Roboţi industriali, aspecte practice

Roboti

de Mircea Badut

Roboţi industriali, aspecte practice

Numiţi de regulă roboţi industriali, aceste automate de mişcare complexă folosite în procesele de fabricaţie constituie un capitol emergent al ingineriilor industriale, apărut la fuziunea dintre automatică şi acţionările electrice. Chiar dacă există şi materializări pneumatice ori hidraulice, totuşi cele mai de perspectivă implementări ale roboţilor sunt cele electromecanice, în special datorită avantajelor oferite de compatibilitatea informatică (abordare ce implicit aduce un spor de flexibilitate şi integrabilitate).

Când recurgem la roboţi

Sunt mai multe criterii (cerinţe de lucru) care pot concretiza decizia de a folosi roboţii în procesele de fabricaţie, şi vom vedea că unele dintre acestea constituie totodată elemente cheie ale definiţiei robotului industrial. Ne amintim că (de regulă) este vorba de un mecanism care, prin succedarea mai multor articulaţii în lanţul cinematic, determină mai multe grade de libertate la capătul terminal, cel executoriu, căruia îi vom încredinţa diferitele sarcini de lucru. Numai că nu această disponibilitate ,,sportivă” îi va asigura robotului ,,contractul de muncă”. Altfel vom identifica cerinţele de lucru specifice implementării automatizării cu roboţi:

  • necesitatea de a executa foarte repetitiv o sarcină implicând mişcare complexă (fabricaţie/proces în serie mare);
  • lucrul în condiţii grele din perspectivă umană (toxicitate/poluare, temperaturi extreme, radi­aţie elecromagnetică – exemple clasice fiind aici turnătoriile de oţeluri, vopsitoriile, preparările/recondiţionările conductelor subterane, etc).

Însă, în legătură cu primul criteriu, nu uităm că decizia implementării de roboţi este una economică, obţinută prin raportare la costurile forţei de muncă: o linie de asamblare a unui automobil de succes poate fi realizată şi cu oameni, însă abordarea automatizată este mai sustenabilă în cazul unei producţii de serie mare (şi ar fi complet greşită pentru un automobil de curse, care-i aproape unicat). Lucrurile sunt cel puţin la fel de evidente şi pentru aplicări din alte domenii industriale, precum cele presupunând procesare şi ambalare (produse alimentare, băuturi de larg consum, produse farmaceutice), sau cele de logistică.

Ce roboţi alegem în industriile constructoare de maşini:

  • asamblare (în linii de producţie)
  • sudare (sudură cu arc electric, sudură cu flux de electroni, sudură cu laser, sudură în gaz inert, sudură în puncte, sudură cu tungsten)
  • lipire / etanşare
  • vopsire / tratare suprafeţe
  • spălare cu jet de lichid
  • tăiere/debitare prefabricate
  • găurire / frezare
  • debavurare / curăţire
  • turnări de metale (statică, sub presiune)
  • polizare / şlefuire
  • inspectare vizuală
  • control de calitate
  • mentenanţă de maşini-unelte
  • manipulări de semifabricate
  • manipulări de produse secundare
  • manipulări de piese
  • manipulări de produse pentru ambalare, depozitare, paletizare, livrare, şamd.

 

Dacă tot am încercat o clarificare conceptuală, mai amintim şi denumirea alternativă, folosită la implementarea roboţilor industriali, şi anume ,,celulă flexibilă”, caz în care speculăm că atributul definitoriu poate să se refere atât la complexitatea mişcării braţului robotic, cât şi – mult mai interesant din perspectivă inginerească/managerială – la mai profunda flexibilitate dată de abilitatea roboţilor de (a fi reprogramaţi pentru) a se adapta la modificări ale procesului de producţie (referitoare la gabarite, trasee, viteze, forţe, intensităţi, stări, ş.a.m.d.). Şi vom întregi chestiunea dacă vom menţiona şi conceptul integrator, de SFP (sistem flexibil de producţie), pentru care vom sublinia concluziv trăsăturile esenţiale din perspectiva managementului de întreprindere: eficienţa, controlabilitatea şi siguranţa.

