Manipulator przemysłowy

Manipulator przemysłowy to system robotyczny zaprojektowany do wykonywania zadań, wymagających manipulacji fizycznej. Podnoszenie, przenoszenie czy umieszczanie przedmiotów w różnych środowiskach przemysłowych jest dzięki niemu możliwe bez konieczności bezpośredniego kontaktu ze strony operatora. Jest to więc urządzenie automatyki przemysłowej, służące do ergonomicznego i bezpiecznego przenoszenia dużych ładunków w procesach produkcyjnych. Termin „manipulator” pochodzi od łacińskiego słowa „manus” (ręka) i oznacza „obsługiwać, sterować ręcznie”.

Jak zbudowany jest manipulator przemysłowy?

Manipulator taki składa się zazwyczaj z przegubowego ramienia mechanicznego, które jest na stałe zamontowane w żądanym miejscu i może być sterowane autonomicznie lub zdalnie przez operatora. Ramię manipulatora jest wyposażone w narzędzie końcowe zw. efektorem. Forma narzędzia zależy od jego zastosowania. Może to być chwytak, ręka robotyczna, śrubokręt czy zaawansowane systemy wizyjne lub skanujące.

Manipulator i jego zastosowania

Pierwsze zastosowania manipulatorów dotyczyły głównie przenoszenia materiałów w miejscach trudno dostępnych lub takich, z którymi kontakt byłby niebezpieczny dla ludzi: radioaktywnych, ciężkich, o wysokiej temperaturze czy pod wysokim napięciem itp. Współcześnie manipulator to wynik zaawansowanych technologii, w wyniku których nastąpiła integracja ramienia manipulatora i mobilnej platformy robota. Manipulatory umożliwiają obsługę przedmiotów o różnych kształtach i materiałach na liniach produkcyjnych i montażowych w fabrykach. Są pomocne przy przenoszeniu zarówno lekkich elementów, jak i tych ważących 1000kg. Chronią zdrowie pracowników, zwiększają wydajność produkcji i zapewniają precyzyjne rozmieszczanie m.in. w takich branżach, jak:

motoryzacyjna: na liniach montażowych wszystkie montowane części, takie jak przednie i tylne szyby, drzwi, zderzaki, przednie zespoły zawieszenia, fotele, zespół silnika, skrzynię biegów i koła, tarcze, bębny hamulcowe itp.
obróbka skrawaniem: zdejmowanie surowych, półobrobionych i wykończonych elementów z palet i mocowanie ich do maszyn, a następnie pozycjonowanie ich na uchwytach poprzez obracanie ich pod różnymi kątami i względem różnych osi,
obróbka blach: ładowanie arkuszy na maszyny do cięcia laserowego i dziurkowania, pozycjonowanie, odwracanie i obracanie arkuszy pod różnymi kątami na prasach krawędziowych i prasach, a także podtrzymywanie arkusza podczas gięcia na prasie krawędziowej,
odlewnicza: podnoszenie rdzeni, przenoszenie gorących części wychodzących z odlewu, układanie ich w stosy, ładowanie na maszyny,
pakowanie i logistyka: obsługa i obracanie papieru, folii plastikowej, przędzy, zwojów tkanin, zdejmowaniem szpul kabli z maszyn nawijających, układanie ich na paletach,
elektroniczna: bezkontaktowe przenoszenie baterii,
spożywcza: przenoszenie worków z mąką czy cukrem itp.

Jakie zalety ma manipulator?

