Robotyzacja procesów produkcji i obróbki elementów metalowych

autor: Paweł Handzlik
ASTOR, dystrybutor robotów Kawasaki

Naczelną ideą przyświecającą dzisiejszym zakładom produkcyjnym jest dążenie do uzyskania celu, przy możliwie najniższych kosztach. Robotyzacja produkcji stawia przed przedsiębiorstwami coraz to nowe możliwości. Zwiększenie mocy produkcyjnej, ograniczenie przestojów, poprawa wydajności, jakości oraz zwiększenie bezpieczeństwa pracy, to tylko niektóre z nich. W niniejszych rozważaniach skoncentrujemy się na technicznych aspektach robotyzacji procesu produkcji i obróbki elementów metalowych, przedstawiając możliwości, jakie niosą, w trzech praktycznych odsłonach.

Zastosowania hutnicze: praca w wysokich temperaturach
Zadania realizowane w hutnictwie od zawsze zaliczane były do prac o podwyższonym zagrożeniu dla zdrowia pracowników. Zagrożenia dla ludzi pracujących w zakładach hutniczych można podzielić na dwie grupy. Z jednej strony są to czynniki środowiska pracy, charakterystyczne dla całego przemysłu hutniczego, z drugiej zaś są to typowe zagrożenia występujące w przemyśle ciężkim. Zastosowanie robotów pozwala na odsunięcie ludzi od strefy działania czynników szkodliwych, takich jak wysokie temperatury, hałas, trujące opary. Robotyzacji poddawane są procesy zarówno zalewania form, jak również kucia na gorąco czy odbierania gotowych odlewów.

Niejednokrotnie jednak, temperatury panujące bezpośrednio w pobliżu pieców hutniczych okazują się zbyt wysokie także i dla robotów. Konieczne jest wówczas wyposażenie robota przemysłowego w odpowiednie "ubranie ochronne". Osłona taka ma za zadanie, prócz zabezpieczenia robota przed odpryskami, zapewnienie odpowiedniego chłodzenia jednostki mechanicznej.

Zastosowanie robotów przemysłowych podnosi wydajność produkcji, elastyczność zakładu, poprawia jakość wyrobów oraz standard pracy i bezpieczeństwo ludzi. Wykonany odlew lub odkuwka wymaga dalszej obróbki. Procesy te również można zrobotyzować.

_____________________________________________________________________________

Szlifowanie i polerowanie
Ekonomiczne stanowisko automatycznego szlifowania składa się jedynie z robota przemysłowego, maszyny szlifującej/polerującej oraz systemu, który doprowadza do przestrzeni roboczej robota przedmiot przeznaczony do obróbki w konkretnej, powtarzalnej orientacji przestrzennej. Jeśli orientacja nie jest powtarzalna, stosuje się mechanizmy pozycjonujące lub systemy wizyjne do określania orientacji detalu. Roboty często znajdują zastosowanie w realizacji zadań szlifowania i polerowania. W zależności od potrzeb mogą one wykonywać jedną z trzech operacji:

1. Podawanie detalu do maszyny (załadunek/rozładunek)
W przypadku obsługi kompaktowych maszyn obrotowych, zwłaszcza w technologii mokrej, zadanie robota polega na pobraniu detalu, umieszczeniu go w maszynie, uruchomieniu procesu obróbki technologicznej i odebraniu gotowego przedmiotu. Za pomocą specjalnie zaprojektowanego chwytaka, robot pobiera detal i, w zależności od specyfiki procesu, przenosi i montuje element w kompaktowej maszynie obrotowej, uruchamia maszynę, a następnie odbiera obrobiony detal i odkłada go na paletę. W tym procesie istotne jest zapewnienie właściwej orientacji elementu tylko w początkowym i końcowym punkcie ruchu. Cały proces obróbki realizowany jest poprzez głowice obrotowe i trzpienie robocze, zamontowane wewnątrz maszyny obrotowej.

2. Manipulacja detalem względem nieruchomo zamocowanego narzędzia
Kiedy mamy do czynienia z wolno stojącą szlifierką tarczową lub taśmową, znacznie wzrastają wymagania co do możliwości kinematycznych i jakości sterowania robotem. Kluczowa bowiem staje się dokładna realizacja całej, często bardzo skomplikowanej trajektorii ruchu, przy zachowaniu odpowiedniej prędkości i siły nacisku na tarczę/taśmę szlifierki.