Ce roboţi alegem

S-au acumulat câteva decenii de experimentări şi de folosire industrială a roboţilor, aşa încât putem miza pe maturitatea cunoaşterii (şi a pieţei) pentru a alege soluţiile necesare automatizării proceselor de producţie. Deja există profilări şi specializări pe industrii, pe domenii, pe condiţii de lucru. În caseta alăturată am trecut în revistă o serie de aplicări ale roboţilor în fluxurile de fabricaţie.

Însă, dincolo de clasificarea job-ului (a subprocesului din flux) pe care îl dorim eficientizat, apar imediat criterii concrete (calitative şi cantitative), desprinse din cerinţele (obiectivele) de producţie, dar şi relevante din condiţionări locale: economice, administrative şi tehnice.

De exemplu, pentru roboţii destinaţi manipulării (pentru asamblări, pentru prelucrări mecanice, pentru tratamente de suprafaţă, pentru depozitări), va trebui să alegem gestionând criterii valorice de genul:

  • sarcina de lucru (,,greutatea” maximă pe care o poate ridica/manevra): 5 – 10 – 20 – 100 – 200 > kg;
  • anvergura de lucru (,,gabaritul” spaţiului de manevre/lucru): 0 – 800 – 1500 – 2500 > mm;
  • gradele de libertate necesare pentru îndeplinirea sarcinii.

 

După care poate urma o mulţime de alte cerinţe, cu diverse nuanţe şi cu diferite ponderi pentru întreprinderea beneficiară, precum: gabaritul şi masa proprii robotului; consumul de energie; condiţionări privind batiul (fix sau mobil); precizia de lucru; viteza de lucru; timpul de acţionare (per ciclu); numărul de cicluri fără oprire pentru revizie/mentenanţă; abilităţile de programare (capacitatea sistemului de comandă/control, integrabilitatea în echipe de roboţi); condiţiile mediului de lucru; ş.a.m.d. La rândul lor, fiecare dintre acestea poate dezvolta o serie de problematici interesante atât pentru instalare cât şi pentru exploatare. De exemplu! Parametru esenţial, precizia la reluarea mişcării (care mişcare va fi repetată de mii sau milioane de ori), depinde de o multitudine de condiţii tehnice: sensibilitatea structurală la dificultăţi ale condiţiilor de operare (temperatură, vibraţii, praf, etc), stabilitatea elementelor de relaţionare (senzori, traductori, codificatoare) la influenţele de mediu (precum perturbaţiile electromagnetice), fiabilitatea cinematică a articulaţiilor (stabilitatea toleranţelor de asamblare), ş.a.m.d.. Spre exemplificare, pentru a obţine o acurateţe coborând la sutimi de milimetru liniar sau la o zecime de grad rotaţional, encoderele digitale vor avea nevoie de o rezoluţie de 16 biţi, iar etanşările articulaţiilor trebuie să ajungă la anumite clase de protecţie (precum IP67, dacă este cazul).

Completând un pic definiţia de la început, particularizată pe cel mai frecvent întâlnit robot industrial – braţul robotic cu şase grade de libertate, uşor reprogramabil şi facil de inclus în linii de asamblare – vom reţine că, pentru realizarea acestui mecanism, fiecare segment de braţ este acţionat cu motoare electrice rotative sau liniare, toate fiind coordonate astfel încât să compună mişcarea dorită pentru capătul executoriu al braţului. Iar coordonarea cinematică a robotului este realizată de un controller (un subsistem hardware+software reprogramabil). Şi e locul să reiterăm ideea că avantajul acestei automatizări constă în abilitatea adusă întreprinderii de a modifica producţia rapid (aproape fără întreruperea fluxului/liniei în care lucrează robotul).

