Fakulta elektrotechnická. pomocí digitální simulace v 3D systému Process Simulate

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická DIPLOMOVÁ PRÁCE Optimalizace části svářecí linky karosérií auta YETI pomocí digitální simulace v 3D systému Process Simulate Praha, 2012 Bc. Martin Synek

2

3 Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval za odborné vedení a ochotu při řešení veškerých problémů vedoucímu diplomové práce Ing. Cyrilovi Tichému. Dále garantovi diplomové práce Ing. Petrovi Novákovi, PhD. za všechnu vynaloženou pomoc a zaměstnancům oddělení Digitální fabriky společnosti Škoda Auto a.s. za cenné rady. V neposlední řadě velice děkuji své rodině za trpělivost a podporu, které se mi dostalo.

4 Abstrakt Tato práce se věnuje simulaci a návrhu optimalizace robotické svářecí linky. Konkrétně se jedná o linku vyrábějící přední část podlahy automobilu Škoda Yeti umístěnou v závodu Kvasiny společnosti Škoda auto a.s. Pro řešení simulační a optimalizační úlohy je využito nástrojů Digitální továrny Tecnomatix společnosti Siemens PLM Software, jedná se především o simulační software s názvem Process Simulate. Návrh optimalizace zadané linky je proveden s ohledem na co nejkratší takt, tedy na minimalizaci potřebného času pro vykonání dílčích operací a tím zvýšení výrobní kapacity dané linky. Optimalizace je následně ověřena simulací a výsledky jsou porovnány s modelem reálné výrobní linky. Abstract This thesis deals with simulation and optimization proposal of the robotic welding line. Specifically, this production line is placed in the factory Kvasiny of the Škoda Auto Group which produces a front floor for a Škoda car called Yeti. The tools of the digital factory Tecnomatix made by Siemens PLM Software were employed to solve optimization task and simulation. Above all, the simulation software Process Simulate was used. The optimization proposal of the required production line is performed with regard to the shortest possible machine cycle. That means that optimalization is performed with minimal needed time for performance of suboperation and with increasing of production capacity of this line. The optimizing is sequentially verified by simulation and the results are compared with model of real production line.

5

6 Obsah 1 Úvod 11 2 Cíle práce 13 3 Průmyslové roboty Historie a vývoj Definice a klasifikace průmyslových robotů Definice Klasifikace Kinematické dvojice Konfigurace Programování a řízení Simulační aplikace Digitální továrna Vývoj nového produktu ABB RobotStudio Dassault Systèmes Delmia Process Engineer Delmia V5 Robotics Autodesk Factory Design Suite Siemens PLM Software - Tecnomatix Tecnomatix Process Designer Tecnomatix Process Simulate Společnost Škoda Auto a.s Historie Výrobní závody Pobočný závod Kvasiny

7 OBSAH 7 6 Praktická část Popis výrobní linky Dynamická simulace výrobní linky Konverze modelů do formátu cojt Nastavení kinematiky Projekce a kontrola svařovacích bodů Vytvoření operací Simulace Zhodnocení provedené simulace Návrh optimalizace výrobní linky Analýza pohybu robotů Reorganizace svařovacích bodů Závěr 69 Literatura 71 A Seznam zkratek B Prostorová dispozice výrobní linky C Obsah CD I II V

8 Seznam obrázků 3.1 Fyzická realizace a schématické znázornění kartézské konfigurace Fyzická realizace a schématické znázornění cylindrické konfigurace Fyzická realizace a schématické znázornění sférické konfigurace Fyzická realizace a schématické znázornění angulární konfigurace Fyzická realizace a schématické znázornění konfigurace SCARA Přímé manuální programování robotu Schématické znázornění životního cyklu výrobku Pracovní prostředí aplikace ABB RobotStudio Pracovní prostředí aplikace Delmia V5 Robotics Pracovní prostředí aplikace Autodesk Inventor Pracovní prostředí aplikace Tecnomatix Process Designer Příklad prostředí aplikace Tecnomatix Process Simulate První vyrobený automobil Voiturette A podniku Laurin & Klement Výrobní závody společnosti Škoda Auto a.s. v České republice Montážní závody automobilky na zahraničních trzích Dispoziční řešení pobočného závodu Kvasiny Umístění Podlahy přední v kompletní sestavě podlahy modelu SK Sestava Podlahy přední Stanice s otočným stolem Svařovací kleště typu X a C, svařování metodou MAG Uchopovací systém robotu Stanice s robotem R1-C na pojezdovém mechanismu Schéma průchodu výrobku linkou přední části podlahy Kinematický řetězec části upínacího stolu (přípravku) Nastavené polohy svařovacích kleští (nástroj Pose Editor) Definice nástroje prostřednictvím Tool Definition

9 SEZNAM OBRÁZKŮ Nástroj Location Pie Chart Příklad použití nástroje Multisection Okno Path Editor s atributy lokací Ganttův diagram části SK Graf délky časů simulovaných robotických operací Čekací pozice robotů R1-A a R1-B Čekací pozice robotu R1-P Čekací pozice robotu R1-C Pracovní prostor stanice Čekací pozice robotů R1-E a R1-F Graf délky časů robotických operací po optimalizaci pohybů Nové svařovací body na stanici Nové svařovací body na stanici Graf délky časů robotických operací po přesunu svařovacích bodů B.1 Situační snímek výrobní části SK II B.2 Situační snímek výrobní linky III

10 Seznam tabulek 6.1 Souřadné systémy definované v modelu Změna doby cyklu po úpravě drah Přesunuté body stanice Délka trvání taktu a upravený počet svařovacích bodů

11 Kapitola 1 Úvod Zejména díky zvyšujícímu se výpočetnímu výkonu současných grafických stanic se zvýšily i možnosti simulace velmi rozsáhlých a komplexních systémů, jakými jsou robotické výrobní linky. Již není třeba simulované úlohy dále dělit na podúlohy a získávat tak jen zúžený pohled na daný problém, nebo jako dříve zpracovávat ucelenou úlohu, ale za cenu zjednodušení a velké časové náročnosti. Počítačová simulace je chápána jako metoda analýzy procesu a to jak fyzikálního (například simulace pnutí v materiálu při působení vnějších sil, nebo simulování pro predikci atmosférických jevů), tak i podnikového (příkladem může být simulace logistiky, prodeje, nebo výrobní linky). Přínos simulace procesů pro plánování v podniku je nezanedbatelný a stává se nedílnou součástí plánování výrobních procesů, logistiky, vývoje nových výrobků a to velmi podrobně s mnoha testy (namáhání jednotlivých dílů při provozu, tepelná roztažnost, atd.). Obrovským přínosem je rovněž tvorba variant a rozdílných dílčích kroků. Získává se tak ucelenější pohled na daný problém a je možné otestovat rozdílná řešení téhož problému a to přímo na úrovni virtuálního světa. Právě vytvoření různých variant modelu jednoho konkrétního procesu vede k výběru efektivního řešení vzhledem k zadanému kritériu k jeho optimalizaci. Tím se snižují náklady spojené s případnou změnou fyzické linky, nebo výrobku a do výsledné realizace se dostává projekt s nejlepšími možnými parametry. Náklady spojené s realizací výrobní robotické linky mohou dosahovat až stovek miliónů eur. Cílem managementu společností je snižování těchto nákladů spojených s vytvořením nových projektů a hospodárnějšího využití již realizovaných. Počítačová simulace přináší do tohoto pohledu zcela nový směr vývoje. Oproti dřívějším postupům je testování z reálné robotické linky, vystavěné dle projektové dokumentace, přesunuto do virtuálního prostředí simulačních programů. Zavedením simulace do plánování projektu, lze urychlit realizaci stavby nové linky a naopak zpětná simulace již realizované linky může v mnoha

12 KAPITOLA 1. ÚVOD 12 případech znamenat další optimalizaci výrobního procesu, například zvýšením výrobní kapacity, nebo ušetřením nákladů. Dále lze současně otestovat potřebné změny stávající linky pro výrobu jiného produktu a to relativně levnou virtuální cestou již při samotném plánování nového výrobního procesu. Počítačový model linky lze měnit dle nově zadaných požadavků, které vyvstanou teprve při testování a změna tohoto modelu je výrazně levnější oproti změně při průběhu reálné výstavby. Aplikace simulace do reálného světa vyžaduje naprosto přesný model všech prvků (robotů, upínacích mechanismů), ale i výrobní haly a jednotlivých dílů výsledného výrobku. Tady již chyba při vytváření vlastního modelu linky může mít kritický vliv na výslednou simulaci a často se odhalí až při samotném testování fyzické linky. Další základní předpoklad pro úspěch simulace je volba vhodného softwarového nástroje, který nabízí dostatečně komplexní pohled na danou problematiku. V oblasti 3D simulace výrobních procesů je samozřejmě nutný komplexní pohled na plánování výroby. Tedy propojení všech dílčích částí životní cyklu výrobku (Product Lifecycle Management - PLM) od návrhu a tvorby technické dokumentace, přes komplexní plánování a finální realizaci, až po řízení a zlepšování všech částí již spuštěného procesu. V uvedených oblastech je vždy nutné pracovat s aktuálními daty, která představují jak 3D modely tak i výkresovou dokumentaci a další nezbytné podklady. Ucelené softwarové řešení splňující uvedené požadavky nabízí společnost Siemens PLM Software 1 v podobě produktu Digitální továrny Tecnomatix 2. Tento softwarový balík se skládá z provázaných aplikací zahrnujících oblast plánování procesů (Process Designer, Teamcenter), ověřování procesů (Process Simulate, Plant Simulation) a podporu výroby. Předkládaná práce je zaměřena na dynamickou simulaci a návrh optimalizace robotických pracovišt s cílem zkrácení taktu zadané výrobní linky prostřednictvím aplikace Tecnomatix Process Simulate. 1 Hlavní webová stránka společnosti: 2 Rozšiřující informace o produktu naleznete na webových stránkách: us/products/tecnomatix/.

13 Kapitola 2 Cíle práce Práce se zabývá simulací a návrhem optimalizace robotické části výrobní svařovací linky pro přední část podlahy automobilu Škoda Yeti, umístěné v závodu Kvasiny společnosti Škoda Auto a.s. Veškeré simulace linky budou provedeny v softwaru Tecnomatix Process Simulate na zadaném modelu existující výrobní linky. Provedení návrhu optimalizace simulované výrobní linky bude realizováno především s ohledem na snížení výrobního taktu. Tedy bude minimalizován čas potřebný k provedení jednotlivých kroků daných operací. Optimalizační návrhy budou ověřeny prostřednictvím simulace v uvedeném softwaru. Teoretická část práce se věnuje základním pojmům průmyslové robotiky, dělení průmyslových robotů. Dále pak vybraným simulačním aplikacím (především nástrojům softwaru Tecnomatix Process Simulate) a základním informacím o společnosti Škoda Auto a.s. Z výše uvedených požadavků plynou následující kroky praktické části práce: 1. Získání podkladů: První část praktické práce se věnuje především získání souhrnných informací o zadané výrobní lince. Seznámení se s projektovou dokumentací a fyzickou linkou, rozdělením jednotlivých pracovních stanic, včetně výrobního taktu a přibližných reálných pohybů robotů na této lince. Dále s dílčími operacemi, distribucí svářecích bodů pro roboty, návazností dílčích svařovaných sestav vůči stanicím a výsledným průchodem vyráběného dílu linkou zahrnující jednotlivé operace. 2. Model výrobní linky: V druhé části je kladen důraz na kontrolu a doplnění zadaného modelu a jeho porovnání s reálnou výrobní linkou. Provedení případných úprav dle získaných podkladů, kontrola svařovacích bodů a správné následnosti dílčích operací. Nastavení kinematických pravidel, vytvoření kinematického řetězce pro jednotlivé části linky a to především svařovacích kleští a upínacích stolů. Aplikování vazeb mezi nástroji (svařovací kleště, upínky) a roboty.

14 KAPITOLA 2. CÍLE PRÁCE Simulace: Předposlední část práce je zaměřena na provedení dynamické 3D simulace modelu výrobní linky dle reálného stavu a zhodnocení výsledku simulace spolu s uvedením rozdílů vůči fyzické lince. 4. Optimalizace: Závěrečná část zahrnuje navržení optimalizace současného stavu výrobní linky s ohledem na minimalizaci výrobního taktu, spolu s respektováním výrobních postupů a možností realizace navržených optimalizačních kroků. Vytvořené návrhy budou ověřeny prostřednictvím simulace a porovnány se simulací současného stavu. Práce je tedy zejména zaměřena uskutečnění simulace v softwaru Tecnomatix Process Simulate a na využití nabízených nástrojů k provedení návrhu optimalizace zadané linky. Veškeré návrhy vedoucí k optimalizaci budou rovněž ověřeny následnou simulací a porovnány s výsledky simulace reálné linky. Optimalizace je zaměřena na snížení výrobního taktu s ohledem na zvýšení výrobních kapacit dané výrobní linky.

