Технологични тенденции при роботизираните клетки

• Роботизираните клетки се доказват като фундаментално решение за редица съвременни задачи в сферата на индустриалната автоматизация
  
  
• Те се различават основно по своите функции – за заваряване, монтажни дейности, обслужване на металообработващи машини с ЦПУ и др.
  
  
• Сред двигателите на ръста във внедряванията на роботизирани клетки през последните години пазарните анализатори поставят ускореното възприемане на IIoT и Industry 4.0 технологиите

Високоскоростни, свръхпрецизни и интелигентни роботи, организирани в работни клетки за управление и мониторинг на комплексни технологични процеси, които разполагат с инструменти за проследяване и диагностика в реално време, прогнозна поддръжка и тестване на продукцията... Макар за мнозина тази концепция да звучи като картина от далечното бъдеще, специалистите в сферата на роботиката и индустриалната автоматизация не само я познават в детайли, но и я прилагат в модерните фабрики.

Най-общо, роботизираните клетки представляват организирана в обособено пространство (чрез ограда, предпазна камера или конструкция от метал, стъкло или комбинация от двете и т. н.) система от един или няколко обработващи или обслужващи робота, контролер/и, една или повече автоматизирани машини (например металообработващи машини с ЦПУ), както и необходимото спомагателно оборудване. Такива са например позиционерите за детайли, предпазните съоръжения и др.

Самите клетки могат да бъдат изработени от стомана или алуминий. Алуминият е лек и лесен за модифициране, без нужда от заваряване или боядисване. Стоманата пък осигурява допълнителна здравина и се използва предимно за по-тежки приложения, например в металообработващата промишленост.
Роботизираните клетки се доказват като фундаментално решение за редица съвременни задачи в сферата на индустриалната автоматизация, тъй като са способни да изпълняват много по-комплексни и прецизни операции (монтажни, тестови или заваръчни) в сравнение с конвенционалните автоматизирани машини.

Пазарните анализатори изтъкват, че непрекъснатият технически напредък в областта на промишлената роботика, наред с продължаващото поевтиняване и миниатюризация при сензорите, води до устойчив ръст във внедряванията не само на самостоятелни индустриални роботи, но и на цели конфигурации или клетки във все повече промишлени отрасли.

Развитие на пазара

Според най-актуалните проучвания в областта глобалният пазар на роботизирани клетки се очаква да нараства с устойчив темп до края на текущото десетилетие въпреки икономическите сътресения през последните няколко години във връзка с пандемията. Нововъзникналият фокус върху производството на различни медицински и фармацевтични изделия в огромни партиди до голяма степен компенсира негативния ефект върху индустрията като цяло, стимулирайки положителна динамика в продажбите на роботизирани клетки във високотехнологичните заводи по цял свят. Предстои стабилен ръст на инсталациите в редица сектори, сред които автомобилостроенето и общото машиностроене, химическата и хранително-вкусовата промишленост, електрониката, фармацевтиката, текстилната и авиационната индустрия, IT сектора, производството на електроуреди, потребителски стоки, медицински изделия и т. н., отбелязват маркетолозите. Изненада за експертите е, че освен традиционните инвестиции от големи утвърдени предприятия, значително нарастват и капиталовложенията от страна на малкия и среден бизнес, където фирмите вече са наясно с ползите от автоматизирането на работните процеси, роботизацията, отдалеченото управление и елиминирането на струпванията на човешка сила в цеховете.

Що се отнася до възможностите за захранване на оборудването в роботизираните конфигурации, пазарните експерти подразделят системите най-общо на два типа – с литиеви акумулатори и с горивни клетки. Роботизираните клетки се различават и по своите функции – за заваряване, запояване, монтажни дейности, обслужване на металообработващи машини с ЦПУ, опаковъчни цели, манипулиране с различни обекти и материали, в ролята им на разпределителен хъб в производствени халета, складове и логистични центрове и т. н. В значителна част от тези приложения се използват антропоморфни манипулатори, които наподобяват движенията на човешката ръка и с лекота и прецизност извършват фини, сложни и повторяеми операции, често дори без нужда от операторски надзор.

