Roboty przemysłowe – czym są maszyny wielozadaniowe i co warto o nich wiedzieć?

Zaawansowane technologie i rozwiązania takie jak przemysłowe roboty i robotyka, które wyróżnia precyzja i wydajność, odgrywają we współczesnym świecie niezwykle istotną rolę nie tylko w produkcji, ale również niemalże we wszystkich gałęziach gospodarki. Wraz z nieustannym udoskonalaniem komputerów, zwiększaniem ich mocy obliczeniowej oraz zakresu realizowanych zadań pojawiło się miejsce dla nowoczesnych robotów przemysłowych, których działanie mogło z powodzeniem zastąpić ludzką pracę. Czym dokładnie są te automatycznie sterowane wielozadaniowe maszyny wykorzystywane przy szeroko pojętych zadaniach w przemyśle czy paletyzacji, jakie pełnią funkcje i czy rzeczywiście ich możliwości są praktycznie nieograniczone?

Czym właściwie jest robot przemysłowy?

Roboty to wielofunkcyjne urządzenie, które wyróżnia wydajność, stworzone z myślą o przenoszeniu materiałów, części lub wyspecjalizowanych narzędzi, poprzez różne zaprogramowane ruchy, w celu wykonywania różnego rodzaju zadań. Według normy ISO ITR 8373 robot przemysłowy stanowi automatycznie sterowaną, wielozadaniową maszynę manipulacyjną o wielu stopniach swobody, która wyróżnia się zdolnościami manipulacyjnymi lub lokomocyjnymi. Może być to zarówno urządzenie mobilne, jak i rozwiązania stacjonarne, dedykowane do ważnych zastosowań w sektorze przemysłowym w tym przy paletyzacji. Innymi słowy, tego rodzaju maszyny są tworzone z myślą o automatycznej manipulacji, a to, co je wyróżnia, to możliwość realizacji programowalnych ruchów według kilku osi robotów. Urządzenia te mogą być wyposażane w specjalne chwytaki, podajniki, taśmociągi lub różne inne narzędzia skonstruowane do wykonywania zadań w przemyśle. Należy jednak pamiętać, że tak jak wszystkie tego typu automatyczne urządzenia, by ich wydajność i precyzja były na wysokim poziomie, muszą one przechodzić regularny serwis.

Kilka słów o historii robotów przemysłowych

Robotyka to stosunkowo nowa, prężnie rozwijająca się na całym świecie dziedzina nauki i techniki, która zajmuje się problemami dotyczącymi mechaniki, sterowania, a także zastosowań oraz eksploatacji wielozadaniowych maszyn przeznaczonych do użytku w branży przemysłowej. Chociaż tego rodzaju urządzenia są utożsamiane przede wszystkim ze współczesnością, to historii robota przemysłowego tak naprawdę można doszukiwać się w IV wieku przed naszą erą. To właśnie wtedy grecki matematyk Archytas z Tarentu zaprojektował mechanicznego gołębia napędzanego parą, który mógł samodzielnie poruszać się w powietrzu. Podobne mechaniczne zabawki i rozwiązania tworzono co kilkadziesiąt lat, aż do czasów współczesności, kiedy to komputery oraz rozwijające się nowe technologie umożliwiły rozwój maszyn i robotów mogących pełnić istotne funkcje w przemyśle.

Pierwszego robota przemysłowego skonstruował amerykański wynalazca George Devol w latach pięćdziesiątych XX wieku. Był to elektryczny wózek bez kierowcy, który szybko zaczął być wykorzystywany w sklepach do przewożenia różnego rodzaju towarów z magazynów. Warto podkreślić, że był to czas, kiedy rozwijała się sztuczna inteligencja, a także zaczął powstawać język programowania. Niecały rok później rozpoczęła się era IBM, istotnego twórcy dziedziny komputeryzacji mającego wpływ na przyspieszenie rozwoju i popularności rozwiązania jakie dziś wykorzystujemy w przemyśle. W latach sześćdziesiątych stworzono pierwszego robota cylindrycznego wykonującego pracę na podstawie wprowadzonych danych, a kolejne lata to coraz dynamiczniej się rozwijająca automatyzacja procesów produkcyjnych i paletyzacji oraz rosnące nimi zainteresowanie jakie wykazywały różne firmy. Wpłynęło to również na działanie urządzeń, które znacznie się poszerzyło.

