Robotica în producția de automobile de astăzi

Roboții industriali sunt esențiali pentru producția modernă – executând o gamă largă de funcții, coordonând în același timp sarcinile cu alte forme de automatizare. De fapt, industria automobilelor, cu o valoare de 1 trilion de dolari, a fost prima industrie care a avut mijloacele necesare pentru a utiliza robotica pe scară largă... și pentru a avansa și tehnologiile asociate cu robotica. Acest lucru nu este surprinzător, deoarece automobilele sunt articole de mare valoare foarte sofisticate care pot justifica investiții în fabrici, ce pot să nu ofere o rentabilitate a investiției timp de ani de zile. În prezent, marea majoritate a centrelor de producție auto utilizează robotica. Doar în ultimele două decenii, domeniile ambalării, producției de semiconductori și domeniul relativ nou al depozitării automate au accelerat adoptarea roboticii pentru a rivaliza cu industria auto.

Figura 1: industria automobilelor, poate mai mult decât oricare alta, a stimulat progresul tehnologiilor robotice. (Sursa imaginii: Getty Images)

În cadrul roboților în sine și în echipamentele complementare de automatizare industrială se află motoare electrice, sisteme hidraulice și sisteme de alimentare cu fluide; acționări, comenzi, hardware de rețea, interfețe om-mașină (HMI) și sisteme software; precum și componente de detecție, feedback și siguranță. Aceste elemente conferă eficiență prin executarea unor rutine preprogramate care se pot adapta cu ușurință la condițiile schimbătoare în timp real. Tot mai mult se așteaptă ca celulele de lucru robotizate să devină reconfigurabile pentru a produce noi oferte de automobile... deoarece preferințele consumatorilor evoluează acum mai rapid ca niciodată.

Clarificarea terminologiei utilizate pentru automatizare și robotică

Dicționarul Oxford al limbii engleze definește roboții ca fiind „mașini capabile să execute automat serii complexe de mișcări, în special programabile”. Ceea ce îngreunează lucrurile este faptul că această definiție ar putea descrie orice, de la mașini de spălat până la mașini-unelte CNC. Chiar și definiția ISO 8373 a robotului ca „manipulator multifuncțional, reprogramabil, controlat automat, programabil pe trei sau mai multe axe” ar putea descrie un transportor dintr-un depozit cu stații de ridicare verticale. Cu toate acestea, astfel de mașini nu ar fi clasificate în mod normal drept roboți.

Diferențiatorul practic pe care trebuie să îl luăm în calcul este faptul că mașinile construite pentru o singură [a se înțelege: foarte clar definită] utilizare într-o locație fixă nu sunt de obicei considerate roboți ... cel puțin nu în cercurile industriale. De exemplu, deși o mașină de frezat tipică poate rula un număr nelimitat de programe complexe pentru a prelucra diferite piese, aceasta este proiectată să taie metalul cu ajutorul unor lame rotative montate în axul său... și este posibil să rămână fixată într-o singură locație pentru întreaga sa durată de funcționare.

Figura 2: în unele cazuri, distincția dintre robot și mașină se bazează pe felul în care arată un proiect automatizat. Unii clasifică brațele articulate care se aseamănă cu brațele umane mecanizate drept roboți – și clasifică aranjamentele carteziene automatizate de glisiere liniare (precum CT4 pentru asamblarea și inspecția pieselor mici) drept mașini. (Sursa imaginii: IAI America Inc.)

Uneori, chiar și aceste definiții sunt contrazise. De exemplu, mașinile automatizate, cum ar fi mașinile-unelte CNC, sunt din ce în ce mai flexibile, centrele de strunjire-frezare îndeplinind atât rolul de mașini de frezat, cât și cel de strunguri, iar multe dintre aceste mașini execută sarcini de inspecție și măsurare a pieselor cu sonde de contact și scanere laser. Astfel de mașini-unelte pot fi dotate chiar și pentru a efectua fabricarea aditivă. Pe de altă parte, presupușii roboți industriali flexibili sunt adesea furnizați ca modele specializate, concepute pentru o sarcină specifică, cum ar fi pulverizarea vopselei sau sudarea... și este foarte posibil să își petreacă întreaga durată de viață parcate în cadrul unei celule de lucru pe o linie de producție.

