Automatizace založená na robotech je nezbytná pro toho, kdo chce být připraven na výzvy Industry 4.0

-- 30.11.17

Obráběcí stroje by měly vyrábět stále produktivněji, rychleji a přesněji. Počty kusů ve výrobních sériích se snižují a tím se zvyšují nároky na úpravu strojů pro jednotlivé operace a také mzdové náklady na vyrobený kus. Podniky na to dosud často reagovaly přenesením výroby do zemí s nižšími výdaji na mzdy. Zákazníci ovšem dnes požadují v široké míře individualizované výrobky s co nejkratším dodacím termínem. Využívání outsorcingu v zemích s nižší mzdovou hladinou je omezováno dlouhými dodacími termíny. Současným trendem je naopak flexibilní výroba v blízkosti zákazníka. Otázka tedy zní: Jak je možné, při nedostatku odborného personálu, hospodárně uspořádat výrobu budoucnosti?

Řešením je automatizace založená na průmyslových robotech, která může dlouhodobě a výrazně zvýšit produktivitu obráběcích strojů, zkrátit dodací lhůty a současně odpovídat na výzvy, které před nás staví demografické změny. Pokud jde o stupeň automatizace, tak odvětví obráběcích strojů v porovnání s ostatními průmyslovými obory, má co dohánět, protože je zde stále značně rozšířená manuální činnost. Pouze pět procent výroby je automatizováno a jen dvě procenta za využití robotů.

Zvýšení výrobní kapacity ze 70 na téměř 100 procent 

U dvaceti procent všech obráběcích strojů by se mohla využitím robotů výrazně zlepšit hospodárnost a výkonnost výroby. Podle stupně automatizace lze zvýšit produkci obráběcích center dokonce až o 80 procent. Protože roboty pracují velmi přesně a dlouhodobě spolehlivě, nevznikají dokonce ani u složitých nebo těžkých obrobků prakticky žádné opravy či vadné díly. Kromě toho mohou roboty pracovat prakticky nepřetržitě a jejich výkon je i po 24 hodinách práce stejný jako v prvních minutách jejich nasazení. Tím také aktivně přispívají k minimalizaci nákladů na prostoje. V důsledku preciznosti, s níž manipulují i s těžkými díly, zabraňují kolizím a poškozování upínacích systémů, případně strojů, což významnou měrou přispívá ke snižování nákladů na údržbu. V plně automatizovaných směnách zvyšují roboty vytížení strojů a snižují náklady na mzdy, čímž vycházejí vstříc požadavkům trhu: stoupajícím nárokům na kvalitu, kratším dodacím lhůtám a příznivějším cenám. V souhrnu je možno říci, že robot zvyšuje produktivitu i celkovou hodnotu obráběcího stroje. Čísla zde mluví sama za sebe: Bez použití robotů se dosahuje vytížení obráběcích strojů kolem 70 procent, zatímco s roboty téměř 100 procent. Je pravda, že integrace průmyslového robota k obráběcímu stroji přináší náklady, avšak doba amortizace zde bývá často kratší než dva roky. A to i v případě rozsáhlého spektra obráběných dílů.  

Robot a obráběcí stroj si mohou vzájemně pomoci

Roboty a obráběcí stroje se rozvíjejí společně a mohou si i navzájem pomáhat. Roboty již dnes rychle a precizně zakládají do obráběcích strojů neopracované obrobky a po jejich opracování je odebírají. Moderní koncepty automatizovaného usazování obrobků zohledňují potřebu časově nejkratších cyklů, maximální disponibility systému a nutnost flexibilní reakce na modifikace výrobků a změny v poptávce. Robot může rovněž efektivně využít dobu, kdy obráběcí stroj pracuje a provádět další činnosti, jako je například vrtání, odstraňování otřepů a další. V těchto případech přebírá některé činnosti obráběcího stroje, čímž jej odlehčuje a snižuje tak dobu běhu vřetene připadající na jeden obrobek. Pokud jde o díly náročné na třískové obrábění, může robot převzít například hrubování a obráběcí stroj pak provede už jen finální opracování. V případě ostření nástrojů je dnes již přibližně polovina strojů automatizována za využití robotů. Roboty lze také použít pro spolehlivou kontrolu kvality.

