Jak zautomatyzować każdy proces przemysłowy?

Automatyzacja procesów jest kluczem do obniżania kosztów produkcji. Nie zawsze jest to proste, bo na proces przemysłowy składa się wiele skomplikowanych zadań wymagających kosztownych i długotrwałych inwestycji w automatykę, zwłaszcza jeżeli wdrażamy typowe, klasyczne, wielkogabarytowe roboty. Skomplikowany proces programowania, koszty zabezpieczeń, duże nakłady inwestycyjne to najważniejsze przeszkody w automatyzacji procesów przemysłowych. Universal Robots znalazło jednak rozwiązanie, którym są roboty współpracujące: elastyczne, ekonomiczne, łatwe w programowaniu, lekkie i stanowiące znacznie mniejsze zagrożenie dla bezpieczeństwa człowieka od tradycyjnych robotów przemysłowych.

Wokół automatyzacji robotów narosło wiele mitów. Spróbujmy się z nimi rozprawić, analizując kilka z nich w oparciu o przykłady konkretnych wdrożeń i wyciągając wnioski zaprzeczające prawdziwości obiegowych opinii.

Mit 1: „Zabezpieczenie pracy robotów wiąże się z poważnymi wydatkami"

Często procesy przemysłowe dają się podzielić na mniejsze zadania, które można zautomatyzować, powierzając robotom czynności najbardziej powtarzalne i nużące dla człowieka. Konieczne jest wówczas stworzenie takiego środowiska pracy, w którym robot i człowiek będą mogli pracować „ramię w ramię". Z pomocą przychodzą wtedy roboty współpracujące.

Światowy dostawca z branży motoryzacyjnej, Lear Corporation zatrudniający na całym świecie 135 tys. pracowników, zoptymalizował montaż „na czas" właśnie dzięki zastosowaniu robotów współpracujących. Montaż „na czas" to model produkcji w branży dostawczej umożliwiający uzyskanie wyjątkowej elastyczności i oszczędność kosztów. Jednak przy ograniczonej ilości miejsca na hali produkcyjnej sprostanie temu wyzwaniu stawało się coraz trudniejsze. Lear Corporation poszukiwała niewielkiego, mobilnego robota, którego można będzie używać w bezpośrednim sąsiedztwie pracowników, bez środków zabezpieczających, ponieważ poszczególne etapy produkcji odbywają się jeden po drugim przy przenośniku. Urządzenia musiały być także łatwe do zaprogramowania przez osoby z małym doświadczeniem, bez specjalizacji w dziedzinie robotyki. Zastosowanie urządzenia Universal Robots przy linii produkcyjnej zapewniało robotyzację produkcji bez potrzeby zwiększania obszaru produkcyjnego. Zastosowano niewielki model UR5, który bezbłędnie radzi sobie z ograniczeniami przestrzennymi. Obecnie każdego dnia ramię robotyczne wykonuje około 8500 działań związanych z wierceniem oraz cyfrowo monitoruje proces, pozwalając uniknąć wad w produkowanych siedzeniach samochodowych.

Ramię robotyczne służy do przykręcania siedzeń i stelaży zagłówków i wykonuje około 8500 wierceń każdego dnia. Po dotarciu siedzenia do stanowiska robota przykręcane są śruby po obu stronach siedziska. Jeżeli zabraknie śrub, robot bezpiecznie podnosi produkt i włącza sygnał ostrzegawczy. Programowanie urządzenia jest proste i zawsze można dokonać korekt w jego ruchach na produkcji. Każdy pracownik może zaprogramować ramię robotyczne z użyciem interfejsu ekranowego lub przez zwyczajne „przeciąganie" ramienia, pozwalające bezpośrednio pokazać, jaki ruch ma wykonać robot.

Mit 2: „Po co inwestować w roboty na potrzeby jednego zamówienia?"

Inny problem, który napotkać można podczas automatyzacji procesów, jest konieczność realizacji krótkich serii wynikających z jednorazowych zamówień klientów. Czy inwestycja w automatyzację takich procesów ma szanse na amortyzację? Okazuje się, że jak najbardziej tak, jeżeli wykorzystamy do tego celu roboty współpracujące: łatwe w programowaniu, mobilne – przystosowane do szybkiej zmiany stanowiska pracy, gotowe, aby w kilka godzin od przezbrojenia zacząć ponownie „zarabiać na siebie".