Implementare şi mentenanţă

Sporul de eficienţă şi de adaptabilitate în fabricaţie adus de implementarea celulelor/sistemelor flexibile poate justifica investiţia aceasta substanţială. Un efort economic ce trebuie, în mod firesc, complementat cu eforturi de organizare şi de adaptare, cu demersuri de motivare şi perfecţionare a resurselor umane, cu responsabilitate. Alegerea tipului, modelului şi mărcii de robot industrial va fi urmată de faza cea mai dificilă: implementarea. Dacă la o întreprindere multi-naţională procedurile de instalare şi modalităţile de punere în funcţiune pot să vină de-a-gata (parte a francizei, ori a culturii tehnice/tehnologice a firmei-mamă), la un producător local implementarea va trebui judicios planificată şi derulată. Dacă întreprinderea locală nu are în portofoliul său de resurse umane specialişti în automatică sau în mecatronică, atunci probabil va recurge la consultanţi tehnici. De regulă o mare parte a efortului pentru instalarea roboţilor este preluată de furnizor. Producătorii majori de roboţi industriali au reprezentanţe sau parteneri în România, astfel că investiţia pentru automatizarea unui proces sau a unui flux de fabricaţie nu va suferi din lipsa/depărtarea asistenţei tehnice. Plus că internetul va completa la nevoie lipsurile în relaţia dintre furnizor şi beneficiar.

 

Producători şi integratori consacraţi de roboţi industriali:ABB, Adept, Bosch, Comau, FANUC, KUKA, Mitsubishi, Motoman, Panasonic, RobotWorx, Seiko, Stäubli, Toshiba, Yaskawa, etc.

 

Clasificări ale roboţilor industriali

A. După forma mişcării:

1. Robot cartezian – braţul operează într-un spaţiu definit de coordonate carteziene

2. Robot cilindric – spaţiul de manevre este definit în coordonate cilindrice;

3. Robot sferic (polar) – spaţiul de lucru este definit în coordonate sferice (polare);

4. Robot prosthetic – manipulator cu braţ articulat (bionic);

5. Roboţi în sisteme de coordonate particulare.

 

B. După numărul gradelor de libertate ale mişcării braţului de lucru (grade de libertate lucrative, plus eventuale mişcări suplimentare/pregătitoare):

1. Roboţi cu un număr mic de grade de libertate (2-3);

2. Roboţi cu un număr mediu de grade de libertate (4-5);

3. Roboţi cu un număr mare de grade de libertate (6-7).

 

C. După informaţia de comandă/intrare/instruire:

1. Manipulator manual – robot acţionat direct de om;

2. Robot secvenţial – lucrează după o procedură pre­deter­minată de instrucţiuni seriale;

3. Robot repetitor – robotul memorează procedura de lucru înregistrând secvenţele de la manipularea sa de către om/programator;

4. Robot cu control numeric – robotul primeşte comenzile de lucru de la o unitate de control (care îi transmite informaţii digitale referitoare la poziţii, deplasări, manevre, succesiuni de operaţii, însă fără considerarea dinamică a condiţiilor din spaţiul de lucru);

5. Robot inteligent – sistemul urmăreşte obiective lucrative şi le îndeplineşte algoritmic dar cu considerarea de condiţii/stări/reacţii din spaţiul de lucru (informaţii sosite de la subsisteme de senzori, de recunoaştere a realităţii).

 

D. După nivelul/performanţa inteligenţei artificiale (IA):

Generaţia 1 – robotul acţionează pe baza unui program care nu se poate schimba în timpul lucrului.

Generaţia 2 – programul de control al robotului poate fi modificat în mică măsură pe baza unor reacţii punctuale din mediul de lucru.

Generaţia 3 – robotul îşi poate adapta/ajusta singur programul de lucru pe baza unor logici (software/hardware) ce iau în calcul condiţiile concrete ale mediului de lucru. (Notăm că s-au aproape definit şi generaţii intermediare, gen ‘1.5’ sau ‘2.5’!)

 

Notăm că este de preferat să recurgem la ajutorul integratorilor nu doar pe perioada implementării, ci şi pentru asistenţa tehnică de ex­ploatare.

Ca beneficiari (ori din poziţia de integratori sau de consultanţi), va trebui să luăm în calcul o mulţime de cerinţe tehnice pentru instalarea roboţilor, precum: platforma de fixare, delimitarea spaţiului de lucru (zonă de protecţie); alimentarea cu energie electrică (conform specificaţiilor de tip, putere, stabilitate/calitate), alte utilităţi (aer comprimat, apă de răcire), racorduri speciale (cabluri/furtune/conducte); asigurarea vizibilităţii şi/sau accesibilităţii pentru inspectarea de mentenanţă, ş.a.

