Roboty a automatické výrobní systémy

Roboty a automatické výrobní systémy

Úvod
Smysl automatizace jako činnosti bez přímé účasti člověka se v průběhu vývoje lidské společnosti mění. Na úplném počátku je to atraktivní zvláštnost v podobě chování hříček nezávislého na přímém vlivu člověka. Již ve 14. století byla realizována myšlenka řízení prostřednictvím po sobě přicházejících instrukcí – povelů. Jde o konstrukce zvukových hracích strojů, které byly ovládány otáčejícími se válci na povrchu opatřenými ostny. Později to byla snad snaha o zrychlení monotónní činnosti na úroveň, na kterou již člověk nestačí, a v pozadí již stál zájem o zvýšení výkonu výroby. V roce 1808 J. M. Jacquard použil plechovou děrnou kartu k automatickému řízení textilního stroje. Plechová karta byla předchůdcem moderních výměnných nosičů programu. Automatizaci si později vynutila i potřeba vyrábět složité díly s vysokou přesností v přijatelném čase. Přesnost výroby je úzce spojena s rostoucími nároky na kvalitu a spolehlivost výrobků. Životnost je chápána ne jako vlastnost výrobku udržet svoji funkci co nejdelší dobu, ale jako schopnost spolehlivě zachovat funkční vlastnosti v plném rozsahu při malém omezení podmínek užívání.

Automatizace dnes hluboko pronikla do všech oblastí činnosti člověka. Významné postavení zaujala v prostoru výrobních procesů, kde dokonce výrazně ovlivňuje směry dalšího vývoje realizace všech druhů technologií.

Vývoj automatů od počátku těsně doprovází vývoj výrobních strojů. Ve strojírenské výrobě se vysoce automatizované obráběcí stroje, vykonávající v řadě fází různorodé operace, objevují od počátku 20. století. Ve 20. letech jsou v amerických automobilkách v provozu automaticky pracující galvanické pokovovací linky obsluhované programově řízenými manipulátory.

Rozvoj automatizace výrobních procesů s využitím principu číslicového řízení začal na počátku 50. let minulého století, kdy na zakázku amerického letectva vyvinul J. Parsons systém řízení polohy vřetena obráběcího stroje na základě informací z výstupu počítače.

Automatický provoz výrobních strojů, zařízení, systémů si nelze představit bez automatické manipulace, která automatickou činnost technologických prostředků ve většině případů přímo podmiňuje. Symbolem automatizace výrobních procesů se postupně stal průmyslový robot. První konstrukce robotů, které odpovídají dnešním koncepcím, vznikaly po roce 1954.

Rozvoj automatizace výrobních procesů průmyslové roboty významně ovlivňují především v  posledních dvaceti až pětadvaceti letech, kdy se z původně pomocných zařízení pro obsluhu strojů staly uznávanými pružnými automatickými prostředky pro realizaci technologických operací. Lze prohlásit, že z hlediska realizace funkcí v rámci výrobního procesu v posledních letech došlo k jakémusi rozmazání tradiční ostré hranice mezi výrobním strojem a robotem. Roboty se v současné době využívají především pro realizaci technologických operací, zatímco čistě manipulační operace, např. v rámci obsluhy strojů, zajišťují jednodušší manipulátory.

Ze statistických údajů vyplývá, že počet robotů na světě se ke konci roku 2000 přiblížil k jednomu milionu. Asi polovina jich pracuje v Japonsku, v USA je to asi 100 000 robotů, v Německu 76 000. Japonsko je považováno za nejvýraznějšího a nejperspektivnějšího uživatele robotů ve světě. Nejvíce robotů se v současné době používá v automobilovém průmyslu. V Japonsku pracuje na každých 10 000 dělníků v tomto průmyslovém odvětví 800 robotů, v Itálii 400, v USA 300, Ve Švédsku 200, v Německu 230, ve Francii a Velké Británii 200. Vzhledem k tomu, že největší zkušenosti s automatizací mají zřejmě v Japonsku, lze rozložení aplikací robotů v jednotlivých odvětvích japonského průmyslu pokládat za prognózu vývoje aplikací automatizace s roboty i v ostatních zemích.

