Aktuální vydání

celé číslo

07

2018

Hospodárné využívání energií a surovim

Monitorovací systémy životního prostředí

celé číslo

Pro toho, kdo chce být připraven na výzvy Industry 4.0, je nezbytná robotizace výroby

Obráběcí stroje by měly vyrábět stále produktivněji, rychleji a přesněji. Počty kusů ve výrobních sériích se snižují a tím se zvyšují požadavky 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 podnikatele staví demografické změny. Pokud jde o stupeň automatizace, má odvětví obráběcích strojů v porovnání s ostatními průmyslovými obory co dohánět, protože je zde stále značně rozšířená manuální činnost. Pouze 5 % výroby je automatizováno a jen 2 % při využití robotů. 

Zvýšení výrobní kapacity ze 70 % na téměř 100 %

U 20 % 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 %. Protože roboty pracují velmi přesně a dlouhodobě spolehlivě, nevznikají dokonce ani u složitých obrobků téměř žádné vadné díly, které by vyžadovaly opravu nebo musely být z dalšího postupu výroby vyloučeny. Kromě toho mohou roboty pracovat téměř nepřetržitě a jejich výkon je i po 24 h práce stejný jako v prvních minutách po jejich spuštění. Tím také aktivně přispívají k minimalizaci nákladů na prostoje. Přesností manipulace i s těžkými díly zabraňují kolizím a poškozování upínacích systémů, popř. 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: rostoucí požadavky na kvalitu, kratší dodací lhůty a příznivější ceny. V souhrnu je možné říci, že robot zvyšuje produktivitu i celkovou využitelnost obráběcího stroje. Čísla zde mluví sama za sebe: bez použití robotů se dosahuje vytížení obráběcích strojů kolem 70 %, zatímco s roboty téměř 100 %. Je pravda, že integrace průmyslového robotu k obráběcímu stroji vyžaduje náklady, avšak návratnost 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 v současné době dokážou rychle a precizně zakládat do obráběcích strojů neopracované obrobky a po jejich opracování je odebírat. Moderní koncepty automatizovaného ustavování a upínaní obrobků zohledňují potřeby zkracování doby cyklů, maximální dostupnosti stroje a flexibilní reakce na modifikace výrobků a změny v poptávce. Robot může rovněž efektivně využít dobu, kdy obráběcí stroj pracuje, a vykonávat další činnosti, jako je např. vrtání, odstraňování otřepů a další. V těchto případech přebírá některé činnosti obráběcího stroje, čímž mu odlehčuje, a zkracuje tak dobu běhu vřetene připadající na jeden obrobek. Pokud jde o díly náročné na třískové obrábění, může robot převzít např. hrubování a obráběcí stroj potom vykoná už jen finální opracování. Co se týče ostření nástrojů, je v současnosti již přibližně polovina strojů automatizována za využití robotů. Roboty lze také použít pro spolehlivou kontrolu kvality. 

Roboty budou přebírat větší podíl úkolů v oblasti obslužných operací

Základní funkce obráběcího stroje robot zpravidla přebírat nemůže a nebude, ale může významně optimalizovat produktivitu stroje tím, že převezme některé přidružené úkoly.

Obr. 1. Robot KR 500 L480-3MT umístěný na lineárním dopravníku uchopí pomocí pneumatického chapadla Zimmer odlitek a přemístí jej k jednomu z obráběcích center Heller

Zhruba 60 % využití obráběcích strojů připadá na úkony spojené s manipulací s obrobky, tzn. uchopení obrobku, jeho ustavení, upnutí, popř. pootočení, a přibližně 20 % na manipulace spojené s upínacím systémem a nastavením nulového bodu. Pouze asi 5 % úkolů, které v současné době roboty plní, připadá na obráběcí operace nebo dopravu materiálu mezi několika stroji, spojenou s paletizací a nebo s upínáním či vyjímáním obrobků. Podíl společné obsluhy několika obráběcích strojů se bude na základě aktuálních trendů ve výrobě a především v logistice do budoucna významně zvyšovat. Pokud jde o propojování činnosti několika strojů, může být robot buď pevně namontovaný na místě, ze kterého obsáhne několik strojů, nebo může být usazený na tzv. lineární ose (obr. 1). V případě potřeby ještě většího dosahu je možné použít roboty usazené na mobilních platformách vybavených navigací pro autonomní pohyb.

Robot využívaný pro výměnu nástrojů

Dalším trendem je robotická výměna nástrojů. Zatímco kapacita řetězových zásobníků nástrojů a podobných systémů končí u počtu 250 kusů, mohou roboty obsluhovat zásobníky se 400 i více kusy. Jsou-li mobilní a pohybují-li se od stroje ke stroji, mohou vyměňovat nástroje u několika strojů. Tam, kde se dříve využití robotu u jednoho stroje nevyplatilo, se zkrátí návratnost této investice při obsluze několika strojů jedním robotem. 

