Roboty i automatyzacja w procesach obróbki CNC

Przemysł wytwórczy, czyli również szeroko rozumiana obróbka metali, jak i obróbka CNC nieustannie się rozwijają. Nowe techniki i technologie, o których wcześniej nawet nie marzyliśmy wchodzą szturmem do procesów produkcyjnych, ułatwiając tym samym ich przebieg. Systemy robotów CNC są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym i FMCG (szybko zbywalnych dóbr konsumpcyjnych) ze względu na wzrost produktywności, jaki zapewniają. Kiedyś drogie i dostępne dla nielicznych roboty stają się coraz bardziej przystępne, gdyż coraz więcej producentów wprowadza je do swojej oferty. Również sprzedając je w komplecie ze swoimi maszynami CNC, a nawet łącząc je z programami dotacyjnymi. Takie działania znacznie ułatwiają i skracają przebieg zakupu robota i kompatybilnej z nim maszyny CNC.

Jak można połączyć pracę maszyn CNC i robota?

Obsługa maszyny CNC to szereg zaplanowanych i wykonywanych w określonej kolejności czynności, które operator wykonuje z reguły automatycznie. Oznacza to, że pracownik musi być obecny w trakcie całego cyklu produkcyjnego. W przypadku produkcji wielkoseryjnej czas cyklu ma istotne znaczenie i każdy postój powoduje straty. Jak choćby ten codzienny tracony na zakończenie każdej zmiany pracowników. Roboty obsługujące maszyny CNC nie potrzebują zmian, ani nie zatrzymują się na przerwy. Zyskany czas może znacznie poprawić produktywność i rentowność. Z drugiej strony roboty mogą odciążyć fizycznie i psychicznie pracowników, którzy są najcenniejszym atutem każdego warsztatu CNC. Praca z robotem może zwiększyć wydajność operatora, który nie musi wykonywać jedynie prostych i powtarzalnych czynności i może zająć się bardziej ambitnymi zadaniami.

Co potrafią roboty w temacie obróbki CNC?

Roboty wykorzystywane do obróbki CNC mogą wykonywać wiele zadań, redukując tym samym obciążenie fizyczne pracowników. Umożliwia to odpowiedni projekt i oprogramowanie robotów, dzięki któremu będą one działały wszechstronnie. Jak może wyglądać prosty cykl pracy robota?

Oto przykładowe polecenia:

zlokalizuj detal w podłożu za pomocą systemu wizyjnego,
złap go i podnieś,
przed załadunkiem maszyny przedmuchaj detal i urządzenie, żeby usunąć wszelkie zanieczyszczenia,
załaduj detal do maszyny w celu cięcia,
po obróbce przedmuchaj część i usuń resztki wiórów,
wyjmij obrobioną część z maszyny,
usuń zadziory z detalu oraz ostre krawędzie,
umyj część ładując i rozładowując ją w myjce,
umieść część w szufladzie.

To tylko bardzo prosty przykład zaplanowany oczywiście w języku kodów zrozumiałych dla robota. Robot może również kontrolować proces produkcyjny w jego trakcie, dokonywać losowych kontroli detali, czy pobierać próbki potrzebne do audytów. Szereg zaplanowanych czynności zależy od możliwości robota i umiejętności jego programisty, który jest tu kluczowym ogniwem.

Jakie funkcje mogą mieć roboty?

Do najważniejszych zalicza się:

podnoszenie detali z określonych miejsc lub po ich wcześniejszym zlokalizowaniu,
obracanie, przesuwanie części, ustawianie na stojaku czy chwytanie,
otwieranie i zamykanie drzwi maszyny, gdyż nie zawsze odbywa się to automatycznie,
załadunek i rozładunek części, gdyż robot potrafi umieścić precyzyjnie materiał w zautomatyzowanym imadle wewnątrz maszyny CNC, a następnie po obróbce gotową część usunąć z imadła, choć działa to najlepiej przy prostym mocowaniu,
zdmuchiwanie wiórów i chłodziwa z części i osprzętu,
gratowanie zadziorów i ostrych krawędzi, które pozostały po obróbce lub polerowanie powierzchni po obróbce, roboty są w tym znacznie bardziej precyzyjne niż człowiek,
kontrola jakości elementów i odrzucanie wadliwych,
wymianę narzędzi,
znakowanie części i ich weryfikacja poprzez czytnik,
pakowanie części, zarządzanie materiałami do pakowania, umieszczanie podkładek między warstwami czy przegród w przypadku większych części,
„kolejkowanie”, czyli ustawianie w kolejce elementów na poszczególnych etapach produkcji.

