Robotteknologi i dagens bilproduktion

Industrirobotter er afgørende for moderne produktion - de udfører en lang række funktioner og koordinerer samtidig opgaver med andre former for automatisering. Faktisk var bilindustrien på 1 trillion dollars den første industri, der havde midlerne til at gøre storstilet brug af robotteknologi og fremme de teknologier, der er forbundet med robotteknologi. Det er ikke så underligt, da biler er meget sofistikerede produkter, der kan retfærdiggøre anlægsinvesteringer, som måske først giver afkast i mange år. I dag anvender langt de fleste centre for bilproduktion robotter. Kun i løbet af de sidste to årtier har områderne emballage, halvlederproduktion og det relativt nye område for automatiseret lagerføring fremskyndet deres indførelse af robotteknologi til at konkurrere med bilindustrien.

Figur 1: Bilindustrien har måske mere end nogen anden industri tilskyndet til fremskridt inden for robotteknologi. (Billedkilde: Getty Images)

I selve robotterne og i supplerende industrielt automatiseringsudstyr findes der elmotorer, hydrauliske systemer og væskekraftsystemer, drev, styringer, netværkshardware, brugergrænseflader (HMI'er) og softwaresystemer samt sensorer, feedback- og sikkerhedskomponenter. Disse elementer giver effektivitet ved at udføre forprogrammerede rutiner, der let kan tilpasses til skiftende realtidsforhold. Det forventes i stigende grad, at robotarbejdsceller også skal kunne omkonfigureres til at producere nye biltilbud, da forbrugernes præferencer udvikler sig hurtigere end nogensinde før.

Afklaring af terminologien for automatisering og robotteknologi

I Oxford English Dictionary defineres robotter som "maskiner, der er i stand til automatisk at udføre komplekse bevægelser, især programmerbare." Forvirrende er, at denne definition kan beskrive alt fra vaskemaskiner til CNC-værktøjsmaskiner. Selv ISO 8373-definitionen af en robot som en "automatisk styret, omprogrammerbar, multifunktionel manipulator, der kan programmeres i tre eller flere akser" kunne beskrive en lagertransportør med vertikale løftestationer. Sådanne maskiner ville dog normalt aldrig blive klassificeret som robotter.

Den praktiske forskel er, at maskiner, der er bygget til en enkelt [læs: meget klart defineret] anvendelse på et fast sted, normalt ikke betragtes som robotter, dog i det mindste ikke i industrikredse. Selv om en typisk fræsemaskine f.eks. kan køre et vilkårligt antal komplekse programmer til at bearbejde forskellige dele, er den designet til at skære metal ved hjælp af roterende klinger monteret i spindlen og den vil sandsynligvis forblive fastgjort på et enkelt sted i hele sin levetid.

Figur 2: I nogle tilfælde er forskellen mellem robot og maskine baseret på, hvordan et automatiseret design ser ud. Nogle klassificerer ledarme, der ligner mekaniserede menneskelige arme, som robotter - og klassificerer automatiserede kartesiske arrangementer af lineære glideskinner (som CT4 til samling og inspektion af små dele) som maskiner. (Billedkilde: IAI America Inc.)

Nogle gange er selv disse definitioner modstridende. F.eks. er automatiserede maskiner som CNC-værktøjsmaskiner i stigende grad fleksible, idet fræse- og drejecentre kan fungere som både fræsemaskiner og drejebænke - og mange af disse maskiner udfører også inspektions- og måleopgaver på emner med kontaktprober og laserscannere. Sådanne værktøjsmaskiner kan endda være udstyret til at udføre additiv fremstilling. På den anden side leveres de såkaldt fleksible industrirobotter ofte som specialiserede modeller, der er designet til en specifik opgave som f.eks. malingsprøjtning eller svejsning og kan meget vel tilbringe hele deres levetid i en arbejdscelle på en produktionslinje.

Det er vigtigt at understrege, at automatiserede systemer, der klassificeres som robotter i bilindustrien i dag, ofte forventes at udvise stor fleksibilitet - de er i stand til (med omkonfigurering) at udføre transport-, sorterings-, monterings-, svejse- og maleopgaver, der kan variere fra dag til dag. Disse industrirobotter forventes også at kunne flyttes til nye områder i et anlæg - enten for at blive omplaceret som produktionssystemer og omkonfigureret eller løbende flyttes på syvende akse lineære spor for at servicere arbejdscellegrupper i en linje.

Robotfamilier til bilproduktionsanlæg

Robotter i bilproduktionsanlæg klassificeres bredt efter deres mekaniske strukturer - herunder deres ledtyper, forbindelsesarrangementer og frihedsgrader.