Z jakich elementów jest zbudowany robot przemysłowy?

Jak już wyżej zaznaczono roboty przemysłowe to automatycznie sterowane wielozadaniowe urządzenia stworzone do realizacji różnych czynności, poprzez zaprogramowane ruchy. Aby maszyny te rzeczywiście mogły być skuteczne, ich montaż musi być wykonany przez profesjonalistów, a same urządzenia muszą składać się z szeregu rozmaitych części. Najważniejsze z nich to takie elementy robotów jak:

• manipulator (jednostka mechaniczna) – to urządzenie mechaniczne, które ma za zadanie poruszać i podnosić efektory końcowe oraz przedmioty procesowane (opisane poniżej). Manipulator robota najczęściej jest zbudowany z podstawy, ramion oraz nadgarstka, które są ze sobą połączone w sposób przegubowy lub liniowy,
• efektor końcowy – to narzędzie lub urządzenie, które jest mocowane do nadgarstka robota przemysłowego. Wyróżnia się dwa główne typy efektora końcowego – chwytak (służący do chwytania elementów w celu ich przemieszczenia) oraz efektor reprezentujący urządzenie realizujące różnego rodzaju procesy technologiczne (podajnik, taśmociągi, przenośnik taśmowy itp.),
• nadgarstek – to element, który umożliwia robotowi obracanie efektorem końcowym,
• przedmiot procesowany – część lub rzecz, która jest przemieszczana przez efektor końcowy w trakcie realizacji operacji technologicznej,
• pulpit sterowniczy – to zazwyczaj mobilna skrzynka wypełniona przełącznikami elektrycznymi, która pozwala operatorowi na przemieszczanie robota do konkretnych punktów,
• sygnały wejściowe i wyjściowe – sygnały elektroniczne złożone z danych, dzięki którym robot przemysłowy może komunikować się z otoczeniem – mogą to być sygnały analogowe, cyfrowe lub szeregowe,
• sterownik – oprzyrządowanie komputerowe i elektryczne, które umożliwia sterowanie ruchem oraz dostarcza przyłączy, aby urządzenie do automatyzacji procesu produkcyjnego mogło komunikować się z innymi maszynami.

Jakimi cechami charakteryzują się roboty przemysłowe?

Najważniejsze cechy mechaniczne robotów przemysłowych, dzięki którym wykorzystuje je coraz więcej firm i są one coraz bardziej liczącymi się maszynami w wielu sektorach przemysłu to:

• niezawodność – to jedna z bardziej istotnych cech tych nowoczesnych, automatycznie sterowanych maszyn wielozadaniowych – od niezawodności robota zależy niekiedy wstrzymanie pracy całego zakładu,
• powtarzalność – to nic innego, jak miara dokładności powracania urządzenia do wyuczonego punktu – cecha ta ma istotne znaczenie w szczególności w sytuacjach, w których przewidziano małe tolerancje,
• sterowanie ruchem – to cecha będąca kombinacją sterowania ścieżką oraz prędkością – obsługa ma kluczowy wpływ na jakość procesów technologicznych realizowanych przez robota,
• dokładność – to miara błędu uzyskania przez maszynę określonego punktu w przestrzeni roboczej,
• udźwig użyteczny – to cecha mająca na celu doprecyzowanie obciążalności urządzenia – dokładny udźwig jest obliczany na podstawie ciężaru oraz momentu bezładności ładunku, którym maszyna manipuluje,
• przestrzeń robocza – czyli objętość, w której w wyznaczonym okresie może znaleźć się nadgarstek robota – powinna mieć wystarczającą powierzchnię, aby urządzenie mogło dosięgać niezbędnych punktów – przestrzeń zbyt dużą można ograniczyć, poprzez zastosowanie odpowiednich ograniczników sprzętowych lub programowalnych,
• liczba osi – to jeszcze jedna ważna cecha, która musi zostać spełniona, aby urządzenie z zakresu robotyki mogło spełniać swoje funkcje – liczba osi wynika głównie z pożądanej orientacji efektora, konfiguracji maszyny, a także tego, w jaki sposób robot ulega odkształceniom w zależności od położenia oraz obciążenia. 

