Roboții industriali vs. mașinile cu comandă numerică

Aflați ce joburi sunt luate din mâinile oamenilor sau de pe masa CNC-urilor de către roboții industriali.  După preluarea operațiilor de manipulare, sudură sau vopsire, roboții trec la nivelul următor. Costul roboților se reduce, programarea lor se simplifică, aceștia lucrează perfect în echipă 24/24 și raportează la timp calitate perfectă.

În ultimul timp, se poate observa cum roboții industriali au început să preia slujbele operatorilor în fabrici. Un robot poate înlocui minim de trei operatori (câte un operator pe schimb) sau mai mulți, în funcție de numărul de operații și complexitatea acestora într-un ciclu de lucru.

Subiectele pe care le vom aborda în acest articol sunt:

• Piața roboților industriali;
• Exemple de aplicații ce utilizează roboți industriali;
• Limitele centrelor cu comandă numerică și cele ale roboților industriali;
• Programarea roboților industriali folosind Siemens NX CAM Robotics;
• Beneficiile producției cu roboții industriali.

Un studiu de piață „Boston Consulting Grup” ne arată că există peste 1,6 milioane de roboți industriali care valorează aproximativ 9,5 miliarde dolari și se estimează că aceste numere vor crește în continuare în mod considerabil.

Rata de creștere anuală, a vânzărilor de roboți industriali este estimată a fi a doua ce-a mai bună din toate domeniile roboticii. Aceasta evidențiază tendința de a introduce mai mulți roboți în diverse industrii prin a înlocui operatorii umani și alte procese ca de exemplu: frezarea tradițională și mașinile unelte cu comandă numerică.

Două segmente din domeniul roboticii au arătat creșteri impresionante în anii anteriori și anume:

• Primul domeniu: manipulare/încărcare-descărcare în și din mașini cu comandă numerică, 24%, care a devenit ceva comun în multe industrii;
• Și cel de al doilea domeniu: fabricația (cu rata de creștere anuală compusă de 32%  (operații specific CNC/operatori umani).

Fabricația include aplicații robotizate precum: tăierea, șlefuirea, debavurarea, frezarea și lustruirea. Iar estimările arată că această tendință va deveni și mai dominantă în anii ce urmează.

Printre aplicațiile comune se numără: gravura, debavurarea, frezarea, lustruirea, rectificarea și sculptura. Toate aceste aplicații au un numitor comun – suprafețe complexe de prelucrat, care implică traiectorii complexe pentru robot.

Pentru a deține un sistem robotizat avem nevoie de: echipamente roboți, software și programare, alimentatoare și efectori. Așadar, costurile pentru implementare sunt împărțite. După cum puteți vedea, ponderea cea mai mare o are software-ul și programarea, 40% din costul total, care de cele mai multe ori este realizată manual. Cu o soluție de programare offline, calitatea programelor crește și acestea sunt generate mult mai rapid.

În plus, pe lângă reducerea timpilor de programare, software-ul ajută utilizatorii să analizeze echipamentele necesare și efectorii în mediul virtual, înainte de achiziționare. Comandarea corectă a echipamentelor necesare fiind critică. Practic este posibilă validarea digitală completă a aplicației.

• Flexibilitatea:
  • Roboții de tip braț articulat oferă o flexibilitate de mișcare mult mai mare decât un centru cu comandă numerică. Un robot poate produce un reper complex din unghiuri multiple din aceeași poziție, fără a fi necesară repoziționarea sau prinderea de mai multe ori a reperului, cum este în cazul mașinilor cu comandă numerică.
  • Spre deosebire de mașinile de frezare, roboții pot fi redistribuiți pentru a realiza alte procese în fabrică: sudură cu arc electric, paletizare, etc.