Seriel manipulatorrobotik omfatter de fleste industrirobotter. Konstruktioner i denne konstruktionsfamilie har en lineær kæde af led med en base i den ene ende og en endeeffektor i den anden ende med et enkelt led mellem hvert led i kæden. Disse omfatter leddelte robotter, SCARA-robotter (SCARA-robotter), samarbejdende 6-akse robotter, kartesiske robotter (som hovedsagelig består af lineære aktuatorer) og (noget ualmindeligt) cylindriske robotter.

Figur 3: Samarbejdsrobotter bliver mere og mere almindelige i Tier-2-billeverandørfaciliteter, der har gavn af automatiseret palletering. (Billedkilde: Dobot)

Parallelle manipulatorrobotter udmærker sig i applikationer, hvor der er behov for høj stivhed og driftshastighed. I modsætning til knækarme (der er ophængt i 3D-rummet via en enkelt linje af led) understøttes eller ophænges parallelle manipulatorer af rækker af led. Som eksempler kan nævnes delta- og Stuart-robotter.

Mobile robotter er enheder på hjul, der flytter materialer og lagerartikler rundt på fabrikker og lagre. De kan fungere som automatiserede gaffeltrucks til at hente, flytte og placere paller på reoler eller på fabriksgulvet. Som eksempler kan nævnes automatiserede guidede køretøjer (AGV'er) og autonome mobile robotter (AMR'er).

Klassiske robotanvendelser i bilindustrien

Klassiske robotanvendelser i bilfabrikker omfatter svejsning, maling, samling og (til transport af de ca. 30.000 dele, der indgår i en gennemsnitlig bil) materialehåndteringsopgaver. Overvej, hvordan nogle robotundertyper anvendes i disse applikationer.

6-akse ledarmsrobotter er serielle manipulatorer, hvor hvert led er et revoluteled. Den mest almindelige konfiguration er en 6-akset robot med frihedsgrader til at placere objekter i enhver position og orientering inden for dens arbejdsvolumen. Det er meget fleksible robotter, der er velegnede til et utal af industrielle processer. Faktisk er 6-akse knækarmsrobotter det, som de fleste mennesker forestiller sig, når de tænker på en industrirobot.

Figur 4: Højtydende stregkodelæsere kan hurtigt og pålideligt afkode 1D- og 2D-stregkoder. Nogle af dem monteres på robotiske endeeffektorer til støtte for plukning af dele til elektronik- og bilindustrien samt dele til undermontering. (Billedkilde: Omron Automation og sikkerhed)

Faktisk anvendes store 6-akse robotter ofte til svejsning af bilrammer og punktsvejsning af karrosseripaneler. I modsætning til manuelle metoder har robotter evnen til præcist at spore svejsebaner i 3D-rummet uden at stoppe, samtidig med at de tilpasser sig de skiftende parametre for svejseperlen som reaktion på miljøforhold.

Figur 5: Disse 6-akse robotter er det, som de fleste forestiller sig, når de forestiller sig en industrirobot. (Billedkilde: Kuka)

Andre steder kører 6-akse ledarmrobotter på 7-akse systemer for at udføre grunding, maling, klarlak og andre forseglingsprocesser på bilpaneler. Sådanne arrangementer leverer fejlfrit konsistente resultater, der til dels er så pålidelige, fordi disse processer udføres i velisolerede sprøjtekabiner, der effektivt holdes fri for partikler fra det ydre miljø. Robotter med seks akser følger også programmeret optimerede sprøjtebaner for at opnå perfekt finish, samtidig med at de minimerer overspray og spild af maling og forsegling. Desuden eliminerer de behovet for at udsætte personalet på bilfabrikken for de skadelige dampe, der er forbundet med visse sprøjtematerialer.

Figur 6: SIMATIC Robot Integrator-appen forenkler integrationen af robotter i automatiserede indstillinger ved at tilpasse parametrene for forskellige leverandørers robotter og forskellige applikationers geometrier og monteringskrav; disse installationer suppleres af skalerbare højtydende SIMATIC S7-controllere med integreret I/O og forskellige kommunikationsmuligheder til fleksible designtilpasninger. (Billedkilde: Siemens)

SCARA-robotter (Selective Compliance Articulated Robot Arm) har to drejeled med parallelle drejeakser, der løber i lodret retning til X-Y-positionering i et enkelt bevægelsesplan. En tredje lineær akse giver mulighed for bevægelse i Z-retningen (op og ned). SCARA-robotter er relativt billige løsninger, der er fremragende i trange rum - selv når de leverer hurtigere bevægelser end tilsvarende kartesiske robotter. Det er ikke underligt, at SCARA-robotter anvendes til produktion af bilers elektronik og elektriske systemer - herunder dem til klimakontrol, tilslutning af mobile enheder, audio/visuelle elementer, underholdning og navigation. Her anvendes SCARA'er oftest til at udføre de præcise materialehåndterings- og monteringsopgaver til fremstilling af disse systemer.

