Techniki Wytwarzania i Procesy Technologiczne
robot współpracujący

Robot współpracujący

Zanim przejdę czym jest robot współpracujący przedstawię definicję automatyzacji, w tym robotyzacji. Według M. Pawlaka [1] automatyzacja (od gr. automatos, czyli samoczynny) stanowi proces polegający na odciążeniu bądź całkowitemu ograniczeniu ludzkiej pracy fizycznej jak również umysłowej przy użyciu maszyn i urządzeń, które wykonują powtarzające się czynności w sposób automatyczny. Proces ten jest możliwy tylko “przy zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań z szeroko pojętej dziedziny automatyki przemysłowej, która nieustannie się rozwija.”. Według innego autora [2] automatyzacja jest procesem przemysłowym, gdzie wszelkie możliwe operacje, które są wykonywane, przekształca się z procesu ręcznego na zautomatyzowany lub zmechanizowany. W znacznej mierze pierwsza, jak w całości druga definicja odnoszą się do naszych zagadnień z związanych z procesami produkcyjnymi, które polegają na wytwarzaniu fizycznych części oraz całych maszyn i urządzeń (obróbka, montaż).

W definicji [1] należy zwrócić uwagę na to, że automatyzacja bez użycia robotów obejmuje przede wszystkim dziedzinę oprogramowania, podejmowania decyzji, optymalizacji, planowania procesów, automatyzacji procesów, planowania zasobów produkcyjnych, e-usług, prac księgowych i finansowych, komunikacji [3]. Automatyzacja jako słowo ma bardzo pojemne znaczenie i dlatego koniecznym jest doprecyzowanie podejmowanego obszaru. W artykule Automatyzacja stanowiska obróbkowego we wstępie powołałem się na artykuł firmy doradztwa strategicznego McKinsey & Company opublikowany w czasopiśmie Production manager, w którym podano, że szacunki na rok 2019 mówią o potencjale automatyzacji pracy w Polsce – aż 49% czasu pracy (ok. 7,3 mln. etatów!) zajmują czynności, które można zautomatyzować na bazie już posiadanych technologii.

Robot współpracujący [www1] (ilustracja 1 i 2), a konkretnie Coboty Universal Robots jako innowacyjny projekt powstał w 2005 roku w Danii. Pomysłodawcami byli studenci pragnący skonstruować urządzenie mogące wyręczyć ludzi w różnych zadaniach stawianych przez przemysł. Warunkiem koniecznym, niejako równoległym, było opracowanie urządzenia bezpiecznego dla operatora, które może być programowane przez każdego, a nie tylko przez wysoko wykwalifikowanego programistę lub automatyka.

robot współpracujący Abplanalp

Ilustracja 1. Przykład zrobotyzowanego stanowiska obróbkowego wykorzystującego robota współpracującego – stoisko firmy Abplanalp podczas STOM 2019.

robot współpracujący Mazak

Ilustracja 2. Przykład zrobotyzowanego stanowiska obróbkowego z robotem współpracującym – Yamazaki MAZAK podczas STOM 2022

Bezpieczeństwo robotów przemysłowych i cobotów

W przypadku “tradycyjnie” rozumianych robotów przemysłowych operator nie może przebywać w jednej strefie roboczej razem z robotem przemysłowym (ilustracja 3 i 4). Ilustracja 4 przedstawia edukacyjne stanowisko montażowe (Wydział Mechaniczny Technologiczny PW), a ilustracja 4 przykładowe zrobotyzowane gniazdo obróbkowe prezentowane na stoisku firmy OKUMA podczas STOM 2019.

robot współpracujący WMT ITW PW

Ilustracja 3. Edukacyjne zautomatyzowane stanowisko edukacyjne (WMT PW ITW).

robot współpracujący okuma

Ilustracja 4. Demonstracyjne zrobotyzowane gniazdo obróbkowe firmy OKUMA – STOM 2019.