• Roboții sunt mai ieftini: de la 2 până la 5 ori mai ieftini decât mașinile de frezare.
• Revizia pentru roboți este mai ieftină: spre deosebire de reviziile scumpe pentru mașinile de prelucrat prin așchiere, mentenanța roboților este de obicei cu mult mai ieftină.
• Schimbările de amplasare în hale: mărimea unei mașini cu comanda numerică necesită mult spațiu și odată plasată în hală este dificil de deplasat sau de schimbat poziționarea altor echipamente în jurul acesteia. În timp ce robotul necesită mult mai puțin spațiu și poate fi supus mai multor schimbări de amplasare cu o ușurință mai mare.
• Repere de dimensiuni mari: configurațiile de tip roboți industriali pe echipamente de mărire a spațiului de lucru, permit procesarea reperelor de dimensiuni mari care nu pot fi prelucrate de către mașinile cu comandă numerică. De exemplu, procesele de producție ale elicelor de turbine eoliene și carenele bărcilor.
• Productivitatea totală este mai mare: un robot poate realiza operații complete de frezare/ fabricație fără a fi necesară intervenția factorului uman.
• Suportă materiale pentru prototipare: multe dintre materialele utilizate pentru prototipuri și matrițe sunt moi: clei, spumă, lemn, polimeri și metale moi. Un braț robotic este cel mai bun candidat pentru a-și deservi sarcinile în aceste medii de lucru.

Procesele care necesită o precizie înaltă (>0.01 mm) cu siguranță nu se află în domeniul de aplicații robotizate. Avem în continuare un tabel cu industrii, tipuri de prelucrări și opțiunile de utilizare a roboților industriali:

• Prelucrarea materialelor moi;
• Aplicații care folosesc senzori, cum ar fi Force Feedback Controll (pentru: șlefuirea palelor de la elicele avioanelor; șlefuirea elicelor navelor marine sau procesarea cutiilor de electronice).
• Aplicații pentru înlăturarea de material unde nu este obligatorie o precizie înaltă, precum debavurarea semifabricatelor turnate, prelucrarea reperelor metalice de dimensiuni mari, fabricație, construcții grele și sectoarele din industria echipamentelor agricole.

• Celulele galbene cu semne de întrebare  indică faptul că ar fi necesară o analiză mai în detaliu, întrucât trebuie să fie cunoscute clar specificațiile.

Precizia traiectoriilor: întâlnim des modele sau repere care să necesite traiectorii tridimensionale complexe. Iar generarea manuală a acestor traiectorii tridimensionale de înaltă precizie este o adevărată provocare.

Schimbări constante: în multe cazuri există o mare varietate de produse care pot să necesite ajustări locale.

Restricții ale fluxului de lucru: restricții ale echipamentelor fizice trebuie luate în considerare când planificăm procesul de producție. De exemplu, modalitatea de optimizare a traiectoriei robotului pentru satisfacerea cerințelor sarcinii portante în operații de mare viteză.

Rezultate de înaltă calitate: calitatea este de cele mai multe ori crucială – calitatea înaltă necesită o expertiză care este dobândită de-a lungul anilor, iar personalul experimentat este greu de găsit. Calitatea produselor este determinată de proces: traiectoriile robotului trebuie să urmărească parametri preciși, cum ar fi vitezele și adâncimile de avans, forțele, parametrio de mișcare, ș.a.m.d. Acestea sunt elementele cheie pentru satisfacerea calității necesare, conform standardelor de producție ale companiei și resursele utilizate.

Productivitate: cum optimizăm performanța roboților, benzilor de transport și sistemelor de inspecție și control video într-un mediu rapid și automatizat.

Sincronizarea cu dispozitivele externe: roboții pot fi implementați în diverse configurații, de exemplu: pe un sistem de mărire a spațiului de lucru cu un grad de libertate de translație la baza robotului, montare pe tavan, sisteme peri-robotice sau alte sisteme de poziționare cu multiple axe externe. Este posibil ca acestea să se dovedească a fi o provocare pentru planificarea procesului de producție care să considere și să controleze dispozitivele externe.

Schema de amplasare: cum optimizăm poziționarea robotului, dispozitivele externe, gardurile și celelalte resurse, luând în considerare spațiul de lucru al robotului și evitarea coliziunilor. Provocarea devine mai mare în măsura în care celula devine mai aglomerată. Un alt factor important îl reprezintă cerințele de siguranță și sănătate care trebuiesc respectate.

