IMPLEMENTACE KOLABORATIVNÍHO ROBOTA SVOČ FST 2017

Transkript

1 IMPLEMENTACE KOLABORATIVNÍHO ROBOTA SVOČ FST 2017 Bc. Tomáš Valdman Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Cílem práce obecně je ve společnosti Valeo Autoklimatizace k. s. vybrat vhodná pracoviště pro implementování kolaborativního robota, který by na těchto pracovištích nahradil operátory. Nejprve bude provedena analýza současné situace, tzn. definování čtyř vybraných pracovišť na výrobních linkách, a to zejména z hlediska prováděných činností. Prováděné činnosti na těchto pracovištích a jejich doba trvání jsou klíčové pro určení vhodnosti pracoviště pro automatizaci, tedy i implementaci. V další kapitole bude zjištěno, zdali jsou vybraná pracoviště vhodná pro automatizaci. Pracoviště budou hodnocena z hlediska činností, které je možné z operátora převést na robota a zjistit tak, z kolika procent lze operátora nahradit. Na pracovištích tak bude proveden výběr vhodných procesů pro automatizaci a dále budou definovány problémy spojené s implementací. Na konec bude pro vhodná pracoviště na základě několika kritérií vybrán a doporučen optimální kolaborativní robot a bude též doporučena externí firma, která ve společnosti provede implementaci. KLÍČOVÁ SLOVA Implementace, kolaborativní robot, cobot, automatizace ÚVOD V dnešní době dochází k rostoucímu zájmu o využívání automatických výrobních zařízení, a to především kvůli neustále rostoucímu tlaku na zvýšení produktivity a kvality výroby. Dalším důvodem je například zvýšení konkurenceschopnosti firem a jejich udržení na finančním trhu. Díky automatizaci dochází ke změnám ve výrobních, technologických a celkově v logistických procesech, a to nejen ve strojírenství, ale i v dalších sektorech. V rámci automatizace jak celých procesů, tak jednotlivých úkonů v procesech se v různých odvětví čím dál více prosazují především manipulátory a roboty. V oblasti robotiky se však v současné době rozvíjí nový trend kolaborativních robotů, které jsou universální, schopné pracovat bezpečně po boku lidí a pro firmy představují potenciál vyšší konkurenceschopnosti. Protože se práce zabývá především kolaborativními roboty, je nutné tento typ robota definovat. KOLABORATIVNÍ ROBOT COBOT Kolaborativní robot neboli tzv. cobot je robot, který spolupracuje s lidmi. Jedná se o nový trend v oblasti robotiky, neboť až do teď byly roboty velké, těžké, silné a robustní zařízení, které pracovaly na konkrétních úkolech. Z bezpečnostních důvodů se kolem těchto robustních strojů zřizovaly ploty a senzory včetně signalizace. Kolaborativní roboty jsou navrženy, aby spolupracovaly s lidmi a vytvářely společně hodnoty. Kolaborativní robot (dále jen cobot) je schopen například vyjmout objekt z přepravky, vložit ho do nějakého zařízení (lis, přípravek aj.), následně ho vyjmout a odložit na paletu, nebo ho podat člověku přímo do ruky. Odlišnost těchto robotů od tradičních je především ve výše zmíněné spolupráci s člověkem a v jejich umístění na pracovišti, neboť nemusí být dle technické specifikace ISO/TS 15066:2016 ohraničeny klecí a jsou pro člověka volně přípustné. Protože jsou navrženy pro přímou spolupráci po boku lidí, je nutné je vybavit funkcemi a detekčními senzory, které umožňují rozpoznat, kde se jejich operátoři nachází v každém okamžiku. Cobot je vybaven také bezpečnostními prvky a integrovanými senzory, které při zaznamenání vyššího odporu či vnější síly zastaví pohyb stroje. Části cobotů (klouby, ramena, atd.) jsou navíc buď přímo vyrobeny z bezpečných materiálů sloužící k pohlcení energie při kolizi s člověkem, nebo jsou z těchto materiálů jen pokryty (kompletně, částečně). [1] Klíčovým rozdílem od tradičních robotů je velmi snadná programovatelnost. Zatímco tradiční roboty vyžadují pokročilé znalosti a zkušenosti v oblasti programování, coboty jsou schopné se učit. K naprogramování stačí, aby operátor prováděl pohyby s ramenem cobota a ten si tyto pohyby zapamatuje a následně je bude po spuštění vykonávat. Naopak velkou nevýhodou těchto robotů je zatím vysoká základní cena, vysoké ceny příslušenství (senzory, čidla, kamery apod.) a velmi přísná a zatím nepříliš jasná legislativa kladená na implementování a používání těchto robotů