15 Kapitola 3 Průmyslové roboty Průmyslové roboty se, od počátku jejich vývoje v šedesátých letech minulého století, staly nedílnou součástí výrobního procesu stovek firem po celém světě. Zejména finanční a časové přínosy pro výrobu jsou nezanedbatelné. Své výhody prokazují především ve velké sériové výrobě s objemem několika stovek kusů denně, kdy se jednoznačně projeví nejen vysoká přesnost a rovněž malá poruchovost současných průmyslových robotů a především rychlá opakovatelnost činnosti. Samozřejmá je i variabilita nasazení a tak je možné se s roboty setkat v logistice, lakovnách, svařovnách, ale i v pekárnách, či v zábavním průmyslu. První část této kapitoly je věnována stručné historii a vývoji průmyslových robotů ve světě i v České republice. V druhé části je vysvětlen pojem robot s uvedením jeho některých definicí. Následuje základní rozdělení a specifikace průmyslových robotů. Poslední část zahrnuje informace a rozdělení kinematiky průmyslových robotů včetně konkrétních příkladů použití. Tato kapitola čerpá zejména z literatury [8, 4, 15] a učebních textů [14, 12, 19]. 3.1 Historie a vývoj Od roku 1921, kdy byla poprvé uvedena slavná divadelní hra R.U.R., 1 jejímž autorem je Karel Čapek, uplynulo již mnoho let. Právě v této inscenaci svět mohl prvně uslyšet původem české slovo robot, které vymyslel, bratr autora hry, Josef Čapek. Slovo robot získalo velikou popularitu a je využíváno v názvu mnoha automatických a mechanických zařízení, včetně nejrůznějších domácích multifunkčních strojů a inteligentních hraček. Rok 1961 znamenal obrovský pokrok pro průmyslovou automatizaci. Americká společnost AMF (American Machine and Foundry) tento rok uvedla na trh víceúčelové zařízení 1 R.U.R. - Rossum s Universal Robots, znamená v překladu Rossumovi univerzální roboti, volně pak Univerzalní roboti pana Rozuma (přesněji v tomto významu Mozku, nebo Intelektu).

16 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY 16 s názvem Průmyslový robot VERSATRAN (VERSAtile TRANsfer) jehož návrháři byli Harry Johnson a Veljko Milenkovic. Stejného roku představila i další americká společnost Unimation zařízení Průmyslový robot UNIMATE, hlavním konstruktérem zařízení byl Joseph Engelberger. Prvním nasazeným průmyslovým robotem ve výrobě se stal zmíněný robot UNIMATE a to roku Stalo se tak v továrně General Motors, vyrábějící automobily v Trentonu (New Persey, USA), na stanovišti obsluhy strojů pro lití pod tlakem, kde s úspěchem nahradil pracovníky. Jednalo se o vyjmutí a manipulaci s horkým a těžkým odlitkem. Již tedy první zkušenosti s průmyslovým robotem v praxi ukázalo jaké je jejich využití a kde bude možné nasazením úspěšně zastat těžkou a nebezpečnou lidskou práci. Jednalo se o robota sférické konfigurace s hydraulickým pohonem. Prakticky až do 70. let minulého století neměl robot UNIMATE vážnější konkurenci a byl v mnoha zemích licenčně vyráběn. Německá společnost Keller und Knappich Augsburg AG (dnes známá pod názvem KUKA) v roce 1973, jako první na světě vyvinula průmyslový robot se šesti řiditelnými osami s názvem Famulus, jeho pohon byl tvořen elektromotory. Byl tak nastolen nový standart, který se stal světově nejužívanějším typem robotu v průmyslu, tedy průmyslový robot se šesti stupni volnosti pohybu. Další vývoj především směřoval k řídícím jednotkám a modernizování pohonu robotů. Vzrostla tak rychlost a přesnost opakovaných pohybů, která je důležitým faktorem pro výběr robotu na danou pozici. Jelikož právě přesnost práce je největším přínosem nasazení robotických linek. V Československu bylo v letech 1972 až 1973 založeno vývojové a výzkumné pracoviště VUKOV v Prešově, které vyvinulo průmyslové manipulátory a roboty pro tuzemský trh. Výrobky byly mechanicky dobře zpracované, ale bohužel řídící elektronika způsobovala nízkou spolehlivost. Celkem bylo vyrobeno na výrobků a na národním trhu se jednalo o největšího výrobce. Po roce 1990 došlo k rozvoji dodávek ze zahraničních trhů a domácí výroba zcela poklesla. Čas ukázal, že nasazení robotů je velice široké a tak se dostaly nejen do automobilového průmyslu, ale například i do potravinářského či zábavního. Nalezneme je téměř v každé větší továrně, ale v počtu nasazených robotů jednoznačně vede průmysl automobilový. Toto prostředí je nejvhodnější z několika hledisek. Mnoho součástí automobilů je shodných pro různé typy a generace výrobků. Určitý typ automobilu je vyráběn několik let a to s taktem linky v měřítku minut (většinou do dvou minut). Tím se velká investice do technologie nasazení robotů stává rentabilní a klíčová pro management podniku.

17 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY Definice a klasifikace průmyslových robotů Definice Pro zavedení a definování pojmu průmyslový robot je nutné ozřejmit a vymezit pojem robot. V literatuře je definování robotu nejednotné a v mnoha případech zavádějící. Některé definice vychází z počtu stupňů volnosti, senzorového vybavení, nebo přímo cílového určení robotu. Tím se ovšem nepokryje univerzálnost a variabilita robotů, se kterými je možné se v dnešní době setkat. Pro pojem robot se jeví jako nejvhodnější definice Doc. Ing. Ivana Havla, CSc. uvedená v knize [3]. Zde ve znění [4, str. 39]. Robot je automatický nebo počítačem řízený integrovaný systém, schopný autonomní, cílově orientované interakce s přirozeným prostředím, podle instrukcí od člověka. Tato interakce spočívá ve vnímání a rozpoznávání tohoto prostředí a v manipulování s předměty, popř. v pohybování se v tomto prostředí. Výše uvedená definice je obecného rázu a zahrnuje nejrůznější robotické systémy, včetně humanoidních, mobilních a průmyslových. Pro vymezení specifické kategorie robotů, jakou průmyslové roboty nepochybně tvoří, je vhodná definice prof. P. N. Beljanina uvedená taktéž v knize [4, str. 39]. Průmyslový robot je autonomně fungující stroj-automat, který je určen k reprodukci některých pohybových a duševních funkcí člověka při provádění pomocných a základních výrobních operací bez bezprostřední účasti člověka a který je k tomuto účelu vybaven některými jeho schopnostmi (sluchem, zrakem, hmatem, pamětí a podobně), schopnosti samovýuky, samoorganizace a adaptace, tj. přizpůsobivosti k danému prostředí. Definice tedy uvádí, že průmyslovým robotem je myšlen stroj, zastupující člověka na dané pozici ve výrobním procesu. Tento stroj je dokonce schopen se přizpůsobovat prostředí a to pomocí senzorů nahrazující do jisté míry lidské smysly. Je nutné podotknout, že většina pracovišt průmyslových robotů není takto vybavena, nebo jen z velmi malé části. Příkladem náhrady lidského zraku je technika počítačového vidění, uplatňována však jen ve velmi specifických oblastech, jako kontrola výrobního procesu (například kompletace agregátů - motorů, revize svárů), či montáž komplikovaných nebo velmi malých dílů. Naopak přisuzování schopností průmyslovým robotům jako je samovýuka, samoorganizace a adaptace je v dnešní době velmi nepravděpodobné. Průmyslové roboty vykonávají

18 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY 18 předem dané operace ve známé posloupnosti a nasazení například algoritmů umělé inteligence, nebo neuronových sítí pro řešení úloh výrobního procesu není pro management společností prozatím zajímavé Klasifikace Vzhledem k rozmanitosti kritérií, dle kterých lze provést rozdělení průmyslových robotů, jsou zde uvedena jen vybraná. Mezi vlastnosti průmyslových robotů patří zejména: počet stupňů volnosti, použité pohony, tvar a typ pracovního prostoru, druh kinematické struktury, ale i možnosti programování, typ řídící jednotky a v neposlední řadě výrobní vlastnosti robotu (nosnost, cílové nasazení, atd.). Dle kinematické struktury Sériová: jedná se o otevřený kinematický řetězec (open-loop chain). Paralelní: uzavřený kinematický řetězec (closed-loop chain). Hybridní: kombinace obou předešlých typů řetězců. Dle počtu stupňů volnosti (degrees of freedom) Univerzální robot: obsahuje šest stupňů volnosti určující jednoznačně polohu a orientaci manipulovaného tělesa v kartézském souřadném systému. Redundantní robot: je vybaven více než šesti stupni volnosti, větší flexibilita a manipulace ve stísněném pracovním prostoru (obcházení překážek). Deficitní robot: méně jak šest stupňů volnosti, určen především pro manipulaci v ploše (montáž součástek, řezání, atd.). Dle druhu pohonu Elektrický: v dnešní době naprosto převládající druh pohonu průmyslového robotu. Jednotlivé klouby obsahují servopohony a senzory pro přesné natočení (umístění) ramene robotu. Hydraulický: pohon určený zejména pro dosažení velké nosnosti, ale i v tomto sektoru jsou nahrazovány elektrickým pohonem. Pneumatický: používaný zejména pro vysoké rychlosti, často v kombinaci s elektrickým pohonem u manipulačních činností.

19 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY Kinematické dvojice Pohybový systém průmyslových robotů lze rozložit na části tvořené dvojicí ramen spojených kloubem. Jedná se tedy o dvě pevné části (ramena) robotu spojené částí řiditelnou, nebo umožňující pohyb (kloub). Tyto jednotlivé části se nazývají kinematická dvojice. Každá taková dvojice představuje ve většině případů jeden stupeň volnosti v pohybu robotu, spojení více stupňů volnosti do jedné kinematické dvojice není běžné pro obtížnou realizaci servopohonů. V praxi se nejčastěji rozlišují dva základní typy kinematických dvojic: Posuvná (translační): jedná se o kinematickou dvojici umožňující pohyb po části přímky ( přesněji řečeno úsečce). V podstatě se jedná o lineární posuv dvou těles ve vazbě. Provedení lze realizovat posunem kratšího tělesa po delším (suportové provedení), výsuvným (teleskopickým) mechanismem, nebo se posouvá delší těleso po kratším (smykadlové provedení). Otočná (rotační): dovoluje pohyb po oblouku (kružnici), se středem v kinematické dvojici. Realizace se dělí dle kolmé vzdálenosti ramene na osu otáčení. Rotace může být ve středu otáčení, nebo v nenulové vzdálenosti od osy otáčení. Z předchozího dělení vyplývá, že pro pohyb v rovině a ploše je nutné spojení dvou kinematických dvojic. Výsledný pracovní prostor má poté tvar obdélníku, kruhové výseči, nebo kulové či válcové plochy. Tento tvar je závislý na konfiguraci a spojení dvojic (například dvě rotační dvojice definují tvar kulové plochy). Ve většině případů se požaduje schopnost manipulace v zadaném prostoru (pracovní prostor robotu). Pro splnění této podmínky je nutné spojení alespoň tří kinematických dvojic (použití třech kloubů), vzniká tak základní kinematický řetězec. Dle typů dvojic tvořících řetězec se dále rozlišují konfigurace průmyslových robotů. 3.4 Konfigurace Konfigurací neboli strukturou průmyslového robotu, je myšleno uspořádání jednotlivých kinematických prvků (dvojic). Každá z uvedených konfigurací má své jedinečné vlastnosti a tím je vhodná pro určitý typ úloh. Jako celek pak tvoří základní kinematický řetězec. Rozdělení do jednotlivých kategorií je provedeno na základě typů prvních třech os 2 robotu mající největší rozsah možných pohybů a určující tedy tvar a vlastnosti pracovní obálky (pracovního prostoru) robotu, v kterém je schopen s tělesem manipulovat. 2 Osy jsou počítány od základny (rámu) robotu.

20 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY 20 Jestliže se jedná o robot s šesti stupni volnosti, jsou poslední tři určeny pro orientaci tělesa v prostoru (většinou se jedná o klouby rotační). Takto mohou definovat libovolnou polohu a orientaci tělesa (manipulovaného dílu) v prostoru. Níže uvedený výčet obsahuje základní nasazované konfigurace, mimo ně existují některé další speciální varianty pro konkrétní činnost (například flexibilní konfigurace s více než šesti stupni volnosti). Kartézská (pravoúhlá) konfigurace Jedná se o nejjednodušší typ konfigurace. Všechny tři osy robotu jsou tvořeny posuvnými klouby, kdy každý z nich tvoří osu v kartézském souřadném systému. Mezi největší výhody patří vysoká přesnost, stabilita a nosnost, ovšem za cenu menší univerzálnosti a pohyblivosti. Jsou určeny především do logistiky (skladové systémy) a montáže prvků. Příklad robotu s kartézskou konfigurací je uveden na obrázku 3.1. Obrázek 3.1: Fyzická realizace (TM Robotics) a schématické znázornění kartézské konfigurace robotu (Zdroj: a [4, str. 79]) Cylindrická (válcová) konfigurace Oproti kartézské konfiguraci je v tomto případě nahrazen první posuvný kloub rotačním. Tím je pracovní obálka robotu tvořena válcem (respektive dutým válcem), jak zobrazuje obrázek 3.2. Pro řízení je ve většině případů použito cylindrického souřadného systému. Konfigurace umožňuje rychlou a přesnou manipulaci předurčující použití robotu pro paletování anebo zakládání dílů do výrobních strojů. Sférická (kulová) konfigurace U sférické konfigurace dochází k nahrazení další translační kinematické dvojice a to dvojicí rotační. První tři osy jsou tedy ve složení rotační, rotační a translační. Pracovní

21 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY 21 Obrázek 3.2: Fyzická realizace (Fanuc M-1 ) a schématické znázornění cylindrické konfigurace robotu (Zdroj: M-100/group gmfm100 1.html a [4, str. 79]) prostor tvoří segment duté koule (obrázek 3.3), v kterém se používá polárního souřadného systému. Tato konfigurace v dnešní době nalézá uplatnění především u robotů s menší nosností a rozsahem pohybů. Obrázek 3.3: Fyzická realizace (GMF Robotics S-100 ) a schématické znázornění sférické konfigurace robotu (Zdroj: Jointed Spherical.html a [4, str. 79]) Antropomorfní (angulární) konfigurace Konfigurace nejvíce podobná lidské ruce se nazývá angulární ( obrázek 3.4). Všechny hlavní kinematické dvojice jsou rotačního typu, pro řízení se využívá takzvaného kloubového souřadného systému. Robot s touto konfigurací vyniká svojí velkou pohyblivostí a univerzálností použití. Jedná se o nejrozšířenější typ průmyslového robotu, se kterým je možné se setkat napříč všemi částmi výroby (svařování, lakování, atd.).