Roboty budou přebírat větší podíl úkolů v oblasti opracování a vzájemného propojování

Základní funkce obráběcího stroje robot přebírat nemůže a nebude, ale může významnou měrou optimalizovat produktivitu stroje tím, že převezme některé přidružené úkoly. Kolem 60 procent využití obráběcích strojů připadá na úkony spojené s manipulací s obrobky, tzn. uchopení obrobku, jeho usazení, upnutí, případně pootočení. Přibližně 20 procent na manipulace spojené s upínacím systémem typu zero-point.  Pouze asi pět procent úkolů, které v současné době roboty plní, připadá na obráběcí operace nebo propojovací činnosti mezi více stroji, což je spojeno s paletizací nebo s usazováním či vyjímáním obrobků. Podíl obráběcích operací a vzájemného propojování více strojů se bude, na základě aktuálních trendů ve výrobě a především v logistice, do budoucna významně zvyšovat. Pokud jde o propojování činnosti více strojů, může být robot buď pevně namontovaný na místě, ze kterého obsáhne více strojů, nebo může být usazený na tzv. lineární ose. V případě potřeby ještě většího dosahu je možno použít roboty KUKA usazené na mobilních platformách vybavených autonomní navigací.

Robot využívaný pro výměnu nástrojů 

Dalším trendem je robotická výměna nástrojů. Zatímco kapacita řetězových zásobníků a ostatních systémů končí u počtu 250 kusů nástrojů, mohou roboty obsluhovat zásobníky se 400 i více kusy. Pokud jsou mobilní a pohybují se od stroje ke stroji, mohou vyměňovat nástroje u většího počtu strojů. Tam, kde se dříve nevyplatilo nasazení robota u jednoho stroje, dojde k rychlé amortizaci této investice při obsluze více strojů.

Společný jazyk pro robota i obráběcí stroj

Velká výrobní zařízení se často montují i bez předchozího ověření schopnosti vzájemné komunikace. Z důvodu zlepšení pozdější komunikace mezi obráběcím strojem a robotem se jeví jako nezbytné propojení výrobců obráběcích strojů s výrobci robotů již při přípravě objednávky. Sdružení německých výrobců obráběcích strojů (Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken - VDW) výzvu tohoto průmyslového odvětví akceptovalo a vyvinulo flexibilně použitelný standard, který umožňuje jednoduchou integraci robotů do výrobního systému. Standard definovaný v dokumentu č. 34180 vydaném Svazem německých výrobců strojů a zařízení (Verband der Deutschen Maschinen und Anlagenbauer - VDMA) by se měl stát normou ISO. Poté bude možné jednoduchým způsobem propojovat do sítě samostatná výrobní zařízení i celé výrobní řetězce. Pokud budou jednotlivá rozhraní již od začátku odpovídat jedné normě, komunikace mezi stroji se tím znatelně zjednoduší. Tento nově zřízený standard je modulárně použitelný, což mu umožňuje vyhovět různým požadavkům a lze jej aplikovat všude tam, kde se vyskytne potřeba přemisťovat obrobky z transportních zařízení k obráběcím strojům.

Integrace robota do prostředí obráběcích strojů

Společnost KUKA již nabízí vhodné řešení pro komunikaci mezi robotem a obráběcím strojem. Nativní programovací rozhraní zjednodušují programování a integraci KUKA robotů do prostředí obráběcích strojů. S ovládacím software KUKA.PLC mxAutomation mohou externí řídicí systémy se zabudovaným PLC KUKA ovládat roboty na úrovni pohybových příkazů. To umožňuje realizovat jednoduchým způsobem příznivý centrální koncept ovládání robotem řízených výrobních strojů. Přitom jsou i nadále k dispozici kinematické a bezpečnostně relevantní funkce řídicího systému KUKA KR C4, protože překladač příkazů mxAutomation řídicího systému KR C4 předává povely PLC  do modulu pro plánování trasy, který pak uvádí robota do pohybů vykonávaných s obvyklou přesností a spolehlivostí. S výbavou KUKA.PLC mxAutomation stačí mít při navrhování automatizace k dispozici jen minimální znalosti o programování robotů. Funkční moduly systému mxAutomation umožňují vydávat povely pro KUKA robot v rámci běžného PLC programovacího prostředí. 