2 Obrázek 1: Cobot v přímé spolupráci s člověkem LEGISLATIVA - TECHNICKÁ SPECIFIKACE ISO/TS 15066:2016 Protože je legislativa týkající se cobotů stále nejasná, byla provedena analýza požadavků bezpečnosti současné legislativy. Byla nalezena relativně nová technická specifikace ISO/TS 15066:2016, která stanovuje podmínky bezpečné spolupráce cobota s operátory. Tato relativně nová technická specifikace (dále jen specifikace) není zatím dostupná v českém jazyce a bylo nutné ji přeložit. Překlad byl proveden pouze pro klíčové informace. Bylo zjištěno, že umožňuje spolupráci lidí a cobotů a je jakýmsi doplnění norem ČSN EN ISO a ČSN EN ISO Při implementaci cobota na pracoviště vedle člověka vznikne průnikem jejich pracovních prostorů společný pracovní prostor. Specifikace obsahuje pokyny pro navrhování a implementaci tohoto společného prostoru, který snižuje riziko pro lidi. Dle této specifikace není u některých silově omezených aplikací, které jsou v souladu s normami ISO a ISO nutné, používat bezpečnostní kryty a ochranná zařízení. Specifikace řeší: - Definice pojmů - Důležité charakteristiky řídicích bezpečnostních systémů - Faktory, které je třeba zvážit při navrhování spolupráce robotických systémů - Vestavěné systémy související s bezpečností a jejich efektivní využívání - Pokyny pro provádění těchto kolaborativních technik: bezpečnostní monitorované zastavení; ruční vedení; rychlost a sledování separace; energie a omezující síly - Definuje biomechanické limity lidského těla [2] Překladem normy byly zjištěny požadavky, které musí být při umístění cobota na pracoviště mezi operátory splněny. Příkladem toho jsou povolené maximální rychlosti a minimální odstupy a dále definice celkem 29 různých bodů na lidském těle. Ke každému z těchto bodů jsou přiřazeny dvě různé hodnoty tlaku a síly pro dva typy kontaktu, které nezpůsobí člověku zranění. Jedná se o tyto kontakty: Kvazistatický kontakt, kdy robot přitlačí část lidského těla k nějakému povrchu a člověk se nemá kam uhnout. Přechodový kontakt, kdy dojde k nárazu cobotu do lidského těla, ale člověk má volný prostor, kam se může uhnout. Limity pro tento typ kontaktu jsou dvojnásobné. Tabulku, která udává biomechanické limity pro tyto dva typy kontaktu, však nebylo možné publikovat. ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU Práce byla vytvořena pro společnost Valeo Autoklimatizace k. s. (dále jen Valeo), která se zabývá výrobou ovládacích panelů do klimatizačních jednotek a ovládacích panelů na stahování oken. Společnost Valeo vybrala pro implementování cobota čtyři pracoviště na čtyřech odlišných linkách. Linky a pracoviště definuje následující tabulka. Tabulka 1: Vybrané výrobní linky a pracoviště Vybrané výrobní linky Linka B479 Linka MQB Linka LK Vybraná pracoviště Pracoviště BALENÍ Pracoviště BALENÍ Pracoviště KLIPOVÁNÍ Linka C346MCA Pracoviště KLIPOVÁNÍ Na těchto čtyřech pracovištích dochází k ruční i automatické montáži a kontrole výrobků.