Na prezentowanych stanowiskach na ilustracjach 3 i 4 zastosowano fizyczne bariery ochronne i kurtyny świetlne. Formalnie o bezpieczeństwie pracy robotów przemysłowych traktuje tzw. dyrektywa maszynowa nr 2006/42 /EC (Machine Directive – MD), której dokładna nazwa brzmi: Dyrektywa 2006/42/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 17 maja 2006 r. w sprawie maszyn, zmieniająca dyrektywę 95/16/WE. Zatem wszystkie maszyny i urządzenia zainstalowane na terenie Unii Europejskiej muszą spełniać podstawowe wymagania w zakresie zdrowia i bezpieczeństwa, które opisano w załączniku I do tej dyrektywy. W ramach tego aktu prawnego zharmonizowane zostały również normy ISO 10218-1, ISO 10218-2 i ISO 13849-1. Przyjmuje się, że jeśli maszyna lub urządzenie spełnia wymagania takiej zharmonizowanej normy to tym samym spełnia również zasadnicze wymagania samej dyrektywy maszynowej [www2].

Robot współpracujący jest dedykowany do bezpośredniej interakcji człowieka z robotem we wspólnej przestrzeni roboczej oraz tam gdzie operator i roboty znajdują się w bliskiej odległości względem siebie. Przez pewien okres funkcjonowania robotów współpracujących w warunkach przemysłowych w przepisach dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy stosownych regulacji dotyczących cobotów [www1 i www2].

W lutym 2016 roku normy ISO dla tradycyjnych robotów przemysłowych zostały rozszerzone o specyfikację techniczną dotyczącą robotów współpracujących. Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) opublikowała nowa specyfikacje techniczne:

  • ISO/TS 15066 wspierającą dokument ISO 10218-1, znany pod nazwą „Safety Requirements for Industrial Robots” (Wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych);
  • ISO 10218-2 – Wymagania bezpieczeństwa dla systemów robotycznych i integracji.

Specyfikacja ISO/TS 15066 zawiera wytyczne, opisujące, jak należy zapewnić bezpieczeństwo podczas projektowania i wdrażania aplikacji zrobotyzowanych. Według zapisów normy ISO 10218, aby robot mógł współpracować z operatorem (człowiekiem) musi spełnić kilka kluczowych warunków. Po pierwsze robot musi być wyposażony w możliwość awaryjnego zatrzymania (przycisk E-stop). Tak jak w przypadku każdej innej maszyny i urządzenia w przypadku wystąpienia sytuacji niebezpiecznej możemy przerwać pracę robota poprzez wciśnięcie przycisk awaryjnego wyłączenia. Po drugie układ sterowania robotem przemysłowym powinien monitorować nie tylko wyłączenia awaryjne ale także: prędkość i pozycję robota, a w razie potrzeby móc dokonać ograniczania tych wartości. Po trzecie operator powinien mieć dostęp do opcji ręcznego prowadzenia ramienia. W ramach reagowania na występowanie różnych stanów podczas pracy robota powinna być dostępna również opcja ograniczenia mocy i siły ramienia [www2, www3].

Według specyfikacji ISO/TS 15066 nie tylko robot ale cały system robotyczny obejmujący obiekty, przy których pracuje oraz dodatkowe narzędzia, musi spełniać stosowane normy bezpieczeństwa. Z punktu widzenia wdrażania robotów współpracujących są zapisy działu 5.4 normy ISO 10218-1, który definiuje wymagania bezpieczeństwa dla systemów sterowania. Powinny one być zaprojektowane by spełniały wymagania poziomu wykonania ze strukturą Kategorii 3 (Performance Level – PL=d) zgodnie z normą ISO 13849-1 (dział 5.2.2 wspomnianej normy ISO 10218-1). Dopuszczalne jest rozwiązanie zgodne z określonym poziomem wykonania i oceną ryzyka (ISO 10218-1 dział 5.2.3). Specyfikacja ISO/TS 15066 zawiera cenne uwagi i zalecenia związane z oszacowaniem ryzyka, przeznaczone dla integratorów zajmujących się implementacją robotów współpracujących.