3. Manipulacja narzędziem względem nieruchomo zamocowanego detalu
Zwłaszcza w przemyśle odlewniczym, w którym zachodzi potrzeba oczyszczania i szlifowania odlewów, spotykamy się ze stanowiskami, w których robot manipuluje samym narzędziem, natomiast detal pozycjonowany jest na sztywno. Wynika to z dużej masy detalu lub też ze skomplikowanej trajektorii, którą łatwiej zrealizować niewielką głowicą niż detalem.

Szlifowanie, stosowane do oczyszczania odlewów, to proces, w którym robot za pomocą umieszczonej na efektorze wirującej tarczy szlifierskiej, obrabia przedmiot. Gratowanie, czyli usuwanie pozostałości po poprzednich operacjach, przebijanie otworów i wygładzanie krawędzi wykonuje się przy pomocy robota operującego głowicą, wyposażoną we frez, napędzany najczęściej silnikiem elektrycznym. Polerowanie i szlifowanie wygładzające to proces, w którym robot poleruje i wygładza obrabiane powierzchnie, manipulując tarczami szlifierskimi, z elastycznym dociskiem i o wysokich prędkościach obrotowych. Tak skomplikowane trajektorie często wymagają wspomagania podczas ich projektowania. Dzięki możliwości współpracy robotów przemysłowych z oprogramowaniem CAD/CAM, istnieje możliwość dokładnego zamodelowania stanowiska oraz wygenerowania, a następnie przesłania trajektorii, spełniającej wysokie wymagania, charakterystyczne dla tego typu operacji.

_____________________________________________________________________________

Współpraca robota z maszynami do obróbki skrawaniem
Praca operatora przy maszynie do obróbki skrawaniem jest wbrew pozorom wymagająca. Jest wiele czynników, które wpływają negatywnie na warunki pracy:
> bezpośrednia bliskość ruchomych elementów maszyn obróbczych np. obracające się głowice frezarskie, uchwyty tokarskie, wrzeciona, śruby, wały;
> wylatujące z maszyn wióry, odpryski materiału lub elementy uszkodzonych narzędzi;
> rozpryski płynów technologicznych;
> zapylone powietrze na stanowisku pracy oraz mgła z chłodziwa;
> konieczność wielogodzinnej pracy w pozycji stojącej;
> hałas i drgania;
> duży ciężar przenoszonych elementów do obróbki;
> monotonia wykonywanych zadań.

Wszystkie te czynniki powodują, że wykonywane zadania są niebezpieczne oraz męczące fizycznie i psychicznie. W wyniku przemęczenia pracownik traci na efektywności, a osiągane wyniki na jakości. Zastąpienie więc człowieka robotem przemysłowym pozwala uniezależnić wykonywanie zadań od wpływu wszystkich negatywnych czynników, co ma bezpośredni wpływ na wyniki i wydajność. Takie podejście pozwala na przydzielenie specjalistom ambitniejszych zadań i wpływa na oszczędności kadrowe. Dzięki połączeniu maszyny z robotem i bezpośredniej komunikacji można przyśpieszyć proces, podnosząc przy tym jakość produktów. Eliminacja mikroprzestojów przynosi dodatkowe efekty i łatwo policzalne profity w postaci wzrostu produkcji.

_____________________________________________________________________________

Robot + głowica frezarska = więcej niż frezarka 3D
Stanowisko z robotem przemysłowym wyposażonym w głowice z frezem daje znacznie większe możliwości niż standardowe metody.

Przede wszystkim jest to bardzo elastyczne rozwiązanie, które łatwo można dostosować do realizacji różnych zadań. Jeśli zajdzie taka konieczność, to szybko można przystosować robota do manipulacji detalem. Bez wymontowywania go z jednego stanowiska może on wtedy obsługiwać sąsiednią maszynę. Stanowisko takie zajmuje mniej miejsca na hali, w porównaniu ze standardowymi frezarkami, dając przy tym większy obszar roboczy. Robot podwieszony na szynie jezdnej pozwala obrabiać bardzo duże detale i jednocześnie zajmuje mało miejsca. Stanowisko z robotem jest dużo bardziej otwarte. Łatwiej załadować jest detal oraz zrealizować wymianę narzędzia, uchwytu lub dokonać przeglądu. Odjeżdżając robotem na jeden koniec stanowiska uzyskujemy swobodny dostęp do całego obszaru pracy. To wszystko pozytywnie wpływa na efektywny czas pracy stanowiska i zwiększa wydajność.

