Robotteknik i dagens fordonstillverkning

Industrirobotar är viktiga för modern tillverkning - de utför ett stort antal funktioner samtidigt som de samordnar uppgifter med andra former av automatisering. Faktum är att bilindustrin, som omsätter en biljon dollar, var den första industrin som hade möjlighet att använda robotteknik i stor skala ... och även utveckla den teknik som är kopplad till robotteknik. Det är inte så konstigt, eftersom bilar är mycket sofistikerade produkter med ett högt pris som kan motivera investeringar i anläggningar som kanske inte ger avkastning på investeringen på flera år. Idag används robotteknik på de allra flesta anläggningarna för biltillverkning. Det är bara de senaste två decennierna som förpackningsindustri, halvledartillverkning och det relativt nya området automatiserad lagerhållning har påskyndat införandet av robotteknik så att de kan konkurrera med bilindustrin.

Figur 1: Fordonsindustrin har, kanske mer än någon annan, drivit utvecklingen av robotteknik framåt. (Bildkälla: Getty Images)

Inuti robotarna och i kompletterande utrustning för industriell automatisering finns elmotorer, hydraulik och pneumatik, drivenheter, styrningar, hårdvara för nätverk, gränssnitt mellan människa och maskin, programvarusystem samt komponenter för avkänning, återkoppling och säkerhet. Beståndsdelarna ger effektivitet genom att utföra förprogrammerade rutiner som lätt kan anpassas till förändrade förutsättningar i realtid. I allt högre grad förväntas det att arbetsceller med robotteknik kan konfigureras om för att producera nya fordonsmodeller ... eftersom konsumenternas preferenser utvecklas snabbare än någonsin.

Förtydligande av den terminologi som används för automation och robotteknik.

I Oxford English Dictionary definieras robotar som "maskiner som automatiskt kan utföra komplicerade rörelsemönster, och då särskilt programmerbara sådana". Denna definition är förvirrande och skulle kunna beskriva allt från tvättmaskiner till CNC-maskiner. Definitionen av en robot enligt ISO 8373 som en "automatiskt styrd, omprogrammerbar, universell manipulator som är programmerbar i tre eller flera axlar" skulle kunna beskriva ett transportband på ett lager med vertikala hisstationer. Sådana maskiner skulle dock normalt sett aldrig klassificeras som robotar.

Den praktiska skillnaden att komma ihåg är att maskiner som byggs för en enda (läs: mycket tydligt definierad) användning på en fast plats vanligtvis inte betraktas som robotar ... åtminstone inte i industriella sammanhang. Även om en typisk fräs kan köra en mängd komplicerade program för att bearbeta olika delar, är den konstruerad för att skära metall med hjälp av roterande blad monterade på sin egen axel ... och den kommer sannolikt att förbli placerad på en enda plats under hela sin livslängd.

Figur 2: I vissa fall baseras skillnaden mellan robot och maskin på hur en automatiserad konstruktion ser ut. En del klassificerar ledade armar som liknar mekaniska, mänskliga armar som robotar - och klassificerar automatiserade kartesiska arrangemang av linjära glidskenor (som CT4 använder för montering och inspektion av små delar) som maskiner. (Bildkälla: IAI Amerika Inc.)

Ibland ifrågasätts även dessa definitioner. Automatiserade maskiner som CNC-maskiner är till exempel allt mer flexibla, med svarvfräsar som kan fungera som både fräs- och svarvmaskiner - och många sådana maskiner utför även inspektions- och mätningsuppgifter på delar med sensorsonder och laserskannrar. Verktygsmaskiner som dessa kan till och med vara utrustade att utföra additiv tillverkning. Å andra sidan, levereras industrirobotar, som antas vara flexibla, ofta som specialiserade modeller utformade för en specifik uppgift, som t.ex. sprutlackering eller svetsning, och kan tillbringa hela sin livslängd inom en arbetscell i en produktionslinje.

Slutsatsen är, att dagens bilindustri förväntar sig att automatiserade system som klassificeras som robotar ofta förväntas ha hög flexibilitet - de kan (med omkonfigurering) utföra transport-, sorterings-, monterings-, svets- och målningsuppgifter som kan variera från dag till dag. Industrirobotarna förväntas också kunna placeras om till nya platser i en anläggning - antingen för att omplaceras som tillverkningssystem och konfigureras om, eller för att kontinuerligt flyttas på linjära spår med en sjunde axel för att betjäna en mängd arbetsceller.

Robotfamiljer för bilfabriker

Robotar i bilfabriker klassificeras i stora drag efter sin mekaniska struktur - inklusive typ av leder, kopplingsanordningar och frihetsgrader.

