zrobotyzowane stanowisko do prac tapicerskich
Transkrypt
zrobotyzowane stanowisko do prac tapicerskich
Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2011 ZROBOTYZOWANE STANOWISKO DO PRAC TAPICERSKICH Olaf CISZAK Automatyzacja i robotyzacja wkracza do coraz większej liczby sektorów gospodarki, nie tylko do przemysłu maszynowego, spożywczego, ale i innych obszarów życia społecznego. Obecnie uważa się [4], że rozwój robotyki będzie polegał głównie na rozszerzeniu zastosowań robotów do nowych obszarów pozaprzemysłowych, głównie w usługach i medycynie. Rosnące koszty pracy, wzrost konkurencyjności oraz ciągłe poszukiwania redukcji kosztów inwestycyjnych przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej powtarzalnej jakości końcowej wyrobów to podstawowe czynniki rozwoju automatyzacji i robotyzacji, która obejmuje już nie tylko pojedyncze stanowiska, ale i całe linie produkcyjne. Według raportu z badań dotyczącego polskiego rynku robotów przemysłowych opublikowanego w [1] można zauważyć powrót trendu wzrostowego popularności i zainteresowania wdrożeniem do praktyki przemysłowej rozwiązań z robotami przemysłowymi. Z drugiej strony ankietowani podkreślają pewne bariery we wdrażaniu zrobotyzowanych stanowisk wynikające głównie z kryzysu na rynku polskim, brakiem środków finansowych na inwestycje oraz przede wszystkim niepewnością przedsiębiorców związaną z inwestycją, która nie przyniosłaby oczekiwanego zwrotu poniesionych kosztów w określonym czasie. Proces tapicerowania wymaga skomplikowanych i skoordynowanych ruchów kończyn górnych pracownika. W przypadku zastosowania stanowiska zautomatyzowanego lub zrobotyzowanego do tego typu operacji wymagane są człony robocze o kilku stopniach swobody. Do tego typu zadań najlepiej nadają się roboty przemysłowe, których struktura kinematyczna umożliwia realizację złożonych ruchów z jednoczesną ich koordynacją. Współczesne roboty przemysłowe o liczbie ruchliwości równej 6 (tzw. roboty 6-osiowe) spełniają te wymagania pod względem ruchliwości, dokładności, powtarzalności i uzyskiwanych prędkości ruchów. Ponadto opracowane rozwiązanie powinno cechować się elastycznością pozwalającą na dalszą rozbudowę i współpracę z innym wyposażeniem techniczno-technologicznym stanowiska (np. pozycjonery, system bezpieczeństwa, urządzenia podające i odbierające itd.) wraz z możliwością szybkiego przezbrojenia dla innych wersji siedzeń pasażerskich. Głównym celem zaprojektowania i wdrożenia zrobotyzowanego stanowiska do prac tapicerskich jest: - ograniczenie lub likwidacja (w przyszłości) stanowisk ręcznego tapicerowania, spowodowana brakiem pracowników o odpowiednich kwalifikacjach i doświadczeniu, - zwiększenie wydajności z jednoczesnym obniżeniem kosztów produkcji, efektywniejsze wykorzystanie dysponowanego czasu pracy, - zmniejszenie liczby wyrobów wadliwych, - poprawa powtarzalności i jakości końcowej siedzeń pasażerskich, - stabilizacja i rytmiczność procesu produkcji pozwalająca na dokładne planowanie wydajności, - poprawa organizacji i warunków pracy na wydziale tapicerni. Niedogodnością zastosowanego rozwiązania jest potrzeba zatrudnienia w przyszłości dodatkowego personelu, tj. programistów robotów i pracowników utrzymania ruchu o dużo wyższych kwalifikacjach niż pracownicy tapicerni. Poprawne zaprojektowanie zrobotyzowanego stanowiska do prac tapicerskich w celu uzyskania oczekiwanych efektów ekonomicznych i wydajnościowych wymaga przeprowadzenia badań symulacyjnych z uwzględnieniem zakładanych parametrów (np. czasu trwania operacji, ruchów roboczych i jałowych – szybkich ruchów przestawczych manipulatora) oraz