Podstawowe klasy robotów przemysłowych

Na chwilę obecną wyróżnia się cztery podstawowe klasy robotów przemysłowych:

• urządzenia sekwencyjne – to nic innego, jak maszyny, które wyróżniają się sekwencyjnym układem sterowania,
• maszyny realizujące zadaną trajektorię –  to z kolei roboty, które wykonują ściśle sprecyzowaną procedurę sterowanych ruchów w instrukcji, a także żądaną prędkość w danym położeniu,
• urządzenia adaptacyjne – to roboty, które zostały wyposażone w sensoryczny, adaptacyjny lub uczący się układ sterowania – mogą to być np. układy o możliwościach zmiany własności drogą wykorzystania nagromadzonych doświadczeń,
• teleoperatory – urządzenia ze sterowaniem zdalnym – najczęściej przez operatora lub komputer.

Roboty przemysłowe – najważniejsze zastosowanie

Na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych, kiedy robotyka raczkowała, konstruowano pierwsze roboty przemysłowe, których działanie było dość ograniczone, a ich montaż i prawidłowa konfiguracja stanowiły nie lada wyzwanie, z całą pewnością nie przypuszczano, że zastosowanie tego typu maszyn będzie w przyszłości tak szerokie. Na chwilę obecną, na całym świecie te rozwiązania obejmujące wielofunkcyjne urządzenia doskonale sprawdzają się, chociażby przy realizacji takich czynności, jak spawanie łukowe, zgrzewanie punktowe, klejenie, gratowanie, polerowanie, pokrywanie przedmiotów warstwami ochronnymi czy pakowanie. Coraz bardziej powszechne jest także wykorzystywanie robotów jako praktycznych oraz łatwych w obsłudze paletyzatorów. Ponadto maszyny te znajdują zastosowanie do obsługi różnego rodzaju urządzeń specjalistycznych i gniazd technologicznych.

W niepamięć odeszły już czasy, kiedy roboty przemysłowe i im podobne rozwiązania były wykorzystywane wyłącznie do prostych czynności, a ich obsługa była niezwykle skomplikowana. Dzięki temu, że mają one przegubowe połączenia, a także dzięki dodatkowym elementom wyposażenia takim jak chociażby przenośnik taśmowy, laser skanujący, czujnik czy system wizyjny, mogą uczestniczyć w realizacji coraz bardziej skomplikowanych, złożonych i czasochłonnych procesów. Co więcej, na przestrzeni lat można też zauważyć wyraźną zmianę w odniesieniu do skali produkcji. Jeszcze kilkanaście lat temu urządzenia te znajdowały zastosowanie przede wszystkim w zakładach specjalizujących się w produkcji masowej. Obecnie natomiast maszyn z zakresu robotyki, w zależności od ich budowy i możliwości ruchów coraz częściej używa się w produkcji małoseryjnej, zindywidualizowanej, a nawet jednostkowej.

Można się spodziewać, że w ciągu najbliższych kilkunastu-kilkudziesięciu lat te automatycznie sterowane wielozadaniowe urządzenia znajdą zastosowanie praktycznie w każdej dziedzinie gospodarki, a ich obsługa będzie stawała się coraz przystępniejsza. Największą zaletą robotów, bez względu na klasę, do której się zaliczają, jest przede wszystkim ich precyzja. To właśnie dlatego mogą one wykonywać szereg różnego rodzaju zadań, i to nie tylko w zakładach produkcyjnych. Dzięki temu, że mogą posiadać nowatorskie czujniki, mogą być wykorzystywane w określaniu siły nacisku, mierzeniu temperatury, a nawet do wykrywania promieniowania czy określonych substancji chemicznych.

Przemysłowe roboty kartezjańskie

Maszyny te są dość popularnym i stosunkowo niedrogim rozwiązaniem wykorzystywanym w przemyśle. Roboty kartezjańskie skonstuowane są do wykonywania wielowymiarowych ruchów i z reguły służą na linii produkcyjnej do przenoszenia różnych materiałów, sortowania, skanowania i pakowania.

Przemysłowe roboty SCARA

Ten rodzaj maszyn wyróżnia się wysoką funkcjonalnością i korzystnymi cenami. Roboty SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) wyróżniają kompaktowe konstrukcje, precyzja, przegubowe ruchy, powtarzalność i duża maksymalna prędkość wykonywania ruchów w jednej płaszczyźnie na niedużej przestrzeni oraz niezawodność.