Concluzia este că, în industria auto de astăzi, se așteaptă ca sistemele automate clasificate drept roboți să prezinte o flexibilitate ridicată – capabile (cu reconfigurare) să execute sarcini de transport, sortare, asamblare, sudare și vopsire, care pot varia de la o zi la alta. De asemenea, se așteaptă ca acești roboți industriali să poată fi relocați în noi zone ale unei fabrici – fie pentru a fi redistribuiți ca sisteme de producție și reconfigurate, fie pentru a fi deplasați continuu pe șine liniare pe axa a șaptea pentru a deservi rețelele de celule de lucru dintr-o linie.

Familii de roboți pentru unitățile de producție auto

Roboții din unitățile de producție de automobile sunt clasificați în linii mari în funcție de structurile lor mecanice – inclusiv tipurile de articulații, aranjamentele legăturilor și gradele de libertate.

Sistemele robotice cu manipulator în serie includ majoritatea roboților industriali. Modelele din această familie au un lanț liniar de verigi cu o bază la un capăt și un efector final la celălalt capăt ... cu o singură articulație între fiecare verigă a lanțului. Printre acestea se numără roboții articulați, Selective Compliance Articulated Robot Arm (SCARA), roboții colaborativi cu șase axe, roboții cartezieni (care constau, în esență, din actuatoare liniare) și roboții cilindrici (oarecum neobișnuiți).

Figura 3: roboții colaborativi sunt din ce în ce mai răspândiți în unitățile furnizorilor de automobile de nivelul 2 care beneficiază de paletizare automată. (Sursa imaginii: Dobot)

Sistemele robotice cu manipulatori paraleli excelează acolo unde aplicațiile au nevoie de rigiditate și viteză operațională ridicată. Spre deosebire de brațele articulate (suspendate în spațiul 3D printr-o singură linie de legături), manipulatorii paraleli sunt susținuți sau suspendați de rețele de legături. Printre exemple se numără roboții delta și Stuart.

Roboții mobili sunt unități pe roți care deplasează materiale și obiecte din stoc în fabrici și depozite. Acestea pot funcționa ca stivuitoare automate pentru a prelua, deplasa și plasa paleții pe rafturi sau pe podeaua fabricii. Printre exemple se numără vehiculele cu ghidare automată (AGV) și roboții mobili autonomi (AMR).

Utilizări clasice ale roboților în producția de automobile

Aplicațiile robotizate clasice în unitățile de producție de automobile includ sudarea, vopsirea, asamblarea și (pentru transportul celor aproximativ 30.000 de piese care intră în componența unei mașini obișnuite) sarcini de manipulare a materialelor. Luați în considerare modul în care unele subtipuri de roboți sunt utilizate în aceste aplicații.

Roboții cu braț articulat pe șase axe sunt manipulatori în serie la care fiecare articulație este o articulație rotativă. Cea mai comună configurație este robotul cu șase axe, care are grade de libertate pentru poziționarea obiectelor în orice poziție și orientare în cadrul volumului său de lucru. Aceștia sunt roboți foarte flexibili, potriviți pentru o multitudine de procese industriale. De fapt, roboții cu braț articulat cu șase axe sunt ceea ce își imaginează majoritatea oamenilor atunci când se gândesc la un robot industrial.