Nieduża fińska fabryka Konetehdas produkuje narzędzia tnące i specjalne, dostarczając klientom rozwiązania związane z obróbką. Główną działalnością zakładu jest małoseryjna produkcja z zastosowaniem ręcznych frezarek, tokarek i programowalnych centrów obróbki. Zarządzający fabryką Kari Karaslahti żywił obawy, że robotyzacja nie przyniesie spodziewanych efektów, bo urządzenia te są za mało elastyczne i trudno je będzie wykorzystać po zakończeniu produkcji krótkiej serii. Przekonał się do robotów współpracujących w momencie, w którym dostrzegł, jak jego dziecko jest w stanie samo, bez znajomości zasad programowania robotów, nauczyć to urządzenie wykonywania powtarzalnych czynności. Syn właściciela fabryki w krótkim czasie „zmusił" urządzenie przysłane do testów do współpracy przy układaniu stosu z klocków. Zaprogramowanie robota współpracującego do wykonywania potrzebnych ruchów zajęło dziecku niewiele czasu – 2 godziny. Okazało się, że urządzenia te są na tyle elastyczne, że w krótkim czasie można je nauczyć nowych zadań potrzebnych do realizacji nawet bardzo krótkiej serii. Konetehdas z powodzeniem wykorzystuje roboty współpracujące właśnie do krótkoseryjnej produkcji, na potrzeby niedużych, jednostkowych zamówień klientów.

Mit 3: „Specyfika produkcji wyklucza stosowanie robotów"

Łatwo wyobrazić sobie robota przykręcającego śrubkę podczas montażu samochodu, czy też wstawiającego gotowe produkty do opakowania podczas paletyzacji, ale czy robot sprawdzi się w takich obszarach działalności przemysłowej jak produkty stomatologiczne? Zdecydowanie tak! Nawet w tak mało kojarzącym się z robotyką obszarze jak przemysł związany z opieką zdrowotną można stosować roboty z pozytywnym skutkiem.

Wykonująca korony dentystyczne, firma Glidewell Laboratories w Newport Beach w Kalifornii mogła zoptymalizować znaczną część swojego cyklu produkcyjnego właśnie dzięki zastosowaniu robota UR5 współpracującego z maszynami CNC. Rzeczywiście, wyprodukowanie idealnej korony zębowej jest skomplikowanym, wymagającym precyzji procesem i trudno wyobrazić sobie, by pozostawić go wyłącznie robotom. Zazwyczaj od momentu przesłania przez dentystę odcisku zębów pacjenta do laboratorium, do chwili otrzymania gotowej korony mija pięć dni. Firma Glidewell Laboratories postanowiła skrócić ten proces.

Długi, 10-minutowy cykl frezowania sprawiał, że pracownikowi trudno było dostosować swoje pozostałe obowiązki do regularnego odbioru gotowych produktów i ręcznego umieszczania koron w partiach po 15 sztuk, co naturalnie musiało powodować opóźnienia. Automatyzacja procesu z użyciem robota pozwoliłaby uzyskać większą płynność i skrócić łączny czas dostarczania produktów. Firma zdecydowała się zastosować robota UR5 Universal Robots do przenoszenia korony z dozowników, umieszczać je we frezarce i po 10-minutowym cyklu frezowania umieszczać na przenośniku. Robot komunikuje się z kamerą, dzięki której wie, kiedy dozownik się zapełnia i kiedy należy zmienić pozycję pracy. Dzięki tej innowacji łączny czas trwania cyklu produkcyjnego został skrócony z 27 do 18 godzin.

„Prowadzimy całodobową produkcję i robot umożliwił naszym pracownikom skupienie się na skomplikowanych zadaniach, które usprawniają ogólną jakość produktu" – mówi z dumą David Leeson, dyrektor ds. technicznych w firmie Glidewell.

Mit 4: „Zaprogramowanie robotów do realizacji zadań wymaga dużo czasu i wiedzy specjalistycznej"

Mit, że programowanie robotów jest zadaniem wymagającym wyjątkowych kompetencji i wiedzy specjalistycznej oraz zajmuje sporo czasu, wynika z doświadczeń niektórych menedżerów z klasycznymi, wielkogabarytowymi robotami przemysłowymi, które programowane były przez specjalistów wpisujących kod komputerowy, linijka po linijce, a następnie długo testujących jego poprawność.

W firmie MARKA, zajmującej się produkcją detergentów, robot UR3 stosowany jest do dokręcania nakrętek opakowań. Nakładanie kapsli na butelki i dokręcanie ich z równomierną siłą wymaga jednak wyjątkowej precyzji. „Z uwagi na kształt kapsla" – mówi Sergio Melite, specjalista technik w MARKA – „precyzyjne wypozycjonowanie go i uzyskanie pewnego chwytu przez roboty sprawiało nam trudności. UR3 wybrany został ze względu na zdolność do dokładnej realizacji tego zadania. Przy czym w praktyce konfiguracja i zarządzanie robotem UR3 okazały się łatwiejsze i znacznie prostsze, niż w przypadku robotów konkurencji" – dodaje Sergio Melite.