Po skomunikowaniu z systemem CAD/CAM i odpowiedniej kalibracji narzędzia, możemy realizować nawet bardzo skomplikowane wycinanie kształtów w materiale. Najczęściej możliwości te stosuje się do materiałów miękkich, takich jak drewno czy pianka. W taki sposób, przy współpracy z komputerowym systemem modelowania CAD/CAM, możemy używać robota przemysłowego jako frezarki 3D. Podłączenie dodatkowej osi do robota Kawasaki w funkcji obrotnika obrabianego detalu, pozwala wyciąć dowolne kształty w trzech wymiarach. Tak innowacyjne rozwiązanie ma wiele zalet. Oprócz wartości wnoszonych do procesu produkcyjnego, istotne jest również kreowanie wizerunku firmy nowoczesnej, gotowej na ciągły rozwój.

_____________________________________________________________________________

Zrobotyzowane spawanie
Spawanie zawsze było jednym z głównych zastosowań robotów przemysłowych w przemyśle metalowym. Ich wykorzystanie w procesie produkcji pozwalało na uzyskanie produktów spełniających najwyższe wymagania, jednocześnie gwarantując bardzo dużą wydajność. Dawniej, ze względu na wysoki koszt i skomplikowaną obsługę, korzystał z nich głównie przemysł samochodowy. Dziś, dzięki rozwojowi techniki, obsługa robotów jest dużo prostsza, a cena zakupu przystępna, nawet dla małych przedsiębiorstw.

Główne zalety zrobotyzowanego spawania:
> eliminacja braku powtarzalności produkcji,
> większa elastyczność produkcji,
> redukcja kosztów szkolenia pracowników,
> zwiększenie kontroli procesu spawania,
> zmniejszenie zużycia materiałów spawalniczych,
> niezawodność.

Większość producentów robotów przemysłowych opracowało i rozwija konstrukcje, dedykowane do zrobotyzowanych aplikacji spawania. Dysponują one 6 osiami napędowymi, sterowanymi za pomocą elektrycznych serwonapędów, co czyni ich pracę szybką i dynamiczną. Dodatkowo, dzięki specjalnemu oprogramowaniu i dedykowanym funkcjom, mogą być używane przy różnych technikach spawalniczych (m.in. MIG/MAG, TIG, ColdArc, CMT). Zrobotyzowane spawanie często wymaga wykorzystania specjalnych, dodatkowych funkcji. Zaimplementowane w robotach dedykowanych do spawania funkcje spawalnicze zostały stworzone w celu ułatwienia procesu programowania oraz maksymalizacji wydajności spawania. Poniżej znajduje się opis funkcji najczęściej wykorzystywanych w aplikacjach zrobotyzowanego spawania.

.: Touch Sensing
W aplikacjach zrobotyzowanego spawania wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie elementów łączonych. Niestety, w warunkach produkcyjnych nie zawsze można zagwarantować pełną powtarzalność. W takich okolicznościach rozwiązaniem może być zastosowanie funkcji Touch Sensing.

Funkcja Touch Sensing może być wykorzystywana w następujących przypadkach:
1. Ustawiania stałej długości wolnego wylotu elektrody
2. Potwierdzania obecności detalu
3. Dokładnego pozycjonowania elementu.

.: Parametryzacja Wzorów Ściegów Zakosowych
W niektórych aplikacjach zrobotyzowanego spawania wymagane jest, aby lico spoiny rozprowadzone było na dużej szerokości. Konieczne wówczas są ruchy boczne elektrody. Tak wykonany ścieg nazywany jest ściegiem zakosowym. Wykorzystanie funkcji Parametryzacji Wzorów Ściegów Zakosowych (Special Pattern Weaving) powoduje, że proste ściegi zakosowe mogą być dowolnie modyfikowane w zależności od wymagań technologicznych aplikacji. Użycie funkcji Special Pattern Weaving nie wymaga programowania dodatkowych punktów. Wystarczy wybrać jeden z zapamiętanych schematów. Wymagają one jedynie określenia parametrów takich jak np. szerokość i częstotliwość oscylacji. Dodatkowo, istnieje możliwość tworzenia własnych wzorów, według potrzeb.