Podle dostupných údajů bylo v bývalém Československu v letech 1981 až 1990 uvedeno do provozu asi 7 000 průmyslových manipulátorů a robotů. Je zřejmé, že v poměrně vysokém počtu byly zastoupeny jednodušší manipulační prostředky pracující především v rámci automatické manipulace při obsluze strojů. V současné době souhrnné statistické údaje o stavu automatizace v našich podnicích chybějí. Přesto lze z řady příznaků uvést jistou charakteristiku. Výrazný celosvětový pokles zájmu o automatizaci na počátku devadesátých let byl u nás zvýrazněn vyřazením většího počtu automatizovaných pracovišť z provozu z důvodu nepřijatelné nespolehlivosti především řídicích systémů robotů tuzemské produkce. V posledních deseti letech strmě roste počet automatických technologických pracovišť s moderními roboty, zejména ve výrobních firmách se zahraniční účastí. V této souvislosti je důležité připomenout dlouhodobé významné uplatnění číslicově řízených obráběcích strojů v našich podnicích a uznávanou úroveň NC strojů vyráběných v České republice.

Konstrukce robotů
Koncepce konstrukcí robotů se nyní realizují podle uspořádání kinematické struktury ve dvou typech. Základní verzí kinematické struktury, která je v konstrukcích robotů zatím nejrozšířenější, je otevřený řetězec rovinných rotačních a translačních kinematických dvojic. U robotů používaných v současné době v průmyslové výrobě je rozsah nezávislých pohybů na úrovni pěti až šesti. Pohybový systém je zpravidla rozdělen na dvě části. První část, tzv. hlavní pohybový systém, tvoří tři pohyby, jako kombinace rotačních a translačních kinematických dvojic. Druhou část pohybového systému představuje tzv. zápěstí, situované na výstupu hlavního pohybového systému. Jednotlivým kombinacím rotačních a translačních dvojic odpovídají charakteristické konfigurace hlavního pohybového systému, tj. kartézský, cylindrický, sférický a angulární pohybový systém. V současné době u vyráběných typů robotů silně převažují konstrukce se třemi rotačními pohyby v rámci angulární kinematické struktury a s dalšími dvěma až třemi rotačními pohyby v zápěstí. Další charakteristickou vlastností nejrozšířenějších konstrukcí robotů je elektromechanický pohon s rostoucím podílem střídavých elektromotorů.

Vývoj robotů této již klasické podoby jde cestou zvětšování rozsahu funkčních možností prostřednictvím růstu vlivu senzorického vybavení a do určité míry i zvyšování nosnosti robotů s elektromechanickým pohonem (současná úroveň je asi 250 až 300 kg). Přesnost polohování u otevřených struktur zřejmě zůstane pod limitní hranicí setin milimetru.

Samozřejmou součástí vývoje konstrukce klasické otevřené struktury je zpřesňování konstrukce jednotlivých částí, zmenšování rozměrů příčných profilů ramen a zvyšování úrovně dynamických parametrů.

V oblasti stavby výrobních strojů, průmyslových robotů a manipulačních prostředků rostou požadavky na přesnost realizace technologických operací a na produkční výkon. Tyto požadavky se v transformované podobě projevují tlakem na zvětšování tuhosti konstrukce, zvyšování přesnosti polohování pohybových jednotek, zvětšování rychlosti jejich pohybu a na zvyšování dynamiky činnosti. Dosažení velkých hodnot parametrů stroje musí být doprovázeno vysokou spolehlivostí, malými energetickými nároky na provoz, respektováním přísných ekologických podmínek a co nejnižší cenou.

Reakcí na tyto požadavky je nová koncepce kinematické konfigurace, která se v posledních několika letech objevila ve stejné podobě jak v souvislosti s obráběcími stroji, tak v souvislosti s roboty. Jde o tzv. paralelní kinematickou strukturu. Na rozdíl od konvenčního sériového uspořádání pohybového systému je u paralelního uspořádání výstup obráběcího stroje, tj. vřeteno, stejně jako u robotu pracovní hlavice, umístěn na desce, která je několika paralelními větvemi spojena s rámem. V každé větvi je soustředěn pohybový mechanismus, jehož chování charakterizuje jeho kinematická funkce.