Kategoria 3 oznacza system skonstruowany z wykorzystaniem podwójnych zabezpieczeń. Pojedynczy błąd/defekt nie może doprowadzić do utraty funkcji bezpieczeństwa. Specyfikacja ISO/TS 15066 zawiera również zalecenia co do dopuszczalnych siły mogących oddziaływać na poszczególne części ciała człowieka. Z jednej strony normy nie są aktami obligatoryjnymi i stanowią raczej zbiór zaleceń odnośnie tego jakie cechy powinno posiadać urządzenie. Obowiązkowa jest natomiast dyrektywa maszynowa 2006/42/we [www2].

Robot współpracujący – rozwiązania bezpieczne

Roboty współpracujące duńskiej firmy Universal Robots, prekursora w poruszanej dziedzinie, posiadają aż 17 wbudowanych funkcji bezpieczeństwa. Zabezpieczenia te są w pełni zgodne z przedstawionymi powyżej, pokrótce, normami bezpieczeństwa. Opatentowany system sterowania tych robotów zawiera funkcje bezpieczeństwa dostosowywalne do indywidualnych potrzeb użytkownika. Funkcje te obejmują m.in.: położenie i prędkość łącznie, położenie TCP (Robot tool-center-point), orientacja narzędzia, szybkość i siła, a także pęd i moc robota. Dzięki temu współpraca robota i człowieka (operatora) tzw. HRC (ang. Human-Robot Collaboration) odbywa się w sposób bezpieczny, zgodny z obowiązującymi normami [www2].

Kiedy przyjrzymy się robotom współpracującym to ich budowa również jest przemyślana. Obłe kształty, wyraźnie wyoblone krawędzi, a nawet odpowiednio zaprojektowane przejścia minimalizujące występowanie krawędzi, a wszystko w celu niwelowania wystąpienia potencjalne zagrożenie zranienia operatora. W przypadku robotów przemysłowych nie ma potrzeby takich modyfikacji ze względu na stosowane rozwiązania ochronne. Nie zawsze są to fizyczne bariery ochronne, czego przykładem jest system wizyjny firmy PILZ.

Charakterystyka robota współpracującego

Z założenia coboty powinny dać się bardzo łatwo programować i cechować wysokim poziomem elastyczności w swoich zastosowaniach w warunkach przemysłowych. Graficzne interfejsy, metody uczenia cobota są istotnie bardziej dostępne dla mniej wykwalifikowanych operatorów. Nie oznacza to, że dosłownie programować może każdy. Łatwość programowania to fundament ich elastyczności w implementacji – jednego dnia tokarskie centrum CNC (ilustracja 1 i 2), a drugiego linia montażowa małego AGD. Drugim fundamentem jest brak konieczności stosowania solidnego fundamentu, gdyż masa cobotów nie przekracza 35 kg co w zestawieniu ze starszymi braćmi, robotami przemysłowymi, jest bardzo niewielka. W przypadku robotów przemysłowych nie do rzadkości należą konstrukcje o masie powyżej 1 tony co wymusza ściśle określone posadowienie takiego robota.

Niska masa robotów współpracujących wiąże się ze słabszym udźwigiem, mniejszym zasięgiem, a spełnienie wymogów bezpieczeństwa odbija się również na wydajności. Pamiętajmy, że wraz ze zwiększaniem promienia działania ramienia maleje jego nośność. Maksymalna masa zależy przede wszystkim od konstrukcji robota i może wynosić 16 kg, a osiągane prędkości przesuwu nie przekroczą 3 m/s. W konsekwencji mamy do czynienia z aplikacyjnymi ograniczeniami robotów współpracujących – np. nie jest możliwe spawanie skomplikowanych wielkogabarytowych konstrukcji, ani przenoszenie przedmiotów o masach wymagających siły większej niż siła człowieka. Na ilustracji 5 i 6 pokazano różne chwytaki jakie zastosowano w dwóch różnych wdrożeniach.

