Budowa stanowisk zrobotyzowanych

Czym jest stanowisko zrobotyzowane?

Stanowisko zrobotyzowane to zespół urządzeń zbudowany wokół robota przemysłowego, wykonujący określoną operację produkcyjną lub logistyczną bez udziału operatora. Składa się z samego robota, sterownika PLC, ogrodzenia bezpieczeństwa oraz - opcjonalnie - systemu wizyjnego rozpoznającego pozycję lub typ obrabianego elementu. Robot to tylko jeden z tych elementów: stanowisko obejmuje też całe jego otoczenie, czyli osprzęt, zabezpieczenia i sterowanie nadrzędne. Zakup samego robota bez zaprojektowanego wokół niego stanowiska nie daje gotowej aplikacji produkcyjnej, bo brakuje integracji z osprzętem i zabezpieczeniami. Od zwykłej maszyny automatycznej odróżnia je liczba osi ruchu robota oraz możliwość zaprogramowania kilku różnych operacji w ramach jednej trajektorii.

SAR System pełni rolę integratora robotycznego: dobiera komponenty, integruje je fizycznie i programuje całe stanowisko jako spójny system. To co innego niż bycie producentem robota - integrator łączy komponenty od różnych dostawców w jeden system dopasowany do konkretnego procesu klienta. Typowe zastosowania takich stanowisk to paletyzacja, pakowanie, montaż podzespołów oraz obsługa maszyn w ramach zrobotyzowanej linii produkcyjnej.

Praca robota podlega zasadom bezpieczeństwa maszyn, dlatego stanowisko projektujemy zawsze razem z oceną ryzyka, nie dobudowujemy jej później. Wielu klientów zgłasza się z pomysłem na robotyzację konkretnej czynności, jeszcze bez sprecyzowanych wymagań co do marki robota czy typu osprzętu - to ustalamy wspólnie na etapie analizy potrzeb.

Projektowanie i budowa stanowisk zrobotyzowanych

Budowa stanowiska przebiega w czterech etapach: analizie potrzeb, budowie strefy bezpieczeństwa, programowaniu robota oraz odbiorze końcowym. Każdy z nich wymaga innej specjalizacji, dlatego zespół integratora łączy kompetencje mechaniczne, elektryczne, programistyczne oraz wiedzę z zakresu bezpieczeństwa maszyn. Kolejność nie zawsze jest w pełni liniowa - programowanie robota rozpoczyna się niekiedy równolegle z budową ogrodzenia, jeśli konfiguracja robota jest już znana z etapu analizy potrzeb.

Analiza potrzeb i dobór robota

Analiza potrzeb rozpoczyna się od opisu procesu klienta: rodzaju przenoszonego lub obrabianego elementu, wymaganego tempa pracy oraz dostępnej przestrzeni na stanowisku. Na tej podstawie dobieramy udźwig robota, zasięg ramienia i liczbę osi - przewymiarowany robot to niepotrzebnie wyższy koszt inwestycji. Przy stanowiskach paletyzujących kluczowym parametrem jest udźwig robota przy pełnym wysięgu ramienia, bo paleta z ładunkiem podnoszona jest zwykle na końcu trajektorii ruchu.

Wybór marki robota - ABB, KUKA czy FANUC - zależy od dostępności serwisu, kompatybilności z istniejącą automatyką klienta oraz specyfiki konkretnej operacji. Roboty ABB i KUKA spotykamy najczęściej w stanowiskach paletyzujących i montażowych, natomiast FANUC szeroko sprawdza się w aplikacjach spawalniczych i przy obsłudze maszyn. Analizujemy też dostępną przestrzeń wokół stanowiska, bo zasięg ramienia robota musi mieścić się w granicach hali bez kolizji z sąsiednimi maszynami.

Budowa ogrodzenia i strefy bezpieczeństwa

Strefa bezpieczeństwa obejmuje ogrodzenie fizyczne, kurtyny świetlne oraz wyłączniki awaryjne rozmieszczone w punktach dostępu do strefy pracy robota. Jej wielkość wynika z zasięgu ramienia robota oraz jego maksymalnej prędkości ruchu, nie z arbitralnie przyjętej odległości od maszyny, dlatego ogrodzenie i zabezpieczenia projektujemy równolegle z doborem robota. Kurtyny świetlne stosuje się zwykle w punktach, gdzie operator musi mieć częsty dostęp do strefy roboczej, na przykład przy uzupełnianiu materiału wejściowego, a wyłączniki awaryjne rozmieszczamy tak, by zapewnić szybki dostęp z każdego miejsca obsługi stanowiska, nie tylko przy głównym wejściu.