Figura 4: cititoarele de coduri de bare de înaltă performanță pot decoda rapid și fiabil codurile de bare 1D și 2D. Unele se montează pe efectorii finali ai roboților pentru a susține prelevarea pieselor electronice și auto, precum și a elementelor de sub-ansamblu. (Sursa imaginii: Omron Automation and Safety)

De fapt, roboții mari cu șase axe sunt adesea utilizați în sudarea cadrelor de automobile și în sudarea punctuală a panourilor de caroserie. Spre deosebire de abordările manuale, roboții au capacitatea de a trasa cu precizie liniile de sudură în spațiul 3D fără a se opri, adaptându-se în același timp la schimbarea parametrilor cordonului de sudură ca răspuns la condițiile de mediu.

Figura 5: acești roboți cu șase axe sunt ceea ce își imaginează majoritatea oamenilor atunci când își imaginează un robot industrial. (Sursa imaginii: Kuka)

În altă parte, roboții cu brațe articulate cu șase axe se deplasează pe sisteme cu șapte axe pentru a executa procese de amorsare, vopsire, acoperire și alte procese de etanșare a caroseriilor de automobile. Astfel de aranjamente oferă rezultate impecabile și consecvente, care sunt, în parte, atât de fiabile deoarece aceste procese sunt executate în cabine de pulverizare bine izolate, menținute în mod eficient necontaminate de particulele din mediul exterior. Roboții cu șase axe urmează, de asemenea, trasee de pulverizare optimizate programatic pentru finisaje perfecte, reducând la minimum excesul de pulverizare și risipa de vopsea și de produse de etanșare. În plus, acestea elimină necesitatea de a expune personalul fabricii auto la vaporii nocivi asociați cu unele materiale aplicate prin pulverizare.

Figura 6: aplicația SIMATIC Robot Integrator simplifică integrarea roboților în setările automatizate prin adaptarea parametrilor roboților diferiților furnizori și a diverselor geometrii și cerințe de montare ale aplicațiilor; aceste instalații sunt completate de controlere scalabile SIMATIC S7 de înaltă performanță, cu intrări/ieșiri integrate și diverse opțiuni de comunicare pentru adaptări flexibile ale designului. (Sursa imaginii: Siemens)

Roboții Selective Compliance Articulated Robot Arm (SCARA) au două articulații rotative cu axe de rotație paralele care se deplasează în direcția verticală pentru poziționarea X-Y într-un singur plan de mișcare. Apoi, o a treia axă liniară permite mișcarea în direcția Z (în sus și în jos). Sistemele SCARA sunt opțiuni cu costuri relativ reduse care excelează în spații restrânse – chiar și în timp ce oferă mișcări mai rapide decât roboții cartezieni echivalenți. Nu este de mirare că roboții SCARA sunt utilizați în producția de sisteme electronice și electrice pentru automobile – inclusiv cele pentru controlul climatizării, conectivitatea dispozitivelor mobile, elemente audio/vizuale, divertisment și navigație. În acest caz, sistemele SCARA sunt utilizate cel mai frecvent pentru a executa sarcini precise de manipulare a materialelor și de asamblare pentru producerea acestor sisteme.

Roboții cartezieni au, cel puțin, trei axe liniare care sunt suprapuse pentru a executa mișcări în direcțiile X, Y și Z. De fapt, unii roboți cartezieni utilizați de furnizorii de automobile de nivelul 2 iau forma unor mașini-unelte CNC, imprimante 3D și mașini de măsurat în coordonate (CMM) pentru verificarea calității și consecvenței produselor finale. Dacă punem la socoteală aceste mașini, roboții cartezieni sunt cu ușurință cea mai comună formă de robot industrial din industrie. După cum am menționat mai devreme, mașinile carteziene sunt adesea numite roboți doar atunci când sunt utilizate pentru operațiuni care implică manipularea pieselor de lucru și nu a uneltelor – de exemplu, în asamblare, pick-and-place și paletizare.

O altă variantă de robot cartezian utilizată în industria auto este macaraua portal automată. Acestea sunt indispensabile pentru procesele de fixare și îmbinare care necesită accesul la partea inferioară a trenului de rulare al ansamblurilor de vehicule parțial finalizate.