Do precyzyjnej kalibracji ruchu robota posłużył wbudowany czujnik momentu obrotowego. Z uwagi na prostotę instalacji urządzenia można było przystąpić praktycznie „z miejsca" do realizacji zadań przez UR3. „Robot został dostarczony rano" – wspomina Sergio Melite – „i już cztery godziny później działał na linii produkcyjnej. W programowaniu pomógł nam intuicyjny system, który nie wymagał od operatora znajomości zasad i języków programowania robotów. UR3 uprościł też nasz cykl produkcyjny. Pracownik nie potrzebuje specjalnych kwalifikacji, aby sprawnie zatrzymać, wyzerować czy wznowić produkcję, nie musi też stale dyżurować przy maszynie. Robot jest łatwy w użyciu, ma przyjazny dla użytkownika interfejs i potrafi współpracować, to znaczy bezpiecznie działać wraz z operatorami na niewielkim obszarze" – podsumowuje Sergio Melite. „Dzięki robotowi z Universal Robots udało nam się podnieść ogólną jakość naszych produktów końcowych, a koszty jego zakupu zwróciły się nam już w ciągu roku" – podsumowuje kierownik produkcji Giorgio Belotti.

Mit 5: „W naszym zakładzie jest za mało miejsca na roboty"

Kolejnym przykładem zastosowania robotów współpracujących w przemyśle związanym z medycyną może być przypadek firmy Tegra Medical. W przykładzie tym rozprawiamy się z mitem zapewnienia szczególnych warunków operacyjnych dla pracy robota – osobnej, obszernej przestrzeni, w której musi się on poruszać, by nie zagrażać zdrowiu i życiu człowieka.

Przedsiębiorstwo Tegra Medical stanęło przed dramatycznym dylematem: co zrobić, by ocalić zyski w sytuacji, gdy koszty rosną, a klienci żądają obniżki cen. Firma planowała wprowadzenie automatyzacji w oparciu o tradycyjne roboty przemysłowe, ale problemem okazała się zbyt mała przestrzeń robocza fabryki, w której operator mógłby pracować wspólnie z maszyną. Stawianie dużych klatek zabezpieczających, co jest wymagane w przypadku dużych robotów przemysłowych, nie wchodziło bowiem w grę. Rozwiązaniem okazały się dwa roboty UR5 i jeden robot UR10, które obsługują komórki do obróbki skrawaniem przeznaczone do produkcji urządzeń do zamykania tętnic i urządzeń do korekcji. W procesie produkcyjnym 2 roboty UR5 podnoszą półfabrykaty z podajnika, przenoszą je między tokarką, ścierakiem i przenośnikiem w cyklu, co zabiera zaledwie 10 sekund, a nie 22 sekundy, jak miało to miejsce wcześniej, przy pracy ręcznej.
„Interesowały nas dokładność, łatwość we wdrażaniu i prostota obsługi. Universal Robots spełniała wszystkie te kryteria, a także warunek cenowy" – mówi Hal Blenkhorn, dyrektor ds. inżynierii w firmie Tegra Medical – „Pracując w przemyśle medycznym, nie możemy zmienić procesu bez powiadamiania naszych klientów i przejścia przez procedurę legalizacji. Ale poprzez zamianę operatora na robota zmieniliśmy po prostu sposób obchodzenia się z komponentami pomiędzy procesami. Dużo dzięki temu zyskaliśmy".

Zarządzający Tegra Medical zastanawiali się nad tym, czy uda się utrzymać dokładność i powtarzalność produkcji z użyciem robotów. Po roku okazało się jednak, że urządzenia te działają tak samo dobrze jak w momencie uruchomienia. Blenkhorn podkreśla, że w wyniku automatyzacji za pomocą robotów UR udało się uzyskać lepszą jakość produktów: „Odkąd zaczęliśmy używać robotów UR, otrzymujemy tylko kilka reklamacji dziennie. Wcześniej ta liczba była znacznie wyższa".