Kartesiske robotter har som minimum tre lineære akser, der er stablet sammen for at udføre bevægelser i X-, Y- og Z-retningen. Faktisk er nogle af de kartesiske robotter, der anvendes af Tier-2 billeverandører, i form af CNC-værktøjsmaskiner, 3D-printere og koordinatmålingsmaskiner (CMM'er) til at verificere kvaliteten og konsistensen af slutprodukterne. Hvis man tæller disse maskiner med, er kartesiske robotter uden tvivl den mest almindelige form for industrirobotter i industrien. Som tidligere nævnt kaldes kartesiske maskiner dog ofte kun robotter, når de anvendes til operationer, der involverer håndtering af emner og ikke værktøjer - f.eks. i forbindelse med samling, pick-and-place og palletering.

En anden kartesisk robotvariant, der anvendes i bilindustrien, er den automatiserede portalkran. De er uundværlige til fastgørelses- og sammenføjningsprocesser, der kræver adgang til undervognen på delvist færdige køretøjssæt.

Nye og nye anvendelser af robotter i bilindustrien

Cylindriske robotter er kompakte og økonomiske robotter, der giver 3-akset positionering med et reolute-led i bunden og to lineære akser til højde- og armudvidelser. De er særligt velegnede til maskinbetjening, pakning og palletering af delkomponenter til biler.

Samarbejdsrobotter med seks akser (cobots) , der er nævnt tidligere, har den samme grundlæggende forbindelsesstruktur som større industrielle varianter, men med ekstremt kompakte og integrerede motorbaserede drev ved hvert led, typisk i form af en gearmotor eller en direkte drevmulighed. I bilindustrien har de til opgave at svejse konsoller, beslag og geometrisk komplicerede underrammer. Fordelene omfatter høj præcision og repeterbarhed.

Delta-robotter har tre arme, der aktiveres via drejeled fra basen - ofte monteret i loftet for at opnå et ophængt arrangement. Hver arm har et parallelogram med universalled monteret i enden, og disse parallelogrammer er alle forbundet med endeeffektoren. Dette giver delta-robotten tre translationsfrihedsgrader, idet endeeffektoren aldrig roterer i forhold til basen. Delta-robotter kan opnå ekstremt høje accelerationer, hvilket gør dem yderst effektive til pick-and-place-operationer i applikationer, der involverer sortering og anden håndtering af små fastgørelseselementer og elektriske komponenter til biler.

Stewart-platforme (også kaldet hexapods) består af en trekantet base og en trekantet endeeffektor, der er forbundet med seks lineære aktuatorer i et oktaeder. Dette giver seks frihedsgrader med en ekstremt stiv struktur. Bevægelsesområdet er dog relativt begrænset i forhold til strukturens størrelse. Stewart-platforme bruges til bevægelsessimulering, mobil præcisionsbearbejdning, kompensation for krans bevægelser og kompentation for højhastighedsvibration i testrutiner inden for præcisionsfysik og optik, herunder til verifikation af konstruktioner af køretøjsophæng.

Automatiserede guidede køretøjer (AGV'er) følger faste ruter, der er markeret med linjer malet på gulvet, ledninger på gulvet eller andre vejledningsmærker. AGV'er har typisk en vis grad af intelligens, så de stopper og starter for at undgå kollisioner med hinanden og med mennesker. De er særdeles velegnede til materialetransportopgaver i bilproduktionsanlæg.

Autonome mobile robotter (AMR'er) kræver ikke faste ruter og kan træffe mere avancerede beslutninger end AGV'er. De er særligt nyttige i bilfabrikanternes vidtstrakte lagerhaller og kan typisk navigere frit ved hjælp af laserscannere og objektgenkendelsesalgoritmer til at opfatte omgivelserne. Når der registreres en potentiel kollision, kan AMR'er i stedet for at stoppe og vente som en AGV blot ændre kurs og køre uden om forhindringer. Denne tilpasningsevne gør AMR'erne betydeligt mere produktive og fleksible i lastdocks på bilfabrikker.

Konklusion

Bilindustrien har i løbet af de sidste 30 år givet anledning til massiv innovation inden for robotteknologi, og den tendens vil fortsætte med det voksende marked for elektriske køretøjer. Industrien er også begyndt at drage fordel af nye AI- og maskinsynsadaptioner for at forbedre robotinstallationer til alle typer anvendelser.