Koncepce paralelních kinematických struktur vycházejí z tzv. Stewartovy plošiny, jejíž uspořádání navrhl v roce 1965 D. Stewart. V průběhu let 1970 až 1990 bylo neúspěšně vyrobeno několik funkčních modelů. Důvodem neúspěchů byly obtíže na úrovni hardwaru i softwaru. V dalším období se objevilo několik konstrukcí, jejichž přijatelné fungování umožnil především rozvoj počítačové techniky. Nastavování polohy prostřednictvím paralelní kinematiky je výsledkem simultánního řízení několika paralelních podpěr a složitost výpočtu polohy je výrazně větší než u konvenčních sériových struktur. Problém je s transformací souřadnic a s rychlostí realizace matematických procedur s ohledem na řízení v reálném čase. Z vyrobených typů konstrukcí lze uvést simulátory pro výcvik pilotů a operátorů řízení lodí, manipulátory, roboty a obráběcí centra. Počet paralelních vzpěr se pohybuje v rozmezí tři až šest pro rovinné a prostorové uspořádání. Mezi základní vlastnosti paralelních dispozic pohybových systémů patří skutečnost, že konstrukce není téměř namáhána na ohyb, je uváděna až pětkrát větší tuhost ve srovnání s konvenčními konstrukcemi, přesnost až 0,002 5 mm a až třikrát větší rychlost při velkých hodnotách zrychlení.

Do třicátých let 20. století byly struktury výrobních strojů vytvářeny převážně pevnými mechanismy, které pracují s přenosem energie prostřednictvím tuhé látky. Vývoj si vyžádal účast dalších druhů mechanismů v jejich strukturách a výrobní stroje a manipulační prostředky vyvíjené a vyráběné v současné době mají strukturu, která je kombinací různých druhů mechanismů. Charakteristikou vývoje struktur výrobních strojů a robotů je vedle kombinace různých druhů mechanismů rostoucí podíl standardních komponent a zvětšující se rozsah funkce těchto komponent. Zvětšování rozsahu funkce komponent se dále projevuje zmenšováním počtu prvků struktury. Integrace funkcí v rámci jedné komponenty vede i k integraci různých druhů mechanismů v rámci lokální struktury komponent. Podstatným rysem struktur moderních strojů je disjunktivní vztah výkonové a informační části. V posledních desetiletích se ve strukturách komponent, a tedy i strojů, výrazně prosadily elektrické mechanismy, a to v podobě pro přenos výkonů i pro přenos a zpracování informací. Typickými příklady jsou integrované servopohony výrobních strojů nebo pohonné jednotky robotů, kde je v jednom konstrukčním celku soustředěn elektromotor, elektromagnetická brzda, redukční převodovka, čidlo rychlosti a čidlo polohy. Obdobný charakter mají modulové translační jednotky, v rámci jejichž struktury je integrována i mechanická část posuvného vedení. Do tohoto prostoru kombinovaných nehomogenních struktur patří i moderní tekutinové moduly, v nichž je integrována struktura rozváděcích prvků s ovládacími elektromagnety a řídicí elektronikou.

Charakteristika automatizovaných výrobních systémů
Strukturu elementárního technologického pracoviště tvoří technologický prostředek pro realizaci jedné technologie, vstupní a výstupní zásobník objektů zpracování, manipulátor objektů, zásobník nástrojů a manipulátor nástrojů. Varianty struktury pracoviště, nebo v mezním případě stroje, vycházejí z různého stupně integrace konstrukce uvedených dílčích funkčních částí. Spojením struktur elementárních technologických pracovišť prostřednictvím automatických transportních nebo manipulačních prostředků vzniká automatický výrobní systém. Funkční rozsah transportních prostředků je určen rozsahem jejich pohyblivosti a úrovní pružnosti při změně pohyblivosti v daném pracovním prostoru.

Tomu odpovídají tyto základní kategorie transportních modulů s:

• mechanickým řízením,
• indukčním řízením,
• optickým řízením,
• laserovým, popř. ultrazvukovým řízením.

Vývoj struktur automatických výrobních systémů se projevuje zmenšováním počtu prvků struktury a zjednodušováním vazeb mezi prvky zásluhou zvyšování funkční a konstrukční integrace. Výsledkem je vznik strojů s realizací několika technologií stejného druhu, popř. i různého druhu v rámci jedné konstrukce stroje. Významným projevem vývoje automatických technologických pracovišť i systémů je trend minimalizace rozsahu manipulačních a transportních operací. Významný vliv v tomto směru má vývoj nových koncepcí strojů, vývoj nových výkonných, popř. i mnohofunkčních nástrojů a rozvoj nekonvenčních technologií.

Tradiční významné postavení v prostoru strojírenských výrobních technologií zaujímá obrábění a tváření materiálu. Rozvoj obou těchto technologií a jejich aplikací významně ovlivňuje automatizace.