Dodajmy jeszcze jeden przykład pozwalający obalić mit związany z rzekomo szczególnymi wymaganiami, co do warunków i przestrzeni pracy dla robotów. Norweski producent wyrobów mięsnych Nortura planował optymalizację procesu paletyzacji. Jednak zakład dysponował niewielką powierzchnią i ograniczonym budżetem na inwestycje. Zarządzający przedsiębiorstwem zdawali sobie sprawę, że zadanie, które przed sobą postawili nie będzie łatwe, bo typowe roboty przeznaczone do paletyzacji zajmują dużo miejsca, przy czym najwięcej problemów przysparzają zabezpieczenia wymagające dodatkowej przestrzeni na osłony dla urządzeń. Konieczne było zachowanie elastyczności organizacji przestrzeni roboczej i szybkie przenoszenie produktów paletyzowanych do magazynów. Dodatkowo, istotne kryterium stanowiła ciągłość procesu paletyzacji wykluczająca przerwy w pracy linii produkcyjnej. Nie lada wyzwaniem było zatem znalezienie robota, który zapewniłby działanie w sześciu osiach, o niezbędnym zasięgu i udźwigu, pozwalającego układać opakowania na palecie o zróżnicowanych wymiarach i masach oraz na różnych wysokościach. Robot ten musiał również być elastyczny i łatwy w programowaniu, a także niezawodny, zapewniający pracę przy minimalnym nadzorze i ingerencji ze strony człowieka.
Właściwym rozwiązaniem okazał się tandem systemu wizyjnego oraz współpracującego z nim robota Universal Robots UR10. W efekcie powstało kompaktowe, niewielkich wymiarów rozwiązanie z kamerą wizyjną IFM O2D222 zamontowaną nad robotem, który zamocowany poniżej na wąskim stojaku wyposażony został w pneumatyczny chwytak Unigripper SMS 80-200. Przygotowany w ten sposób robot zajmuje zaledwie 0,5 m2 przestrzeni. Aby chronić ludzi przed ewentualną kolizją z ramieniem, robota oznaczono farbą na podłodze miejsce, w którym operator za każdym razem umieszcza pustą paletę. W ten sposób zabezpieczono pracę ludzi i urządzeń przy jednoczesnej oszczędności miejsca.

„Zużywamy 10 do 20 procent przestrzeni, którą zająłby tradycyjny robot do paletyzacji" – powiedział Lars Bårdgard Åstveit, programista w firmie Rocketfarm AS. „Natomiast kiedy nie ma żadnej palety miejsce jest wolne, tak jakby nie było żadnego systemu do paletyzacji".
Po umieszczeniu pustej palety na podłodze system wizyjny wykrywa ją automatycznie. „Widzi" także pudełka poruszające się na taśmie przenośnika i wówczas robot rozpoczyna paletyzację. „Nikt nie musi wydawać polecenia robotowi w rodzaju: >>tutaj jest pudełko, umieść je na palecie<<" – twierdzi Bårdgard Åstveit – „System po prostu wykrywa obiekty i samoczynnie rozpoczyna paletyzację".

Program robota pracującego w sześciu osiach można łatwo dostosowywać do aktualnych potrzeb. Dzięki temu możliwe jest układanie pudełek o różnych wymiarach zgodnie z wizją klienta, np. obracać je w taki sposób, by etykiety były widoczne po wszystkich stronach palety. Robot może zapełnić średnio 20 palet dziennie, co oznacza łącznie 1700 pudełek dziennie.

Dodatkową zaletą jest to, że robot może przeprowadzać kontrolę błędów poprzednich maszyn z linii produkcyjnej. O ile operatorzy mogą przeoczyć pudełko, które nie zostało zapełnione prawidłowo, to robotowi już ta wada nie umknie. Waży on każde pudełko i informuje, że znajduje się w nim mniejsza liczba opakowań. „UR10 jest robotem, którego specyfikacja spełnia nasze oczekiwania" – stwierdził Bårdgard Åstveit. „Jest niedrogi, ma zasięg większy niż wiele innych robotów i ma odpowiedni udźwig do podnoszenia produktów, które są wytwarzane w naszej firmie. Co ważne, jest też łatwy w programowaniu".

***

Warto także podkreślić zachowanie norm bezpieczeństwa na przygotowanym w ten sposób, minimalistycznym, stanowisku pracy. Robot UR10 po natrafieniu na obiekt nie będący częścią zaplanowanej ścieżki (np. człowiek na pustej palecie) automatycznie się zatrzymuje. „Jeżeli robot nie byłby wyposażony w tę funkcję, nie moglibyśmy go bezpiecznie używać" – twierdzi z przekonaniem Bårdgard Åstveit i dodaje – „To najważniejsza funkcja robota UR10". Cieszą jednak przede wszystkim korzyści ekonomiczne. Zwrot z tej inwestycji w roboty współpracujące szacowany jest przez Nortura na mniej niż jeden rok.