Dla stanowisk współpracujących z operatorem bez pełnego ogrodzenia stosujemy dodatkowo skanery obszaru, które spowalniają lub zatrzymują robota przy wykryciu osoby w strefie ograniczonej prędkości.

Programowanie i uruchomienie robota

Programowanie robota obejmuje zapisanie trajektorii ruchu, punktów bazowych oraz logiki współpracy z osprzętem: chwytakiem, przenośnikiem czy systemem wizyjnym. Uwzględnia też scenariusze błędów, takie jak brak elementu na wejściu lub kolizja z nieprzewidzianą przeszkodą, z określoną reakcją robota na każdy z nich. Przy stanowiskach z systemem wizyjnym dochodzi jeszcze kalibracja kamery względem układu współrzędnych robota - system wizyjny pozwala robotowi rozpoznać pozycję lub orientację elementu, który nie zawsze trafia na stanowisko w dokładnie tym samym miejscu, na przykład z powodu luzu na przenośniku.

Uruchomienie stanowiska przebiega etapami: najpierw testy ruchu robota bez obciążenia, potem testy z rzeczywistym elementem w kilku wariantach obciążenia (zachowanie robota różni się nieznacznie między minimalnym a maksymalnym ciężarem ładunku), a na końcu test pełnego cyklu pracy i jego powtarzalności - ten sam ruch wykonywany wielokrotnie kończy się zawsze w tej samej pozycji, bez narastającego odchylenia.

Odbiór i certyfikacja stanowiska

Odbiór obejmuje test pełnego cyklu pracy oraz weryfikację działania wszystkich zabezpieczeń przed przekazaniem urządzenia do eksploatacji. Certyfikacja potwierdza zgodność z wymaganiami bezpieczeństwa maszyn, w tym poprawność doboru i działania ogrodzenia, kurtyn świetlnych i wyłączników awaryjnych, a protokół podpisany przez klienta stanowi potem punkt odniesienia przy naprawach lub modyfikacjach stanowiska.

Dokumentacja przekazywana klientowi obejmuje ocenę ryzyka stanowiska, instrukcję obsługi oraz schemat elektryczny szafy sterowniczej robota. Klient otrzymuje też krótkie szkolenie operatorskie, obejmujące podstawową obsługę panelu HMI oraz procedurę postępowania w przypadku zatrzymania awaryjnego.

Robotyzacja paletyzacji - najczęstsze zastosowanie

Robotyzacja paletyzacji to jedno z najczęstszych zastosowań stanowisk zrobotyzowanych, szczególnie w przemyśle spożywczym i logistyce. Stanowisko do paletyzacji przejmuje ustawianie kartonów, worków lub skrzynek na palecie według zaprogramowanego wzoru układania, zastępując pracę ręczną przy tej powtarzalnej czynności. Wzór układania programujemy indywidualnie dla każdego typu opakowania, z uwzględnieniem stabilności całego stosu podczas dalszego transportu.

W porównaniu z paletyzacją ręczną robot utrzymuje stałe tempo pracy niezależnie od pory zmiany czy zmęczenia operatora, co ułatwia też planowanie przepustowości całego procesu logistycznego - czas paletyzacji jednej jednostki się nie zmienia. Zaprogramowany wzór powtarza się identycznie przy każdej kolejnej palecie, więc ogranicza się też liczba błędów układania, a robot przejmuje powtarzalne podnoszenie ciężkich ładunków, odciążając pracowników fizycznie.

Stanowisko paletyzujące integruje się zwykle z przenośnikiem dostarczającym opakowania oraz z odcinkiem transportu odbierającym gotową, zapaletyzowaną jednostkę. Integracja z owijarką paletową umieszczoną bezpośrednio za stanowiskiem pozwala zabezpieczyć ładunek folią bez dodatkowego przenoszenia palety przez operatora.

Zrobotyzowane linie produkcyjne

Zrobotyzowane linie produkcyjne łączą kilka stanowisk zrobotyzowanych w jeden ciągły proces, zsynchronizowany wspólnym sterowaniem nadrzędnym. Poszczególne roboty przejmują kolejne etapy procesu, na przykład montaż, kontrolę jakości i pakowanie, połączone odcinkami transportu wewnętrznego. Sterowanie nadrzędne koordynuje pracę wielu robotów jednocześnie, przydzielając zadania i monitorując status każdego stanowiska w czasie rzeczywistym.