Protecția echipamentelor și personalului: cum exploatăm corect echipamentele și punem pe primul loc siguranța și sănătatea operatorului.

Digital Twin sau geamănul digital, este conceptul în care construim o copie digitală, virtuală a ceea ce se dorește a se obține în realitate pentru a putea planifica și optimiza mai rapid și mai eficient ciclul de viață și procesele de realizare a produsului.

Siemens, este un lider de industrie în automatizări și control. Controllerele Sinumerik pot fi folosite și pentru Roboți industriali (în acest caz un robot marca KUKA), care este un controller fiabil foarte cunoscut pentru precizia sa ridicată.

Vedem în clip procesul din realitate în paralel cu același proces simulat în NX CAM Robotics Geamănul digital în acțiune.

În acest caz avem o comparație între o mașină cu comandă numerică pe structură Gantry și un robot industrial, amândouă efectuând operația de prelucrare prin așchiere.

Observăm cum robotul industrial posedă o flexibilitate mai mare în comparație cu sistemul anterior menționat.

Dacă dorim de exemplu, să șlefuim o elice, un robot industrial poate efectua această operație cu ușurință folosind o configurație de tip reper pe robot.

Acest tip de configurație ne permite utilizarea mai multor scule consecutive și reducerea timpilor necesari schimbării sculei pe robot, înlăturând acest dezavantaj prin fixarea sculelor pe poziții definite și utilizarea robotului industrial pentru operarea acelorași mișcări ca un operator uman.

Programul ne mai permite de asemenea și utilizarea șabloanelor predefinite pentru traiectorii și adaptarea acestora folosindu-se de tehnologia de detecție a coliziunilor.

Celulele care se folosesc de sisteme peri-robotice, beneficiază de o logică de comportament a sistemului peri-robotic care este integrată în program.

Avem opțiunea de a aplica tehnologia adaptivă care ne permite de exemplu, controlul mișcării robotului industrial, în funcție de traiectoriile stabilite în concordanță cu sistemul de lucru al echipamentului de poziționare.

Beneficiem de asemenea și de suport pentru echipamente de poziționare cu multiple grade de libertate.

În NX CAM se poate controla precis unghiul cu care va fi prelucrat reperul.

Economisim timp datorită flexibilității robotului atunci când îl comparăm cu un centru cu comanda numerică. Aceasta se datorează faptului că robotul poate ajunge cu ușurință în mai multe puncte în diverse configurații și are acces mai ușor la acele puncte mai greu accesibile spre deosebire de un centru cu comanda numerică, care pentru a atinge aceleași puncte ar avea nevoie de repoziționarea sau reorientarea reperului.

În acest studiu de caz avem un robot industrial echipat cu un sistem de extindere al spațiului de lucru folosind o axă de translație la baza robotului. Observăm că putem să coordonăm mișcările robotului cu axa externă pentru a crea traiectoriile necesare efectuării operației de șlefuire a carenei bărcii, iar această configurație (robot și axă de translație externă) este predefinită în soft.

Pentru aplicațiile de realizare a sculpturilor sau realizarea șabloanelor pentru matrițe și ștanțe de dimensiuni mari și din materiale moi, este mai eficientă utilizarea unui robot industrial.

Un alt plus îl constituie posibilitatea reproducerii unui număr de instanțe multiple, identice folosind un Robot Industrial spre deosebire de fabricația manuală.

Printre industriile care se pot folosi de acest tip de configurație se numără: cinematografia, parcurile de distracție tematice, instituțiile culturale, arhitectura, ș. a. m. d.

Punctele forte ale Modulului NX CAM constau în planificare, validare, optimizare si realizarea programelor roboților industriali pentru procesele de fabricație

NX CAM Robotics este un modul dedicat fabricației cu roboți industriali.

Traiectoriile implicite ale roboților sunt generate pe baza unei traiectorii standard de frezare.