Skąd roboty wiedzą co mają robić?

Poprzez programowanie komputerowe uczy się roboty poszczególnych czynności, jakie będą wykonywać. Są one wprowadzane do ich pamięci w postaci sekwencji punktów, poleceń i funkcji. Operator CNC porusza ramieniem robota podczas operacji, ucząc go w ten sposób umejscowienia kluczowych punktów, a następnie robot powtarza te ruchy już samodzielnie i nieprzerwanie. Operacje mogą aktualizować na dalszym etapie już roboty, aby dostosować się do wszelkich zachodzących w trakcie procesu zmian i problemów, bez polegania na operatorze maszyny CNC.

Największym wyzwaniem jest jednak skonfigurowanie całkowicie nowej komórki produkcyjnej robotów, co wymaga specjalistycznej wiedzy z zakresu logiki, wielu funkcji i podfunkcji, wejścia i wyjścia, śledzenia i manipulowania częściami oraz dużego doświadczenia inżynieryjnego i specjalistycznej z zakresu programowania. Wszystkie te prace sprawiają, że początkowy koszt wdrożenia robotyki obróbczej jest dość wysoki. Koszt robota, projekt front-endu, wybór odpowiednich chwytaków, zaprogramowanie robota, określenie sposobu jego działania itd.

Co warto wziąć pod uwagę przed zakupem robota?

Najważniejsze jest oczywiście utrzymanie konkurencyjności na rynku. Warto przemyśleć co będzie pomocne do osiągnięcia tego celu. Czy obniżenie kosztów produkcji, a może zwiększenie produktywności? Czy etap, na jakim znajduje się firma wymaga zatrudnienia dodatkowych pracowników, czy może lepiej zainwestować w robota, a dotychczasową kadrę przeszkolić pod kątem programowania maszyn i wdrożyć w inne bardziej skomplikowane obowiązki? Warto mieć na uwadze, że im lepiej wyszkolona kadra pod kątem robotyki, tym roboty będą lepiej i efektywniej wykorzystywane w codziennej pracy warsztatu, a dostawca robota będzie wykorzystywany jedynie do rozwiązywania problemów związanych bezpośrednio z urządzeniem. Zaoszczędzi to czas i niepotrzebne koszty programistów. Należy też pamiętać, że konfiguracja systemu zajmuje od 3 do 6 miesięcy, a do tego skuteczne przeszkolenie pracowników również wymaga czasu.

Posiadanie robota w komórce roboczej zapewni operatorowi elastyczność, gdyż robot utrzyma sprzęt w ruchu przez wiele cykli maszynowych, co nie byłoby możliwe w przypadku pracy operatora. Roboty ułatwiają pracę operatora, co poprawia znacznie elastyczność planowania procesu produkcyjnego, jak i zapobiega wypaleniu zawodowemu operatora. Zarówno maszyny CNC, jak i roboty wymagają obsługi wykwalifikowanych operatorów i programistów. Nawet z wykorzystaniem AI urządzenia te nie potrafią myśleć kreatywnie, ani rozwiązywać problemów samodzielnie. Tak więc, mimo że robotyka CNC jest niezwykle produktywna, to nadal wymaga kontroli człowieka.

Z jakich typowych komponentów składają się roboty?