Co robot może zrobić lepiej?

Wraz z dynamicznym rozwojem technologii roboty i im podobne rozwiązania są coraz częściej wykorzystywane do realizacji prac monotonnych, uciążliwych czy nawet niebezpiecznych dla człowieka. Tego typu maszyny doskonale sprawdzają się w wielu gałęziach przemysłu – znakomicie realizują powierzone im zadania w szczególności tam, gdzie liczy się precyzja, niezawodność oraz powtarzalność. Urządzenia te mogą być wykorzystywane, chociażby jako paletyzatory lub depaletyzatory, ale to oczywiście nie są jedyne zadania, które mogą wykonać lepiej od człowieka.

Obecnie w wielu zakładach wytwórczych można zetknąć się z zaawansowanymi technologicznie maszynami wyposażonymi w taśmociągi, które stają się niezbędnym elementem linii produkcyjnych. Takie urządzenia mogą odciążać pracowników fabryki ciast, huty itp. Oprócz zadań szybkich, wymagających powtarzalnych ruchów przegubowych (punkt-punkt), tak jak wykonuje to paletyzator czy depaletyzator, doskonale sprawdzają się również w sytuacjach, kiedy konieczne jest zapewnienie stałego przyspieszenia w ruchu i obsługa wzdłuż określonej ścieżki. Z tego względu robota można też wykorzystać do realizacji czynności, w których wymaga się precyzyjnego nanoszenia kleju, uszczelniania itd.

Bezpieczna praca z robotem – o czym pamiętać?

Wszystkie roboty przemysłowe, czy to wyposażone w przenośniki taśmowe, czy w jakiekolwiek inne dodatkowe narzędzia, stanowią dla człowieka bezpośrednie zagrożenie zarówno w trakcie ich programowania, montażu, gdy wykonujemy serwis jak i podczas pracy. Aby obniżyć prawdopodobieństwo doznania urazy ze strony maszyn, warto przestrzegać kilku poniższych wskazówek, które sprawią, że obsługa będzie bezpieczna:

• w sytuacji, gdy pracownicy znajdują się w pobliżu robotów, również w czasie ich napraw i konserwacji, należy zmniejszyć prędkość urządzenia do bezpiecznej wartości,
• programowanie maszyny należy przeprowadzać zawsze w zespole składającym się z minimum dwóch osób, w tym jedna powinna być przygotowana do zatrzymania urządzenia,
• przed przystąpieniem do konserwacji lub naprawy należy wcześniej upewnić się, że zasilanie zostało odłączone.

Podsumowanie

Uniwersalne maszyny wielofunkcyjne – roboty przemysłowe stanowią urządzenia, które są tworzone przede wszystkim do automatyzacji procesów produkcyjnych i paletyzacji. Dzięki nim możliwe jest zoptymalizowanie, chociażby zadań uciążliwych lub trudnych do wykonania przez człowieka. Doskonale spełniają swoją funkcję wszędzie tam, gdzie istnieje zagrożenie dla życia lub zdrowia ludzkiego. Zadania realizowane przez tego typu urządzenia pozwalają na zwiększenie wydajności pracy, oszczędność materiałową i energetyczną, a także mają duży wpływ na podwyższenie jakości oferowanych produktów. Na chwilę obecną wykorzystuje się je w wielu obszarach, a najpoważniejszymi odbiorcami robotów przemysłowych są takie dziedziny jak leśnictwo, rolnictwo oraz sadownictwo, ale maszyny te coraz bardziej liczą się także w górnictwie, hutnictwie oraz metalurgii. Dostęp do urządzeń o wysokiej precyzji ruchu powinny sobie zapewnić przedsiębiorstwa i firmy chcące postawić na rozwój i poprawę w zakresie jakości, precyzji i szybkości produkcji i innych procesów. Jedynym prawidłowym wyborem będzie tu robotyka, która gwarantuje niezawodne działanie, wydajność, duże możliwości adaptacyjne oraz stosowanie w szerokim zakresie przemysłu. Oczywiście gwarancją sukcesu jest wybór sprawdzonych rozwiązań, profesjonalny montaż, regularny serwis i odpowiednio przeszkolona obsługa.