Fiind un modul din NX, interfața de lucru este aceeași ca NX CAD și CAE

Fișierele, și datele în general sunt coerente pe tot parcursul procesului (fie că vorbim de: proiectare sau/și fabricație), deoarece nu există conversii de date. NX lucrând cu un singur tip de fișier standard Parasolid, care are extensia .prt

NX asociază în mod automat și complet toate caracteristicile și elementele ce aparțin de un reper atunci când acesta este înlocuit cu o revizie mai nouă a reperului sau un reper similar.

Așadar care sunt avantajele de care beneficiem atunci când utilizăm NX CAM Robotics?

• În primul rând de o durată scurtă de învățare, a utilizării modulului deoarece interfața este similară cu NX CAD și CAE
• Reducerea costurilor it prin implementarea unei platforme care să conțină toate modulele necesare.
• Simplitatea procedurilor de actualizare ale fișierelor
• Putem reutiliza traiectoriile existente ale unui reper pentru o revizie a reperului
• Reducerea costurilor totale de achiziție pentru echipamentele sistemului final.

Ca și alte soft-uri de programare a traiectoriilor de prelucrare și NX CAM are posibilitatea specificării metodelor realizării traiectoriilor și deplasarea sculei prin mișcări libere sau de prelucrare. Specificarea variabilelor pentru angajare și retragere, apropiere și depărtare.

Cei care sunt familiarizați cu programarea CNC cunosc deja aceste aspecte.

Un avantaj pe care NX CAM Robotics îl prezintă în schimb este suportul oferit pentru reperele cu forme și suprafețe complexe, diferite strategii de prelucrare și compatibilitatea cu diverse aplicații robotizate.

NX vine pre-configurat pentru brand-uri cunoscute de roboți ca de exemplu: Kuka, Fanuc, ABB, dar și pentru diverse opțiuni de echipare în celulă. Axe externe, fie ca acestea sunt pentru extinderea spațiului de lucru ca o axă de translație la sol sau un sistem peri-robotic cu unul sau mai multe puncte de lucru.

NX are integrate postprocesoare pre-configurate out of the box) pentru controlere de tip: ABB (S4, S4C, S4C+, IrC5). KUKA (KRC 1/2/3 și 4), FANUC (RJ2, RJ3, R30iA, R30iB), și SINUMERIK 840D.

NX CAM POST Configurator, ne permite personalizarea postprocesoarelor existente pentru a îndeplini cerințele aplicațiilor noastre.

Totodată NX se folosește de tehnologii de ultimă generație pentru realizarea task-urilor impuse de clienți.

NX CAM Robotics suporta procese de fabricație adaptivă. De exemplu, atunci când șlefuim un reper, este important să definim forța de șlefuire corectă pentru a o putea ajusta în funcție de cantitatea de material de înlăturat și de gradul de finisare al suprafeței dorite. Prin compararea suprafeței actuale si suprafeței necesare, NX CAM Robotics calculează și setează o forță adaptivă de-a lungul traiectoriei.

• Crearea rapidă și cu ușurință a programelor complexe
• Validarea digitală a proceselor robotizate
• Ușurința de furnizare a rezultatelor gata de utilizare în producție
• Rezolvarea impedimentelor în stagiile primare ale fazelor de planificare ale proceselor de producție
• Regenerarea traiectoriilor la schimbarea reperelor
• Eliminarea pașilor de conversie și reducerea costurilor IT cu o singura platformă
• Setarea propriilor reguli ale roboților pentru a menține flexibilitatea și cunoștințele de fabricație
• Programare simplificată cu automatizarea proceselor pe toate nivelele

Așadar, în urma informațiilor prezentate, ce putem concluziona?
Automatizarea liniilor de producție folosind roboți industriali crește într-un ritm rapid. Astfel trebuie să fim pregătiți pentru a putea deveni lideri de piață. Redistribuirea resurselor de tip roboți industriali este mai facilă iar totalul costurilor de achiziție și mentenanță este considerabil mai mic în comparație cu mașinile unelte.