MP LINE: Automatiz�cia (nielen) vstrekovacieho procesu pomocou kolaborat�vneho robota Universal Robots

Sou�asn� ruku v ruce vzrostly po�adavky na kvalitu výroby a výrobu v co nejkratších cyklech. Zejména to platí pro procesy na vst�ikovacích strojích.

Moderní robotika pro vst�ikovací stroje tedy vyu�ívá 2 základních typ� robot�:
A/ Lineární manipulátory – výhodou je jednoduché programování, jednoduché lineární pohyby na dlouhé vzdálenosti!, ekonomi�t�jší a levn�jší pro jednoduché aplikace typu „Pick and place“, jednoduše zaimplementovaná ochrana formy a vyhodnocení pozice v prostoru. Nevhodné je pou�ití pro slo�it�jší aplikace, kdy nasazení dalších rota�ních os velmi sni�uje nosnost robota a výrazn� jej zdra�uje.

B/ Víceosé (6-ti) roboty – lze vyu�ít pro slo�it�jší aplikace s relativn� krátkým dosahem a limitovanou nosností, slo�it�jší integrace (ochrana formy sv�telnou bránou), velmi výhodné v okam�iku, kdy je nutné vyu�ít rota�ní pohyby ve form� nebo mimo ni. Nevýhodou sní�ení nosnosti u dlouhých koncových prvk� (chapadlech).
Pozn. D�íve vyu�ívané pneumatické roboty jsou ji� na ústupu (v �R pou�ívané pouze jako jednoduché „taha�e vtok�“ zejména u menších vst�ikolis�). Ale pro spoustu jednoduchých aplikací to m��e být stále velmi ekonomické �ešení. Další typy robot� jako Scara nebo Delta se pro obsluhu vst�ikolis� nehodí a takto se ani nevyu�ívají.

V�tšina nových vst�ikolis� je ji� p�ipravena na instalaci robota – jak lineárního nebo šestiosého. Standardizované rozhraní mezi robotem a vst�ikolisem ur�ují tyto technická doporu�ení Euromap:
E67 – elektrické rozhraní pro komunikaci robota a vst�ikolisu
E18 – mechanické rozhraní pro montá� robota

Kolaborativní robotika
Na sv�t� je cca 13 výrobc� robot�, kte�í nabízejí kolaborativního robota. Ka�dý z výrobc� na to jde ovšem svou vlastní cestou.

Všichni výrobci p�ibli�ující se oblasti kolaborativních robot� uvád�jí, �e uvedli na trh „PRVNÍ SKUTE�N� SPOLUPRACUJÍCÍ ROBOT NA SV�T�“. Z toho je jasné, �e vymezení pojmu kolaborativní robot je velmi obtí�né a individuální.

Kolaborativní robot = robot, uzp�sobený pro spolupráci s lidmi nebo lidi nahrazující. Má �ešenou bezpe�nost tak, aby nezranil, p�ípadn� v extrémních p�ípadech zp�sobil bolest pouze „dovoleným zp�sobem“.

V sou�asné dob� není legislativa v této oblasti zcela jednozna�ná a celý obor kolaborativní robotiky tak trochu p�edb�hl svou dobu. Aplikace pro kolaborativní roboty existují, firmy tuto mo�nost automatizace �ádají a mají pro ni uplatn�ní, ekonomicky to dává smysl, ale není ur�eno, jak by m�l kolaborativní robot reagovat p�i p�ípadném kontaktu s �lov�kem. Tím pádem ka�dý z výrobc� p�istupuje k tomuto oboru r�znými zp�soby.

Typy robot�

• UR3
Nosnost 3 kg, dosah 500 mm. Hmotnost 11 kg, opakovatelná p�esnost ±0,1 mm. Spot�eba el. energie min. 90 W, typicky 125 W, max. 250 W. Stupe� krytí IP 64, rozsah pohyb� na všech kloubech ± 360°.

• UR5
Nosnost 5 kg, dosah 850 mm. Hmotnost 18,4 kg, opakovatelná p�esnost ±0,1 mm. Spot�eba el. energie min. 90 W, typicky 150 W, max. 325 W. Stupe� krytí IP 54, rozsah pohyb� na všech kloubech ± 360°.

• UR10
Nosnost 10 kg, dosah 1300 mm. Hmotnost 28,9 kg, opakovatelná p�esnost ±0,1 mm. Spot�eba el. energie min. 90 W, typicky 250 W, max. 500 W. Stupe� krytí IP54, rozsah pohyb� na všech kloubech ± 360°.

