Flexibilní robotické systémy pro malé a střední podniky

Šance pro robotizaci různorodé malosériové či kusové výroby v malých a středních podnicích nabízejí moderní tzv. kolaborativní roboty. Významné aktivity v tomto oboru robotiky jsou soustředěny v evropském projektu SMErobotics.

Velký počet variant výrobku, požadavky na vysokou kvalitu a malé výrobní dávky dosud ztěžují hospodárné použití „klasických“ průmyslových robotů v malých a středních podnicích (Small and Medium-sized Enterprise – SME). Drahé průmyslové roboty s velkými požadavky na montážní prostor, nutným bezpečným oddělením od člověka a se složitým programováním nejsou vhodné pro zákaznicky orientovaný způsob výroby v malých a středně velkých podnicích. Aby malé a středně velké podniky mohly dosáhnou vyššího stupně automatizace, jsou v rámci evropského projektu s názvem SMErobotics (viz dále) vyvíjeny inteligentní robotické systémy speciálně přizpůsobené jejich potřebám. Jde o robotická zařízení, která pracují bez oddělující bezpečnostní bariéry současně s dělníkem nebo vedle něho (obr. 1). Často jsou také označována jako kolaborativní roboty (collaborative robot, co-robot, popř. cobot) a je jim přisuzován obrovský potenciál růstu. Jimi používané nové metody intuitivního programování a robustního sledování činnosti programů při použití snímačů dovolují i menším podnikům efektivně používat robotické systémy ve výrobních procesech s mnoha variantami produktů a tím zvýšit produktivitu výroby a kvalitu svých výrobků.

Na mezinárodním veletrhu Automatica 2016 v Mnichově v červnu t. r. bylo prezentováno několik novinek z rozsáhlé výzkumné činnosti probíhající v rámci projektu SMErobotics. Prezentovány byly nejenom technické komponenty a software pro systémové integrátory a dodavatele inovačních robotických systémů, ale i aplikační programy přímo použitelné v malých a středně velkých výrobních podnicích.

Základní komponentou je software

Účelem projektu SMErobotics je umožnit konečným uživatelům jejich roboty jednoduše programovat a spolehlivě a snadno obsluhovat. Toho lze dosáhnout cestou programování montážních a manipulačních úkolů robotů s použitím intuitivních grafických obslužných rozhraní. Při použití grafického programovacího prostředí založeného na využití hotových programových modulů může obsluha robotu snadno názorně sdělit, co po něm žádá.

Například v grafickém programovacím prostředí pro návrh složitých montážních úloh, jako je třeba montáž převodovky, stanovuje uživatel postup montáže interaktivně na modelu vytvořeném v prostředí CAD nezávisle na konkrétním robotickém zařízení (obr. 2). Výkonné projektové a vyhodnocovací nástroje následně samostatně vypočítají potřebné pohyby robotu na základě modelů jednotlivých dílů a charakteristik konkrétního použitého robotu. Ověřovací zkoušky ukázaly, že odborníci-technologové bez znalostí z oboru robotiky tak dokážou naprogramovat montážní úlohy desetkrát až patnáctkrát rychleji než zkušený programátor robotů pracující standardním způsobem. Tyto programy si velmi dobře poradí i s nepřesnostmi v okolí robotu nebo na obrobcích. To je podstatné pro malé a střední podniky, protože robotické systémy zde často opracovávají ručně připravené obrobky, které vykazují velké tolerance nebo odchylky od výkresové dokumentace. Díky použití snímačů k lokalizaci a proměřování obrobku navíc nejsou zapotřebí speciální přípravky pro nastavování polohy a přidržování obrobku.

Pro intuitivní programování a generování programů pro roboty byly vyvinuty rozmanité softwarové moduly nezávisle na konkrétních typech robotů. Jsou k dispozici jako samostatné moduly a dodavatelé automatizační techniky a průmyslové IT je mohou vestavět do svých systémů a zařízení.

Použití pro svařování a variabilní montáž

Na několika robotických buňkách a pracovištích pro spolupráci člověka s robotem ověřených v praxi bylo na veletrhu Automatica 2016 demonstrováno použití softwarových komponent v praxi v typických výrobních procesech používaných v malých a středně velkých podnicích.

Inteligentní svařovací jednotka s označením CoWeldRob (obr. 3), vyvinutá odborníky ve Fraunhoferovově ústavu IPA, je určena pro kusovou výrobu od velikosti výrobní dávky „jedna“. Jednotka plní roli spolupracujícího asistenčního systému při svařování. Podnětem k jejímu vývoji byl nedostatek dobrých a zkušených svářečů, v současnosti obecně známý, který pociťují zvláště menší podniky. Výkonná senzorika 3D, množství digitálních modelů komponent i procesů a intuitivní grafické rozhraní umožňují snadno a přesně švově svařovat předem smontované díly. Jednotka automaticky skenuje a lokalizuje obrobky (polotovary), identifikuje svarové švy, navrhuje svářeči vhodné parametry svařovacího procesu a poté zcela automaticky vygeneruje program pro řízení dané svařovací operace. Svářeč může vygenerovaný program v grafickém rozhraní ještě upravit nebo ho přímo nechat proběhnout. Změny, které svářeč požadoval, si jednotka zapamatuje a respektuje je při pozdějších úlohách. Návštěvníci veletrhu měli možnost ověřit si na předváděném robotu různé svařovací úlohy podle vlastních specifikací.