Roboty CNC nie mają zbyt skomplikowanej budowy, a do głównych części zalicza się:

Ramię robota, które jest jego charakterystycznym elementem. Jeśli weźmie się pod uwagę bezpieczniejsze w obsłudze roboty towarzyszące (coboty), to ich ramię jest wyposażone w specjalne czujniki wykrywające obecność człowieka. Przy doborze cobota należy wziąć pod uwagę oczekiwaną ładowność, zasięg ramienia, precyzję powtarzania czynności oraz stopnie swobody dostępne w ramieniu robota,
Chwytak, który służy do chwytania surowca i gotowej części. Dostępne są różne konstrukcje chwytaków, ale najlepiej dobrać je w taki sposób, aby uwzględnić obecną i potencjalną geometrię części. Przy wyborze chwytaka ważne jest, aby dobrać skok palców, siłę chwytu i liczbę dostępnych mechanizmów. Konfiguracje z wieloma chwytakami znacznie skracają czas cyklu, gdyż robot może podnieść surowiec jednym chwytakiem, otworzyć maszynę, usunąć wcześniej wykończoną część drugim i umieścić więcej surowca w maszynie. Dzięki temu ramię może wykonywać zarówno operacje rozładowania, jak i załadunku w jednym ruchu,
System wizyjny, który może być oparty wyłącznie na wizji lub może zawierać systemy skanowania 3D, aby dokładniej określić kształt obsługiwanej części. Systemy wizyjne zapewniają robotowi większą elastyczność. Na przykład, gdy surowiec jest dostarczany w niezorganizowanym pojemniku, a system wizyjny może skanować zawartość pojemnika i wybierać najlepszy sposób zbierania surowca. Eliminuje to konieczność ładowania przez ludzi ustrukturyzowanego systemu tacek i ostatecznie obniża koszt na detal.

Zalety robotyki CNC w obsłudze maszyn

Warto podkreślić te najważniejsze:

Skrócone czasy cykli, dzięki temu że proces produkcji może być w pełni zautomatyzowany i zoptymalizowany, można zminimalizować czas między operacjami załadunku i rozładunku,
Praca z ograniczonym oświetleniem, gdyż części są produkowane przy minimalnym oświetleniu, co nie byłoby możliwe ani wskazane w przypadku pracowników tradycyjnych. Maszyny generują zysk, a pracownicy w tym czasie śpią,
Przewidywalne czasy realizacji, gdyż w przypadku określenia wydajności robota nie ma raczej możliwości nie zrealizowania przez niego planu, o ile nie ma sytuacji awaryjnej jak np. brak prądu, czy niewystarczający zapas surowca,
Lepsze wykorzystanie pracowników, gdyż w trakcie pracy robota pracownicy mogą wykonywać inne zadania, programować maszyny, prowadzić prace kontrolne, czy optymalizować przepływ pracy,
Maksymalizacja wykorzystania narzędzi maszynowych, gdyż maszyna musi się szybko zwrócić i zacząć przynosić opłacalne zyski. Roboty CNC pozwalają zmaksymalizować wykorzystanie maszyn, dzięki czemu sprzęt ma jak najmniej przestojów. Do tego robot może obsługiwać dwie maszyny, co sprawia że jest jeszcze bardziej wydajny i opłacalny.

Wady, jakie charakteryzują roboty w obsłudze maszyn CNC

Najlepiej zapoznać się z nimi i je rozważyć przed zakupem robota:

Wysokie koszty wstępne, które są nadal zaporowe dla wielu firm,
Integracja z maszyną CNC, która może być trudna choćby przez niekompatybilne protokoły komunikacyjne, których obsługa wymaga niestandardowego programowania,
Trudna optymalizacja systemów, która nadal stanowi wyzwanie a jednocześnie powoduje, że awarie są kosztowne,
Bezpieczeństwo, które w przypadku cobotów jest znikome, w przypadku tradycyjnych robotów musi nadal być kontrolowane. Duże systemy robotyczne wymagają zamknięcia i oddzielenia od załogi, w celu uniknięcia niebezpiecznych sytuacji,
Ograniczenia, które wynikają z tego że roboty CNC sprawdzają się w powtarzalnych zadaniach, ale są mniej skuteczne w operacjach, w których proces produkcyjny charakteryzuje się zmiennością. W takich sytuacjach tańsze może być użycie operatora ludzkiego do ładowania materiału i usuwania gotowych części.