Technické mo�nosti vycházejí z vlastností jednotlivých velikostí robot� Universal Robots. Spole�né pro všechny velikosti je:

• Opakovatelná p�esnost ±0,1 mm,
• Certifikace TUV Nord, EN ISO 13849:2008 PLd, EN ISO 10218-1:2011, Clause 5.4.3
• Kontrolní sk�í� s dotykovým displayem 12“, stupe� krytí IP20.
• 16+16 digitálních vstup�/výstup� 24 VDC v �ídící sk�íni.
• TCP/IP 100 MBit, Modbus TCP, Profi net, EthernetIP
• Napájení 100 -240 VAC, 50 – 60 Hz.

Universal Robots nabízí všem zákazník�m veškeré podklady a podp�rné nástroje ZDARMA. Zaškolení pro �eské zákazníky v Praze je také ZDARMA.
Pozn. Pro aplikace na vst�ikolisech je mo�né (nutné) vybavit robota opcí Euromap 67 pro komunikaci se vst�ikovacím strojem.

Bezpe�nost v podání Universal Robots
Universal Robots �eší problematiku bezpe�nosti tak, �e robot má n�kolik úrovní bezpe�nostního nastavení. P�i pohybu je schopen vyhodnocovat p�sobení vn�jších sil a na základ� bezpe�nostního nastavení se dle toho chovat. Zm�nou úrovn� bezpe�nosti se robot chová bu� „bezpe�n�ji“, tj. na místech s pohybem obsluhy jsou rychlosti a kinetické energie jsou sofistikovaným zp�sobem omezeny. Nebo na místech s bezpe�ným rychlým pohybem (mimo pohyb obsluhy), lze nastavením robota zrychlit, zkrátit cykly, p�i sní�ení citlivosti k vn�jší síle.

D�le�itým nastavením v robotu pro jeho správnou funkci v bezpe�nostním re�imu je zadání správné hmotnosti a polohy t�išt�. Tím je robot schopen rozlišit, zda síla vznikající p�i pohybu daným zrychlením a danou rychlostí je vn�jší síla od �lov�ka (nebo p�eká�ky), �i je to pouze zatí�ení dané uchopova�em p�íp. výrobkem. Nastavení lze v pr�b�hu programu m�nit (kdy� máme uchopova� s hmotností 2 kg a vezmeme díl o hmotnosti 5 kg, tak lze v okam�iku uchopení tyto pom�ry p�enastavit). Bezpe�nostní re�imy lze také p�epínat v pr�b�hu cyklu, tzn. v ur�ité oblasti lze vyu�ívat nastavení s plnou rychlostí, v oblasti mo�ného výskytu lidí pak zabezpe�ený (people friendly) re�im.

Tento zp�sob �ízení bezpe�nosti je dlouhodob� opakovatelný a udr�itelný. �ešení nap�. bezpe�nostními skenery, gumovým oblo�ením robota, senzorickou k��í, o�ním kontaktem s o�ima na obrazovce atd. zatím nedává dlouhodobé kvalitní výsledky.

Analýza rizik
D�le�itým prvkem bezpe�nosti potom koncový nástroj jeho konstrukce. Robot samotný je certifikovaný z hlediska bezpe�nosti. Pro celkovou bezpe�nost pracovišt� je d�le�itý zp�sob integrace (umíst�ní atd.) a koncový prvek (chapadlo). Pro vysokou bezpe�nost je nutné pro ka�dou aplikaci vytvo�it tzv. analýzu rizik, kde jsou mo�né zp�soby kontaktu s �lov�kem shrnuty a vyhodnoceny z hlediska bezpe�nosti.

Zajímavou funkcí robot� Universal robots je re�im Freedrive. Je to mo�nost odbrzdit a uvolnit všechny osy p�i programování tras tak, �e lze voln� rukou p�esouvat robota z pozice do pozice a tím nau�it danou trasu. Tím se zjednodušuje a urychluje programování robota. Další nep�ímým d�sledkem kolaborace robota je mo�nost jezdit na vymezené dráze p�esn� kontrolovanou silou. Díky tomu lze nap�íklad kontrolovat a vyhodnocovat proces zakládání zálisk�, ve chvíli, kdy zálisek netrefí do správné pozice, robot vyhodnotí velkou sílu a p�ejede zp�t do po�áte�ní pozice. Velmi cen�nou funkcí pokus o n�kolikanásobné zalo�ení (programovatelné). Takto m��e robot vyzkoušet zalo�ení n�kolikrát, dokud se nepovede.
Hlavní uplatn�ní kolaborativních robot� je primárn� na montá�ní práce. Sekundární nasazení je pro vst�ikolisy, kdy mo�né s výhodou vyu�ít unikátní vlastnosti kolaborativních robot� Universal Robots:

• Aplikace, kde �lov�k nem��e z bezpe�nostních nebo procesních d�vod� zasahovat do cyklu
• Aplikace, kde kolaborativním robotem nahradíme stereotypní a opakují se �innost �lov�ka.
  
  

Kolaborativní robot u vst�ikolisu
A/ Pro uplatn�ní na vst�ikolisech dává smysl usazení robota „naho�e na lise“, jeliko� tím jsme schopní zajistit bezpe�nost obsluhy vst�ikolisu relativn� jednoduše. Zárove� se tím zv�tšuje velikost bezpe�né zóny s maximální rychlostí pohybu. Robot p�i vyjímání výlisk� zají�dí do vst�ikolisu chrán�ného bezpe�nostními dve�mi. V oblasti mimo vst�ikolis (odkládání na dopravník) pak m��e jet v kolaborativním re�imu a neohrozí obsluhu. V p�ípad� nutnosti st�íhat vtoky lze st�íhací stanici umístit nahoru nad vst�ikolis do bezpe�né zóny, kde �lov�k nemá p�ístup.

Nebezpe�né �innosti jsou tedy vykonávány mimo dosah �lov�ka a robot m��e p�ijít do kontaktu s �lov�kem pouze v „bezpe�né“ oblasti. Robot m��e pracovat BEZ oplocení.

• Výhody – díky lehké konstrukci robot neovlivní vst�ikolis, instalace nahoru na vst�ikolis je velmi snadná, velmi jednoduché programování, malé zástavbové rozm�ry robota i �ídící sk�ín�.
• Technická omezení - vzhledem k dosahu se hodí na malé a st�ední vst�ikolisy, nosnost robota klesá s vysazením uchopova�e od p�íruby. P�i umíst�ním na vysoké vst�ikolisy je nutné �ešit odkládací výšku nap�. šikmým dopravníkem.

B/ Další mo�ností je umístit robota za (nebo p�ed) vst�ikolisem. V této pozici je nutné zajistit otev�ené dve�e vst�ikolisu a musí být instalováno bezpe�nostní oplocení. Oplocení je pot�eba nikoliv kv�li robotu, ale kv�li bezpe�nosti vst�ikolisu. Tím se ztrácí ur�itá ekonomická výhoda jako v p�ípad� umíst�ní na lise, kde není nutné pou�ít bezpe�nostní oplocení.

• Výhody – lze pou�ít i na v�tší vst�ikolisy, není problém s odkládací výškou.
• Omezení – nutno zajistit otev�ené dve�e vst�ikolisu a p�idat bezpe�nostní oplocení.
  
  

P�. 1 / Aplikace kolaborativního robota p�i vyjímání výlisk�.
P�vodní takt s operátorem 55 s, nový takt s kolaborativním robotem 35 s. Operátor pouze odebírá díly z pásu a balí do beden.
P�ínosy – lehká a levná konzola, jednoduchá a rychlá instalace, zrychlení taktu, mo�nost �ešit slo�ité pohyby p�i odb�ru díky 6 kloub�m, není pou�ito bezpe�nostní oplocení, zrychlení taktu o cca 35%. Odn�tí v�tšiny stereotypních a únavných �inností operátora (vyjímání výlisk�, otvírání a zavírání dve�í, o�ez vtok�). Vy�ešení odb�ru díl�, který by lineárním robotem nebyl mo�ný (rotace díl� p�i vyjímání ve form�).

P�. 2 / Ekonomická návratnost p�i nahrazení operátora ve výrobní lince:

• Ro�ní náklady na 1 operátora cca 300 000 K�
• Sm�nnost 1x.
• Cena robota v�etn� vybavení a integrace (od 25 000 EUR do 35 000 EUR dle typu, vybavení a náro�nosti aplikace), zde pou�ijeme pr�m�rnou hodnotu 30 000 EUR = 810 000 K�.
• Hrubá návratnost = 2,7 roku

P�ínosy – stabilita cyklu, p�esnost, opakovatelnost, zkrácení cykl�.