3 Pro kompletní analýzu všech čtyř vybraných pracovišť ve společnosti Valeo bylo nutné pořídit na těchto pracovištích několik videozáznamů a získat veškerá potřebná data o pracovištích a procesech, které se zde vykonávají. Byla tedy provedena analýza vybraných pracovišť, tzn., byly definovány veškeré činnosti, které operátoři na těchto pracovištích vykonávají, a byla stanovena doba trvání těchto činností. IMPLEMENTACE COBOTA NA VHODNÁ PRACOVIŠTĚ V první řadě bylo nutné posoudit, zdali jsou vybraná pracoviště vůbec vhodná pro automatizaci. Toto posouzení měla za úkol následující tabulka. Tabulka 2: Posouzení vhodnosti vybraných pracovišť Tabulka měla za cíl vyhodnotit, zdali jsou pracoviště vhodná pro automatizování, či nikoliv. Je jasné, že nebude vždy možné plně operátora nahradit a některé činnosti, tedy není možné automatizovat. Pro automatizování některých činností je navíc potřeba přidat další zařízení, nebo činnosti z procesu úplně vyřadit a některé nelze automatizovat vůbec. Proto byla následně provedena hlubší analýza pracovišť, která určí, které činnosti na pracovištích automatizovat lze, které nelze a za jakých podmínek by to šlo. Výsledkem této analýzy byla pro každé pracoviště tabulka, která definuje, které činnosti na vybraném pracovišti lze či nelze automatizovat cobotem. To, jestli cobot dokáže nebo nedokáže danou činnost provádět, bylo zjištěno na základě konzultací s odborníky ze společnosti Valeo, odborníky z dalších firem zabývající se výrobou a implementací cobotů a na základě analýzy zdrojů a poznatků týkajících se automatizované výroby. Pracoviště BALENÍ na lince B479 Tabulka 3: Činnosti a jejich doba trvání na pracovišti BALENÍ linka B479

4 Celkový čas 358,12s je čas na naplnění krabice kvalitními výrobky a její zabalení. Operátor by byl nahrazen ve všech činnostech kromě jedné, a to Vložení 2ks pytlíků mezi řady kusů - izolace proti nárazům. Tato činnosti tvoří pouhých 1,4% z celkových činností na tomto pracovišti, viz tabulka níže. Tabulka 4: Porovnání činností operátora a cobota na pracovišti BALENÍ linka B479 Celkový čas 358,12s je čas na naplnění krabice kvalitními výrobky a její zabalení. Dle tabulek je vidět, že cobot nahradí operátora z necelých 97%. Ovšem pro automatizování činností je nutné provést relativně velký počet úprav na pracovišti. 1. pořídit zásobník na plné krabice, na který by cobot vždy plnou krabici přesunul a druhý operátor by ji poté přesunul mimo pracoviště 2. pořídit přípravek či jiné zařízení na skládání krabice 3. v případě použití kartonových krabic, pořídit zásobník na prázdné krabice, ze kterého by spadla nesložená krabice, kterou by cobot složil namáčknutím přes přípravek Po implementaci bude toto pracoviště téměř plně automatizováno, ale implementace bude relativně náročná, neboť je zde nutno provést velký počet úprav. Pracoviště BALENÍ na lince MQB Tabulka 5: Činnosti a jejich doba trvání na pracovišti BALENÍ linka MQB Celkový čas 270,67s (4,5 minut) je čas potřebný na naplnění a zabalení 1 bedny/krabice (75ks výrobků). Tabulka 6: Porovnání činností operátora a cobota na pracovišti BALENÍ linka MQB Na tomto pracovišti, by cobot převzal 100% činností operátora a jednalo by se tedy o automatizaci komplexní. Ovšem pro automatizování činností je nutné provést relativně velký počet úprav na pracovišti. 1. pořídit zásobník na plné krabice, na který by cobot vždy plnou krabici přesunul a operátor by ji poté přesunul mimo pracoviště 2. v případě použití kartonových krabic, pořídit zásobník na prázdné krabice, ze kterého by spadla nesložená krabice, kterou by cobot složil namáčknutím přes přípravek