Integrace do stávajících konceptů obsluhy obráběcích strojů  

Software KUKA.PLC mxAutomation je rovněž bází, která sjednocuje ovládání robotů a strojů. To umožňuje integrovat bez vynaložení většího úsilí průmyslové roboty KUKA do stávajících konceptů obsluhy strojů. Robot je pak možno ovládat prostřednictvím běžného rozhraní člověk-stroj. Za předpokladu realizace odpovídajících bezpečnostně-technických opatření je možno použít pro ovládání robota také ovládací panel obráběcího stroje. Dobrým příkladem takovéto integrace je společností Siemens nabízené zapojení KUKA robotů do prostředí Sinumerik. Při využití software KUKA.PLC mxAutomation a balíčku rozšířené výbavy Run MyRobot Handling a přes rozhraní Profinet mezi řídicími systémy KRC4 a Siemens Sinumerik 840D sl je možné provozovat a ovládat řídicím systémem Sinumerik jakýkoliv KUKA robot.

Mobilní robotické systémy pro továrnu budoucnosti

Větší podíl individualizace, výrobky ve více variantách, odklon od rigidní masové produkce k výrobku, který si zákazník ve svém počítači sám naprogramuje – to vše vede k radikální změně myšlení, protože v tomto světě individualizované produkce se bude požadovat značně větší míra flexibility, než jaká stačila dnes. Aby bylo v budoucnu možno dostát v rámci průmyslu 4.0 tomuto požadavku, bude zapotřebí zavést nové koncepty výroby, umožňující mimořádně flexibilní produkci, která bude probíhat v průmyslovém měřítku při vzájemném propojení celého výrobního řetězce. Logistika spojená s touto výrobou se přitom od základu změní. Nedílnou součástí flexibilní továrny budoucnosti se stanou mobilní robotické systémy, které budou obrobky nejen transportovat, ale také je opracovávat a navíc přímo spolupracovat s člověkem. Budou se rovněž starat o to, aby nebylo nutno integrovat do stávající výrobní linky každý nový pracovní krok. Ten, kdo využije tyto nové možnosti flexibility, získá v době postupující individualizace výrobků rozhodující konkurenční výhodu. Namísto pevné montáže za ochranným oplocením se budou roboty, ve spojení s mobilními platformami, učit pohybovat se flexibilně mezi jednotlivými úseky výroby. Nebude už nutné transportovat obrobek k robotu, ale robot sám přijede přímo k obrobku nebo k obráběcímu stroji.     

Mobilita a spolupráce člověka s robotem

Použitím bezpečnostních laserových scanerů se nedocílí pouze to, že se budou mobilní platformy dělit o trasy a pracovní prostředí s obráběcími stroji a pracovníky, ale v kombinaci s robotem kategorie HRC (Human-Robot-Collaboration), jako je např. typ LBR iiwa, získá dělník v mobilním robotu nového pracovního kolegu, který mu bude poskytovat přímou podporu v jeho práci. Například robot KMR iiwa může samostatně vyzvedávat nástroje ze skladu a ukládat je do zásobníku nástrojů na obráběcím stroji, aniž by bylo potřeba jakýchkoliv ochranných zařízení. Obsluhující pracovník má přitom přístup ke svému stroji i nadále zcela volný. Transport obrobků mezi skladem a strojem, anebo mezi jednotlivými stroji, probíhá stejným způsobem. Dojde-li ke změně výrobního procesu, mění se pouze trasa, po které se autonomní vozidlo pohybuje, ale nikoliv rozmístění strojů. Výrobní proces se zde řídí podle maximální produktivity a nikoliv podle postupů pevně nastavené automatizace.      

Robot jako klíčový prvek průmyslu 4.0

Další faktor, který je zapotřebí vzít v úvahu, je význam robotů pro budoucí svět výroby. Robot hraje v průmyslu 4.0, vedle cloudového systému, klíčovou roli. Coby nejflexibilnější element této výroby, je robot schopný s využitím informací, které získá z cloudu, spolehlivě a bezchybně transportovat i jakkoliv malé výrobní série, počínaje jednotlivými kusy. „Informace“, které robot při této činnosti shromáždí, může zpětně přenést do cloudu, kde mohou být vyhodnoceny pro optimalizaci, dokumentaci a zabezpečování kvality. Se systémy KUKA.Connect a SmartProduction nabízí společnost KUKA potřebná cloudová řešení. Ke KUKA cloudu je možné připojit nejen robota, ale také obráběcí stroj, případně další ve výrobním procesu používaná zařízení. Pro toho, kdo chce být připraven na výzvy Industry 4.0 a s ním spojená řešení výrobních úkolů budoucnosti, je na robotech založená automatizace základní nezbytností.        

Winfried Geiger, Market Segment Management WZM, KUKA Roboter GmbH

www.kuka.com

Foto z archivu: KUKA Roboter CEE GmbH