Aktuální vydání

celé číslo

12

2020

Systémy DCS pro kontinuální a dávkové výrobní procesy

Provozní analytická technika

celé číslo

Roboty začínají dobývat elektronický průmysl

Krátké inovační cykly společně s rozmanitostí a složitostí produktů elektronického průmyslu vytvářejí v tomto odvětví globální poptávku po nových způsobech automatizace výroby.

 

Elektronický průmysl produkuje velmi široké a dynamické spektrum nejrůznějších výrobků od domácích spotřebičů a zábavní elektroniky přes osvětlovací techniku až po výrobní zařízení pro špičkové obory, jako jsou např. nanotechnologie či výroba počítačových čipů. Rostoucí počty nových typů produktů, stále rychlejší tempo vývoje a krátké životní cykly výrobků vyžadují větší flexibilitu výrobních zařízení a postupů používaných v elektronickém průmyslu. Inovační cykly výrobků jsou čím dál kratší a složitost výrobků ustavičně roste. K tomu se přidávají i nové oblasti uplatnění elektroniky s obrovskou aplikační rozmanitostí. Důležitým zdrojem inovací a nástrojem umožňujícím zvětšovat objemy, rozmanitost a také zvyšovat produktivitu výroby jsou i zde robotizovaná výrobní zařízení. Elektronický průmysl je do budoucna životně závislý na moderních způsobech automatizace při použití robotů, které dokážou zvýšit jeho zisky.

 

Současně se elektronický průmysl také široce globalizuje. Zatímco výzkum a vývoj stále ještě probíhají z větší části v Evropě a USA, sériová výroba je lokalizována již převážně do Asie. Výroba elektroniky v USA, Japonsku a Německu je poměrně nákladná, a je tudíž stále více směrována např. na pracovní sílu v Číně, která je levnější. V Číně má subdodavatele, popř. tam provádí jednotlivé výrobní kroky, nebo dokonce celý výrobní proces mnoho renomovaných značek. Platí to zejména v oboru 3C (computers, communications, consumer electronics).

 

Princip přelivu výroby do zemí s levnou pracovní silou má však své meze. V důsledku růstu mezd téměř ve všech zemích světa a s rostoucími požadavky na kvalitu se pro elektronický průmysl stává nevyhnutelnou realitou automatizace výroby s efektivním využitím robotů.

 

Nevyužitý potenciál elektronického průmyslu

Podle výroční zprávy mezinárodní federace robotiky IFR (International Federation of Robotics) za rok 2014 je v průmyslu mimo výrobu aut (v tzv. general industry, do něhož odvětví elektroniky patří) v Německu v provozu 147 robotů na 10 000 zaměstnanců, zatímco v Číně je jich pouze jedenáct (tzv. hustota robotů). V tomto kontextu uveďme, že automobilový průmysl v Japonsku vykazuje hustotu více než 1 500 a v Německu asi 1 100 robotů na 10 000 pracovníků. V roce 2013 bylo firmám v elektronickém průmyslu po celém světě prodáno 9 373 průmyslových robotů. Do automobilového průmyslu bylo za totéž období dodáno téměř 60 000 robotů. Uvedené údaje ukazují na zatím nevyužité možnosti uplatnění moderní automatizované výrobní techniky v elektronickém průmyslu. V uvedeném ohledu se tento segment stále chová jako dřímající obr. Avšak odhady uvádějí, že v krátkodobém až střednědobém výhledu nastane změna. Poradenská společnost Morgan Stanley např. předpokládá budoucí meziroční růst počtu instalovaných robotických jednotek v elektronickém průmyslu v Číně tempem větším než 10 %.

 

Rychlost, přesnost, flexibilita a mobilita

Při výrobě spotřební elektroniky, počítačů a komunikačních zařízení, displejů, solárních panelů, v polovodičovém průmyslu atd. jsou základními požadavky kladenými na výrobní zařízení jeho rychlost, přesnost a flexibilita. Moderní robotická technika splňuje tyto požadavky vesměs velmi dobře. A výborně obstojí i z pohledu základních ukazatelů výkonnosti, jako jsou např. celkové náklady na vlastnictví (Total Cost of Ownership – TCO). Dlouhé intervaly údržby zařízení a celkové náklady na ni, menší spotřeba energie a náklady na periferie, dlouhá doba provozního života a dostupnost náhradních dílů, snadná obsluha, a tudíž menší náklady na školení atd. – to vše hovoří ekonomicky jednoznačně ve prospěch robotů. Díky její velké přesnosti a provozní flexibilitě je nákup robotické techniky navíc výhodnou investicí do budoucnosti.