Сред водещите двигатели на ръста във внедряванията на роботизирани клетки през последните години пазарните анализатори поставят ускореното възприемане на IIoT, Industry 4.0, интелигентните, безжични и облачни решения във все повече предприятия. Роботизираните клетки внасят необходимата гъвкавост и ефективност, за да се оползотвори оптимално този нов технологичен потенциал, а човекът сменя ролята си в производството от изпълнител към “диригент” на работните процеси. Благодарение на високата им степен на автономност и интелигентност, днес няколко клетки могат да бъдат едновременно управлявани от един-единствен оператор.

Друг ключов фактор за експоненциалния ръст в инсталациите на такива системи в световен мащаб е недостигът на квалифициран персонал, особено в производствените отрасли и тежката индустрия. Проблемът се усложнява от застаряването на населението в глобален план и непрекъснато нарастващата индустриализация. Същевременно промишлените предприятия във всеки бранш се намират в условия на ожесточена конкуренция помежду си и единственият начин да смогнат на темповете и динамиката на съвременното пазарно търсене е да правят мащабни инвестиции в работещи решения за оптимизация на работните процеси и производствената ефективност. Отличен пример за такова се оказват именно роботизираните клетки. Те се отличават с бърза възвръщаемост на капиталовложението благодарение на своята гъвкавост, бързина и прецизност, а забавянията, прекъсванията и множеството разходи, провокирани от човешки грешки, остават в историята.

За да добавят допълнителна стойност към решенията си, доставчиците и интеграторите на работни клетки все по-често предлагат освен оборудване и набор от свързани услуги – абонаментно обслужване на системата в рамките на експлоатационния й период, отдалечен мониторинг и диагностика и т. н.
Най-търсени според пазарните проучвания са предварително конфигурираните и готови за внедряване в конкретни специализирани приложения клетки, които в допълнение са лесни за програмиране и въвеждане в експлоатация, без необходимост от специализиран служител или екип. Те спестяват на собствениците си нуждата сами да компилират отделните елементи на роботизираната клетка, закупувайки оборудване от различни доставчици и планирайки позиционирането му в обособеното пространство. Най-сложна за някои клиенти се оказва синхронизацията на работните последователности, така че да се постигнат кратки времена на обработка, оптимална ефективност и производителност, минимум загуби на време, материали и ресурси. При преконфигурираните решения синергията между роботите, машините и спомагателното оборудване е задача на системния интегратор. Ето защо тези системи са все по-търсени и от малките и средни предприятия, които трудно биха отделили бюджет, персонал и ресурси за самостоятелно изграждане на персонализирана клетка.

Технологични възможности

Все повече индустриални компании закупуват цели роботизирани клетки за дадени производствени задачи вместо самостоятелни роботи, машини и периферни устройства, тъй като ползите от внедряването им в дългосрочен план натежават пред иначе немалката първоначална инвестиция. Сред възможностите на тези комуникационно обезпечени работни единици с централизирано управление е генерирането на гигантски информационни масиви, съдържащи данни от непрекъснатия мониторинг на оборудването в реално време, обслужването и единната софтуерна платформа за управление на клетката. Информацията се обработва и обобщава посредством специализирани аналитични инструменти с цел подобрен контрол на качеството и инвентара, автономни решения в реално време на ниво оборудване, прогнозна диагностика и поддръжка, своевременно адаптиране към промените в клиентските изисквания и т. н.

При все повече предприятия от малкия и средния бизнес първата стъпка към роботизиране на операциите е не внедряването на самостоятелен робот, а директна инсталация на окомплектовано решение. То е оборудвано с всичко необходимо за обезпечаването на конкретен етап от производствения процес и осигурява необходимата гъвкавост за лесно и бързо приспособяване към нови задачи. Компоненти на роботизираните клетки могат да бъдат: различни типове сензори според спецификата на изпълняваните функции (за машинно зрение, регистриране на детайли, безопасност и др.), спомагателни механизми за подаване на заготовки за обработка (конвейери или друг тип транспортни системи), измервателна техника, инструментална екипировка и крайни манипулатори (хващачи, заваръчни дюзи, метрологични скенери и т. н.), както и съответните средства за безопасност (предпазни заграждения, бутони за аварийно спиране и др.)