uwzględnienia możliwych zakłóceń, np. awarii, przestojów i przerw wynikających np. z braku komponentów do realizacji procesu. Aby badania symulacyjne dały wymierne efekty, powinny być przeprowadzane we wstępnym etapie projektowania, z uwzględnieniem przykładowo wielowariantowej koncepcji stanowiska zrobotyzowanego i wielu scenariuszy cyklu pracy (programów roboczych), co pozwoli ustalić wymagane parametry projektowanego systemu oraz zminimalizować ewentualne koszty późniejszych zmian [5]. Dotychczas modelowanie i symulacja zrobotyzowanych stanowisk produkcyjnych i ich programowanie w trybie offline znajdowały głównie zastosowanie w warunkach produkcji masowej i wielkoseryjnej. Postępujący szybki rozwój systemów komputerowych, metod rozwiązywania algorytmów optymalizacyjnych oraz dostępność profesjonalnego oprogramowania spowodowały, że techniki symulacyjne z powodzeniem zaczęły być stosowane w warunkach produkcji jednostkowej i małoseryjnej [2, 5]. - Proces technologiczny tapicerowania części siedzenia pasażerskiego Proces technologiczny tapicerowania siedzisk i oparć siedzeń pasażerskich jest realizowany przez pracowników – tapicerów. Wszystkie czynności tapicerskie realizowane są ręcznie z zastosowaniem (i to nie zawsze) prostych urządzeń zamocowujących stelaż i tkaninę tapicerską oraz ręcznego pneumatycznego pistoletu do wykonywania połączeń tapicerskich za pomocą zszywek. Większość prac wymaga od pracowników skoor13 1/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu dynowanych umiejętności manualnych głównie przy nakładaniu tkaniny na stelaż siedziska lub oparcia z jednoczesnym zapewnieniem odpowiedniego jej rozłożenia i naciągu oraz wykonania połączenia tapicerskiego. Pracownicy szczególną uwagę muszą zwracać na prawidłowe ułożenie pokrycia tapicerskiego bez jakichkolwiek pofałdowań z równomiernym rozprowadzeniem materiału oraz dokładnym i pewnym wykonaniem połączeń tapicerskich, co ma bezpośrednie odzwierciedlenie w trwałości użytkowej siedzeń w trakcie ich eksploatacji w środkach transportu miejskiego. Praca wykonywana jest w zamkniętej hali produkcyjnej – tapicerni, 5 dni w tygodniu przez 2 – 3 zmiany w zależności od liczby zamówień. Modelowanie i symulacja zrobotyzowanego stanowiska do prac tapicerskich Modelowanie i symulację wydzielonego organizacyjnie stanowiska do prac tapicerskich przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania wspomagającego programowanie robotów w trybie offline G2 PC Tool v2.01 firmy Matsushita-Panasonic Co., Ltd [2, 3]. Głównym celem modelowania i symulacji pracy stanowiska była analiza porównawcza opracowanych modeli symulacyjnych z aktualnie realizowanym procesem tapicerowania oraz wstępne badania symulacyjne możliwej poprawy wydajności z zastosowanym robotem przemysłowym. Zaprojektowany wirtualny model zrobotyzowanego stanowiska do prac tapicerskich przedstawiono na rys. 1. Do przeprowadzenia badań symulacyjnych przyjęto następujące założenia: stanowisko wyposażone jest w 6-osiowego robota przemysłowego PANASONIC TA 1400 o udźwigu 6 kg i dokładności pozycjonowania ± 0,1 mm, - pozycjoner 3-osiowy (G1 – oś główna, G2 i G3 – osie pomocnicze), - prędkości ruchów dla punktu TCP narzędzia: - roboczych – 3,5 m/min (2% prędkości maksymalnej), - jałowych – 15 m/min (8% prędkości maksymalnej), - przestawczych pozycjonera – 100% prędkości maksymalnej, - czynności pomocnicze (m.in. zdjęcie gotowego wyrobu, pozycjonowanie oraz zamocowanie stelaża siedzenia lub oparcia i tkaniny, uruchomienie cyklu pracy) wykonywane są przez pracownika obsługi w trakcie realizacji operacji tapicerowania przez robota przemysłowego. Wyniki z przeprowadzonych analiz według wybranego wariantu konfiguracyjnego i kilku możliwych schematów procesu tapicerowania przedstawiono w tabeli 1. Z przeprowadzonych badań symulacyjnych wynika, że zastosowanie robota przemysłowego do prac tapicerskich niezależnie od schematu przebiegu procesu tapicerowania, tj. cyklu pracy dla siedzenia i oparcia, wynosi około 3 min dla robota wyposażonego w pojedynczą głowicą zszywającą i około 2 min z zastosowaniem głowicy podwójnej. Uzyskane wyniki z badań symulacyjnych potwierdzają możliwość zastosowania robota przemysłowego, który będzie bardziej wydajny niż pracownik – tapicer wykonujący operacje tapicerowania ręcznie średnio w przedziale od 3 do 5 minut w zależności od typu części siedzenia. - Robot przemysłowy – RP Okno programu pracy RP Głowica technologiczna (zszywacz tapicerski) Panel programowania Oś G2 Oś G3 Oś G1 Pozycjoner 3-osiowy Układ sterowania RP Szafa układów I/O, zasilania i bezpieczeństwa Rys. 1. Model zrobotyzowanego stanowiska do prac tapicerskich opracowany w programie G2 PC Tool v2.01 firmy Matsushita-Panasonic Co., Ltd 14 Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2011 Tabela I. Wyniki badań symulacyjnych modelu zrobotyzowanego stanowiska do prac tapicerskich Nr wariantu Schemat procesu tapicerowania siedziska dla jednej pozycji pozycjonera wg osi G1 Liczba pozycji pozycjonera wg osi G1 dla 1. cyklu Liczba pozycji siedziska wg osi G2 (G3) dla 1. pozycji pozycjonera (oś G1) Całkowity czas cyklu dla głowicy z pojedynczym zszywaczem [s] Całkowity czas cyklu dla głowicy z dwoma zszywaczami [s] 1. 2 4 166,877 122,342 2. 2 2 166,405 129,994 3. 2 3 172,444 122,648 4. 2 5 171,399 123,532 5. 2 7 170,633 122,347 Źródło: opracowanie własne na podstawie wykonanych badań symulacyjnych z wykorzystaniem programu G2 PC Tool v2.01 firmy M-P Co., Ltd. 15 1/2011 a) c) Technologia i Automatyzacja Montażu b) d) Rys. 2. Zrobotyzowane stanowisko do prac tapicerskich: a) testowe w LPR ZPT IMT PP wyposażone w robota Panasonic TA 1400, pozycjoner 2-osiowy i podwójny zszywacz tapicerski, b) głowica tapicerska z dwoma zszywaczami, zaprojektowana i wykonana w IMT PP, c) siedzisko po procesie zrobotyzowanego tapicerowania na stanowisku testowym, d) prototypowe w trakcie kompletacji Podsumowanie LITERATURA Przedmiotem opisywanych badań było uzyskanie odpowiedzi dotyczącej celowości robotyzacji procesu tapicerowania i planowanego wdrożenia do praktyki przemysłowej zrobotyzowanego stanowiska. Jak wynika z przedstawionych wyników badań symulacyjnych oraz przeprowadzonych wstępnych prób technologicznych stanowiska testowego i prototypowego, należy się spodziewać poprawy wskaźników niezawodności i efektywności produkcji, co powinno przynieść oczekiwane efekty ekonomiczne i jakościowe oraz przyczynić się do podniesienia konkurencyjności przedsiębiorstwa. 1. Cieniak I.: Roboty w ruch. Polski rynek robotów przemysłowych. Raport. Control Engineering Polska, 1 – 2/2010, str. 24 – 33. 2. Dokumentacja programu G2 PC Tool firmy Matsushita-Panasonic Co., Ltd. Japan 2007. 3. Podręcznik Programowania – Teach Pendant For Standard Arc Welding Industrial Robots – Operating Instructions. Matsushita Welding Systems Co., Ltd., Japan 2007. 4. Wyręczyć człowieka. Nowy Przemysł – Specjalista, nr 1/2005, str. 3 – 6. 5. Zdanowicz R.: Modelowanie i symulacja procesów wytwarzania. WPŚ, Gliwice 2002. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2007 – 2010 jako projekt badawczy. _______________________ Dr inż. Olaf Ciszak jest pracownikiem Zakładu Projektowania Technologii Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej. 16