P�. 3 / Ekonomická návratnost p�i nahrazení operátora ve výrobní lince:

• Ro�ní náklady na 1 operátora cca 300 000 K�
• Sm�nnost 3x.
• Cena robota v�etn� vybavení a integrace (od 25 000 EUR do 35 000 EUR dle typu, vybavení a náro�nosti aplikace), zde pou�ijeme pr�m�rnou hodnotu 30 000 EUR = 810 000 K�.
• Hrubá návratnost = 0,9 roku = cca 11 m�síc�

P�ínosy – stabilita cyklu, p�esnost, opakovatelnost, zkrácení cykl�.

Trendy v kolaborativních robotech u jiných výrobc� a do budoucnosti
Tak jako v klasické robotice se do oblasti kolaborativních robot� dostávají moderní prvky um�lé inteligence, internet v�cí apod. Trendy sm��ují k uplatn�ní strojního u�ení v �ídících systémech kolaborativních robot�, dále vyu�ití nejmodern�jších bezpe�nostních senzor� a skener�, citlivých momentových senzor� a také nap�. citlivých materiál� na povrchu robota. Zajímavá oblast uplatn�ní kolaborativního re�imu je v p�ímém kontaktu s lidmi v oblasti rehabilitace, kde robot pomáhá a nahrazuje lidské asistenty.
Více ukázek reálných aplikací je mo�né nalézt na www.universal-robots.com

Aplikace kolaborativních robot� UR na vst�ikolisech v rámci �R

Kasko s.r.o.
Universal robots UR10 umíst�ný na lehké hliníkové konstrukci na vst�ikolise. Zají�dí do vst�ikolisu shora, vyjímá výlisky. Následn� zají�dí do st�íhací stanice, odjí�dí nad pás, odkládá zvláš� výlisky a zvláš� vtoky.
Specifika: - ventilový terminál umíst�n na 3. rameni robota, umíst�n na vysokém vst�ikolise. Odkládací výška �ešena šikmým dopravníkem, st�íhání vtok� umíst�no v bezpe�né výšce nad vst�ikolisem.

2D&S s.r.o.
V sou�asné dob� v realizaci. Robot UR10 odebírá etikety ze zásobníku (postupn� první, po ní druhou). Zají�dí do stanice pro uhlazení etiket na zakládacím kopyt�. Jede do vst�ikolisu, zakládá ob� etikety najednou (nabití pomocí elektrostatického náboje t�sn� p�ed vyjetím z formy) a odkládá výlisky do stoh� na dopravník.
Specifika - elektrostatické nabíjení etiket, ventilový blok u paty robota, uhlazování etiket kartá�i

Zhodnocení a záv�r:
V oblasti kolaborativních robot� dochází k velmi dynamickému r�stu, jeliko� tato za�ízení zapl�ují „díru na trhu“, a jsou dopl�kem tradi�ních robot�. Ve vhodných aplikacích pak kolaborativní roboti nabízejí u�ivatel�m technicky vhodn�jší �ešení, jednodušší inplementaci p�íp. daleko rychlejší návratnost. Kolaborativní jsou moderní, progresivní téma a za�ínají se objevovat jako dopln�k výrobní �ady i u tradi�ních výrobc�. Ke kolaborativním funkcím vyu�ívajínové technologie typu moderních prvk� um�lé inteligence, internetu v�cí apod. Trendy tedy sm��ují k uplatn�ní strojního u�ení v �ídících systémech kolaborativních robot�, dále vyu�ití nejmodern�jších bezpe�nostních senzor� a skener�, citlivých momentových senzor� a také nap�. citlivých materiál� na povrchu robota. Tato oblast robotiky vykazuje velmi dynamický r�st a Universal Robots se svou ucelenou �adou je hlavním tahounem r�stu prodej� v oblasti kolaborativních robot�.

Vysv�tlivky:
Euromap = evropská organizace pro standardizaci vst�ikovacích stroj� pro plast a gumu
Vst�ikolis = horizontální vst�ikovací stroj = IMM, SGM, VSS apod.
Uchopova� = EOAT = End of arm tooling = chapadlo, hlava, koncový efektor, apod.

Zdroje a odkazy:
Universal Robots: www. universal-robots.com
MP Line s.r.o.: www.mpline.cz
JSW machines: www.jswmachines.cz
Euromap: www.euromap.org