5 3. v případě plastových beden, pořídit zásobník na plastové bedny, které by padaly ze zásobníku na pracovní místo po přesunutí plné bedny cobotem do zásobníku s plnými bednami 4. pořídit přípravek či jiné zařízení na skládání krabice 5. pořídit zařízení či přípravek, ve kterém by cobot rozložil nesloženou mřížku Po vyřešení výše zmíněných problémů, bude pracoviště automatizováno, ale implementace na tomto pracovišti bude relativně náročná. Pracoviště KLIPOVÁNÍ na lince LK Tabulka 7: Činnosti a jejich doba trvání na pracovišti KLIPOVÁNÍ linka LK Celkový čas 20,12s je v podstatě taktem tohoto pracoviště, tedy každých 20,12s paletka s hotovým kusem opustí toto pracoviště a směřuje na další pracoviště linky. Tabulka 8: Porovnání činností operátora a cobota na pracovišti KLIPOVÁNÍ linka LK Cobot bude na tomto pracovišti provádět 100% všech činností a operátora bude možné plně využít jinde. V případě tohoto pracoviště je potřeba vyřešit následující problémy. 1. Problematickou činností pro cobota je Připojení konektoru audio kabelu do konektoru paletky. Aby cobot dokázal konektor zapojit, musí dojít k úpravě samotné činnosti či montážní paletky aj. 2. Dalším problémem je fakt, že operátor tuto činnost provádí současně s dalšími činnostmi. Cobot by tyto činnosti současně provádět nemohl a pravděpodobně by je vykonával pomaleji. Bude tedy potřeba na tyto činnosti více času. Zapojení konektoru kabelu do konektoru paletky Obrázek 2: Zapojování konektoru kablíku do konektoru paletky

6 3. Dalším problémem je činnost Vizuální kontrola a kontrola finger pointingem, kterou cobot nedokáže provést. Tato činnost by podle odborníků ze společnosti mohla být z procesu vyřazena. Tím vzniká pro cobota časová rezerva 4,35s. Činnost Čekání na paletku z předchozího pracoviště je na tomto pracovišti další časovou rezervou, a to 5,41s. Celková časová rezerva pro cobota (5,41 + 4,35) je 9,76s, která časově vyřeší problém č Nakonec bude nutný senzor, který bude říkat cobotu, kdy má paletku připravenou ke klipování (po rozsvícení tlačítka). V případě vyřešení těchto relativně jednoduchých problémů (výjimkou je problém č. 1), bude pracoviště KLIPOVÁNÍ po implementaci plně automatizováno. Nejsou zde totiž žádné další činnosti, které by operátor musel vykonávat. Pracoviště KLIPOVÁNÍ na lince C346MCA Tabulka 9: Činnosti a jejich doba trvání na pracovišti KLIPOVÁNÍ linka C346MCA Dle tabulky je vidět, že vybrané činnosti na tomto pracovišti trvají operátorovi dohromady 44,63 sekund. Tento čas je v podstatě taktem tohoto pracoviště. Vzhledem k tomu, že se na tomto pracovišti vyskytuje mnoho intuitivních a náročných činností na manipulaci, bude zde operátor nahrazen pouze z necelých 27%, viz následující tabulka. Tabulka 10: Porovnání činností operátora a cobota na pracovišti KLIPOVÁNÍ linka C346MCA Ačkoliv bude možné pracoviště automatizovat pouze z necelých 27%, zbylých 73% činností bude muset dále vykonávat operátor, což není přínosné a efektivní z hlediska implementace. Proto pracoviště NENÍ vhodné pro implementaci. Z vybraných čtyř pracovišť byla tedy vhodná pracoviště BALENÍ na lince B479 a MQB a pracoviště KLIPOVÁNÍ na lince LK. Výběr COBOTA Na vhodná pracoviště pro automatizaci resp. pro implementaci bylo následně nutné vybrat vhodného cobota. V rámci analýzy trhu v oblasti cobotů bylo nalezeno 25 typů. Na základě několika kritérií byly vybrány vhodné coboty pro implementaci. Kritéria pro výběr cobota: Český distributor Pro případné efektivní a rychlé implementování (integrování) cobota, jeho servis, zaškolení pracovníků aj., je vhodné spolupracovat s českými firmami a mít potřebnou dokumentaci a software v českém jazyce. Využitelnost Některé coboty jsou pro činnosti na vybraných pracovištích nevyužitelné či nevhodné.