Při mnoha úlohách se s výhodou uplatní robot se dvěma rameny (pažemi), který pracuje podobným způsobem jako člověk. Protože nevyžaduje žádné nákladné upevňovací a nastavovací přípravky, je takové řešení v praxi velmi hospodárné a variabilně použitelné. Řešiteli projektu SMErobotics bylo na veletrhu prezentováno použití dvouramenného robotu při svařování rozměrných konstrukčních dílů, např. při výrobě zemědělských strojů. Robot pohybuje svařovanými díly oběma rameny a poté je jedním ramenem přidrží, zatímco druhým ramenem udělá švový svar. Použití robotu se dvěma rameny pro montáž bylo dále ukázáno také na příkladu sestavení převodovky z připravených montážních dílů. Výkonné 3D snímače umožňují vyhledat a uchopit montované díly, přestože jejich pozice v pracovním prostoru robotu je známa jen přibližně.

Že lze realizovat i robotické montážní procesy při rozměrových tolerancích řádu jednotek mikrometrů, ukazuje přesná robotická montáž složité komplexní mechanické jednotky bez potřeby nákladných, pro výrobek specifických upevňovacích a vodicích přípravků. Buňka, která je v současnosti ve zkušebním provozu u jednoho konečného uživatele a v budoucnu má být nabízena jako standardní produkt, montuje např. v několika po sobě jdoucích krocích ventilové jednotky, přičemž jedním z montážních kroků je zasunutí šoupátka s rozměrovou tolerancí jen 3 μm. Nové metody přesného rozpoznávání a lokalizace objektů přitom dovolují spolehlivě odebírat z kontejnerů s materiálem volné neorientované montážní díly. Zkoušky prokázaly až o 30 % méně chyb při robotické montáži šoupátka oproti současné ruční montáži.

Zajímavou novinkou na veletrhu byl také online softwarový nástroj k objektivnímu posouzení investiční náročnosti zamýšleného robotického zařízení. Součástí nástroje je virtuální kalkulačka, která konečným uživatelům umožňuje rychle a individuálně vypočítat náklady na pořízení konkrétního robotického zařízení a určením návratnosti vynaložené investice stanovit jeho rentabilitu. Nástroj tak poskytuje podnikům prvotní objektivní podklad pro jejich rozhodování. Byl vytvořen v Dánském technologickém institutu (DTI) a je volně ke stažení na webové adrese www.robotinvestment.eu.

Úspěšný evropský projekt SMErobotics

Projekt SMErobotics je součástí evropského projektu s názvem The European Robotics Initiative for Strengthening the Competitiveness of SMEs in Manufacturing by integrating aspects of cognitive systems, jehož cílem je vyvinout robotické systémy vyhovující speciálním potřebám malých a středně velkých podniků tak, aby vzrostla jejich konkurenceschopnost zejména v prostředí digitalizované výroby podle koncepce Industrie 4.0.

Členy výzkumné iniciativy řešící projekt SMErobotics jsou velcí evropští výrobci robotů, systémoví integrátoři, vedoucí výzkumné ústavy a univerzity z několika evropských zemí (tab. 1). Činnosti iniciativy SMErobotics koordinuje a řídí Fraunhoferův ústav IPA, jedna z předních institucí zabývajících se v Evropě aplikovaným výzkumem. Od roku 2014 podporují iniciativu SMErobotics také koneční uživatelé a systémoví integrátoři z průmyslu. Ti cíleně podávají zpětná hlášení a mohou jako první využívat přednosti nově vyvinutých technik. Díky tomu iniciativa SMErobotics pracuje a ověřuje dosažené výsledky v úzké spolupráci s různými malými a středně velkými podniky v reálných výrobních podmínkách s využitím zkušeností konečných uživatelů.

Členové iniciativy a další účastníci zatím pracovali na projektu SMErobotics společně od 1. ledna 2012 do 30. června 2016. Výzkumné práce si dosud vyžádaly celkové náklady ve výši 18,2 milionu eur a Evropská unie na ně přispěla částkou 12,1 milionu eur. Další informace o projektu SMErobotics lze nalézt na adrese www.smerobotics.org.

Závěr

Mezinárodní veletrh Automatica 2016 ukázal, že rychlý nástup kolaborativních robotů zpřístupnil automatizaci podnikům všech velikostí. Snadné programování a ovládání, variabilní použití, možnost přímé spolupráce s lidmi, úspora místa a rychlá návratnost investice dělají z tohoto nového typu robotů atraktivní nástroj bez ohledu na velikost podniku. Nejvíce se přednosti kolaborativních robotů ovšem projeví právě u menších a středně velkých výrobců, kteří představují obrovský a zatím nevyužitý trh. Podle odhadu prognostické společnosti ABI Research uvedeného ve zprávě Collaborative Robotics: State of the Market/State of the Art vzroste mezi roky 2015 a 2020 roční obrat na trhu s kolaborativními roboty z 95 milionů na více než miliardu amerických dolarů.

[Flexible Robotersysteme für die digitalisierte Produktion. Pressemitteilung Fraunhofer IPA, 21. dubna 2016.]

Ing. Karel Kabeš

Obr. 1. V nejmodernějších výrobních provozech člověk spolupracuje s robotem (foto: Fortiss)

Obr. 2. Postup montáže se interaktivně určuje s použitím modelů komponent vytvořených v prostředí CAD (foto: Fortiss)

Obr. 3. Inteligentní robotická svařovací jednotka CoWeldRob (foto: Fraunhofer IPA)

Tab. 1. Partneři evropského projektu SMErobotics sdružení v iniciativě SMErobotics