Robotteknik med seriella manipulatorer innefattar de flesta industrirobotar. Konstruktioner inom denna familj har en linjär kedja av länkar med en bas i ena änden och verktyg i andra änden ... med en enda led mellan varje länk i kedjan. Dessa innefattar ledade robotar, SCARA-robotar (Selective Compliance Joint Robot Arm), samarbetande robotar med sex axlar, kartesiska robotar (som i huvudsak består av linjära ställdon) och (något ovanligt förekommande) cylindriska robotar.

Figur 3: Samarbetande robotar blir allt vanligare i anläggningar för biltillverkare på Tier-2 dom drar nytta av automatiserad pallastning. (Bildkälla: Dobot)

Robotteknik med parallella manipulatorer utmärker sig i tillämpningar som kräver hög styvhet och hastighet. I motsats till ledade armar (som hänger i det tredimensionella utrymmet via en enda linje av kopplingar) stöds eller hängs parallella manipulatorer upp i flera kopplingar. Exempelvis Delta- och Stuart-robotar.

Mobil robotteknik är hjulförsedda enheter som flyttar omkring material och lagerartiklar i fabriker och på lager. De kan fungera som automatiska gaffeltruckar för att hämta, flytta och placera pallar på hyllor eller på fabriksgolvet. Exempel på detta är automatiskt styrda fordon (AGV) och autonoma mobila robotar (AMR).

Användningsområden för klassiska robotar inom fordonstillverkning

Klassiska robotar används inom biltillverkning för svetsning, målning, montering och materialhantering (för transport av de cirka 30 000 udda delar som ingår i en genomsnittlig bil). Fundera på hur vissa undertyper av robotar används i dessa tillämpningar.

Robotar med ledade armar och sex axlar är seriella manipulatorer där varje led består av en gångjärnsled. Den vanligast förekommande konfigurationen är en robot med sex axlar som har frihetsgrader för att placera objekt i vilken position och riktning som helst inom sitt arbetsområde. Det är mycket flexibla robotar som lämpar sig för många olika industriella processer. Faktum är att ledade robotar med sex axlar är vad de flesta människor tänker på när de tänker på en industrirobot.

Figur 4: Högeffektiva streckkodsläsare kan snabbt och tillförlitligt läsa av endimensionella- och tvådimensionella streckkoder. Vissa monterar verktyg på robotar för att stödja plockning av elektronik- och fordonsdelar samt för att delmontera enheter. (Bildkälla: Omron Automation and Safety)

Faktum är att stora robotar med sex axlar ofta används för svetsning av chassin och punktsvetsning av karosspaneler. I förhållande till manuella metoder har robotar förmågan att noggrant följa svetsbanor i det tredimensionella utrymmet utan att stanna, samtidigt som de anpassar parametrarna för svetsfogen baserat på omgivningsförhållandena.

Figur 5: Dessa robotar med sex axlar är vad de flesta tänker på när de föreställer sig en industrirobot. (Bildkälla: Kuka)

På andra håll körs ledade robotar med sex axlar i system med en sjunde axel för att utföra grundlackering, lackering, klarlackering och andra tätningsprocesser på fordonskarosser. Sådana arrangemang ger felfria och konsekventa resultat som i viss mån är så tillförlitliga eftersom processerna utförs i välisolerade lackeringsbås som hålls fria från kontaminering av partiklar från den yttre miljön. Robotar med sex axlar följer också programmerade, optimerade sprutlackeringsbanor för perfekta ytor, samtidigt som de minimerar överdriven färganvändning och slöseri med tätningsmedel. Personalen på bilfabriken slipper dessutom utsättas för de skadliga ångor som är förknippade med vissa material som sprejas.

Figur 6: Tillämpningen av SIMATIC Robot Integrator förenklar integrationen av robotar i automatiserade miljöer genom att anpassa parametrarna för de olika leverantörernas robotar samt olika tillämpningars geometrier och monteringskrav. Installationerna kompletteras av skalbara högeffektiva styrenheter från SIMATIC S7 med integrerad I/O och olika kommunikationsalternativ för flexibla konstruktionsanpassningar. (Bildkälla: Siemens)

SCARA-robotar (Selective Compliance Articulated Robot Arm ) har två gångjärnsleder med parallellt svängbara axlar som löper i vertikal riktning för X- och Y-positionering i ett enda rörelseplan. En tredje linjär axel gör det möjligt att röra sig i Z-riktningen (uppåt och nedåt). SCARA-robotar är relativt billiga alternativ som utmärker sig i trånga utrymmen - även om de kan förflytta sig snabbare än motsvarande kartesiska robotar. Det är inte ovanligt att SCARA-robotar används i produktionen av bilens elektronik- och elsystem - inklusive de som används för klimatkontroll, anslutning av mobila enheter, ljud-/bildelement, underhållning och navigering. SCARA-robotar används mestadels för att utföra de noggranna materialhanterings- och monteringsuppgifter som krävs för att tillverka dessa system.