 

K uvedenému je třeba připočítat také možnost použít roboty v podobě mobilních jednotek namísto jejich pevného umístění, jak je obvyklé v současnosti. Jako součást mobilních základen se např. roboty pohybují nezávisle na ostatní výrobě. Dokážou se přistavit k výrobku s milimetrovou přesností nebo se přesunují mezi výrobky, zatímco nyní je tomu naopak. Ve výrobních halách mobilní roboty již používají moderní navigační software a mohou se pohybovat zcela bez potřeby podlahového značení či indukčních smyček nebo magnetů.

 

Miniaturní výrobky vyžadují rychlost a přesnost

Elektrické a elektronické součástky i konečné výrobky budou i nadále čím dál menší – od mobilních telefonů a notebooků po přehrávače MP3 a navigační zařízení. Pro dodavatele výrobních zařízení pro elektronický průmysl je proto životně důležité nabídnout svým zákazníkům revoluční pokrok v oblasti mikroelektroniky s využitím velmi výkonných automatizovaných robotických pracovišť a linek a jejich rychlé zavedení do provozu v hromadné výrobě. Obzvláště vhodné pro tento účel jsou roboty kombinující rychlost s co největší možnou přesností nastavení polohy.

 

Navíc v blízké budoucnosti budou roboty a lidé společně sdílet prostor kolem montážních linek, což je trend nastupující ve všech odvětvích průmyslu. V budoucnu se budeme stále častěji setkávat s bezpečnou úzkou spoluprací mezi lidmi a roboty – např. nová generace robotů od firmy KUKA Roboter GmbH, reprezentovaná robotem Kuka LBR iiwa (Leichtbauroboter intelligent industrial work assistent), který má již integrované speciální senzory. Roboty tohoto typu zbaví pracovníky fyzicky namáhavé a nebezpečné práce a pomohou v oborech a situacích, kde je požadována maximální opakovatelnost a přesnost operací.

 

Krátké životní cykly výrobků vyžadují flexibilní výrobní zařízení

V minulosti zůstávalo mnoho výrobků beze změny po celá léta. V kontrastu s tím jsou modely výrobků upravovány i již po několika měsících od zahájení výroby. Životní cykly výrobků jsou čím dál kratší. Co je trendovou novinkou dnes, je nezřídka již zítra zastaralé. Toto dynamické tržní prostředí vyžaduje mimořádně vysoký stupeň flexibility výrobního zařízení. Výrobci musí udržovat v nabídce rozšiřující se řady modelů a účinně se vyrovnávat s výkyvy ve velikosti výrobních dávek.

 

Schopnost vyrábět s použitím jednoúčelového automatizovaného zařízení jen určitý typ výrobku již v současnosti není zárukou tvorby přiměřeného zisku. Toho lze dosáhnout pouze tím, že automatizované výrobní zařízení je z podstaty navrženo s použitím obecné, otevřené platformy tak, aby bylo v maximální možné míře provozně flexibilní, tj. umožňující „pod jednou střechou“ kombinovat různé produktivní operace, jako je montáž, manipulace s materiálem (obr. 1), vkládání a vyjímání komponent či sestav, a také je provádět během neproduktivních dob druhých operací. Tak lze rychle reagovat na změny ve výrobních programech a procesech. K tomu musí být také možné zařízení snadno naprogramovat a též individuálně konfigurovat v reakci na měnící se požadavky. Už nyní lze v mnoha případech rychle vytvořit individualizovaný program pouhým výběrem ze sady předem připravených programových modulů. Tato technika je zárukou snadného ovládání a obsluhy zařízení. A rovněž způsobem, jak výrobní zařízení optimálně připravit i na budoucí potřeby a pružně přizpůsobit jeho funkce tak, aby je uživatel stroje nebo zařízení dokázal snadno využít. K maximální flexibilitě zařízení dále přispívá možnost adaptivního opětovného použití již osvědčených komponent. Použitá otevřená platforma výrazně usnadňuje sestavování různých robotických systémů do nových výrobních celků, neboť všechna nově potřebná technologická zařízení a procesy lze kdykoliv později snadno doplnit a nepotřebné odejmout.

 

Robot jako „expert na sklo“ při výrobě displejů

Světový trh s displeji je obrovský, zvláště v oboru displejů typu LCD, tj. plochých obrazovek či jiných plochých elektronických zobrazovacích panelů. Existuje také velká poptávka po panelech s plazmovými displeji do zařízení pro profesionální použití a po displejích typů LCD a TFT pro počítače, notebooky a televizory.