22 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY 22 Obrázek 3.4: Fyzická realizace (Fanuc M-710iC ) a schématické znázornění angulární konfigurace robotu (Zdroj: a [4, str. 79]) SCARA - Selective Compliance Assembly Robot Arm Ze základního členění je konfigurace typu SCARA výjimečná přidáním posuvného kloubu za tři klouby rotační (kinematický řetězec tvoří klouby rotační, rotační, rotační a translační - obrázek 3.5). Takto řešený robot umožňuje velkou rychlost a přesnost v opakovatelnosti pohybů za poměrně nízké pořizovací náklady. Jelikož se v podstatě jedná o vodorovné kloubové rameno, tak je předurčeno k montáži malých (lehkých) prvků na ploše (především tedy elektronických součástek). Obrázek 3.5: Fyzická realizace (Epson) a schématické znázornění konfigurace SCARA (Zdroj: a

23 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY Programování a řízení Řídící jednotky průmyslových robotů řeší dvě základní kinematické úlohy a od nich se i odvíjí způsoby programování, respektive řízení robotu. Jedná se o úlohy: Přímá kinematická úloha: jsou známy pozice jednotlivých kloubů (tzv. kloubové souřadnice) a tyto souřadnice transformujeme do kartézského souřadného systému. Existuje tedy jednoznačné zobrazení z kloubových souřadnic do kartézských. Pro robot se šesti stupni volnosti se jedná o soustavu šesti rovnic se šesti neznámými. Tento úkol řeší právě řídící jednotka robotu. Zjednodušeně tedy přímá kinematická úloha udává pozici a natočení koncového členu robotu při známých pozicích jednotlivých kloubů. Inverzní kinematická úloha: zde je známa pozice koncového členu (požadovaná pozice manipulovaného tělesa). Cílem je nastavit pozice jednotlivých kloubů tak, aby se požadované pozice dosáhlo. Jedná se o složitější úlohu, jelikož nemá vždy jen jedno řešení a v krajních situacích má dokonce nekonečně mnoho řešení. Tato úloha je také mnohem častěji řešena, protože ve většině případů je požadavkem daná poloha koncového členu. Řídící jednotka má tedy uloženu dráhu ve formě kloubových souřadnic (pro určitý časový úsek připadá sekvence poloh kloubů). Při řízení jsou jednotlivým kloubům zasílány jejich polohy v daném čase a tím se udržuje koncový člen na dané trajektorii. Při programování řídící jednotky robotu je vlastně tvořen plán trajektorií, z kterých se skládá výsledná cesta. Metody plánování (programování) trajektorie robotu lze rozdělit následovně [19]: Přímé programování - manuální: obsluha (programátor) drží nástroj upevněný na konci ramene robotu. Jednotlivé pohyby a rychlosti jsou zaznamenány řídící jednotkou a uloženy. Po ukončení učení je spuštěna sekvence pohybů, kdy robot v podstatě opakuje dříve naučenou trajektorii. Tento způsob učení klade velké nároky na přesnost obsluhy, jelikož chyby provedené při manuálním učení jsou samozřejmě zaznamenány a opakovány. Tato metoda je již na ústupu a používá se jen v ojedinělých případech. Ilustrace postupu je uvedena na obrázku 3.6. Přímé programování - dálkové ovládání: požadované polohy je dosaženo prostřednictvím dálkového ovladače. Robot je uveden do bezpečného módu (omezení rychlosti jednotlivých kloubů), aby nedošlo k jeho poškození. Robot se navede do požadované cílové polohy a stiskem tlačítka je tato poloha uložena, výslednou trajektorii

24 KAPITOLA 3. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY 24 mezi dvěma body již dopočítá řídící jednotka dle zadaných parametrů (rychlost, čas, typ pohybu - lineární, po křivce). Při přímém programování je řešena inverzní kinematická úloha velice jednoduše - obsluhou při vlastním programování robotu. Nepřímé programování - offline: programování pohyby robotu probíhá formou křivek v softwaru dodaném výrobcem. Křivky jsou tvořeny dle projektové dokumentace, čas v tomto případě vychází z technologického postupu operace (například svařování). Tento způsob programování patří mezi nejmodernější a to zejména ve spolupráci s vhodným simulačním softwarem, kdy po kompletní simulaci operací ve virtuálním prostředí je vytvořen program ve vhodné formě pro cílovou řídící jednotku. Inverzní kinematická úloha je řešena již při simulaci operací. Přímé plánování - online: řešení kinematických úloh je vykonáváno v reálném čase, kdy je robot například navigován pomocí kamerového systému, nebo jiných senzorů. Tento způsob plánování se využívá v proměnném prostředí, kdy není trajektorie předem známa (například manipulace dílů z pohybujícího se pásu). Obrázek 3.6: Přímé manuální programování robotu (Zdroj: [19, str. 12])

25 Kapitola 4 Simulační aplikace Prostřednictvím aplikací určených pro simulaci jevů z reálného světa je možné získávat mnohem hlubší pohled na danou (simulovanou) problematiku. V oblasti výrobních procesů simulace mimo jiné přináší urychlení zavedení nových postupů, vytvoření několika rozdílných variant, ucelený a přesnější pohled na potřebné investice a zvýšení efektivity již probíhajících procesů. Veškeré činnosti vykonané v průběhu simulace lze rovněž snadno vizualizovat a to jak formou animací, tak i přehledových grafů, tabulek a diagramů. Nabízené výsledné varianty lze tak okamžitě posoudit, dokumentovat a prezentovat pro další kroky v plánování daného procesu. Do konečné výstavby se tak dostává výrobní linka již otestovaná ve virtuálním prostředí a to často do nejmenších detailů. Předem jsou známy požadavky na rozměr pracoviště, jeho vybavenost a počet zaměstnanců, včetně ergonomických požadavků dle aktuálních předpisů dané legislativy. S tím je samozřejmě spojena minimalizace chyb a nákladů na případné změny fyzické linky. Virtuální prostředí umožňuje mnohem širší pohled na vzniklé situace při dílčích operací. Například je možné zobrazit jen velice malou část linky, nebo detailněji vyšetřovat kolize mezi robotem a jeho prostředím (obráběná součást, upínací stoly, atd.). Dále umožňuje vizualizaci nejen pracovního prostoru robotu, ale i jeho dráhy při pohybu. Mezi největší přínosy simulačních programů bezesporu patří takzvané offline programování. Při dokončení simulace je možné vytvořit program přímo pro daný robot, tím odpadá další krok běžného procesu realizace robotické linky, jakým je programování robotů až po umístění na fyzické lince. V případě, že je simulovaná linka velmi přesně postavena dle technologických postupů a projektové dokumentace, lze ze simulačního softwaru nahrát vygenerovaný programový kód přímo do řídící jednotky robotu. Důležitým faktorem pro použití této metody je vysoká přesnost dosažená při realizaci fyzické linky.

26 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE 26 Z tohoto důvodu je stále nutná jistá korekce a testování naprogramovaného robotu na samotné lince. I přesto přináší offline programování vysokou časovou úsporu. Z předchozích vlastností plyne, že požadované aplikace již nejsou pouze konstrukční a návrhové 1, ale mnohem komplexnější softwarové produkty. Takové produkty spadají do kategorie Product Lifecycle Management - PLM, systémy provázející daný výrobek během jeho celého životního cyklu, od počátečního návrhu designu, přes podporu výroby až po konečný systém recyklace. Vzhledem ke koncepci systému, nesoucího v sobě ucelený obraz reálné (plánované, nebo realizované) výroby v podobě 3D modelů, dokumentace, metod a postupů v digitální podobě, se tyto produkty skrývají pod uceleným názvem digitální továrna. Následující kapitola je věnována popisu konceptu digitální továrny a popisu stěžejních vlastností vybraných softwarových produktů určených k simulaci a plánování výrobních procesů. Obrázek 4.1: Schématické znázornění životního cyklu výrobku monitorovaného pomocí PLM systémů (Zdroj: 1 Softwarové balíky typu CAD/CAM pro tvorbu technické dokumentace a virtuálních modelů.

27 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE Digitální továrna Digitální továrna tvoří v podstatě komplexní model reálné výroby/továrny vytvořený ve virtuálním prostředí. Použití nalezne především v procesním plánování, simulaci a optimalizaci rozsáhlých produktů, jako jsou letadla a automobily. Modely vytvořené konceptem digitální továrny jsou také vhodné pro plánování a řízení životního cyklu produktu. Veškeré kroky plánování se přesunou do virtuálního světa a tím je minimalizován finanční dopad na případné změny v reálné výrobě. Každý krok je možné dostatečně otestovat a simulovat dle různých požadavků a pro výsledný projekt nového produktu nalézt nejvhodnější řešení Vývoj nového produktu Uvedená struktura vývoje produktu v prostředí digitální továrny vychází z lit. [18]. Návrh konceptu Dle požadavků zákazníka (trhu) je navržena idea nového produktu (navržen design, funkčnost, základní koncepce). Výsledek je předán konstrukčnímu oddělení. Konstrukční řešení produktu Po vytvoření konceptu je zahájena práce na výrobní dokumentaci konstrukčního řešení, tak aby výsledný produkt splňoval veškeré zadané požadavky na funkčnost a design. Využívá se konstrukčních nástrojů v podobě CAD aplikací, které jsou součástí softwarového balíku pro digitální továrnu. Konstrukční aplikace by měla zejména umožňovat návrh součástí výrobků, dynamické, statické, pevnostní a aerodynamické analýzy. Dále virtualizaci sestavy včetně simulace její funkčnosti a vytvoření kompletní technické dokumentace výrobku. Technologické řešení procesu Dle vytvořené technické dokumentace se navrhne výrobní postup jednotlivých komponentů, včetně jejich montáže. Je navržen způsob obrábění, analýza přesnosti a například řídicí systém obráběcího stroje. Software v této části vývoje produktu pomáhá především simulací průběhu obrábění, chování nástroje, nebo celého výrobního procesu. Aplikace by měla obsahovat databázi používaných nástrojů a umožnit tvoření rozdílných variant procesu výroby pro výběr optimálního postupu.

28 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE 28 Definování výrobního procesu Technolog (plánování výroby) zpracuje připravenou technologii výroby a navrhne strukturu jednotlivých pracovišt, takt linky, zásobování, logistiku a provede ergonomické analýzy pracovních míst. Průmyslový inženýr působí jako podpora plánování výroby z hlediska času, ergonomie a vytížení pracovníků. Konečné navržení výrobního procesu se skládá z následujících kroků: Hrubé plánování: definuje zdroje (zajišt ují provedení procesu - nářadí, nástroje, roboty, pracovníci), produkty (vstupní a výstupní komponenty výrobku, včetně rozpadu na jednotlivé sestavy) a procesy (přeměna vstupu na požadovaný výstup) dílčích operací. V hrubém plánování se dělí operace na jednotlivé úkony (obsahující informaci o časové náročnosti), kterým je přiřazen zdroj, vstupní a výstupní produkty. Jemné plánovaní: provede se simulace vytvořených operací v hrubém plánování a ověření časů dílčích operací. Zde se dále rozpadají úkony na jednotlivé pohyby (např. uchopení výrobku robotem se dále dělí na pohyb mezi konkrétními body a stavy uchopovacího systému). Zjištěné časy v simulaci jsou porovnány s plánem a případně upraveny. Dále je uskutečněna analýza možných kolizí robotu při pohybu u automatizovaného pracoviště. Ergonomické analýzy pracovišt : dle požadavků legislativy je nutné otestovat ergonomii pracovišt. Nástroje digitální továrny umožňují reálnou simulaci přímo s modelem člověka. Takovýto model obsahuje vazby kostí, kloubů a svalů, spolu s možností nastavení pohlaví a tělesných proporcí. Výsledek simulace je dále analyzován a v případě nevhodnosti jsou navrženy úpravy pro dané stanoviště (např. jiné rozmístění přípravků a výška stolu). Diskrétní simulace výrobního systému: výsledky předchozích analýz jsou načteny pro simulaci kompletní výroby. Zde se definují náklady na čas, poruchovost a pravidelný servis. Výsledkem je kompletní zpráva o investicích, vyrobených produktech v závislosti na počtu směn a návratnost celého projektu.