Manipulator może zastępować lub wspomagać pracę człowieka. Szczególnie w przypadku ciężkich i powtarzalnych zadań. Może pracować nieprzerwanie z dużą prędkością, a oprócz tego:

zwiększa wydajność siły roboczej i zapewnia oszczędność czasu w procesach produkcyjnych,
minimalizuje ryzyko błędów produkcyjnych, zapewniając kontrolę jakości, pomaga zwiększyć zgodność produktu z normami,
bezpiecznie wykonuje niebezpieczne zadania, co pomaga chronić zdrowie i bezpieczeństwo pracowników, a jednocześnie minimalizuje liczbę wypadków przy pracy,
zmniejsza zapotrzebowanie na siłę roboczą, a praca bez przerw eliminuje dodatkowe koszty, jak choćby wynagrodzenia za nadgodziny,
pozwala na szybkie dostosowanie linii produkcyjnej pod różne produkty i różne procesy produkcyjne,
manipulator jest precyzyjny i wykonuje delikatne operacje z minimalnym marginesem błędu, co poprawia znacznie jakość produktów,
pracuje efektywnie na mniejszych przestrzeniach, lepiej je organizuje co zwiększa efektywność linii produkcyjnej,
umożliwia integrację z procesami transformacji cyfrowej, jak AI, uczenie maszynowe czy IoT (internet rzeczy), a to pozwala firmom uzyskać długoterminową przewagę konkurencyjną,

Prawidłowa integracja manipulatorów optymalizuje więc procesy produkcyjne, jak i staje się również podstawowym krokiem w kierunku osiągnięcia długoterminowego i zrównoważonego sukcesu.

Jak wybrać odpowiedni manipulator?

Zły wybór manipulatora przemysłowego może prowadzić do nieefektywności, zagrożeń dla bezpieczeństwa i dodatkowych kosztów. Jakie są więc kluczowe aspekty, jakie należy wziąć pod uwagę przy wyborze manipulatora, aby zapewnić maksymalne wykorzystanie inwestycji?

Udźwig i rodzaj ładunku – zawsze należy pamiętać o marginesie bezpieczeństwa, jak i o środku ciężkości ładunku, gdyż niezrównoważone lub asymetryczne ładunki wpływają na stabilność i kontrolę manipulatora. Położenie środka ciężkości ładunku ma kluczowe znaczenie dla konstrukcji chwytaka,
Obszar roboczy i zasięg, w którym istotny jest zasięg poziomy, pionowy oraz obszar roboczy. Zasięg poziomy to maksymalna odległość, jaką ramię manipulatora może osiągnąć. Zasięg pionowy, to wysokość, na jaką można unieść ładunek z podłoża. Obszar roboczy to cała trójwymiarowa przestrzeń, do której ma dostęp manipulator. Nie powinien być ograniczony przez otaczające maszyny, ściany ani inne przeszkody,
Konstrukcja chwytaka, czyli „ręki” manipulatora, która musi być specjalnie zaprojektowana do chwytanej części. Ma tu znaczenie geometria, właściwości powierzchni, ale również rodzaje chwytaków (próżniowe, magnetyczne, szczypce, trzpienie rozprężne lub złożone narzędzia zaprojektowane na zamówienie dla konkretnej części,
Opcje montażu, gdyż umiejscowienie manipulatora decyduje o jego elastyczności operacyjnej. Manipulator można zamontować na kolumnie (idealnie do stałych operacji w określonym obszarze), na suficie (oszczędza miejsce na podłodze i zapewnia większą przestrzeń roboczą, ale wymaga odp. konstrukcji sufitu) lub na szynie podwieszanej (poruszanie wzdłuż długiej linii, idealny do linii montażowych,
Mobilność i osie, czyli obrót ładunku, zmiana jego kąta, precyzyjne pozycjonowanie, a to wszystko determinuje liczbę osi, jakie musi posiadać manipulator oraz konstrukcję jego układu pneumatycznego,
Źródło zasilania, gdyż manipulator zwykle działa w oparciu o pneumatykę (sprężone powietrze),
Funkcje bezpieczeństwa, gdyż to jedna z tych rzeczy, która nie podlega negocjacji. Manipulator musi spełniać wszelkie wymogi, wynikające z norm ISO 10218 oraz ISO 13849. Musi posiadać system bezpieczeństwa w postaci zaworów, które zapewniają powolne i kontrolowane opadanie ramienia manipulatora i ładunku, nawet w przypadku nagłej utraty ciśnienia powietrza. Zabezpieczenie przed przeciążeniem, czyli systemy zapobiegające podniesieniu ładunku ponad jego udźwig. Istotnym elementem są też przyciski oburęczne, czyli obwody bezpieczeństwa zapobiegające wypadkom poprzez wymóg użycia obu rąk do chwytania i zwalniania przycisków,
Środowisko operacyjne, które musi być dostosowane do pracy manipulatora,
Konserwacja i serwisowanie łatwe, szybkie i skuteczne,
Ergonomia i łatwość obsługi, gdyż zawsze manipulator jest sterowany przez człowieka.