 

Uplatnění v tomto oboru nacházejí i další metody: menší displeje typu STN s černobílým zobrazením, inovativní mikrodispleje a též technika organických světelných diod (OLED), používaná např. v mobilních telefonech. Vzhledem k tomu, že displeje typu TFT mají větší rozlišení a menší spotřebu energie než alternativní technika, je zde očekáván meziroční růst obratu na trhu až v dvouciferných procentních hodnotách. Růst poptávky a současně konkurence na trhu budou mít za následek další rychlý vývoj a nutnou optimalizaci výrobních zařízení v tomto oboru za účelem snížit výrobní náklady.

 

Při výrobě displejů jsou roboty používány především k manipulacím s plochým sklem. Tento materiál, v různých tvarech a velikostech, je důležitou součástí elektronických zobrazovacích a komunikačních zařízení. Drobné zobrazovací panely, notebooky, tablety a chytré mobilní telefony i např. obří obrazovky – a s nimi také ultratenké sklo –, to vše se stalo rentabilním hlavně díky existenci a použití robotů. Od robotů je v tomto oboru požadována značná všestrannost: od miniaturních displejů až k manipulaci s těžkými velkoformátovými deskami při tloušťkách skla začínajících na pouhých 0,3 mm. Zásadní význam zde mají mimořádně krátké periody výrobního cyklu a také pečlivé zacházení s panely a jejich komponentami. Roboty jsou používány zejména jako obslužná zařízení výrobních strojů, ale rovněž při separaci, stohování a paletizaci desek, a to za běžných provozních podmínek nebo i ve speciálních čistých prostorech.

 

Maximální přesnost pro choulostivou výrobu solárních modulů

Podle aktuálních průzkumů trhu se očekává, že celosvětově znovu vzroste prodej solárních panelů. V současnosti se sice snižují nadbytečné výrobní kapacity a roční obrat v tomto odvětví také klesá. Při očekávaném oživení poptávky ovšem globální trh se solárními moduly opět nabízí obrovské možnosti růstu, a to v době vyznačující se také silnou konkurencí. Moderní automatizační technika ve své nejvyšší formě, přizpůsobené pro jednotlivé výrobní procesy, může výrobcům solárních modulů přinést významné konkurenční výhody.

 

Roboty se používají při sestavování solárních kolektorů a panelů z fotovoltaických článků jako součást zcela automatizovaného procesu zapouzdřování solárních modulů. Díky promyšlené automatizaci závěrečné fáze výrobního procesu solárních modulů vzrostla jejich účinnost, odolnost proti povětrnostním vlivům i spolehlivost. Roboty tak zajišťují trvale vysokou kvalitu a bezpečnost výroby, přičemž monotónní a pro člověka namáhavé pracovní operace jsou převedeny na robot.

 

Speciální technika do čistých prostorů v polovodičovém průmyslu

Při výrobě velmi citlivých elektronických součástek a jejich sestav je mnohdy nezbytné dodržovat ty nejvyšší standardy, pokud jde o parametry výrobního prostředí, zejména o jeho čistotu. Požadované podmínky jsou splněny v tzv. čistých prostorech. Pouze s jejich použitím lze minimalizovat počet nežádoucích částic zanesených do výrobku. Vedle toho je nutné regulovat další parametry ovlivňující čistotu prostředí, zejména teplotu, vlhkost a tlak vnitřního ovzduší. Spolu s použitím drahých a energeticky náročných klimatizačních jednotek, několikastupňových filtrů, vhodných pracovních oděvů a speciálních zařízení a nástrojů umožňujících udržovat potřebnou kvalitu ovzduší je k zajištění vysokých tříd čistoty prostředí nutná ještě další speciální technika. V některých případech se produkty vyrábějí dokonce v prostředí, které může být pro člověka smrtelně nebezpečné. Za účelem snadné integrace do uvedených speciálních prostorů a zařízení byly vyvinuty zvlášť uzpůsobené průmyslové roboty. Jejich čelným představitele je nový typ robotu značky Kuka s označením KR Agilus CR (Clean Room), který je mimořádně vhodný k použití v technicky čistých prostorech nejen díky kabeláži vedené vnitřkem robotu a vestavěným pohonům. Dalšími jeho význačnými znaky jsou snadné ovládání, vynikající přesnost a krátké doby pracovních cyklů spolu s přidanými dalšími bezpečnostními prvky, což vše dohromady zajišťuje bezpečnou a kvalitní výrobu. Mimoto speciální povrchová úprava poskytuje robotu Kuka KR Agilus CR velmi vysokou odolnost proti agresivním čisticím prostředkům a minimalizuje uvolňování nežádoucích částic z povrchu robotu do okolního prostředí.