29 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE ABB RobotStudio RobotStudio je softwarový produkt určený k offline programování průmyslových robotů a to se zaměřením na roboty společnosti ABB 2. Jelikož tento program pochází od společnosti ABB, obsahuje přesný virtuální programovací model řídicího systému robotů. V případě virtuálního zprovoznění je výsledná simulace naprosto shodná s reálným provozem. Při spuštěné simulaci je v okně aplikace dostupný programový kód řídící jednotky a tedy lze i přímo zasáhnout do programu a ladit jej. V aplikaci je zpracován kompletní simulační 3D model, včetně jednotlivých bezpečnostních a logistických prvků. Výrobcem je do knihovny modelů aplikace začleněna ucelená nabídka průmyslových robotů. Nestandardní části výrobní linky se dají importovat z programů typu CAD ve standardních formátech, stejně tak i modely produktu. Mezi další vlastnosti patří automatické generování pozic robotu pro sledování křivky (nástroj AutoPath), automatické analyzování manipulačního dosahu robotu pro optimalizaci umístění v pracovní buňce (nástroj Autoreach) a nástroje pro detekci možných kolizí. Velkým přínosem je i možnost rozšíření aplikace prostřednictvím specializovaných nástrojů (PowerPac s) pro bodové a obloukové svařování, obsluhu ohraňovacího lisu a broušení ostří [1]. Příklad pracovního prostředí aplikace je uveden na obrázku 4.2. Obrázek 4.2: Pracovní prostředí aplikace ABB RobotStudio (Zdroj: 2 Hlavní webová stránka jednotky Robotika divize Automatizace výroby a pohony společnosti ABB (Asea Brown Boveri):

30 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE Dassault Systèmes Delmia Process Engineer Francouzská společnost Dassault Systèmes nabízí v oblasti digitální továrny produkt Delmia Process Engineer se zaměřením na statické plánování a optimalizaci rozvrhu výrobní linky. Umožňuje ucelený pohled na objem výroby v závislosti na čase (počet směn, délka pracovní doby) a na layoutu linky včetně podrobných informací spojených s procesem výroby. Celý koncept aplikace Delmia Process Engineer je založen na třech základních otázkách. Tedy co se vyrábí (Product), jakým způsobem (Process) a jakými prostředky (Resource). Tento koncept se v prostředí Delmia Process Engineer nazývá PPR jádro, z kterého projektant při návrhu musí vycházet. Vytvořený komplexní pohled na daný návrh prostřednictvím vztahů mezi produkty, procesy a výrobními zdroji, napomáhá předcházení chyb a to zejména v počátku návrhu. Výstup z PPR jádra uceleně informuje o využití jednotlivých zdrojů a materiálovém toku. Další podrobnější informace jsou pak získány z procesního grafu a výrobního konceptu. Výrobní koncept umožňuje editaci a rozmist ování zdrojů, jako celek tvoří schématický layout materiálových toků mezi zdroji. Projektant může vytvářet různé varianty tohoto layoutu a tím porovnávat efektivitu a náklady procesu při různých úpravách výrobního konceptu. Posledním krokem práce v Delmia Process Engineer je převedení konceptu linky do prostorového modelu. Lze tak získat přesnější představu o skutečné výrobě než jako v případě 2D varianty. K vytvoření modelu je využita standardní knihovna nejčastějších výrobních zařízení, knihovnu lze samozřejmě dále uživatelsky rozšiřovat o další modely. Model obsahuje jak 3D reprezentaci zařízení tak i informace o výrobních cenách, rozměrech a další atributy potřebné k vytvoření uceleného pohledu na linku [17] Delmia V5 Robotics Pro komplexní návrh, simulaci, optimalizaci a následné programování robotizovaných pracovišt je určen produkt Delmia V5 Robotics, který využívá 3D prostředí se shodnou architekturou jako aplikace Catia. Velmi rozsáhlá knihovna 700 detailních modelů robotů a kompatibilita jednotlivých modulů mezi produkty společnosti Delmia přináší urychlení konečného návrhu linky a lepší správu dat. Delmia V5 Robotics obsahuje nástroje vhodné pro simulace především v automobilovém průmyslu, jako je robotické svařování a end-to-end řešení pro výrobu karosérií (Body

31 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE 31 in White manufacturing). Jedná se o kompletní analýzu chování zdroje, kdy výsledkem je popis vstupu dílů do pracovní buňky, jejich uchycení a svaření. Po takto definovaném a ověřeném plánu se následně provede programování robotu a ucelený virtuální návrh je dále otestován v 3D simulaci. Na obrázku 4.3 je vyobrazeno hlavní okno aplikace. Delmia V5 Robotics obsahuje několik základních modulů [16]: Device Building: jedná se o sadu nástrojů pro modelování mechanických systémů (nástroje robotů, upínací a polohovací zařízení) ve výrobních procesech. Modely je možné vytvořit v aplikaci typu CAD a importovat, poté se sestaví kinematika zařízení a to i s využitím inverzní kinematiky. Device Task Definition: slouží k prostorovému modelování robotického pracoviště včetně analýzy proveditelnosti zadaných pohybů robotu a to v jednotném prostředí. Arc Welding: modul pro řešení obloukového svařování, jako je vytvoření prostorových křivek pro dráhu robotu a nastavení parametrů svařování. Workcell Sequencing: nástroj pro simulaci výrobních procesů s roboty, využívá model vytvořený v modulu Device Task Definition. Lze řídit a nastavit parametry pohybů robotu a testovat správné provedení zadaných operací. Realistic Robot Simulation: umožňuje definování řídících jednotek robotů do simulačního prostředí a tím realizovat velmi přesné řízení vůči reálnému provedení. Off-Line Programing: přináší kompletní řešení pro offline programování řídících jednotek robotů. Je tak možné výsledný program přímo nahrát do fyzického zařízení po ukončení simulací, nebo testovat a upravovat program bez potřeby dostupnosti fyzického robotu a jeho řídící jednotky. 4.4 Autodesk Factory Design Suite Integrované 2D a 3D řešení Autodesk Factory Design Suite je určeno pro projektování a optimalizaci výrobních pracovišt prostřednictvím digitálního modelu továrny. Pro tento účel nabízí zejména optimalizaci s ohledem na tok materiálu výrobní linkou, rozsáhlou knihovnu modelů výrobních zařízení a továrních objektů, správu výkresové a návrhové dokumentace a interaktivní propojení 2D layoutu a 3D modelu linky (změny provedené přetažením prvků v 3D modelu se automaticky projeví i v 2D layoutu). Mimo jiné lze řešit propojení jednotlivých stavebních prvků, jejich napojení na rozvody energie, vody a vzduchotechniky s využitím rozsáhlé knihovny modelů [2].

32 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE 32 Obrázek 4.3: Pracovní prostředí aplikace Delmia V5 Robotics (Zdroj: Autodesk Factory Design Suite tvoří softwarový balík skládající se z následujících aplikací: AutoCAD (AutoCAD Architecture): aplikace pro vytváření profesionální výkresové dokumentace a rozvržení továrny. Verze AutoCad Architecture obsahuje specializované nástroje pro architektonické kreslení. Inventor: slouží pro návrh, vizualizaci a simulaci výrobních zařízení a nástrojového vybavení. Obsahuje také funkce pro automatický převod 2D výkresů na 3D rozvržení. Vault: spravuje veškerou technickou dokumentaci k projektu továrny. Navisworks: integruje a reviduje 3D modely různých formátů a vstupních aplikací, rozšiřuje informace o prostorová omezení pro prvotní proces návrhu výrobního prostoru. 3D Studio Max Design: vytváří fotorealistické snímky a prezentační videa v nejvyšší obrazové kvalitě pro demonstraci vytvořených simulací a návrhů výrobní linky. Showcase: přidává k vytvořeným modelům reálné povrchové materiály a osvětlení. Vytváří tak prezentační materiály vhodné pro realistickou představu o produktech.

33 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE 33 Obrázek 4.4: Pracovní prostředí aplikace Autodesk Inventor (Zdroj: Siemens PLM Software - Tecnomatix Softwarová sada Tecnomatix patří mezi ucelené řešení digitální továrny od německé společnosti Siemens PLM Software. Propojuje tak všechny výrobní oblasti s vývojem produktu, se zahrnutím rozvržení, návrhu, simulace a vývoje procesu. Možnost provázání veškerých údajů o produktech, zdrojích a procesech v jediném datovém a softwarovém řešení umožňuje zrychlit uvedení nového produktu do výroby Tecnomatix Process Designer Pro vytvoření návrhu výrobních procesů je určena aplikace Process Designer ze sady Tecnomatix. Ve 3D grafickému prostředí se vytváří virtuální model budoucí výrobní linky a jednotlivé vazby mezi objekty, ze kterých se skládá, spolu s analýzou posloupnosti a časové náročnosti dílčích operací. Vzhledem k možnosti spolupráce týmu na stejných datech se urychluje celý systém vývoje a snižují se náklady nutné k realizaci projektu. Produkt Process Designer spadá do části hrubého plánování, jak je uvedeno v kapitole 4.1. Před vlastním vytvořením modelu je nutné definovat popis procesu propojením základních typů dat, kterými jsou díly (sestavy dílů), zdroje a prováděné operace. Takto definované vztahy tvoří kompletní popis procesu (Bill of Process).

34 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE 34 Veškeré informace o produktech, zdrojích a procesech jsou uloženy ve formě stromových struktur, které jsou součástí projektu plánovaného výrobního procesu. Originální data jsou načítána z prototypových knihoven a tedy projektová změna (například malá technologická úprava na modelu dílu) se okamžitě projeví i v otevřeném návrhu. Tím se zajišt uje práce s aktuálními daty v rámci projektu. Program Process Designer nabízí pro kontrolu a návrh procesu několik nástrojů, jako je Ganttův a PERT diagram, prostorová vizualizace, vytváření variant pro rozdílná řešení. PERT diagram znázorňuje posloupnost operací spolu se vstupujícími zdroji a produkty. Takto lze zobrazit celkovou vytíženost daného zdroje a časovou náročnost, případně se vytvoří rozdílné varianty pro jiná uspořádání. Pro další kroky zpracování v podobě simulace a optimalizace se nastaví předpokládané časy operací dle projektu pro ověření [9]. Příklad pracovního prostředí aplikace Process Designer s diagramem PERT je uveden na obrázku 4.5. Obrázek 4.5: Pracovní prostředí aplikace Tecnomatix Process Designer Tecnomatix Process Simulate Tecnomatix Process Simulate (dále TPS) je modulární software vytvořený pro simulace nejrůznějších výrobních, nebo procesních operací. Přímo navazuje na aplikaci Process Designer, ověřuje navržený layout výrobní linky a naplánované časy dílčích operací pomocí dynamické simulace.

35 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE 35 Prostřednictvím specializovaných modulů lze upravit pro řešení konkrétní třídy operací. Například TPS Human je určen pro simulace manuálních operací, v programu předpřipravené modely pracovníků s rozdílnými fyzickými parametry (výška, pohlaví). Výsledná simulace obsahuje časy a pohyby nutné pro vykonání jednotlivých operací, včetně zatížení pracovníků. Legislativou jsou dány požadavky na ergonomii a za pomocí simulace se dají odhalit nevyhovující polohy těla. Operaci, nebo pracoviště je tak možné upravit ještě před reálným nasazením. Oproti tomu je TPS Robotic zaměřený na robotické operace, zde nalezneme nástroje pro práci s řídící jednotkou robotu, plánování manipulačních, svařovacích a lakovacích operací, detekci kolizí, nastavení kinematiky komponent výrobní linky a offline programování. V jednotném uživatelském prostředí se realizují veškeré fáze návrhu a simulace výrobního procesu, především robotizovaných pracovišt. Projektant může tvořit prostorové prototypy modelů zdrojů, analyzovat kolize (statické i dynamické), nastavit kinematiku a vazby jednotlivých prvků a vytvářet prezentační a technickou dokumentaci. Obrázek 4.6: Příklad prostředí aplikace Tecnomatix Process Simulate Aplikace TPS má několik specifických nástrojů, které usnadňují simulaci výrobní linky a tedy urychlují její realizaci. Mezi tyto nástroje například patří automatické plánování cesty (Automatic Path Planner), offline programování, testování vhodných svařovacích kleští dle zadaných bodů a pokročilá detekce kolizí při dynamické simulaci. V simulaci lze uložit trajektorii robotu a tak srovnávat jednotlivá řešení a změny ve vytvořené posloupnosti bodů a to včetně rychlostí a poloh kloubů robotu při simulované operaci. Může se

36 KAPITOLA 4. SIMULAČNÍ APLIKACE 36 také otestovat pracovní prostor operace, kde výsledkem je v podstatě těleso představující prostor nutný pro celkový požadovaný pohyb robotu. Tím se usnadňuje detekce kolizí mezi roboty a odhalení případných nebezpečných míst při vykonávaných operacích [11]. Oba níže uvedené programy ze softwarového balíku Tecnomatix pracují s datovým formátem JT. Jedná se o univerzální formát pro ukládání prostorových modelů (spojité modely s přesnou reprezentací hranic), informace o produktu, výrobě a kinematice. Formát JT zajišt uje datovou návaznost jednotlivých modulů, a proto odpadají komunikační problémy dílčích pracovišt (konstrukce, technologie, plánování, logistika). Díky těmto vlastnostem je velice rozšířený u PLM aplikací, kdy dochází ke zkrácení doby načítání jednotlivých projektů (datový formát JT je až o 10 % menší oproti standardnímu formátu CAD aplikací) a optimalizuje datovou strukturu pro uchování informací [10].