Międzynarodowe normy dotyczące manipulatorów

Podstawowe standardy bezpieczeństwa określają poniższe normy:

ISO 10218 – wymagania bezpieczeństwa dla systemów robotycznych,
ISO 13849 – systemy sterowania związane z bezpieczeństwem,
Certyfikacja CE – dyrektywa maszynowa Unii Europejskiej,
OSHA – przepisy dotyczące bezpieczeństwa i higieny pracy,
ISO 12100 – ocena ryzyka bezpieczeństwa maszyn.

Różnica między manipulatorem a dźwigiem

Dźwig zapewnia podnoszenie za pomocą liny/łańcucha sterowane przyciskami. Składa się zazwyczaj z haka przymocowanego do końca konstrukcji liniowej lub łańcuchowej oraz zespołu silnika elektrycznego z reduktorem, który napędza tę konstrukcję.

Manipulator z kolei oferuje precyzyjną, bezdrganiową i ergonomiczną obsługę dzięki sztywnemu uchwytowi i technologii zerowego ciężaru. Napęd podnoszenia zwykle opiera się na pneumatycznym mechanizmie równoważącym, a operator ustawia ładunek tak, jakby poruszał go w warunkach zerowej grawitacji.

Jakie zalety ma manipulator w porównaniu z dźwigiem?

Niewątpliwą zaletą jest brak lin i łańcuchów, co zapobiega oscylacjom i niepożądanym gwałtowanym ruchom. Nawet w trakcie podnoszenia, w czasie którego punkt chwytania znajduje się daleko od środka ciężkości, manipulator nie stwarza zagrożenia dla bezpieczeństwa, a ładunek pozostaje w pozycji, w której go pozostawiono w momencie zwolnienia. Kolejną zaletą jest to, że pozwalają operatorowi na precyzyjne pozycjonowanie ładunku. Suwnice wykorzystują napęd silnikowy, który działa w trybie start-stop. Manipulator przenosi ładunek tak, jakby operator robił to ręcznie. Jedyna różnica tkwi w tym, że ciężar materiału spoczywa na manipulatorze, a nie na operatorze. Zaletą są też zastosowane w manipulatorach systemy bezpieczeństwa, jak obwody bezpieczeństwa chroniące środowisko i ludzi przed niepożądanymi, gwałtownymi ruchami operatora, przypadkowym upuszczeniem produktu w powietrze i in.

Wady manipulatorów i rola dźwigów

Pierwszą wadą manipulatora jest udźwig. O ile ten dotyczący dźwigów jest praktycznie nieograniczony, o tyle ergonomia manipulatorów maleje wraz ze wzrostem udźwigu. Dlatego wielu producentów manipulatorów unika produkcji manipulatorów o udźwigu powyżej 1 tony, gdyż produkcja manipulatora o niskiej ergonomii eliminuje większość zalet manipulatora. Dlatego do dużych gabarytów preferowane są dźwigi, a manipulatory poleca się dla ładunków od 50kg do 300kg. Druga wada to to, że do prostych zastosowań lepiej wykorzystać dźwig, tańszy i mniej skomplikowany niż manipulator.