.: Funkcja układania spoin wielowarstwowych
Podczas spawania detali o dużych grubościach konieczne jest czasem zastosowanie spoin wielowarstwowych, w celu polepszenia ich własności wytrzymałościowych. Programowanie polega na wskazaniu charakterystycznych punktów pierwszego ściegu. Pozostałe ściegi kolejnych warstw układane są według harmonogramu, który tworzymy, zapisując go w systemie robota. Znacząco przyspiesza to proces programowania.

.: Modyfikacja Ścieżki Spawania w Czasie Rzeczywistym
Funkcja RTPM (Real Time Path Modulation – Modyfikacja Ścieżki w Czasie Rzeczywistym) umożliwia śledzenie zmian prądu oraz korektę ścieżki na bieżąco, w trakcie procesu spawania. Monitorowanie tych parametrów sprawia, że spoina zostaje położona dokładnie i precyzyjnie. Czujniki pomiarowe odnotowują zmianę długości łuku, powstającą w trakcie układania ściegów zakosowych. Odchylenie od linii wtopienia lub zmiana szerokości rowka wymusza automatyczne wprowadzenie korekty do ustawienia palnika spawalniczego. Odbywa to się zarówno w kierunku poziomym jak i pionowym – tak, aby utrzymać stałą długość wolnego wylotu elektrody. Dzięki temu, pomimo odchyłek kształtu łączonych elementów, ścieg spoiny jest jednolity.

_____________________________________________________________________________

Nowoczesne roboty przemysłowe, dzięki szerokim możliwościom komunikacyjnym, współpracują ze źródłami spawalniczymi większości producentów. W standardowej konfiguracji mogą komunikować się ze spawarką w sposób analogowy. W przypadku, gdy aplikacja tego wymaga oraz spawarka jest przystosowana do komunikacji cyfrowej, kontroler robota może zostać rozbudowany o karty komunikacyjne pozwalające na komunikację w popularnych protokołach cyfrowych: Profibus DP (master/slave), DeviceNet (master/slave), Modbus TCP/IP serwer.

Obecnie, firmy produkcyjne stoją przed wyzwaniem, jakie stawia przed nimi coraz bardziej wymagający rynek. Chcąc zwiększyć efektywność firmy i jej konkurencyjność na rynku nie można zapominać, że proces modernizacji jest procesem ciągłym. Mądre inwestowanie zawsze się opłaca, a robotyzacja niewątpliwie jest obszarem, na który warto postawić.

Więcej informacji udziela:

Paweł Handzlik
Specjalista ds. Sprzedaży Robotów Przemysłowych
ASTOR Sp. z o.o.

tel. 12 428-63-00
fax 12 428-63-09
e-mail: pawel.handzlik@astor.com.pl
www.astor.com.pl/robotyka

******************************************************************************

Firma ASTOR jest autoryzowanym dystrybutorem robotów przemysłowych KAWASAKI od 2007 roku. ASTOR oferuje 4 główne serie robotów Kawasaki, przeznaczone do konkretnych zadań, między innymi do paletyzacji, malowania, przenoszenia materiałów, pakowania oraz obsługi maszyn. Roboty doskonale sprawdzają się również w mechanicznym montażu, jak i też w precyzyjnym spawaniu łukowym czy cięciu laserowym, przy użyciu strumienia wody, etykietowaniu i zgrzewaniu.

Firma ASTOR oferuje komplet szkoleń z zakresu robotów przemysłowych Kawasaki. Zakres informacji przekazywanych na szkoleniach obejmuje wszystkie etapy pracy z robotem. Zdobyta wiedza umożliwia świadomy i optymalny dobór robota do konkretnego zadania, wykonanie projektu stanowiska oraz symulację pracy robota w programie PC-Roset, programowanie i obsługę robota oraz utrzymanie ruchu. Szeroki zakres wiedzy, którą chcemy Państwu przekazać, został podzielony – przygotowano szczegółowe szkolenia z poszczególnych dziedzin. Szczegóły dostępne na stronie http://www.akademia.astor.com.pl/

Źródło: ASTOR, http://www.astor.com.pl