37 Kapitola 5 Společnost Škoda Auto a.s. Diplomová práce byla zpracována ve spolupráci se společností Škoda Auto a.s. v oddělení Digitální fabriky (VPS4/7) ve výrobním závodu Mladá Boleslav. Výrobní robotická svařovací linka, jejíž model tvoří podklady pro praktickou část této práce, se nachází v pobočném závodě Kvasiny a slouží pro svařování přední části podlahy karoserie modelu SK316 Škoda Yeti. Následující část práce detailněji informuje o významných milnících historie společnosti Škoda Auto a.s. a pobočném závodu Kvasiny. Uvedené informace jsou především čerpány z literatury [5] a z prezentačních materiálů jednotlivých oddělení společnosti Škoda [13] (včetně ilustrací a map). 5.1 Historie Automobilka Škoda Auto a.s. patří díky více jak stoleté historii mezi tři nejstarší společnosti působící v automobilovém průmyslu na světě. S počtem téměř zaměstnanců 1 je největší průmyslový podnik a zaměstnavatel v České republice. Její výrobky je možné nalézt na více než 100 trzích po celém světě. Jedná se tak o jeden z nejúspěšnějších podniků, jehož historie je spojená s Českou republikou a zároveň největším exportérem. Svou historii započala společnost v roce 1895, kdy Václav Laurin a Václav Klement založili v Mladé Boleslavi malý podnik Laurin & Klement pro výrobu jízdních kol. V roce 1899 z továrny Laurin & Klement vyjel první motocykl Slavia Typ A, který sklízí úspěchy na závodních tratích. Úspěch motocyklů znamenal další rozvoj továrny a o šest let později i první model automobilu nesoucí jméno Voiturette A, zobrazen na obrázku 5.1. Prodejní úspěch Voiturette A předčil očekávání a rokem 1907 se továrna Laurin & Klement mění na akciovou společnost. Podnik se po první světové válce rozšiřuje a dochází k výrobě 1 Stav k Zdroj: Statistiky personálního oddělení Škoda Auto a.s.

38 KAPITOLA 5. SPOLEČNOST ŠKODA AUTO A.S. 38 i nákladních automobilů. Ovšem k dalšímu rozvoji a rozšíření je třeba nelézt silného partnera a tak dochází ke spojení s průmyslovou společností Škoda. Postupně se tak mění název i znak na nových automobilech a značka Laurin & Klement definitivně zaniká. Obrázek 5.1: První vyrobený automobil Voiturette A podniku Laurin & Klement Hospodářská krize a druhá světová válka přináší další změny ve výrobě i organizaci společnosti. Vzniká Akciová společnost pro automobilový průmysl (ASAP) a v průběhu války se výroba soustřed uje na zbraňové součásti a terénní vozidla. Konec druhé světové války přináší reorganizaci celého automobilového průmyslu a soustředění jednotlivých typů vozidel do konkrétních podniků, vznikají tak monopolní společnosti bez konkurence na území Československa. Automobilka sídlící v Mladé Boleslavi je oddělena od závodu Škoda a nově vzniká podnik Automobilové závody, národní podnik Mladá Boleslav vyrábějící pouze osobní automobily, do nově vzniklého podniku jsou začleněny i závody v Kvasinách a ve Vrchlabí. Nastolená politická situace způsobuje uzavřenost trhu a ztráta konkurenceschopnosti podniku způsobuje pokles prodeje na zahraničních trzích a tím v podstatě technologické zaostávání. Během roku 1990 vláda rozhoduje o možnosti vstupu velkého zahraničního partnera, mezi zájemci o podíl je i německá automobilka Volkswagen. Rokem 1991 se stává automobilka akciovou společností a součástí koncernu Volkswagen Group. Po devíti letech, tedy roku 2000 získává Volkswagen Group 100 % podíl ve společnosti a tento krok umožňuje expandovat české automobily na další světové trhy. Během roku 2011 bylo rozhodnuto o takzvané Růstové strategii 2018, která má za cíl rozšíření nabídky vozů, uvedení nového

39 KAPITOLA 5. SPOLEČNOST ŠKODA AUTO A.S. 39 modelu v půlročním intervalu a zvýšení ročního prodeje na 1,5 milionu vozů 2. Těmto cílům má zejména pomoci expandování na zahraniční trhy a to především na asijský kontinent. 5.2 Výrobní závody Na území České republiky se nachází celkem tři výrobní závody. Největší z nich je umístěn v Mladé Boleslavi, kde je i soustředěno vedení společnosti a většina testovacích a projektových oddělení. V Mladé Boleslavi se vyrábí automobily Octavia (výrobní závod MB1) a Fabia (výrobní závod MB2) ve všech specifikacích i pro mezinárodní trh. Pobočné závody jsou v provozu ve Vrchlabí (Roomster) a v Kvasinách (výroba vozů Superb a Yeti). Obrázek 5.2: Výrobní závody společnosti Škoda Auto a.s. v České republice Pobočné zahraniční závody se nacházejí v Rusku, Kazachstánu, Bosně a Hercegovině, Indii a Číně. V těchto závodech jsou umístěny montážní linky pro kompletaci vozů se specifickou výbavou a splňující dané normy pro cílový trh. Transport dílčích sestav vozů probíhá v přepravních kontejnerech a v přímých vlakových soupravách vypravených ze závodů v České republice (například do závodu Eurocar Solomonovo - Ukrajina). Dle kompletnosti dílů se rozlišují takzvané montážní sety SKD, MKD a CKD, které jsou dopravovány do cílových zahraničních závodů. Jednotlivé montážní sety obsahují [7]: SKD (Semi Knocked Down): kompletně vybavená karosérie, agregát (motor, převodovka a přední náprava), zadní náprava, podvozkové díly (např. kola, palivová nádrž, výfuková soustava). 2 V roce 2011 bylo celosvětově prodáno vozů značky Škoda.

40 KAPITOLA 5. SPOLEČNOST ŠKODA AUTO A.S. 40 MKD (Medium Knocked Down): jedná se o větší stupeň rozložení obsahující nalakovanou nevybavenou karoserii a dalších cca 1300 až 1700 dílů. CKD (Completely Knocked Down): karosářské díly a další komponenty ve velkém stupni rozloženosti. Montážní závod zajišt uje svaření, lakování karoserie, montáž agregátu a dalších komponentů. Doprava realizovaná ve formě rozloženého vozu není v závodu novinkou. Například obdobně provedená doprava probíhala již ve 20. letech minulého století při exportu do Japonska, Austrálie a Ruska. Vozy byly také montovány na Novém Zélandu a v Pakistánu během 60. a 70. let. Obrázek 5.3: Montážní závody automobilky na zahraničních trzích Pobočný závod Kvasiny V závodu Kvasiny probíhá výroba modelů SK461/SK462 Superb a SK316 Yeti. Jedná se o svařování podskupin karoserií jednotlivých modelů, lakování kompletní karoserie a konečnou montáž agregátu a interiéru vozu.

41 KAPITOLA 5. SPOLEČNOST ŠKODA AUTO A.S. 41 Svařovna je umístěna v hale M1, kde se nachází i linka pro svařování přední části podlahy modelu SK316 jejíž optimalizaci je věnována praktická část této práce. Výroba automobilu Yeti probíhá v závodu od roku 2009, aktuální produkce činí 242 karosérií za den 3 v třísměnném provozu při taktu 1,8 min. Plánované ukončení výroby modelu SK316 je v roce 2017, tedy za pět let. V hale svařovny vozů Superb a Yeti pracuje 262 robotů (převážně od německého výrobce KUKA) na celkové ploše m 2. Na obrázku 5.4 je zobrazeno dispoziční rozdělení jednotlivých částí výroby závodu Kvasiny. Obrázek 5.4: Dispoziční řešení pobočného závodu Kvasiny 3 Stav k Zdroj: Statistiky závodu Kvasiny Škoda Auto a.s.

42 Kapitola 6 Praktická část 6.1 Popis výrobní linky Zadaná svařovací robotická linka, sloužící pro výrobu přední části podlahy automobilu Škoda Yeti model SK316, se nachází v hale M1 (svařovna) pobočného závodu Kvasiny společnosti Škoda Auto a.s. Podsestava Podlaha přední představuje část podlahy umístěné přibližně od řízení až po zadní část předních sedadel automobilu. Situační umístění a kompletní sestava Podlahy přední je zachycena na obrázku 6.1 a 6.2. Obrázek 6.1: Umístění Podlahy přední v kompletní sestavě podlahy modelu SK316 Výrobní linka se skládá z 12 automatizovaných pracovišt (16 robotů) a 6 manuálních. V rámci simulace a optimalizace budou zpracovány jen automatizovaná (robotizovaná) pracoviště, jelikož aplikace Process Simulate Robotic neumožňuje zpracování ergonomie a

43 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 43 Obrázek 6.2: Sestava Podlahy přední detailní simulace manuálních operací. Prostorová dispozice včetně označení jednotlivých stanic, přípravků a robotů je uvedena v příloze B 1 na straně II. Na svařovací lince podlahy přední jsou nasazeny roboty společnosti KUKA se šesti stupni volnosti a angulární konfigurací. Jedná se o modely KR 360, KR 240 a KR 180, označení odpovídá mezní dovolené zátěži, tedy 360 kg, 240 kg a 180 kg. Instalované roboty mají pracovní dosah od 2700 mm do 3100 mm a přesnost opakování menší než ±0, 10 mm [6]. Model robotu KR 360 v aplikaci Process Simulate je na obrázku 6.6. Vstup jednotlivých polotovarů do pracovního prostoru linky je tvořen jedním otočným (s dvěma geometrickými přípravky) a dvěma pevnými stoly pro ruční založení prvků výsledné podlahy. Geometrický přípravek zajišt uje přesné svaření upnutých dílů, k tomu slouží prvky tzv. RPS 2 systému. Jedná se o části svařence (otvory, plochy) pomocí kterých je patřičný díl s povolenou tolerancí upnut (vystředěn). Do geometrického přípravku díly zakládají pracovníci a to ručně, nebo v případě velkých (těžkých) částí za pomoci manipulátoru. Protože při založení dílů do pevných stolů vstupují zaměstnanci do pracovního prostoru robotu, jsou vstupy zabezpečeny prostřednictvím více-paprskových bezpečnostních světelných závor. Nepovolený vstup je detekován a řídicí systém zastavuje neprodleně roboty příslušné části linky. Opětovné spuštění provede pracovník po opuštění zabezpečeného prostoru. Zbývající oblast výrobní linky je oplocena systémem polykarbonátových desek a veškeré servisní vstupy jsou zabezpečeny senzory. V případě závady anebo pravidelné údržby (výměna svařovacích čepiček) je linka odstavena vně umístěným řídicím 1 Příloha B také obsahuje popis systému číselného značení pracovních stanic. 2 RPS - Systém referenčních bodů (Reference Point System).

44 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 44 systémem. Roboty se vždy zastaví v právě aktuální poloze a po provedení prohlídky (spuštění linky) pokračují v zadaném programu. Geometrický přípravek AFO 1240 na stanici je vyobrazen na obrázku 6.3, viditelné je i zabezpečení světelnými závorami. Obrázek 6.3: Stanice s otočným stolem Výstup z automatizované části linky je proveden otočným stolem, zde pracovník přemístí manipulačním zařízením zkompletovanou část podlahy. Na stejném stanovišti je rovněž uskutečněno ruční svařování (tvrdé pájení v ochranné atmosféře) poslední části podlahy přední a hotový výrobek je uložen do palety, která je spolu s předními částmi podlahy přemístěna na linku kompletace podlahy. Ostatní manuální pracoviště slouží pro bodové svařování malých podsestav, které se vkládají do přípravků pro zhotovení celkového výrobku. Robotické bodové odporové svařování je řešeno pomocí svařovacích kleští typu X a C (obrázek 6.4). Kleště jsou upnuty přímo na koncovém členu robotu, nebo jako stacionární kleště připevněny na stojanu. Ve dvou případech jsou stacionární kleště umístěny na otočném stojanu (stanice a ). Při takové realizaci kleští je možné během operace měnit natočení a rozšířit operační prostor pro svařování. Řešení v případě stanice zobrazuje obrázek 6.6. Svařovací kleště mají dlouho-životní elektrody, které je nutné ofrézovat přibližně po 100 svařených bodech. Ofrézování je zajištěno řídícím programem tak, že po svaření daného počtu bodů robot automaticky najede k frézkám. Frézování se provádí vždy po

45 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 45 Obrázek 6.4: Svařovací kleště typu X a C, svařování metodou MAG dokončení taktu. Do frézovací polohy robot najíždí v podstatě namísto polohy čekací. Výměna svařovacích čepiček je uskutečněna manuálně (po přibližně svařených bodech) při technické pauze výrobní linky. Na stanici se provádí robotické obloukové svařování tavící se elektrodou v aktivním plynu (metoda MAG). Robot zde nejprve provede svařování na stacionárních svařovacích kleštích a poté na zařízení pro svařování metodou MAG (obrázek 6.4). Manipulace mezi operacemi a vlastní polohování při svařování na stacionárních kleštích je řešeno prostřednictvím uchopovacího systému připevněného na koncovém členu robotu. Jednotlivé systémy odpovídají tvaru manipulovaného dílu a svařovacím bodům v dané operaci. Kromě upínacího mechanismu obsahují i senzory pro detekci vloženého dílu. Příklad řešení uchopovacího systému pro manipulaci s kompletní sestavou podlahy přední ze stanice (robot R1-K) je uveden na obrázku 6.5. Rozšíření manipulačního prostoru se řeší umístěním robotu na pojezdový mechanismus 3. Na lince pro svařování podlahy přední je na pojezdovém mechanismu umístěn robot R1-C (stanice ). Na obrázku 6.6 je viditelný jak pojezdový mechanismus, tak i realizace dvojitého upínacího mechanismu pro manipulaci se dvěma sestavami podlahy přední v jeden okamžik. 3 Tzv. sedmá osa představuje další stupeň volnosti mimo hlavní kinematický řetězec, z tohoto důvodu se také v rámci simulační aplikace nazývá externí.

46 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 46 Obrázek 6.5: Uchopovací systém robotu (stanice ) Obrázek 6.6: Stanice s robotem R1-C na pojezdovém mechanismu, dvojitým uchopovacím systémem a stacionárními svařovacími kleštěmi na otočném přípravku

47 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 47 Průchod výrobku linkou Následující schéma (obrázek 6.7) zobrazuje průchod výrobku jednotlivými robotickými stanicemi během jeho svařování. Obrázek 6.7: Schéma průchodu výrobku linkou přední části podlahy (Zdroj: Podklad pro schéma průchodu převzato z [13]) Legenda Červená křivka: naznačuje následnost stanic ve výrobním procesu. Velká zelená šipka: vstupní a výstupní body, jedná se o místa, kde pracovník vstupuje do pracovního prostoru robotu, nebo otočného stolu. Zelená šipka: označuje manipulační operace provedené robotem. Černá šipka: označuje svařovací operace provedené robotem. Světle modrý blok: jedná se o odkládací přípravek (stanici). Roboty si předávají výrobek mezi svařovacími operacemi prostřednictvím těchto přípravků.

48 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 48 Tmavě modrý blok: označení pracovních přípravků (stanic). Jedná se o geopřípravek pro svařování (AFO 1240), nebo upínací stoly pro manuální založení (vyjmutí) dílů k dalším operacím. Žlutý kruh: znázorňuje robot se svařovacími kleštěmi upnutými na koncovém členu. Oranžový kruh: robot vybavený upínacím systémem pro manipulační operace a svařování na stacionárních kleštích. Žlutý šestiúhelník: představuje stacionární svařovací kleště. 6.2 Dynamická simulace výrobní linky Projekt SK316 byl první v rámci společnosti Škoda Auto a.s., kdy byly testovány aplikace Process Simulate a Process Designer 4. Po spuštění reálné výrobní linky byly zpětně vytvořeny 3D modely v programu Process Designer, ale již nebyla provedena simulace linky v programu Process Simulate. Simulace a model byly původně provedeny v aplikaci Robcad (předchozí generace sotwaru společnosti Siemens PLM Software), kde byl vytvořen i offline program pro jednotlivé robotické stanice. Model linky se skládá z několika základních částí: Zdroje (Resources): modely fyzického vybavení výrobní linky - upínací stoly, roboty, ale i zaměstnanci, nebo zabezpečovací technika. Díly (Parts): modely dílů a sestav s kterými se pracuje v dílčích operacích, díly jsou načteny z centrální knihovny (kusovníku). Spojovací data (Manufacturing Features): v Process Simulate jsou tato data označena zkratkou MFG a umístěna v samostatné knihovně. Za spojovací data jsou považovány souřadnice bodových svárů, nebo trajektorie pro svařování v ochranné atmosféře (Continuous Features) či řezání laserem. Operace (Operations): v rámci hrubého plánování mohou být připraveny konkrétní dílčí operace pro pracovní stanice a jejich předpokládané časy, tyto časy lze následně porovnat s výsledky simulací. K operacím mohou být přiřazeny díly, příslušná spojovací data a zdroje. 4 Více informací o aplikacích Process Simulate a Process Designer je uvedeno na straně 33 v kap. 4.

49 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 49 Vytvoření dynamické simulace v programu Process Simulate (dále PS) je rozděleno na níže uvedené dílčí kroky: 1. Konverze všech modelů linky, u kterých je třeba provést nastavení kinematiky, nebo jiné úpravy modelu (nastavení typu nástroje, nastavení pozic) do balíčku formátu cojt. 2. Nastavení kinematických řetězců, pozic a souřadných systémů pro modely robotů, svařovacích kleští, upínacích systémů a dalších pohyblivých prvků (otočné stoly, geometrické přípravky, frézky). 3. Vytvoření svařovacích cest projekcí bodů na příslušné podsestavy podlahy přední a naplánování bodů pro manipulační operace odpovídající skutečnosti. Včetně kontroly svařovacích bodů, jejich poloh a dostupnosti bodů svařovacími kleštěmi. Oprava případných kolizí mezi robotem a jeho okolím. 4. Otestování simulací dílčích operací a stanic. 5. Spojení simulací stanic do kompletní simulace výrobní linky. Následující části obsahují informace o významných nástrojích PS použitých během tvorby simulace Konverze modelů do formátu cojt Jelikož se v současné době používají oba systémy pro simulaci, tedy jak starší aplikace Robcad tak i novější a univerzálnější Process Simulate jsou modely výrobních linek ve formátu co. Tento balíček obsahuje data pro Robcad, ale i reprezentaci dat v souboru jt pro Process Simulate. Pro zpracování kinematiky a následné simulace bylo nutné data převést do balíčku cojt, který umožňuje toto zpracování a díky filtraci dat pro Robcad minimalizuje velikost souborů a tím i urychluje načítání modelu z datového serveru. Ke konverzi byla použita utilita Upgrade CO to Version, kdy se volí jednotlivé parametry výsledného balíčku (3D reprezentace dat, náhled modelu, definice parametrů objektu v souboru xml a definice případného nastavení kinematiky) Nastavení kinematiky Prvním krokem při definování kinematických vztahů je definice jednotlivých členů řetězce. To znamená, jaké prvky modelu budou spolu tvořit z pohledu kinematiky jeden celek a spolu s dalšími členy budou propojeny klouby (vztahem definující kinematické

50 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 50 vlastnosti). Kloub je tvořen vazbou dvou členů kinematického řetězce, která definuje matematické vlastnosti pohybu a podmínky pohybu. Je možné realizovat vazbu rotační a posuvnou, vždy jeden kloub zprostředkovává jeden stupeň volnosti. Při vytvoření vazby se také definují rozsahy pohybů příslušných kinematických členů. Nastavuje se přípustný horní a dolní limit pohybu a to tak, aby odpovídal fyzické realizaci objektu, limity jsou vyplněny v milimetrech u posuvné vazby a ve stupních u rotační. Lze nastavit i vztahy mezi jednotlivými vazbami a definovat tak pohyb kloubů v závislosti na jiném. Pro nastavení kinematiky slouží v PS nástroj Kinematics Editor (obrázek 6.8). V jeho hlavním okně je zobrazeno schéma představující kinematický řetězec, kde jednotlivé barevně odlišené bloky odpovídají členům kinematického řetězce. Vazby jsou znázorněny šipkami vedoucím od rodiče k potomkovi, jejich barva představuje druh vazby, modrá vazbu posuvnou a černá rotační. Přerušovaná čára značí vazbu podmíněnou, tedy její pohyb je závislý na pohybu jiného kloubu. V zadaném modelu nebyla zpracována kinematika pro většinu svařovacích kleští a upínacích systémů přípravků, nebo nastavení nerespektovalo rozsahy pohybů. Simulaci by tak nebylo možné provést anebo by její výsledky neodpovídali reálné lince. Bylo tedy nutné jednotlivé kinematické řetězce vytvořit a nastavit dle dokumentace rozsahy pohybů. Obrázek 6.8: Kinematický řetězec části upínacího stolu (přípravku) Po nastavení kinematiky lze jednotlivé klouby ovládat a vytvořit tímto způsobem specifické polohy nástrojů pro konkrétní operace. U svařovacích kleští se jedná o polohy zavřeno (Close), otevřeno (Open) a částečně otevřeno (Semi-Close). Poslední ze jmenovaných poloh se využívá při svařování blízkých bodů, jelikož není třeba kleště plně otevřít a tím je ušetřen potřebný čas na vykonání operace. Podobné polohy nalezneme i u geometrických přípravků a upínacích systému. U robotů je typickým nastavením čekací poloha

51 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 51 Obrázek 6.9: Nastavené polohy svařovacích kleští (nástroj Pose Editor) (Wait) a tzv. Home (pozice definováná při vložení modelu robotu do simulace). Prostřednictvím nástroje Pose Editor (obrázek 6.9) se vytvoří nová poloha a nastaví se požadované hodnoty kloubů. Definice poloh je nutná pro zpracování simulace, jelikož například k definicím nástroje (svařovací kleště) jsou vyžadovány specifické polohy, které prostředky pro automatické plánování bezkolizní cesty využívají k výpočtu pracovní obálky nástroje, nebo celého robotu při jednotlivých operacích. Dalším důležitým prvkem pro přípravu modelu před vytvořením vlastních operací pro simulaci bylo definování souřadných systémů. Souřadné systémy například napomáhají k přesnému umístění nástroje do koncového členu robotu, nebo určení pozic výrobku v geometrickém přípravku. Některé souřadné systému jsou povinné, mají svůj specifický účel a název, jejich přehled je uveden v tabulce 6.1. V konečné fázi, kdy je pro nástroj vytvořen kinematický řetězec, požadované polohy a souřadné systémy, lze definovat typ nástroje. Každý druh simulované operace vyžaduje povinné atributy mezi které patří i typ nástroje. Například svařovací operace musí mít definován některý z druhu svařovacích kleští a spojovací data. Vlastní definice byla provedena pomocí funkce Tool Definition (obrázek 6.10). Zde se vybere jeden ze základních typů nástroje, přiřadí dříve vytvořené souřadné systémy, provede výběr částí modelu bez detekce kolize a částí pro manipulační operace (při definici uchopovacího systému). Detekce kolize se obvykle neprovádí u dílů, které musejí přijít do styku s povrchem produktu. Jedná se o čepičky svařovacích kleští, nebo část uchopovacího systému svírající výrobek. Bez přesného určení těchto výjimek by nebylo možné provést kompletní simulaci, jelikož by systém hlásil kolize při vykonávání zadaných operací. Určení částí manipulačního systému slouží k usnadnění simulace upnutí a položení dílu v automatickém plánování. Jelikož při dodržení standardních pojmenování pozic

52 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 52 Tabulka 6.1: Souřadné systémy definované v modelu Název Objekt použití Účel ANB Uchopovací systém, svařovací kleště BASEFRAME Robot, podstavec, FZG přípravek Uchopovací systém, přípravek Umístění nástroje na koncový člen robotu, nebo podstavec. Pozicování daného objektu. Pozicování sestavy, nebo konkrétního dílu. TCP Uchopovací systém, svařovací kleště HOME Svařovací kleště Základní souřadný systém pro pozici elektrody svařovacích kleští, je umístěn na čepičce pevné elektrody. Pozicování nástroje v konkrétních operacích. TCPF Robot Po připojení nástroje k robotu je TCP nástroje převzat za TCPF robotu. TOOLFRAME Robot Připojení nástroje k robotu. (Open, Close) a definování částí modelu, lze automaticky plánovat manipulační operace spolu se simulací otevření a zavření upínek. Stejně tak při simulaci svařovací operace se automaticky zavírají/otevírají svařovací kleště během operace v zadaných spojovacích bodech Projekce a kontrola svařovacích bodů Pro realizaci simulace svařovací operace bylo třeba načíst svařovací body z knihovny MFG. Tyto body již mají své výchozí souřadnice synchronizované se souřadným systémem produktu. Po importu bodů do modelu musely být následně promítnuty a přiřazeny ke konkrétním spojovaným dílům (nástroj Project Weld Points). Tím vznikla výchozí poloha bodu a vytvoří se lokace obsahující souřadný systém, který určuje směr přístupu a pracovního zdvihu svařovacích kleští. Kleště při vlastní simulaci operace najíždějí do bodu souřadným systémem TCP a korespondují s nastavením lokace (její natočení a orientaci). Jelikož prvotní natočení lokací nemusí vyhovovat bezkoliznímu požadavku provedení operace a dostatečném dosahu robotu je nutné zadané/cílové body otestovat. Vlastní natočení bodů lze ve směru pracovního pohybu provádět neomezeně, zbylé dva směry jsou omezeny technologickými předpisy pro bodové svařování na 5. Pro urychlení procesu správného natočení bodů se využívá příkazu Automatic Approach Angle, kdy spolu

53 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 53 Obrázek 6.10: Definice nástroje prostřednictvím Tool Definition (příklad uveden na uchopovacím přípravku) s otestování bezkolizní dostupnosti jsou body natočeny. Ačkoliv se jedná o výkonný nástroj bylo třeba některé lokace manuálně upravit a to zejména pro optimalizaci pohybu robotu z pohledu snížení změn natočení kloubů. Manuální otáčení lze uskutečnit několika rozdílnými způsoby. Konečné polohování je provedeno s využitím nástroje Location Pie Chart (obrázek 6.11) a Rotate Locations. První ze jmenovaných graficky znázorňuje dosažitelnost lokace robotem pomocí koláčového grafu, kde jednotlivé barvy odpovídají možným stavům. Pro každý bod zvlášt je možné nastavit přesný úhel změny natočení a tak upravit lokaci. Druhá varianta je přímé otočení kleští (robotem) v dané lokaci, po schválení změn se nové natočení přenese do nastavení dané lokace. Nástroj během změn hlídá nejen dosah robotu (nelze natočit kleště mimo dosah), ale i případné kolize. Jedním z nejsilnějších nástrojů pro analýzu polohy svařovacích kleští v jednotlivých bodech je Multisection. Každá vybraná lokace vytvoří jeden řez se zvolenými rozměry ve všech třech osách. V takto zjednodušeném pohledu se snadněji nastavuje bezkolizní poloha kleští a to s velkou přesností. Mimo nové okno Multisection je v hlavním grafickém okně aplikace vizualizována změna natočení kleští formou ducha představujícího kleště v nové poloze. Neustále je tedy zachován přehled o celkové situaci při operaci. Na obrázku 6.12 je příklad detailního zobrazení spolu s celkovým pohledem na operaci.

54 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 54 Obrázek 6.11: Nástroj Location Pie Chart (modrá barva v koláčovém grafu znázorňuje bezkolizní stav, červená kolizi a fialová natočení mimo dosah robotu) Obrázek 6.12: Příklad použití nástroje Multisection (vlevo detail a vpravo celkový pohled na řešenou lokaci)

55 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST Vytvoření operací Po načtení a revizi lokací představujících svařovací body se provádí samotné vytvoření svařovacích a manipulačních operací, které budou následně simulovány. PS obsahuje několik základních druhů operací pro simulaci: Object flow: simulace pohybu dílu podle zvolené trajektorie, používá se například pro simulaci založení dílu do upínek člověkem. Device: pohyb mezi uloženými polohami libovolného mechanického zařízení (dopravník, upínky, otočný stůl). Pick and Place: robotická manipulační operace, vyžaduje pro vytvoření robot s definovaným upínacím systémem. Weld: operace svařování vyžadující svařovací kleště (připevněné na robotu, nebo stacionární), definované lokace svařovacích bodů a robot. Non-sim: jiná akce s přiřazenou délkou trvání, která ovšem nebude simulována (např. pravidelná kontrola zařízení). Po vytvoření svařovací (manipulační) operace jsou jednotlivé body propojeny nejkratší možnou cestou a zatím není uvažován bezkolizní průchod robotu operací. Do operace se musejí přidat průchozí body, kterými se naplánuje konečná cesta robotu. Průchozí body tvoří lokace se souřadným systémem podobně jako svařovací body a jejich vložení se provádí prostřednictvím Path Editoru. Mimo prostého vložení je také důležité nastavení jejich vlastností, které mají zásadní vliv na celkový čas provedené operace. Mezi parametry bodů patří například udaný pohyb robotu mezi lokacemi, přesnost průchodu robotu bodem a vložené signály pro ovládání zařízení (změna polohy kleští, čekání na upnutí výrobku). Přesnost průchodu bodu robotem udává, s jakou tolerancí může být souřadný systém TCPF (nástroje) odchýlen od vloženého bodu. Možné je volit z několika přesností (fine, medium, coarse, nodecel). Nejmenší přesnost (největší povolená odchylka) nodecel postačuje pro body v běžných manipulačních operacích, nebo při prostém přesouvání kleští. Tím je ušetřen čas, jelikož robot nemusí dané polohy dosáhnout naprosto přesně a tedy se pohybuje vyšší rychlostí. Naopak pro založení dílu do upínek a pro svařovací bod je vyžadována velká přesnost.

56 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 56 Mezi zadanými lokacemi se může robot pohybovat několika způsoby: Circular via: pohyb robotu (pracovního souřadného systému) je po definované částí oblouku. Aby bylo možné využít tento pohyb, musí být definován u dvou za sebou jdoucích bodů. Využití nalezne zejména u vyhýbání překážkám, kde je tento pohyb robotu rychlejší než u lineárního způsobu. Joint: tento pohyb je z pohledu kloubů nejefektivnější, ale za cenu nepřesného sledování dráhy. Všechny klouby začínají a končí pohyb ve shodný čas. Použití je zejména u bodů mezi konečnými lokacemi manipulačních operací, kde nezáleží na přesnosti sledování dráhy, ale větší důraz je kladen na rychlost přejetí. Samozřejmě za předpokladu pohybu bez kolizí s okolím. Linear: nástroj sleduje přesně lineární trajektorii mezi zadanými body. Pohyb je například vhodný pro přesné držení dráhy v úzkém prostoru, nebo při vkládání dílu do přípravku. Nastavený typ pohybu je časově náročnější, ale v mnoha případech by bez striktního dodržení dráhy nešlo provést pohyb bez kolizí. Slew: pohyb je zahájen všemi klouby najednou maximální možnou rychlostí a ukončen v rozdílný čas pro jednotlivé klouby. Dráha operace není dodržena. Výhodou je velice krátký čas pohybu, opět však na úkor jeho přesnosti. PS nabízí k plánování bezkolizní cesty a tedy k vložení průchozích bodů automatický nástroj s názvem Automatic Path Planner. Ovšem pro vytvoření simulace v rámci této práce byl zvolen způsob manuálního vkládání bodů a to z důvodu získání co největší podobnosti k pohybům reálné svařovací linky v závodu Kvasiny. Ručně lze body vkládat přemístěním TCPF souřadného systému robotu do požadované pozice. Druhý způsob vytváří kopii již existujícího bodu, která je umístěna před/za originál v rámci naplánované cesty a dále přesunuta na požadovanou pozici. Seznam lokací a jejich atributů v rámci upravované operace je zobrazen v okně Path Editor (obrázek 6.13). Zde lze jednoduše lokace přesouvat a změna pořadí bodů pro operaci se automaticky projeví i v grafickém okně programu. Stejně tak je možné lokaci přejmenovat a měnit parametry jednotlivých atributů (samostatně i dávkově pro více lokací najednou). V mnoha situacích se využívá možnosti definování procesních a pohybových parametrů a zasílání signálů v závislosti na lokaci. Jakmile se robot nachází v dané lokaci, spustí se sekvence zadaných příkazů. Například zaslání signálu přípravku pro otevření/uzavření upínek během manipulační operace, otevření/zavření svařovacích kleští, nebo příkazu robotu pro návrat do čekací pozice. Velice důležitým použitím signálů je rovněž možnost

57 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 57 čekání na jejich zaslání mezi roboty. Při synchronizovaném svařování více robotů na jedné stanici se mohou jejich pracovní prostory překrývat. Případným kolizím se předejde čekáním jednoho robotu na signál od druhého, kdy se signál odešle při průchodu bodem po opuštění kritického prostoru. V ideálním případě je vhodné, aby takové situace nenastaly, jelikož čekající robot prodlužuje čas pro vykonání operace a tím může ovlivnit celkový takt dané linky. Obrázek 6.13: Okno Path Editor s atributy lokací Simulace V okamžiku, kdy byly definovány důležité body (svařovací body, nebo body uchopení/položení výrobku) a průchozí body, bylo možno přistoupit k simulaci a tím otestování naplánované operace včetně ověření její časové náročnosti. Na simulaci zadané linky bylo využito operací typu Object flow pro simulaci manuálního založení podsestav do geometrického přípravku na stanici a do přípravku na stanicích , K otevírání jednotlivých upínek přípravků a ovládání otočných podstavců svařovacích kleští bylo použito operace Device. Pro realizaci svařovacích a manipulačních operací bylo využito k tomu určených typů operací Weld a Pick and Place. Provázáním dílčích operací stanic byla vytvořena časově orientovaná simulace průběhu svaření jednoho výrobku na zadané lince. Simulace byla vykonána pouze na robotických stanicích. Pro zobrazení následnosti operací a jejich časové náročnosti bylo využito Ganttova diagramu, ze kterého je patrné jaké operace probíhají současně a jak jsou naopak na sebe navázány. Některé stanice jsou provázány přímým spojením, kdy okamžitě po

58 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 58 ukončení první operace započne druhá. Ovšem v některých případech je nutná spolupráce více stanic v jeden okamžik a zde již bylo využito dříve zmíněné zasílání signálů mezi roboty. Obrázek 6.14: Ganttův diagram části SK 1 Konečnou fází simulace může být vygenerování programů konkrétním robotům (tzv. metoda offline programování) v prostředí PS a jejich následný upload do reálného řídicího systému. Generování programu řídící jednotky nebylo možné v rámci diplomové práce provést vzhledem k absenci přesné virtuální řídící jednotky v zadaném modelu Zhodnocení provedené simulace Simulace si klade za cíl se co nejvíce přiblížit stavu reálné linky a to jak pohybem robotů, tak i dosaženými výslednými časy operací. Průchozí body byly nastaveny dle pozorování fyzického stavu výrobní linky, podobně i čekací pozice robotů a jejich pohyby. Ačkoliv je zadaný model vytvořen dle skutečného layoutu výrobní linky a měl by tedy odpovídat skutečnému stavu, není tomu tak ve všech detailech. V modelu není zanesena například vzduchotechnika vedoucí nad skutečnou výrobní linkou a některá další zařízení linky (frézky, stacionární kleště) nemusí být na zcela shodné pozici se skutečností. Avšak model byl vytvořen dodatečně přesně dle technické a projektové dokumentace v rámci projektu nasazení aplikací Process Designer a Process Simulate. Odhalené rozdíly v umístění prvků modelu byly postupně odstraněny, ale výsledná kontrola byla provedena pouze vizuálně. Výsledné časy taktů 5 jednotlivých stanic byly porovnány s měřením uskutečněným 5 Výrobním taktem stanice je myšlen čas nutný pro vykonání všech dílčích operací v rámci jednoho pracovního cyklu. Takt výrobní linky je čas mezi dvěma zcela kompletnímy výrobky.

59 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 59 přímo na reálné výrobní lince, které sledovalo takty stanic v průběhu jednoho pracovního dne. Simulované časy se liší maximálně o 10 % oproti časům změřeným. Většina simulovaných operací má kratší délku trvání než jsou naměřené takty. Rozdíl je způsoben zejména nepřesnostmi v drahách robotů provedených v simulaci. Jelikož nejsou přesně známy křivky, po kterých se robot pohybuje, nelze absolutně přesně simulovat jednotlivé pohyby. Simulované dráhy robotů byly vytvořeny pozorováním reálné linky a z tohoto důvodu byla zanesena chyba do výsledné simulace. Pozorováním vznikly i podklady pro určení čekací pozice robotů, tedy i zde dochází k mírným odchylkám od skutečného stavu. Vliv na konečný čas má i použitá řídící jednotka robotu (součást aplikace PS), která svými parametry neodpovídá řídící jednotce použité společností KUKA. Řídící jednotka samozřejmě přímo ovlivňuje rychlosti robotů při jejich pohybu a tím i celkový čas potřebný k přejezdům mezi zadanými body. I přes zmíněné nepřesnosti lze model považovat za dostatečně přesný a provedené simulace jsou vhodné pro následný návrh optimalizace skutečné výrobní linky. Pracovní takty naměřené v simulaci jsou graficky zpracovány na obrázku Zřejmé jsou zejména velké časové rozdíly mezi stanicemi a z toho plynoucí neproduktivní časy, kdy robot v podstatě zbytečně čeká na výrobek z předchozí stanice. Obrázek 6.15: Graf délky časů simulovaných robotických operací

60 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST Návrh optimalizace výrobní linky Optimalizace je zaměřena na snížení neproduktivních časů a celkové vyvážení taktů dílčích stanic nacházejících se na výrobní lince. Ze simulace vyplynulo, že takty pracovních stanic jsou ve velkém rozsahu (obrázek 6.15), mezi nejkratší a nejdelší operací je rozdíl 78,47 s. Kdy konečný takt linky určuje stanice s nejdelším časem operace, v tomto případě tedy stanice (robot R1-G) s délkou trvání cyklu 152,2 s. Optimalizaci je možné rozdělit z pohledu nutných zásahů do realizované linky. Jedná se o změnu přejezdových pohybů (lokací) robotů a jejich čekacích pozic Wait. Tím se docílí zkrácení neproduktivních stavů nutných pro vykonání požadované operace. Následnou reorganizaci svařovacích bodů mezi stanicemi pro vyvážení časů jednotlivých operací a tedy celkového snížení taktu linky. Posledním bodem může být i změna, nebo úprava fyzického vybavení. Ta je ale z pohledu managementu finančně nejnáročnější a nejméně vhodná pro již realizované projekty Analýza pohybu robotů Změnou pracovních drah robotů lze snížit počet neproduktivních časů, které vznikají z neoptimálního nastavení bezkolizní trajektorie. Každý z robotů má svůj pracovní prostor pro vykonání dané činnosti. Snahou plánování a projektování výrobních linek je i minimalizace požadavku na prostor nutný pro realizaci celé výrobní linky. Během operací tak může robot zasahovat do prostoru jiného robotu nejen svojí částí, ale i například manipulovaným výrobkem. Stejně tak je zapotřebí se vyhnout kolizi s ostatním okolním vybavením, jako jsou přípravky, konstrukce haly, nebo bezpečnostní prvky. Optimalizace pohybů musí tedy respektovat jak statické překážky, tak i dynamické (během kooperace dvou robotů ve shodné oblasti), ale přesto počet lokací nutných pro vyhýbání minimalizovat. Revize trajektorií s ohledem na snížení neproduktivních lokací byla uskutečněna ručně, jelikož automatické nástroje nabízené aplikací PS nedosahovaly požadovaných výsledků. Prováděné výpočty automatických nástrojů pro plánování trajektorie (Automatic Path Planner) jsou velice časově náročné a dobrých výsledků dosahují jen v relativně jednoduchých situacích (menší počet svařovacích bodů a objektů pro detekci kolize). Ve složitých modelech bylo třeba navržené lokace ručně upravit a některé nadbytečné i odstranit. Přínos automaticky generované bezkolizní cesty se tak ukázal spíše jako negativní. Pořadí svařovacích bodů nelze měnit ve stanicích s geometrickým přípravkem, jelikož zde definované body a jejich pořadí je dáno technologickým postupem zajišt ujícím tvarovou přesnost a teplotní roztažnost výrobku. V zadané lince se jedná o stanici

61 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 61 Pracovní takt zmíněné stanice získaný v simulaci patří mezi nejnižší a tím nevzniká nutnost zásahu do jejich operací. Stanice Jedná se o stanici s geometrickým přípravkem AFO 1240, která je vstupní pro výrobní proces. Nalézají se zde roboty R1-A a R1-B a oba po vykonání operace uvolňují pracovní prostor v okolí přípravku AFO 1240 z důvodu další manipulace robotem R1-C. Dosažení původní polohy Wait obou robotů je provázeno několika mezipozicemi pro odstranění možných kolizí. Navržené nové čekací pozice jsou blíže k přípravku a jejich dosažení zkrátí celkový takt stanice o zhruba 4 vteřiny. Nové pozice vznikly otočením první osy robotu o 90 (obrázek 6.16). Obrázek 6.16: Čekací pozice robotů R1-A a R1-B (původní nahoře, optimalizovaná dole) Stanice Po manuálním založení dílů do přípravku AFO 1235 stanice robot nejprve díly vyjme, uskuteční svařovací operaci na stacionárních kleštích a poté najede do první čekací polohy. Zde čeká na založení první části podlahy do přípravku AFO 1250 robotem R1-C a poté založí a jistí svou drženou část ve stejném přípravku. Roboty R1-I a R1-J provedou první část svařovací operace. Po jejím ukončení odjistí výrobek robot R1-P a vrací se do pozice Wait, svařovací operace na přípravku AFO 1250 pokračují druhou částí.

62 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 62 Výsledný čas operace robotu R1-P ve stanici je 89,5 s. V času taktu není započítán čas jištění dílu v přípravku AFO 1250, jelikož se promítá do svařovací operace stanice Obrázek 6.17: Čekací pozice robotu R1-P (původní vlevo, optimalizovaná vpravo) Pro snížení času byla provedena změna pozice Wait uvedená na obrázku Její změna do pozice blíže k místu vyjmutí výrobku z přípravku AFO 1235 přinesla zkrácení taktu o 2,3 s. Výrobek je tak dříve svařen a připraven pro vložení do následující stanice. Nová poloha však naopak prodlužuje čas návratu robotu do výchozí pozice, ale prodloužení nemá vliv na pokračování svařovacích operací stanice , jelikož ta dostává signál na opětovné spuštění ihned po opuštění pracovního prostoru robotem R1-P. Stanice Robot R1-C umístěný ve stanici zajišt uje manipulační operace mezi přípravky AFO 1240, AFO 1250 a AFO Současně vykonává i svařovací operaci na stacionárních kleštích. Nový návrh pozic Wait na stanici si vyžádal úpravu manipulačního pohybu robotu R1-C a jeho čekací pozice. Změny zobrazuje obrázek 6.18, došlo k otočení první osy robotu o 120 a třetí o 35. Provedenou změnou byl snížen čas jen o 2 s na celkový čas 143 s. Při analýze pohybů robotu R1-C a času jeho operací se musí brát ohled na možnost současné práce okolních stanic. Jestliže se uvažuje o času taktu již spuštěné linky, nachází se v přípravku AFO 1250 hotový výrobek z předchozího cyklu. Robot R1-C vyjme tento díl, otočí upínací systém a položí výrobek z přípravku AFO Při opuštění pracovního prostoru stanice je ukončen čas potřebný pro zahájení svařovacích operací stanice Naopak započne manipulační operace z přípravku AFO 1250 do AFO Tím je takt rozdělen na dvě oddělené části dlouhé 118,2 s (manipulace z AFO 1240) a

63 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 63 Obrázek 6.18: Čekací pozice robotu R1-C (původní vlevo, optimalizovaná vpravo) 24,8 s (manipulace z AFO 1250). Během druhé části je v provozu i stanice , robot R1-C je zároveň připraven k vyjmutí dílu a zahájení následujícího cyklu. Výsledný takt operace tedy není dlouhý 143 s, ale přibližně 121 s (částečně se promítne do taktu čas návratu robotu do pozice Wait), jestliže se uvažují předpoklady uvedené výše. Stanice Stanice zahrnuje manuální i robotické operace. V prvním kroku jsou pracovníkem založeny části sestavy výrobku a po opuštění pracovního prostoru robotu je spuštěna automatizovaná část operací. Nejprve je založen díl do přípravku AFO 1290 robotem R1-D, poté se vrátí do čekací polohy a následně je spuštěna sekvence svařovacích operací robotů R1-E a R1-F. Pracovní prostory robotů se při provádění operací překrývají (obrázek 6.19) 6. Vzhledem k tomu během operace vzniká 17 s dlouhý neproduktivní čas u robotu R1-F, kdy čeká na signál o uvolnění pracovního prostoru. Navržená optimalizace v rámci této stanice minimalizuje čekací čas R1-F na 1,5 s. Tohoto bylo docíleno úpravou čekacích poloh obou robotů (obrázek 6.20) a změnou posloupnosti zadaných svařovacích bodů. Dále bylo upraveno natočení svařovacích kleští v jednotlivých lokací tak, aby byl společný pracovní prostor minimalizován. Nové polohy Wait a trajektorie byly naplánovány bez kolizí a s ohledem na okolní robotické stanice. V původním stavu byly operace robotů dlouhé 60,5 s (R1-E) a 77,2 s (R1-F). Po provedené optimalizaci vzrostl čas operace robotu R1-E o 3,6 s na konečných 64,1 s. Naopak operace robotu R1-F se zkrátila na 65,2 s. Celkově se tedy takt stanice snížil na konečný čas 65,2 s (dáno nejdelším časem dílčí operace). 6 Pracovní obálky jsou vypočítány funkcí Swept Volume dostupnou v programu Process Simulate.

64 KAPITOLA 6. PRAKTICKA C A ST 64 Obra zek 6.19: Pracovnı prostor stanice (v c ervene m kruhu se nacha zı pr ekrytı pracovnı ch prostoru obou robotu ) Obra zek 6.20: C ekacı pozice robotu R1-E a R1-F (pu vodnı vlevo, optimalizovana vpravo) Zhodnocenı analy zy pohybu robotu Vytvor ene trajektorie robotu pr i projektova nı vy robnı linky nenabı zejı mnoho prostoru pro dals ı snı z enı potr ebne ho c asu minimalizacı zejme na neproduktivnı ch bodu. Pozice svar ovacı ch bodu jsou pevne da ny a pr ejezdy mezi nimi musı spln ovat poz adavek na bezkoliznı dra hu. Stejne tak je omezen pracovnı prostor robotu samotny m prostr edı m vy robnı haly a tedy i pr i manipulac nı ch operacı ch je nutne se vyhy bat pr ı padne kolizi. Optimalizace pohybu robotu je tak zame r ena pr edevs ı m na vhodnou u pravu c ekacı ch

65 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 65 (Wait) poloh robotů a s tím spojené změny trajektorií pohybu. Tabulka 6.2 shrnuje časové změny provedené při analýze a následné optimalizaci pohybů, grafické zpracování hodnot je uvedeno na obrázku Je zde také zahrnuto snížení taktu stanice za předpokladů uvedených v příslušné části této kapitoly na straně 62. Celkový takt výrobní linky stále určuje stanice s časem 152,2 s jednoho cyklu. Tabulka 6.2: Změna doby cyklu po úpravě drah (zahrnuty jen stanice s provedenými změnami) Označení Označení Doba cyklu Doba cyklu stanice robotu po simulaci (s) po úpravě drah (s) R1-P 89,5 87, R1-A 72,9 68,2 R1-B 73,8 70, R1-C 145,5 143,0 (121,0) R1-E 60,5 64,1 R1-F 77,2 65,2 Obrázek 6.21: Graf délky časů robotických operací po optimalizaci pohybů

66 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST Reorganizace svařovacích bodů Po úpravě drah robotů i nadále zůstávají velké rozdíly mezi dobami cyklů jednotlivých stanic. Rozdílné časy operací stále způsobují nežádoucí neproduktivní prostoje, kdy roboty setrvávají bud v mezipoloze před odložením výrobku z upínacího systému, nebo v čekací pozici. Možností pro snížení prostojů a zvýšení plynulosti je vyvážení svařovacích bodů mezi stanicemi dovářky 7. Jedná se o postup přesunutí vybraných svařovacích bodů ze stanice s dlouhým taktem do stanic s rychlejšími operacemi. Předpokladem pro vyvážení je dosažitelnost přesunutých bodů novým robotem a svařovacími kleštěmi. Dále samozřejmě zachování technologických parametrů bodu, jako je spojení (svaření) totožných dílů. Body se také přesunují s ohledem na stávající trajektorii operace, aby co možná nejméně ovlivnily původní pohyb robotu. V ideálním případě se snížením počtu svařovacích bodů stanice, také sníží počet neproduktivních bodů nutných pro dosažení zadané pozice. Stanice Prováděná práce robotem R1-G, umístěným na stanici , se skládá ze tří po sobě jdoucích operací. Robot nejprve vyjme přední podlahu z přípravku AFO 1290, najede s výrobkem k stacionárním kleštím, zde svařuje celkem 51 bodů a poté vloží výrobek do přípravku AFO Prostor v okolí stacionárních kleští je poměrně malý a proto si manipulační i svařovací operace vyžádají větší počet neproduktivních bodů. To způsobuje velkou časovou náročnost, která ovlivňuje další stanice na výrobní lince. Vybrané body pro přesun do méně zatížených stanic tvoří čtyři skupiny blízkých lokací. Pro jejich svaření musí robot R1-G projet dalších osm průchozích bodů, výsledná dráha bude po přesunu tedy o 20 bodů kratší. Jako cílové stanice mohou být uvažovány jen ty, které jsou ve výrobním postupu až za stanicí z důvodu přidání dílů v přípravku AFO Po otestování dostupnosti bodů svařovacími kleštěmi ze zmíněných stanic funkcí Geometric Gun Search byly pro přesun zvoleny stanice (robot R1-L a R1-M) a (robot R1-H). Při volbě stanic byl brán zřetel i na vliv stávající trajektorie a minimalizaci nutných změn pohybů pro zařazení nových bodů do stávajících operací. V tabulce 6.3 jsou uvedeny nově zařazené body k stanicím. Přesunuté body jsou zobrazeny na obrázcích 6.22 a Všechny nové body jsou roboty (svařovacími kleštěmi) dosažitelné bez fyzických úprav výrobní linky a vyžadují pouze aktualizaci programu řídicího systému dané stanice. 7 Stanice dovářky realizují svařovací operace pro zvýšení pevnosti dílu dle technické dokumentace, pořadí svařovaných bodů není striktně dáno jako u stanic geometrických, kde vzniká rozměrově přesný díl z podsestav a v úvahu připadá i tepelná roztažnost materiálu.

67 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 67 Tabulka 6.3: Přesunuté body stanice Stanice Robot R1-L R1-M R1-H Svařovací body 1k punkt am k punkt bo k punkt c 93 1k punkt am k punkt bo k punkt c 90 1k punkt am k punkt z 811 1k punkt c 89 1k punkt n 401 1k punkt bo k punkt c 88 1k punkt z 808 1k punkt c 86 1k punkt z 807 1k punkt g 204 Obrázek 6.22: Nové svařovací body na stanici (označeny zeleně) robot R1-L vlevo, R1-M vpravo Obrázek 6.23: Nové svařovací body na stanici (označeny zeleně)

68 KAPITOLA 6. PRAKTICKÁ ČÁST 68 Zhodnocení reorganizace svařovacích bodů U stanice byla vyvážením linky snížena délka cyklu z 152,2 s na 122,2 s. Výrobní takt celé linky nyní udává stanice s cyklem 125,3 s (obrázek 6.24). U stanic a došlo přesunutím bodů a přidáním neproduktivních lokací pro bezkolizní dráhu robotu, k nárůstu pracovního cyklu o 12 a 11 s (tabulka 6.4). Reálná výrobní linka, která je podkladem pro zadaný model, pracuje v třísměnném provozu při taktu 164 s a denní produkci 400 kusů. Ovšem pro výpočet nárustu produkce je jako výchozí uvažovaný takt získaný simulací, tedy 152,2 s. Takt linky byl vyvážením bodů snížen o 18 % (26,9 s) a průměrná délka cyklu stanic klesla z 103,4 s na 99,1 s. Díky snížení výrobního taktu na 125,3 s dojde k navýšení počtu vyrobených kusů na 500 za pracovní den. To znamená navýšení produkce výrobní linky o 25 % procent denně. Tabulka 6.4: Délka trvání pracovního cyklu a upravený počet svařovacích bodů Označení Označení Doba cyklu Doba cyklu Původní počet Nový počet stanice robotu po simulaci po přesunu svař. bodů svař. bodů (s) svař. bodů (s) R1-G 152,2 122, R1-L 73,8 80, R1-M 71,5 83, R1-H 97,5 108, Obrázek 6.24: Graf délky časů robotických operací po přesunu svařovacích bodů