Роботизираните клетки позволяват цялостно изпълнение на един работен процес от начало до край, вместо разпокъсване на отделните му етапи на различни работни станции, при което се губи излишно време. Подходящи за целта са приложения като асемблиране на компоненти и позициониране (пространствено ориентиране) на готовите изделия преди последващото им опаковане, поставяне на крепежни скоби и кабелни връзки, транспортиране на материали и обекти между различни звена на производствената линия и др. Към списъка можем да добавим и нанасянето на бои, лепила или уплътнителни материали върху новопроизведени части. Роботизираните довършителни операции не само гарантират по-добро качество и външен вид на крайното изделие, но и държат работниците далеч от потенциално опасните химикали.

В автоматизираните производствени системи с поточни линии без буфери за съхранение се внедряват основно три типа роботизирани клетки според техния дизайн и оформление: “робоцентрични” (в които роботът е основният елемент, а останалото оборудване е спомагателно); клетки за мобилни роботи; стационарни клетки с вградени последователни роботизирани работни станции. Напоследък добиват популярност и т. нар. колаборативни клетки, в които коботи работят в споделено работно пространство с хора или кооперират с тях в изпълнението на една и съща задача. Освен компактни, бързи, лесни за програмиране и напълно безопасни, роботите от този клас са и изключително адаптивни, което ги прави отлично решение дори за често изменяща се производствена среда.

Тенденции в проектирането

Въпреки че предварително конфигурираните и окомплектовани клетки стават все по-популярни в съвременната индустрия, редица големи предприятия избират да извървят целия процес по проектиране и изграждане на перфектното персонализирано решение, изцяло съобразено с нуждите на техния бизнес. Задача от първостепенно значение (а често – и с най-голяма сложност) е, разбира се, изборът на робот. Пазарът предлага богато разнообразие от модели с различен дизайн, форма и конструкция, подходящи за разнообразни задачи – цилиндрични, фиксирани SCARA роботи, шарнирни (съчленени) или делта роботи. В зависимост от приложението подходящи могат да бъдат антропоморфни или конвенционални индустриални манипулатори, мобилни системи, както и коботи с компактен корпус и висока степен на безопасност за колаборативен режим. Съображенията при избор на модел включват още оценка на цената, товароносимостта, максималната скорост, възможностите за повторяемост, точност, броят степени на свобода, както и човеко-машинният интерфейс. Тук в особена степен е валидна максимата, че няма универсално решение, подходящо за всякакви по тип и мащаб приложения, както и че един и същи модел робот заедно със спомагателното му оборудване може да се окаже крайно полезен в изпълнението на дадена задача и напълно неефективен при друга.

Доставчиците на софтуерни инструменти за компютърен дизайн все по-често обединяват усилията си с тези на платформи за програмиране и управление на роботи, предлагайки цялостни продукти за проектиране и експлоатация на роботизирани клетки. Комбинираният софтуер позволява изграждане на кинематична и пространствена схема на работната клетка с цел оптимално позициониране и синхронизиране на поведението на отделните елементи, както и генериране на необходимите управляващи програми както за роботите, така и за машините с ЦПУ, когато са налични такива.

Своеобразно предизвикателство е дизайнът на колаборативни клетки, при който е необходимо да бъдат отчетени множество неконстантни параметри, свързани с човешкото поведение. Нужен е детайлен анализ на извършваните от човека действия, регистриране на моделите, закономерностите и допустимите променливи, както и “превеждане” на резултатите на съответния програмен език, за да бъдат достъпни за интерпретиране от робота. През последните години се разработват специални технологии за двупосочен трансфер на умения между хора и роботи в колаборативен режим и при отдалечено управление, които са базирани на мултимодален подход и са приложими например в монтажни линии.

Все по-популярни в сегмента стават и модулните роботизирани клетки, който са проектирани да се трансформират с времето по функции и мащаб в зависимост от конкретните нужди. За разлика от конвенционалните стационарни роботи, които перманентно се интегрират в клетката, а тя става неизменна част от производствената линия (независимо от потребностите в дългосрочен план), модулните системи се отличават с висока гъвкавост и мобилност. Конфигурацията им (броят и типът на роботите, машините и спомагателните средства, както и пространственото им позициониране и съгласуване) подлежи на тотална промяна във всеки момент. Така клетката би могла да обезпечи както изпълнението на различни от първоначалната задачи, така и на най-разнообразни по обем партиди.

Програмирането и въвеждането в експлоатация след всяка модулна реорганизация става лесно и интуитивно с помощта на специален софтуер с удобен за потребителите интерфейс, който елиминира потребността от опитен програмист или специален инженерен екип.