Automatizace technologie obrábění vychází v nejjednodušší podobě z uplatnění jednoprofesního obráběcího NC stroje doplněného automatickým manipulátorem pro vkládání polotovarů ze vstupního zásobníku do stroje a předávání obrobených součástí ze stroje do výstupního zásobníku. Vyšší úroveň koncepce obráběcího stroje v současné automatizované výrobě představují tzv. několikaprofesní stroje – obráběcí centra umožňující na jedno upnutí polotovaru realizovat několik technologií obrábění v jednom stroji. Vedle automatické manipulace s polotovary a hotovými obrobky jsou obráběcí centra opatřena automatickou výměnou nástrojů. Při aplikaci obráběcích center se zmenšuje rozsah manipulace s obrobkem a tím se zvyšuje využití stroje až na 70 %. Spojením uvedených struktur elementárních automatických pracovišť prostřednictvím automatických transportních a dopravních prostředků vzniká pružný výrobní systém.

Automatizace technologie tváření spočívá především v automatizaci manipulace s materiálem (vkládání polotovarů, vyjímání výlisků) a zatím v menší míře v automatické manipulaci s nástroji. Vyšší úroveň struktury výrobního systému vzniká spojením dílčích automatizovaných pracovišť automatickými transportními prostředky.

Charakteristickým rozvojovým rysem struktur výrobních systémů se stává sdružování technologií v podobě automatických multitechnologických strojů a zařízení, linek „bez manipulace“. Středem pozornosti jsou tzv. multitechnologické pružné automatizované výrobní systémy. V současné době přichází v rámci struktury takového systému v úvahu integrace např. těchto technologií:

• přesná výroba polotovarů plus tepelné zpracování plus dokončovací obrábění,
• přesné plošné tváření plus svařování plus povrchová úprava,
• přesné odlévání (tlakové) plus dokončovací obrábění,
• objemové tváření plus spékání plus dokončovací operace,
• přesné plošné tváření plus obrábění.

Lze očekávat přechod od vytváření rozsáhlých pružných výrobních systémů k menším seskupením multitechnologických pružných automatizovaných systémů, které budou propojitelné při dosažení jednotné úrovně automatizace do vyšších celků.

Podstatný vliv na rozsah uplatnění jednotlivých technologií v budoucnosti má využití materiálu a spotřeba energie. Roboty se postupně staly rovnocennými partnery výrobních strojů, přičemž ve velkém rozsahu přebírají i množství jejich funkcí. Jde zejména o konstrukce s paralelní strukturou, které vzhledem k vysoké tuhosti mohou realizovat i operace obrábění. Nejrozšířenější aplikací robotů v automatizované výrobě zůstává obloukové a bodové svařování a povrchové úpravy.

Silně se prosazují aplikace robotů v automatizaci montáže. Zatím se používají dva základní způsoby automatizace montážních prací. V prvním případě jde o tzv. soustředěnou montáž, kde všechny operace vykonává robot na jednom pracovišti. V druhém případě jsou elementární montážní operace realizovány na oddělených pracovních pozicích a jsou uskutečňovány v kombinaci účasti robotů a jednoduchých montážních manipulátorů, rozmístěných kolem otočnému stolu nebo transferového dopravníku.

Perspektivní postavení ve strukturách montážních systémů mají paralelní konstrukce, a to vzhledem k vysoké dynamice jejich činnosti.

Závěr
Rozvoj automatizace výrobních procesů není závislý jen na možnostech příslušných technických prostředků a bude ovlivňován i vývojem vlastních technologií. Z hlediska automatizace mají lepší předpoklady pro další rozvoj nekonvenční technologie, jako např. využití laseru a vysokoenergetického tekutinového paprsku pro dělení a spojování materiálů, než technologie, které vznikaly s ohledem na ruční práci.

Vývoj realizace technologií v nejbližších letech lze očekávat ve směru pružných systémů tvořených multifunkčními výrobními stroji a roboty. Roboty jsou uplatněny především v rámci samostatného vykonávání technologických operací a nebo v rámci kooperace s výrobními stroji při realizaci technologií. Čistě manipulační úkony jsou zajišťovány jednoduššími manipulátory, ovšem s respektováním trendu minimalizovat rozsah manipulace s materiálem i s nástroji. Lze očekávat podstatné zásahy do konstrukce objektů výroby s ohledem na zjednodušení automatické montáže. V automatické montáži budou mít významné postavení roboty v integrovaných strukturách montážních pracovišť.

prof. Ing. Jaroslav Talácko, CSc.,
Fakulta strojní ČVUT v Praze