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