Utilizări noi și inedite ale roboților în producția de automobile

Roboții cilindrici sunt roboți compacți și economici care oferă poziționare pe trei axe cu o articulație rotativă la bază și două axe liniare pentru înălțime și extensii ale brațului. Aceștia sunt deosebit de potriviți pentru manipularea mașinilor, ambalarea și paletizarea subcomponentelor de automobile.

Roboții colaborativi cu șase axe (coboți) menționați anterior prezintă aceeași structură de bază a legăturilor ca și variantele industriale mai mari, dar cu acționări extrem de compacte și integrate, pe bază de motor, la fiecare articulație ... de obicei sub forma unui motor cu angrenaje sau a unei opțiuni cu acționare directă. În domeniul auto, aceștia sunt însărcinați cu sudarea consolelor, a suporturilor și a subcadrelor cu geometrii complicate. Printre avantaje se numără precizia și repetabilitatea ridicată.

Roboții Delta au trei brațe care sunt acționate prin articulații rotative de la bază – adesea montate pe tavan pentru un aranjament suspendat. Fiecare braț are un paralelogram cu articulații universale montate la capătul său, iar toate aceste paralelograme se conectează apoi la efectorul final. Astfel, robotul delta are trei grade de libertate de translație, iar efectorul final nu se rotește niciodată în raport cu baza. Roboții Delta pot atinge accelerații extrem de mari, ceea ce îi face extrem de eficienți pentru operațiunile de preluare și plasare în aplicațiile care implică sortarea și alte manipulări ale elementelor de fixare și ale componentelor electrice de mici dimensiuni pentru automobile.

Platformele Stewart (numite și hexapode) sunt formate dintr-o bază triunghiulară și un efector final triunghiular conectate cu șase actuatoare liniare într-un octaedru. Acest model conferă șase grade de libertate cu o structură extrem de rigidă. Cu toate acestea, amplitudinea de mișcare este relativ limitată în comparație cu dimensiunea structurii. Platformele Stewart sunt utilizate pentru simularea mișcării, prelucrarea mobilă de precizie, compensarea mișcării macaralelor și compensarea vibrațiilor de mare viteză în cadrul rutinelor de testare a fizicii de precizie și a opticii... inclusiv cele pentru verificarea modelelor de suspensie a vehiculelor.

Vehiculele cu ghidare automată (AGV) urmează rute prestabilite, marcate de linii pictate pe podea, cabluri pe podea sau alte semnale de ghidare. De obicei, AGV-urile au un anumit grad de inteligență, astfel încât se opresc și pornesc pentru a evita coliziunile între ele și cu oamenii. Acestea sunt foarte potrivite pentru sarcinile de transport de materiale în unitățile de producție a automobilelor.

Roboții mobili autonomi (AMR) nu au nevoie de rute fixe și sunt capabili să ia decizii mai sofisticate decât AGV-urile. Deosebit de utili în depozitele vaste ale producătorilor de automobile, aceștia navighează, de obicei, liber, utilizând scanere laser și algoritmi de recunoaștere a obiectelor pentru a detecta mediul înconjurător. Atunci când este detectată o posibilă coliziune, în loc să se oprească și să aștepte ca un AGV, AMR-urile pot pur și simplu să își schimbe cursul și să se deplaseze în jurul obstacolelor. Această adaptabilitate face ca AMR-urile să fie mult mai productive și mai flexibile în platformele de încărcare ale fabricilor de automobile.

Concluzie

Industria automobilelor a stimulat inovarea masivă în domeniul roboticii în ultimii 30 de ani, iar această tendință va continua odată cu piața în plină expansiune a vehiculelor electrice (VE). De asemenea, industria a început să beneficieze de noi adaptări ale inteligenței artificiale și ale vederii artificiale pentru a îmbunătăți instalațiile robotice pentru utilizări de toate tipurile.