Integracja stanowiska z resztą linii wymaga synchronizacji cyklu pracy robota z tempem sąsiednich odcinków, żeby uniknąć gromadzenia się elementów w strefach buforowych - zbyt wolny cykl względem reszty linii tworzy wąskie gardło ograniczające całkowitą wydajność procesu, nawet gdy pozostałe odcinki pracują z pełną wydajnością. Awaria pojedynczego robota zatrzymuje zwykle tylko jego etap, o ile linia została zaprojektowana ze strefami buforowymi ograniczającymi wpływ przestoju na sąsiednie stanowiska. Budowę systemu transportu łączącego poszczególne stanowiska opisujemy szerzej na stronie systemów HMI i SCADA, wykorzystywanych do nadzoru nad całym procesem.

Bezpieczeństwo stanowisk zrobotyzowanych - normy i certyfikaty

Bezpieczeństwo stanowiska opiera się na ocenie ryzyka, która identyfikuje zagrożenia związane z pracą robota i dobiera odpowiednie środki zabezpieczające. Uwzględnia zasięg i prędkość ramienia robota, rodzaj przenoszonego ładunku oraz częstotliwość dostępu operatora do strefy roboczej - stanowisko odwiedzane rzadko wymaga innego rozwiązania niż to, do którego operator podchodzi wielokrotnie w ciągu zmiany. Powtarzamy ją po każdej istotnej zmianie konfiguracji, na przykład wymianie chwytaka lub zmianie prędkości pracy robota. To dostosowanie zabezpieczeń do zasięgu i prędkości konkretnego robota, nie do uniwersalnego szablonu, odróżnia rzetelną certyfikację od formalnego spełnienia minimum wymagań. Pełny zakres audytu bezpieczeństwa i oceny ryzyka maszyn, wykorzystywany również przy stanowiskach zrobotyzowanych, opisujemy na stronie audytu bezpieczeństwa i oceny ryzyka maszyn.

Szafa sterownicza stanowiska, odpowiedzialna między innymi za obsługę wyłączników awaryjnych, budowana jest zgodnie z zasadami opisanymi na stronie budowy szaf sterowniczych i rozdzielnic. Dokumentację bezpieczeństwa przechowujemy razem z pozostałą dokumentacją techniczną, co ułatwia kontrole wewnętrzne, ewentualne audyty zewnętrzne i wprowadzanie nowych operatorów do obsługi stanowiska - instrukcja opisuje zarówno normalną pracę, jak i procedury na wypadek awarii.

Realizacje - stanowiska zrobotyzowane SAR System

SAR System realizował stanowiska do paletyzacji w przemyśle spożywczym, gdzie wymagania sanitarne wpływały na dobór materiałów obudowy i osprzętu robota. Doświadczenie w robotach marek ABB, KUKA i FANUC pozwala nam dobrać markę odpowiednią do konkretnej aplikacji, zamiast ograniczać ofertę do jednego producenta, a powtarzające się realizacje stanowisk paletyzujących pozwoliły zbudować bazę sprawdzonych wzorów układania palet dla typowych opakowań spotykanych w tej branży.

Sporo realizacji dotyczyło integracji robotów z istniejącymi liniami produkcyjnymi, gdzie nowe stanowisko musiało zsynchronizować się z tempem pracy już działających odcinków, a punkty podawania i odbioru materiału trzeba było dostosować do fizycznego rozstawienia maszyn zastanego na miejscu w hali. W zakładach z kilkoma stanowiskami pracującymi równolegle budowaliśmy też wspólny system nadzoru pokazujący status wszystkich robotów na jednym panelu, dzięki czemu operator szybko lokalizuje stanowisko wymagające interwencji bez obchodzenia całej hali. W obiektach z rosnącym wolumenem zamówień rozbudowywaliśmy pojedyncze stanowisko paletyzujące o drugi robot pracujący równolegle przy tej samej linii wyjściowej, a przy starszych instalacjach modernizowaliśmy sterownik lub osprzęt, wydłużając żywotność istniejącego robota bez konieczności jego wymiany.

Wdrożenia realizowaliśmy zarówno w nowo budowanych halach, jak i w istniejących zakładach, gdzie stanowisko zrobotyzowane wstawiane było w miejsce dotychczasowej pracy ręcznej. Taka zmiana wymaga zwykle dodatkowej analizy logistycznej dostarczania materiału, bo tempo pracy robota różni się od tempa dotychczasowej obsługi ręcznej - zbyt wolne dostarczanie materiału ogranicza korzyść z robotyzacji, bo robot czeka wtedy na kolejny element zamiast pracować w pełnym, zaprojektowanym tempie. Uruchomione stanowisko obejmujemy zwykle wsparciem serwisowym 24/7 i inżynierskim, dzięki czemu awaria pojedynczego robota nie zatrzymuje całej linii na dłużej niż to konieczne.