontroli jakości. Wyniki pomiarów systemów optycznych pozwalają na pełną inspekcję geometrii 3D, łącznie z liniami granicznymi i układem otworów w drodze porównania wymiarów nominalnych oraz faktycznych.
Wykorzystywana jest wirtualna sala pomiarowa (VMR), gdzie symuluje się poszczególne komponenty, czujniki, ogniwa pomiarowe i parametry kinematyki, dzięki czemu ścieżki i pozycje robota oraz czujnika można wyliczać automatycznie. Środowisko CAD zapewnia podstawy do określenia pozycji pomiarowych. Jednocześnie planowanie inspekcji odbywa się w formie zdecentralizowanej, niezależnie od systemu pomiarowego. Program pomiaru i inspekcji jest przygotowany w formie szablonu i wywoływany w późniejszym czasie przez pracownika fabryki bezpośrednio przy ogniwie pomiarowym. Przejście do optycznej technologii pomiarowej pozwoliło na uzyskiwanie kompletnych i przystępnych informacji w skali nieosiągalnej dla metod dotykowych. Jest to możliwe, ponieważ od samego początku projekt samochodu Crafter był tworzony w postaci cyfrowej za pomocą zaawansowanego oprogramowania CAD i technik projektowania współbieżnego (ang. Concurrent Engineering). Na bazie tego modelu, także cyfrowo, zaprojektowane zostały kompletne stanowiska robocze i całe linie technologiczne, umożliwiające stworzenie wirtualnego środowiska pracy. Co więcej, takie zawansowane systemy, jak RobCad, Delmia V5 czy Process Simulate, umożliwiają także emulację układów sterowania maszyn i robotów oraz ich wirtualne programowanie. Dzięki takiemu podejściu można cyfrowo utworzyć także cały przebieg procesu wytwarzania i przeprowadzić jego symulację oraz wirtualną walidację. Następnie tak utworzone i przetestowane programy sterujące można bezpośrednio przenieść do układów sterowania rzeczywistych maszyn i robotów, co pozwala na znaczne przyspieszenie wdrożenia oraz uruchomienia produkcji. Tak dokładny model systemu produkcyjnego bywa nazywany „cyfrowym bliźniakiem”, ale to pojęcie używane jest także w innym, szerszym kontekście.
Wykorzystanie robotów przemysłowych w architekturze
Ze względu na uniwersalność robotów przemysłowych prowadzone są także badania dotyczące różnych nietypowych możliwości ich wykorzystania, m.in. w obszarze architektury i budownictwa. Jako przykład mogą posłużyć maszyny, które wykonują prace spawalnicze i malarskie na elementach prefabrykowanych. Ponadto na międzynarodowej konferencji Rob-Arch 2020 zaprezentowano wiele ciekawych pomysłów na zastosowanie robotów na placu budowy, np. do układania elementów prefabrykowanych w celu zbudowania ścian o zróżnicowanym kształcie. Długie ramię robota może zastąpić dźwig na niektórych placach budowy.
Wskazuje się również na możliwość użycia latających dronów do układania małych cegieł i innych elementów na miejscu, które normalnie wymagałoby użycia dźwigu lub skomplikowanego rusztowania. Prowadzone są także badania nad drukowaniem w 3D różnych elementów budowlanych z betonu oraz całych domów przy pomocy specjalnych instalacji wielkogabarytowych. Stworzono również roboty do specjalistycznych prac budowlanych, takich jak np. budowa podziemnych tuneli. Robotyzacja w tych dziedzinach nie przebiega tak szybko jak w innych sektorach ze względu na specyfikę i znaczne zróżnicowanie procesów (np. niepowtarzalność projektów budowlanych oraz różnice w wykonaniu robót)
Czytaj więcej:
Wady i zalety robotyzacji przemysłu
Chociaż roboty przemysłowe są mocno ugruntowane w produkcji na dużą skalę, szczególnie w wytwarzaniu samochodów i związanych z nimi podzespołów, nadal istnieje wiele trudnych problemów do rozwiązania. Zakres zastosowań mógłby się znacznie zwiększyć, gdyby były one łatwiejsze do zainstalowania, zintegrowania z innymi procesami produkcyjnymi i programowania, zwłaszcza z wykrywaniem adaptacyjnym oraz automatycznym odzyskiwaniem błędów. Pozostają jeszcze do dopracowania kwestie dotyczące bezpiecznej współpracy człowieka i maszyny. Ponadto rosnąca liczba robotów rodzi obawy o zmniejszenie zatrudnienia, zaś z drugiej strony przyczynia się do humanizacji pracy oraz poprawy jej bezpieczeństwa i higieny. Umożliwia tworzenie nowych stanowisk i przeniesienie pracowników do wykonywania innych, bardziej odpowiedzialnych i kreatywnych zadań.