Společný jazyk pro robot i obráběcí stroj

Velká výrobní zařízení se často montují i bez předchozího ověření schopnosti vzájemné komunikace. Pro zlepšení 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 VDW (Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken) výzvu tohoto průmyslového odvětví akceptovalo a vyvinulo flexibilně použitelný standard, který umožňuje jednoduchou integraci robotů do výrobního systému. Standard uvedený v dokumentu č. 34180 vydaném Svazem německých výrobců strojů a zařízení VDMA (Verband der Deutschen Maschinen und Anlagenbauer ) by se měl stát mezinárodní normou ISO. Poté bude možné jednoduše propojovat do sítě samostatná výrobní zařízení i celé výrobní řetězce. Budou-li jednotlivá rozhraní již od začátku odpovídat jedné normě, komunikace mezi stroji se znatelně zjednoduší. Tento nový standard je všeobecně použitelný, což mu umožňuje vyhovět různým požadavkům, a lze jej implementovat všude tam, kde se vyskytne potřeba přemisťovat obrobky z transportních zařízení k obráběcím strojům. 

Integrace robotu Kuka do prostředí obráběcích strojů

Společnost Kuka již nyní nabízí vhodné řešení pro komunikaci mezi robotem a obráběcím strojem. Nativní programovací rozhraní zjednodušují programování a integraci robotů Kuka do prostředí obráběcích strojů. S ovládacím softwarem KUKA.PLC mxAutomation mohou externí řídicí systémy se zabudovaným PLC od firmy Kuka ovládat roboty prostřednictvím příkazů k pohybu.

Obr. 2. Na veletrhu EMO 2017 v Hannoveru představila společnost Kuka řídicí systém Kuka.PLC mxAutomation pro snadnou komunikaci mezi robotem Kuka a obráběcími stroji

To dovoluje snadno realizovat centrální koncept ovládání. 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 ramene, který potom uvádí robot do pohybu vykonávaného s obvyklou přesností a spolehlivostí. S výbavou KUKA.PLC mxAutomation stačí mít při programování řídicí aplikace jen minimální znalosti o programování robotů. Funkční moduly systému mxAutomation umožňují vydávat povely pro robot Kuka v běžném programovacím prostředí PLC. 

Integrace řízení robotů Kuka do stávajících obslužných panelů obráběcích strojů 

Software KUKA.PLC mxAutomation je rovněž společnou platformou, která sjednocuje ovládání robotů a strojů. To umožňuje bez vynaložení většího úsilí integrovat průmyslové roboty KUKA do existujících konceptů obsluhy strojů. Robot je potom možné ovládat prostřednictvím běžného rozhraní člověk–stroj. Za předpokladu realizace odpovídajících bezpečnostnětechnických opatření je možné k ovládání robotu použít také ovládací panel obráběcího stroje.

Obr. 3. Prostřednictvím Kuka.PLC mxAutomation je možné pohyby robotu ovládat přímo z operátorského panelu obráběcího stroje 

Dobrým příkladem takovéto integrace je zapojení robotů Kuka do prostředí Sinumerik nabízené společností Siemens. Při využití softwaru KUKA.PLC mxAutomation, balíčku rozšířené výbavy Run MyRobot Handling a sběrnice Profinet, která propojuje systémy KRC4 a Siemens Sinumerik 840D sl, lze řídicím systémem Sinumerik ovládat jakýkoliv robot Kuka. 

Mobilní robotické systémy pro továrnu budoucnosti

Větší podíl individualizace, výrobky v mnoha variantách, odklon od rigidní masové produkce k výrobku, který si zákazník ve svém počítači sám nakonfiguruje – to vše vede k radikální změně výroby, protože v tomto světě individualizované produkce bude požadována mnohem větší míra flexibility, než jaká stačila v minulosti. Aby bylo v budoucnu možné dostát v rámci průmyslu 4.0 tomuto požadavku, bude zapotřebí zavést nové koncepty výroby umožňující mimořádně flexibilní produkci a využívající vzájemné propojení celého výrobního řetězce. Logistika spojená s touto výrobou bude přitom od základu jiná. 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 nutné 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 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 skenerů se nedocílí pouze toho, že se budou mobilní platformy moci 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.

Obr. 4. Ready2Grip je modulární sestava univerzálních chapadel pro roboty, určená pro vysoce flexibilní výrobu a malé a střední firmy

Například robot KMR iiwa může samostatně vyzvedávat nástroje ze skladu a ukládat je do zásobníku nástrojů na obráběcím stroji, aniž by byla zapotřebí jakákoliv ochranná zařízení. Obsluhující pracovník má přitom přístup ke svému stroji i nadále zcela volný. Obrobky jsou mezi skladem a strojem nebo mezi jednotlivými stroji transportovány stejným způsobem. Změní-li se výrobní proces, změní 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, rozhodující roli. Coby nejflexibilnější prvek této výroby je robot schopen 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 cloudu Kuka je možné připojit nejen robot, ale také obráběcí stroj, popř. další zařízení používaná ve výrobním procesu. Pro toho, kdo chce být připraven na výzvy konceptu 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. Foto z archivu: KUKA Roboter CEE GmbH