robot współpracujący abplanalp

Ilustracja 5. W prezentowany na stoisku firmy Abplanalp (STOM 2019) na zrobotyzowanym stanowisku obróbkowym zastosowano robot współpracujący z nie mechanicznym mocowaniem przenoszonego przedmiotu.

robot współpracujący mazak

Ilustracja 6. Robot współpracujący na stanowisku obróbkowym z mechanicznym chwytakiem przedmiotu obrabianego – stoisko Yamazaki Mazak STOM 2022.

Na etapie wdrażania czy to robota przemysłowego, czy to robota współpracującego należy pamiętać, że maksymalna nośność ramienia uwzględniać musi masę nie tylko przenoszonego przedmiotu ale również chwytaka.

W artykule tym zaprezentowałem dwa zrobotyzowane tokarskie centra obróbkowe CNC. Dlaczego przy takich obrabiarkach CNC robot współpracujący, pomimo pewnych ograniczeń, wydaje się być “idealnym” rozwiązaniem. Konstrukcja tokarskich centrów obróbkowych (ilustracja 7) zapewnia dostęp do strefy obróbkowej wyłącznie od czoła maszyny. Współcześnie niezależnie od stopnia zautomatyzowania operator musi mieć zapewnione dojście do strefy obróbkowej. Wdrożenie robota przemysłowego oznacza poważne utrudnienia w dostępności do strefy obróbkowej, do przedmiotu, do narzędzi, szczególnie w sytuacji awarii czy choćby KSO (katastroficzne stępienie ostrza). Wówczas ingerencja operatora jest konieczna. Zastosowanie cobota pozwala na jednoczesną pracę robota i operatora. Dostęp do strefy obróbkowej może i nadal nieergonomiczny ale i tak jest znacznie lepszy niż przy robotyzacji stanowiska z użyciem robota przemysłowego.

robot współpracujący

Ilustracja 7. Przykładowe centrum tokarsko-frezarkskie – Nakamura Tome.

W roku 2019 około 5% wszystkich wdrożeń robotów w przemyśle stanowiły roboty współpracujące. Ich procentowy udział sukcesywnie wzrasta. Automatyzacja, w tym robotyzacja jest koniecznością. Wynika nie tylko z powodów obniżania szkodliwości warunków pracy w jakich pracują ludzie ale także z powodu braków wykwalifikowanej kadry. Przemysł 4.0 w swoich założeniach dąży do w pełnie zautomatyzowanych fabryk i to w pełnym zakresie definicji czym jest automatyzacja.

Źródła
  1. Pawlak M., Automatyzacja procesów przemysłowych, “Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej”, Nr 60, s. 1 2007
  2. Gupta A. K., Industrial Automation and Robotics. Laxmi Publications (P) Ltd., University Science Press, s. 1., 2007
  3. Kost G., Łebkowski P., Węsierski Ł.N., Automatyzacja i robotyzacja procesów produkcyjnych, PWE 2018
Źródła www
  1. Roboty współpracujące – zacznijmy od podstaw (2022.10.31)
  2. Bezpieczna współpraca robota z człowiekiem (2022.10.31)
  3. Cobot – czym różni się od standardowego robota przemysłowego (2022.10.31)

About author

morek

Rocznik 1973. W 1993 skończyłem Technikum Elektryczne Nr 1. W 1998 roku Wydział Mechaniczny Technologiczny i Automatyzacji (obecnie WIP) PW. 1997-2000 konstruktor narzędzi skrawających w F.W.P. VIS S.A. 2004. Doktorat z technologii kół zębatych. Technologie wytwarzania i procesy technologiczne to moja pasja.

Related Articles

Leave a reply

You must be logged in to post a comment.

Kategorie

YouTube



Nadchodzące wydarzenia

Statistics

  • 52 671
  • 8 321 772
  • 786 618
  • 196