 

Uspořádání all-in-one s velkou flexibilitou pro trh 3C

Široké spektrum velikostí, časté změny výrobků a stále kratší doby provozního života – to jsou hlavní charakteristiky produktů na trhu tzv. 3C (počítače, komunikační zařízení a spotřební elektronika). Finální kroky při jejich výrobě jsou stále prováděny ručně – velmi náročné na potřebu manuální práce jsou např. operace kompletování a balení produktů. Desky s plošnými spoji jsou naopak montovány zcela automaticky. Jednotlivé operace, jako např. manipulace s materiálem, pájení, sešroubování, testování atd., jsou prováděny ve velkých výrobních objemech s použitím robotů umožňujících manipulovat s množstvím rozličných komponent, které je třeba umísťovat s velkou přesností a rychlostí. K dosažení potřebné flexibility automatizovaných výrobních linek v oboru 3C jsou tyto linky v poslední době často koncipovány způsobem all-in-one, kdy jsou jednotlivé specializované roboty po všech stránkách integrovány do jediného úplného systému řízení celé výrobní linky.

 

Spolupráce člověk-robot a koncept Industry 4.0

V poslední době v západním světě, a to zejména v USA, je snaha mít výrobu v oboru solárních zařízení, polovodičů a 3C převážně v domácím prostředí. Kdyby k tomu opravdu došlo, budou výrobci potřebovat výrobní systémy s vysokým stupněm automatizace, aby zůstali konkurenceschopnými ve srovnání s rozvojovými ekonomikami. V důsledku pokračující miniaturizace, rostoucí složitosti a zkracujících se životních cyklů výrobků budou požadovány moderní automatizované výrobní systémy na bázi robotů. Koncepční studie společnosti Kuka ukazuje, jak lze při použití mobility dále zvýšit stupeň flexibility výrobního zařízení, zejména s ohledem na prosazující se koncept Industry 4.0. Průmyslový robot na mobilní platformě se speciálně vyvinutým navigačním softwarem od společnosti Kuka se může samostatně volně pohybovat po pracovišti, bez jakéhokoliv připojení kabelem, čímž se otevírají zcela nové možnosti využití automatizační techniky, která tímto naplňuje předpoklady, z nichž vychází koncept Industry 4.0 (obr. 2).

 

V budoucnu budou hrát ústřední roli jak automatické, tak poloautomatické výrobní procesy, neboť spolupráce člověka s robotem se stává realitou. Úzkou spolupráci mezi lidmi a roboty umožňuje např. nová generace robotů představovaná robotem Kuka LBR iiwa, který je k dispozici s nosností 7 nebo 14 kg a má na všech sedmi pohybových osách vestavěné

velmi citlivé snímače síly a točivého momentu, usnadňující detekci jakéhokoliv kontaktu robotu s okolními tělesy. Robot LBR iiwa je tedy schopen bezpečně zacházet s komponentami a sestavit z nich kompletní díl, vyvinout tu správnou sílu a zamezit nebezpečným a nákladným kolizím. Vedle vestavěných snímačů, jejichž prostřednictvím robot dokáže při kontaktu s překážkou okamžitě omezit sílu a rychlost pohybu, je robot LBR iiwa vybaven také ergonomickým hliníkovým krytem tak, aby byl rovněž bezpečným kolegou (obr. 3). Tím odpadají dosud obvyklé dodatečné náklady na zajištění bezpečnosti na pracovišti, např. na bezpečnostní ploty atd.

 

Kam pro další informace

Další informace o automatizačních systémech značky Kuka s určením pro elektronický průmysl lze nalézt na adrese www.kuka-robotics.com/germany/de/solutions/branches/electronics/start.htm.

KUKA Roboter GmbH, organizační složka CZ

 

Obr. 1. Robot Kuka LBR iiwa postupně odebírá z výdejní šachty role požadovaných součástek a ukládá je předepsaným způsobem na dopravní vozík k přepravě na linku pro osazování desek plošných spojů

Obr. 2. Mobilní robotická sestava KMR iiwa (Kuka Mobile Robotik), skládající se z robotu LBR iiwa a jeho zcela autonomní mobilní

základny, se může zcela volně podle potřeby pohybovat po výrobní ploše současně s lidskou obsluhou

Obr. 3. Robot Kuka LBR iiwa je zkonstruován tak, aby mohl bez jakékoliv možnosti jejich ohrožení spolupracovat „ruku v ruce“ s lidmi