Kartesiska robotar har minst tre linjära axlar som är staplade för att utföra rörelser i riktningarna X, Y och Z. Faktum är att vissa kartesiska robotar som används av billeverantörer på Tier-2 har formen av CNC-maskiner, 3D-skrivare och koordinatmätningsmaskiner (CMM) för att kontrollera kvaliteten och konsistensen hos slutprodukterna. Om man räknar med dessa maskiner är kartesiska robotar utan tvekan den vanligaste formen av industrirobot i branschen. Som tidigare nämnts kallas kartesiska maskiner dock ofta bara för robotar när de används för funktioner som innebär hantering av arbetsstycken och inte verktyg - till exempel vid montering, plockning och placering samt pallastning.

En annan kartesisk robotmodell som används inom fordonsindustrin är den automatiserade traversen. Dessa är oumbärliga för fäst- och sammanfogningsprocesser som kräver tillgång till underredet på delvis monterade fordon.

Nya och originella användningsområden för robotar inom fordonstillverkning

Cylindriska robotar är kompakta och ekonomiskt fördelaktiga robotar med positionering i tre axlar med en gångjärnsled vid basen och två linjära axlar för höjd- och armförlängning. De lämpar sig särskilt väl för maskinell skötsel, packning och pallastning av delkomponenter för bilar.

De samarbetande robotarna med sex axlar (cobots) som nämndes tidigare har samma grundläggande länkstruktur som större industriella modeller, men med extremt kompakta och integrerade motorbaserade drivenheter i varje led ... vanligtvis i form av en kuggmotor eller ett direktdrivningsalternativ. I bilindustrin, har dessa till uppgift att svetsa fästen och geometriskt komplicerade chassidelar. Fördelarna är hög precision och repeterbarhet.

Delta-robotar har tre armar som manövreras via gångjärnsleder från basen - ofta monterad i taket för en hängande konstruktion. Respektive arm har ett parallellogram med universalleder monterade i änden, och alla dessa parallellogram ansluts sedan till verktyget i änden. Detta ger Delta-roboten tre frihetsgrader i överföringen, utan att verktyget någonsin roterar i förhållande till basen. Delta-robotar kan uppnå extremt höga hastigheter, vilket gör dem mycket effektiva för plock- och placering i tillämpningar som omfattar sortering och annan hantering av små fästanordningar för bilar och elektriska komponenter.

Stewart-plattformar (även kallade hexapoder) består av en triangulär bas och ett triangulärt verktyg som är anslutna till sex linjära ställdon i en oktaeder. Detta ger sex frihetsgrader med en extremt styv struktur. Rörelseomfånget är dock relativt begränsat i förhållande till strukturens storlek. Stewart-plattformar används för rörelsesimulering, mobil precisionsbearbetning, kompensation av kranrörelser och kompensation av höghastighetsvibrationer i testrutiner för precisionsfysik och -optik ... inklusive de rutiner som används för att verifiera konstruktioner av fordonsfjädring.

Automatiskt styrda fordon (AGV) följer bestämda rutter som markeras av målade linjer på golvet, kabel i golvet eller andra vägledande signaler. Automatiskt styrda fordon har vanligtvis en viss intelligens för stopp och start för att undvika kollisioner med varandra och med människor. De är mycket lämpliga för materialtransporter i bilfabriker.

Autonoma mobila robotar (AMR) behöver inga fasta rutter och kan fatta mer avancerade beslut än automatiskt styrda fordon. De är särskilt användbara i biltillverkares utbredda lager och kan vanligtvis navigera fritt med hjälp av laserskannrar och algoritmer för igenkänning av föremål för att känna av sin omgivning. När en potentiell kollision upptäcks kan autonoma mobila robotar bara ändra sin kurs och köra runt hinder, istället för att stanna och vänta, som ett automatiskt styrt fordon. Denna anpassningsförmåga gör autonoma mobila robotar betydligt mer produktiva och flexibla vid lastkajer i bilfabriker.

Sammanfattning

Fordonsindustrin har under de senaste 30 åren drivit fram en mängd innovationer inom robotteknik och den trenden kommer att fortsätta med den växande marknaden för elfordon. Industrin har även börjat dra nytta av nya anpassningar för AI och maskinellt seende för att förbättra installationer av robotteknik för alla typer av användningsområden.