7 Pořizovací cena Pořizovací cena je základní cena cobota bez nástroje. Je závislá na dodavateli, oblasti distribuce, věrnostní či množstevní slevě aj. Někteří výrobci do základní ceny zahrnují i software, aktualizace softwaru, touchpad nebo stojan. Jedná se tedy pouze o řádovou cenu, která se po nakoupení nástroje a dalších dílčích komponent (senzory, kamery, čidla) může výrazně lišit. Následující tabulka slouží k výběru vhodných cobotů, které splňují první dvě z výše uvedených kritérií. U cobotů, které lze pořídit v ČR byla navíc uvedena pořizovací cena, která bude následně rozhodující při výběru optimálního cobota. Tabulka 11: Výběr vhodných cobotů FIRMA TYP ČESKÝ DISTRIBUTOR VYŽITELNOST POŘIZOVACÍ ZÁKLADNÍ CENA ABB YuMi x Roberta Bionic Robotics BioRob BOSCH APAS CR-35iA x Fanuc CR-4iA x CR-7iA x x CR-7iA/L x x F&P Personal P-ROB 2R Kawada industries NEXTAGE Kawasaki duaro KUKA IIWA - 7R 800 x x IIWA -14R 820 x x MABI Robotics Speedy 6 Speedy 12 MRK Systeme KR 5 SI PAVP6 Precise Automation PF400 PP 100 Rethink Robotics Sawyer Baxter UR3 x Universal Robots UR5 x x UR10 x x Yaskawa Motoman HC 10 Z celkově 25 uvedených typů je pouze 10 distribuováno a implementováno (integrováno) na území ČR. Z těchto deseti nejsou dále vhodné typy CR-35iA od firmy Fanuc jehož přílišná robustnost a zbytečně vysoká nosnost (35kg) je na vhodná pracoviště nevyužitelná. Dále typ CR-4iA též od firmy Fanuc, typ Yumi od firmy ABB a typ UR3 od firmy Universal Robots, jejichž pracovní dosah ( mm) je pro vykonávání činností na pracovištích příliš malý. Na základě posledního kritéria (pořizovací cena) byly z těchto cobotů vybrány coboty od firmy Universal Robots, které se dají pořídit za nejnižší cenu, viz tabulka níže. Tabulka 12: Optimální coboty pro implementování

8 Tyto dva coboty byly doporučeny pro implementování na vhodná pracoviště. Pro implementaci (integraci) na vhodná pracoviště byla doporučena firma DREAMland, spol s r.o., která se zabývá integrací všech typů kolaborativních robotů firmy Universal Robots. ZÁVĚR Velká část práce byla věnována analýze požadavků bezpečnosti, které jsou stanoveny legislativou, která specifikuje podmínky pro bezpečné používání cobotů. Dále byla značná část práce věnována získáváním informací o kolaborativních robotech a jejich možnostem využití. Na základě analýzy současného stavu ve společnosti, bylo zjištěno, že pracoviště KLIPOVÁNÍ na lince C346MCA není pro automatizaci vhodné a na pracovišti BALENÍ na lince B479 i na lince MQB je nutné provést relativně velký počet úprav. Pro vhodná pracoviště byly na základě klíčových kritérií doporučeny 2 coboty od společnosti Universal Robots, které na tato pracoviště následně zaimplementuje firmy DREAMland s.r.o. POUŽITÉ ZDROJE [1] BÉLANGER-BARRETTE, Mathieu. COLLABORATIVE ROBOT EBOOK [online]. Sixth edition. Robotiq.com, 2015 [cit ]. Dostupné z: [2] Robots and humans can work together with new ISO guidance [online]. [cit ]. Dostupné z: