Robotické aplikácie v priemysle

Transkript

1 Robotické aplikácie v priemysle Robotické aplikácie v priemysle Roboty sa typicky používajú v nasledovných aplikáciách: -oblúkové a laserové zváranie, plazmové a laserové rezanie, rezanie vodným lúčom, bodové zváranie, nitovanie, spájkovanie, nanášanie lepidla a tmelu - striekanie farby, smaltu a iných náterových hmôt, pieskovanie a čistenie povrchov - brúsenie, odihľovanie, vŕtanie, frézovanie, leštenie - výstupná kontrola (meranie rozmerov, kvality povrchovej úpravy) - manipulácia s materiálom, obrobkami a hotovými výrobkami (zakladanie obrobkov do obrábacích strojov, vstrekovacích lisov a pod., prenášanie predmetov z/na dopravníkový pás (pick&place operácie), plnenie súčiastok do zásobníkov, balenie výrobkov, paletizácia a depaletizácia) - montáž: výroba automobilov a domácich spotrebičov (vkladanie súčiastok, uťahovanie skrutiek), montáž dosiek plošných spojov, výroba mikroelektronických a optoelektronických súčiastok - transport materiálu a súčiastok zo skladu, obrobkov medzi výrobnými zariadeniami a hotových výrobkov do skladu (indukčne vedené vozíky)

2 Robotické aplikácie v priemysle Delenie - robot manipuluje s technologickou hlavicou, ktorou pôsobí na obrobok (uchytený na pracovnom stole, ktorý má v prípade potreby vlastné stupne voľnosti napr. polohovadlo pri oblúkovom zváraní...) -robot manipuluje s obrobkom (ktorý zakladá do iných technologických zariadení, kde je nad nimi vykonávaná príslušná technologická operácia Delenie - robot nie je v kontakte s obrobkom (oblúkové zváranie, striekanie, plazmové rezanie) -robot je vo fyzickom kontakte s obrobkom (manipulácia, montáž, brúsenie, bodové zváranie) Delenie - robot pracuje bez informácií z vonkajších snímačov (opracovávané obrobky musia mať pri požiadavke na vysokú kvalitu opracovania rovnaký tvar, polohu a orientáciu) -robot pracuje adaptívne a na základe informácií z vonkajších snímačov koriguje dráhu vedenia nástroja nad obrobkom resp. sily a momenty pôsobenia na obrobok resp. aj ďalšie technologické parametre voči naprogramovaným hodnotám -robot pracuje kognitívne a na základe informácií z vonkajších snímačov riadi sled aj samotný priebeh všetkých technologických operácií Robotické aplikácie v priemysle Náklady na 1výrobok Jednoúčelové automaty Ručnávýroba Robotizovaná výroba malosériová a kusovávýroba strednosériová výroba veľkosériová výroba Objemvýroby Porovnanie rôznych typov výroby z hľadiska výrobných nákladov

3 Robotické aplikácie v priemysle Porovnanie rôznych typov výroby z hľadiska vhodnosti aplikácie Robotické aplikácie v priemysle Montáž 6% Obrábanie 6% Ostatné 15% Striekanie 5% Manipulácia 35% Zváranie 33% Podiel jednotlivých aplikácií podľa štatistiky EUROP za rok 2003

4 Robotické aplikácie v priemysle Poradie Priemyselný sektor Podielv % 1. Automobilový priemysel 33,2 2. Nešpecifikované 25,0 3. Výroba elektroniky 9,9 4. Chémia, gumárenstvo, plasty 9,4 5. Iné 9,2 6. Strojárenstvo 4,3 7. Metalurgia 3,7 8. Komunikácia 2,5 9. Potravinárstvo 1,5 10. Presná optika 0,8 Štatistika podľa IEEE a IFR za rok 2014 Robotické aplikácie v priemysle Poradie Aplikácia Podielv % 1. Manipulácia 35,4 2. Zváranie a spájkovanie 28,9 3. Montáž 13,0 4. Nešpecifikované 8,6 5. Iné 7,9 6. Striekanie a nanášanie 3,8 7. Obrábanie (rezanie,frézovanie ) 2,5 Štatistika bola spracovaná na množine 1,340,000 inštalácii robotov Štatistika podľa IEEE a IFR za rok 2014

5 Robotické aplikácie v priemysle Poradie Krajina Počet robotov na 10,000 pracovníkov 1. Japonsko Singapur Južná Kórea Nemecko Švédsko Taliansko Fínsko Belgicko USA Španielsko 84 Štatistika podľa IEEE a IFR za rok 2014 (Slovensko cca 66 robotov na 10 tisíc prac.) Oblúkové zváranie Arc Welding Požiadavky na robot: typicky kĺbová kinematika, 5-6 DOF, nosnosť 3-20 kg, presnosť 0,1-0,2 mm, v prípade veľkých zvarencov aplikácia pojazdu/portálu, pracovná rýchlosť rádovo cm/s Ďalšie zariadenia zváracieho pracoviska: -polohovadlá s 1 resp. 2 DOF alebo pevné stoly (typicky dvojité alebo 2 jednoduché na každé pracovisko) s upínacími prípravkami -zvárací horák (vzduchom alebo vodou chladený, typicky s bezpečnostným uchytením, zahnutý tvar kvôli lepšiemu prístupu do zvaru a súčasne udržiavaniu uhla náklonu voči normále, sklon 5-25º) -v prípade adaptívneho zvárania aj príslušné typy snímačov -zvárací zdroj (napäťové, prúdové alebo výkonové riadenie, novinka: pulzné riadenie) -podávač zváracieho drôtu (typicky s priemerom okolo 1 mm) - čistička zváracieho horáka, nástroj na pristrihnutie zváracieho drôtu -zdroj ochranného plynu (CO 2, argón,...) -odsávanie splodín, ochrana obsluhy pred nepriaznivými vplyvmi zváracieho oblúka

6 Oblúkové zváranie Oblúkové zváranie Iný názov: GMAW alebo SMAW (Gas/Shielded Metal Arc Welding) MIG/MAG Metal Inert/Active Gas (odtavujúca sa elektróda, pracovný plyn: argón, CO 2,kyslík) TIG Tungsten Inert Gas (netaviaca sa wolfrámová elektróda) Iný názov: GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) Zváracie prúdy: stovky ampérov (do 500 A) pri napätí desiatok volt (do 50 V). Zvárať možno železo, meď, hliník, nikel a ďalšie kovy MIG zváranie Druhy zvarov: 1: tupý I-zvar (butt joint) 2: tupý V-zvar 3: preplátovaný zvar (lap joint) 4: kútový zvar (T-joint) TIG zváranie

7 Oblúkové zváranie Príklady technických riešení robotického manipulátora Oblúkové zváranie Podávač zváracieho drôt a zdroj zváracieho prúdu

8 Oblúkové zváranie Príklady technických zváracích horákov Oblúkové zváranie Problémy pri zabezpečení presného polohovanie horáka vzhľadom na zvar: -zvarenec je v inej polohe a orientácii ako v okamihu tvorby programu -zvarenec je nepresne vyrobený -zvarenec sa počas zvárania tepelne deformuje Riešenie - polohová adaptivita: -aplikácia snímačov na zistenie skutočnej polohy a orientácie zvarenca a následnú korekciu programu, pri vykonávaní ktorého sa už informácie zo snímačov nevyužívajú -aplikácia snímačov na zistenie polohy začiatku zvaru a priebežné vedenie horáka v osi zvaru

9 Oblúkové zváranie Lokalizácia začiatku zvaru pomocou zváracieho drôtu Taktilný snímač Aplikácia indukčných snímačov Rôzne varianty aplikácie laserového snímača Príklady snímačov na zabezpečenie polohovej adaptivity Oblúkové zváranie Mechanické oscilácie horáka Magnetické vychyľovanie oblúka Zmena zvár. prúdu pri oscilačnom pohybe horáka naprieč zvaru Efekt samoregulácie dĺžky oblúka Využitie zváracích parametrov ako snímača

10 Oblúkové zváranie Príklady technickej realizácie snímačov na polohovú adaptivitu Oblúkové zváranie Príklady technických riešení polohovadiel

11 Plazmové rezanie / rezanie plameňom Plasma cutting Oxy-fuel cutting Rezanie plameňom je menej presné a je vhodné na hrubšie materiály (len oceľ typicky od 2 cm vyššie). Nízke rezné rýchlosti rádovo mm/s v závislosti od hrúbky. Výhoda hlavy s viacerými horákmi. Nevhodné pre roboty. Pracovný plyn kyslík + acetylén alebo propán, metán, zemný plyn... Rezanie plazmou (silným prúdom ionizovaného plynu pod tlakom cca 5 atm) je rýchlejšie a presnejšie a vhodné aj na tenšie materiály pri oceli do hrúbky do 5 cm. Rezná rýchlosť pri hrúbke 1 cm je 5 cm/s. Materiál musí byť vodivý, vhodné aj na oceľ, hliník a nerez. Riadený prúdový zdroj, musí sa natiahnuť oblúk (zapaľovanie) a vytvorí sa plazma a prúdový obvod sa uzavrie cez plazmu. Pracovný plyn stlačený vzduch, kyslík, dusík, argón... v závislosti od druhu rezaného materiálu. Riadenie výšky cez meranie napätia oblúku plazmy priamo v zdroji. Prúdy až do 1000 A. Plazmové rezanie Príklady usporiadania pracoviska pre plazmové rezanie

12 Plazmové rezanie Príklady usporiadania pracoviska pre plazmové rezanie Laserové rezanie a zváranie Laser cutting/welding Continuous wave Používané typy laserov: pulzné alebo kontinuálne (CW) s výkonom niekoľko kw CO 2 typická vlnová dĺžka nm (lúč sa privádza do hlavice systémom zrkadiel) Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) alebo 1320 nm (lúč možno rozvádzať aj svetlovodnými vláknami výhoda pre roboty!!!, sú ale omnoho drahšie ako CO 2 lasery) Pri rezaní nerezu sa privádza pod vysokým tlakom dusík, ktorý vyfukuje roztavený materiál, pri rezaní čiernej ocele sa privádza kyslík, ktorý horí a zvyšuje teplotu v mieste rezania. Dá sa rezať kovový plech (aj nerez a hliník), preglejka, výhodou je hladký rez, ktorý nie je potrebné začisťovať ako v prípade plazmového rezania. 2kW laser dokáže rezať 1 cm hrubú oceľ rýchlosťou 10 mm/s a 2 cm hrubú oceľ rýchlosťou 3 mm/s

13 Laserové rezanie a zváranie Príklady usporiadania pracoviska pre laserové rezanie a zváranie Rezanie vodným lúčom Water jet cutting Rezanie nenasiakavých materiálov (nevhodné na papier, drevo...): - čistá voda: molitan, penové izolačné hmoty (polystyrén), plexisklo -voda s prímesou abrazívneho materiálu (žulový jemný piesok): oceľ, titan, kameň (mramor, žula), guma, plast, sklo (nevhodné na tvrdené sklá kvôli praskaniu). Pri menších tlakoch možno použiť aj na popis materiálov. Tlaky 3-6 tisíc atmosfér, vydáva silný hluk, cez dýzu z umelého diamantu alebo zafíru, s priemerom 0,1-0,5 mm ide ešte čistá voda a potom v zmiešavacej komore sa primieša abrazívum.

14 Rezanie vodným lúčom Detail konštrukcie robota pre rezanie vodným lúčom Rezanie vodným lúčom Detail pracoviska pre rezanie vodným lúčom

15 Bodové (odporové) zváranie Ďalšie zariadenia zváracieho pracoviska: -zváracie kliešte (tvar C alebo X, pneumatické alebo hydraulické, vodné chladenie) -nástroj na úpravu kontaktných plôch elektród -zvárací zdroj (impulzne stovky V a tisícky A!!!) -riadiaca jednotka zváracieho procesu Spot/ResistanceWelding Požiadavky na robot: kĺbová kinematika, 6 DOF, nosnosť kg v závislosti na type klieští, presnosť do 0,5 mm, rýchlosť presunu medzi zvarovacími bodmi až 2,5 m/s, riadenie PTP Bodové zváranie Príklady technických riešení robotického manipulátora

16 Bodové zváranie Príklady technických riešení zváracích klieští Paint Spraying Povrchová úprava -striekanie Požiadavky na robot: kĺbová kinematika s dlhými ramenami kvôli dobrej dostupnosti k striekaným plochám, 6+ DOF, nosnosť cca 5-15 kg, presnosť sledovania trajektórie rádovo mm, pohony do nevýbušného prostredia, často s ochranným návlekom proti znečisteniu farbou, pracovná rýchlosť desiatky cm/s Ďalšie zariadenia striekacieho pracoviska: -striekacia pištoľ (jednoduchá, dvojitá, s elektrostatickým nanášaním) s možnosťou výmeny pri zmene nanášanej farby -príprava nanášaného materiálu (tekutý rozpustný v riedidle alebo vo vode, jedno alebo dvojzložkový, práškový náter...) -zariadenie na čistenie trysiek pištole

17 Povrchová úprava - striekanie Príklady technických riešení striekacej hlavice Povrchová úprava - striekanie Príklady usporiadania striekacieho pracoviska

18 Čistenie lisovacích foriem a iných povrchov Čistenie sa môže realizovať rôznymi spôsobmi v závislosti od druhu znečistenia a materiálu, ktorý sa čistí: - abrazívne tryskanie (piesok, sklenené perly alebo plastový granulát) - čistenie s použitím rozpúšťadiel alebo vodou pod vysokým tlakom - čistenie suchým ľadom (zmrznutým CO 2, tzv. kryogenické čistenie) - čistenie laserovým lúčom Iné priemyselné aplikácie lepenie odihľovanie spájkovanie brúsenie leštenie vŕtanie

19 Iné priemyselné aplikácie Aplikácie v obuvníckom priemysle Iné priemyselné aplikácie Šijacie roboty

20 Iné priemyselné aplikácie Delenie potravín Iné priemyselné aplikácie Sklárska výroba

21 Iné priemyselné aplikácie 3D tlač nábytku a bytových doplnkov Manipulačné roboty Machine tending (loading), palletizing Požiadavky na robot: od 3 do 6 stupňov voľnosti, rozmery ramien a nosnosť v závislosti od aplikácie a hmotnosti manipulovaných predmetov (nosnosť od 0,5 až do 1000 kg). Pri menšom počte stupňov voľnosti a malých nosnostiach aj pneumatické pohony, štandardne elektrické, pri veľkých hmotnostiach bremien aj hydraulické. Kinematika kĺbová, kartézska,cylindrická a v špecifických prípadoch aj paralelná (najmä kinematika typu delta). Ďalšie zariadenia: -chápadlo elektrické, pneumatické alebo hydraulické -prísavky pre manipuláciu so sklom a hladkými materiálmi -elektromagnety pre manipuláciu s feromagnetickými materiálmi

22 Manipulačné roboty Príklady usporiadania (de)paletizačného pracoviska s manipulačným robotom Manipulačné roboty Aplikácie v potravinárskom priemysle

23 Manipulačné roboty Príklady obsluhy obrábacieho stroja manipulačným robotom Manipulačné roboty Príklady technických riešení pneumatických chápadiel firmy Schunk

24 Manipulačné roboty mäkké chápadlo elektromagnetické chápadlo čelusť so snímaním prítlačnej sily Príklady technických riešení chápadla chápadlo prísavkového typu Manipulačné roboty Elektrostatické chápadlo vhodné pre manipuláciu s ľahkým plochým materiálom

25 Manipulačné roboty Výmenné chápadlá-nástroje Robotizovaná montáž Assembly Špecifiká aplikácie: obdobne ako pri manipulácii sa pomocou vhodného chápadla uchopujú predmety, ale na rozdiel od jednoduchej manipulácie sa predmety nekladú voľne na iné miesto, ale je potrebné ich vsunúť resp. naskrutkovať do montovaného výrobku. Požiadavky na robot: 6-7 stupňov voľnosti, rozmery ramien a nosnosť v závislosti od aplikácie (obvykle omnoho nižšia ako v prípade manipulačných robotov). Takmer výlučne sa používajú elektrické pohony. Pokiaľ nie je možné zabezpečiť opakovateľnosť z hľadiska polohy a orientácie montovaných súčiastok, je potrebné aplikovať výkonný vizuálny systém. V špecifických prípadoch je potrebné tiež uvažovať o aplikácií silovomomentových snímačov uľahčujúcich realizáciu montážnych operácií. Platí zásada: čím hlúpejší robot (pracujúci na slepo,bez informácií z vonkajších snímačov), tým drahšie je technologické okolie robota, ktoré musí pripraviť všetky montované súčiastky tak, aby nedochádzalo k žiadnym odchýlkam od naprogramovaného stavu. Typicky je potrebné úplne prerobiť konštrukciu výrobkov oproti verzii určenej pre manuálnu montáž.

26 Robotizovaná montáž Požiadavky na dizajn výrobku pre robotizovanú montáž: - minimalizácia počtu diskrétnych súčiastok, s ktorými má robot manipulovať. To možno dosiahnuť integráciou viacerých funkcií do jednej súčiastky. - jednotlivé súčiastky musia byť ľahko rozlíšiteľné, teda definovaného tvaru, veľkosti a kvality bez potreby ich analýzy počas montážneho procesu - asymetria tvaru súčiastok má byť výrazná pre ľahké zabezpečenie ich podávania, orientácie a uchopovania - súčiastky majú byť navrhnuté pre jednoduché uchopenie chápadlom bez potreby jeho výmeny pre jednotlivé súčiastky - súčiastky musia byť oddelené a so stabilnou polohou a dopredu známou orientáciou - aplikácia súčiastok, ktoré sa vedia pri vkladaní samé správne orientovať - montáž súčiastok vo vertikálnom smere - zhora nadol (využitie gravitácie) - zabezpečenie montáže v otvorenom priestore bez obmedzení prístupu chápadla Robotizovaná montáž Porovnanie klasického návrhu a návrhu pre robotickú montáž

27 Robotizovaná montáž Príklady usporiadania pracoviska s montážnym robotom Robotizovaná montáž Aplikácie v automobilovom priemysle

28 Robotizovaná montáž Montáž segmentov zrkadla vesmírneho ďalkohľadu James Webb Space Telescope Robotizovaná montáž Aplikácia silovomomentových snímačov

29 Robotizovaná montáž Geoffrey Boothroyd and Peter Dewhurst Štruktúra typického robotického montážneho pracoviska Robotizovaná montáž Komponenty pracoviska pre robotickú montáž: - 1 a viac robotov typu SCARA, prípadne s kĺbovou alebo kartézskou kinematickou štruktúrou, ktoré sú vybavené chápadlom a môžu byť alternatívne vybavené aj silovomomentovým snímačom a vlastným vizuálnym systémom - vibračné zásobníky (lineárne, kruhové) a rôzne podávače súčiastok - poháňané dopravníky - upínače, stojany, držiaky... - systémy výstupnej kontroly

30 Robotizovaná montáž Reťazový (článkový) dopravník Pásový dopravník Dopravníky Valčekový dopravník Vibračný podávač (zásobník) Robotizovaná montáž Vibratory bowl/linear feeder

31 Kontrola kvality Mechanické testovanie výrobkov

32 Prehľad najvýznamnejších výrobcov PR Najvýznamnejší výrobcovia priemyselných robotov: ABB, KUKA, Fanuc, Mitsubishi, Motoman, Stäubli,Panasonic, Adept, Comau, Kawasaki, Nachi (OTC-Daihen), REIS, CLOOS, EPSON, Schunk... Automaticky vedené vozíky (AGV -Automated Guided Vehicle)

33 Automaticky vedené vozíky (AGV -Automated Guided Vehicle) Riadenie polohy na základe -indukčného snímania vodiča s VF signálom v podlahe (Wire guidance) -optického snímania kontrastnej stopy na podlahe (Tape guidance) -laserového navádzania voči stenám resp. voči majákom vhodne umiestneným v budove alebo mimo nej (Laser guidance) -iné (inerčné navádzanie, kombinované...) Delenie: -do vnútorných priestorov (indoor) -do vonkajších priestorov (outdoor) Automaticky vedené vozíky (AGV -Automated Guided Vehicle) Konštrukčné riešenia

34 Automaticky vedené vozíky (AGV -Automated Guided Vehicle) Aplikácia AGV pri výrobe automobilov Automaticky vedené vozíky (AGV -Automated Guided Vehicle) Aplikácia AGV v Rotterdamskom prístave

35 Automaticky vedené vozíky (AGV -Automated Guided Vehicle) Aplikácia AGV v prístave Hamburg Aplikácia mobilných robotov v skladoch Roboty firmy Kiva Systems (Amazon)

36 Aplikácia mobilných robotov pri obaľovaní paliet Robot Master od firmy ROBOPAC