Caietul de sarcini iniţial, dar şi soluţiile tehnice alese în faze timpurii ale implementării, precum şi contextul existent în respectiva întreprindere, vor determina diversele opţiuni de realizare a SFA. De exemplu, pentru controlul centralizat al celulelor flexibile vom alege căile standar­dizate, materializate prin cablări fieldbus (Ethernet/EtherCAT, ProfiNET, ProfiBus) sau prin transmisie radio (RFID/FRAM, WiFi, ZigBee, LoPan, Zwave, wcs etc). De asemenea, logica de operare (mai ales pentru roboţii cu grad IA mare) poate implica algoritmi vizuali, precum ,,3D mapping” (cartografierea mediului) sau ,,2D image recognition” (recunoaşterea formelor), deci cu pondere informatică (software sau firmware) substanţială.

Da, avem o multitudine de aspecte privind instalarea roboţilor industriali. Însă – indiferent că accentul răspunderii pentru implementare cade pe specialiştii proprii (din ograda beneficiarului) ori pe cei ai integratorului/furnizorului – dialogurile şi cooperarea trebuie să acopere problemele implicate.

Ulterior, adică în exploatarea celulelor/sistemelor flexibile, întreprinderea ia în mod firesc în considerare aspectele privind mentenanţa roboţilor, care nu diferă esenţialmente de cea angajată pentru acţionări electrice şi pentru automatizări, chiar dacă pe alocuri vor apărea şi elemente particulare (precum verificările periodice privind precizia mişcărilor braţului robotic în cadrul reviziilor garanţie/postgaranţie).

Perspective privind roboţii industriali

Pe de o parte este sigur că – în condiţiile ,,reaşezării” pieţelor după criza economică – producătorii vor simţi ca o presiune crescândă concurenţa dintre ei: adică nu e loc de relaxare – cine vrea să (mai) activeze pe pieţele industriale va fi nevoit să implementeze drastic soluţii tehnice şi logistice de eficientizare. Ceea ce va determina o intensificare a adoptării mecatronicii industriale. Însă probabil vom vedea şi o anume concentrare în aceasta – în sensul că firmele medii/mici vor fi nevoite să renunţe la lupta cu greii, şi să se reorienteze către nişe în care robotizarea high-end să nu joace un rol esenţial. Cum societatea/civilizaţia are nevoie în continuare de produse, industriile nu pot ,,reduce motoarele”, iar continuitatea va impune folosirea roboţilor în tot mai multe procese de fabricaţie.

Apropo! Pentru a simţi pe viu cum evoluează domeniul, nu pierdeţi ,,Automatica 2014”, marele târg internaţional de la Munchen, din 3-6 iunie (detalii prin www.automatica-munich.com.).

Pe de altă parte, pe lângă acea polarizare de care vorbeam mai sus, e posibil – mai ales în anumite industrii ,,grele”, precum automobile, nave, utilaje energetice – să existe un recul în privinţa reducerii producţiei de serie, iar pe termen lung chiar am putea asista şi la o modificare de paradigmă în privinţa SFP: roboţii industriali din viitor să urmărească alte criterii (revelate fie ca aspecte competiţionale, fie ca elemente culturale), în dauna vitezei de execuţie.

Deşi este fascinant să-i vedem la lucru, ar fi de preferat să nu facem din roboţi un panaceu universal. Sau, mai bine zis, chiar dacă ne apar astfel (teoretic şi sunt), să nu pierdem din vedere faptul că în foarte multe situaţii, în care necesitatea automatizării ne este evidentă, există soluţii mai economice (precum simplele manipulatoare carteziene). Aceeaşi pomenită stratificare a pieţei (pe criterii tehnico-economice) va face ca producătorii mai mici să recurgă la automatizări ,,cu IQ mai scăzut”, materializate în aplicaţii descentralizate, realizate cu PLC-uri standard sau cu controllere modulare/încapsulate.

(Surse foto: www.abb.com; www.bbips.pl; www.mwes.com)


Mircea Băduț este inginer, consultant CAD/IT



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord