Robotok a mai gépjárműgyártásban

Az ipari robotok nélkülözhetetlenek a korszerű gyárakban – rengeteg funkciót hajtanak végre, miközben összehangolják feladataikat az automatizálás más formáival. Valójában az 1 billió (1000 milliárd) dollár összértékű gépjárműipar volt az első olyan iparág, amelynek megvoltak az eszközei a robotok széles körű használatára – és a robotikához kapcsolódó technikák fejlesztésére is. Nem csoda, hiszen a gépjárművek, köztük is leginkább a személyautók rendkívül kifinomult, nagy értékű termékek, ezért indokolhatnak olyan gyári beruházásokat, amelyek lehet, hogy csak hosszú évek alatt térülnek meg. Ma már a gépjárműipari gyártóközpontok túlnyomó többsége használ robotokat. Csak az elmúlt két évtizedben a csomagolás, a félvezetőgyártás és egy viszonylag új ágazat, az automatizált raktározás területén is annyira megnövekedett a robotok használata, hogy az már-már vetekszik a gépjárműiparéval.

1. ábra: A gépjárműipar talán minden más ágazatnál jobban ösztönözte a robottechnika (robotika) fejlődését (kép: Getty Images)

Magukban a robotokban és a kiegészítő ipari automatizálási berendezésekben villanymotorok, hidraulikus és hidrodinamikai rendszerek, azonkívül meghajtások, vezérlések, hálózati hardverek, ember–gép kommunikációs felületek (HMI) és szoftverrendszerek, valamint érzékelő, visszajelző és biztonsági alkatrészek találhatók. Ezek az elemek hatékony munkavégzést tesznek lehetővé annak révén, hogy előre programozott rutinokat hajtanak végre, amelyeket könnyen a változó valós idejű körülményekhez lehet igazítani. Egyre inkább elvárás, hogy a robotizált munkacellákat át lehessen állítani úgy, hogy új gépjárműrészegységeket tudjanak gyártani, mert a fogyasztói igények gyorsabban változnak, mint valaha.

Az automatizálás és a robotika szókincsének tisztázása

Az Oxford English Dictionary meghatározása szerint (magyarra fordítva) a robotok „olyan gépek, amelyek összetett mozdulatsorok automatikus végrehajtására képesek, főleg programozható módon”. A helyzetet bonyolítja, hogy ez a meghatározás az automata mosógépektől a CNC szerszámgépekig sok mindenre ráhúzható. Még a robotnak az ISO 8373 szabványban szereplő definíciójába is, miszerint a robot „automatikusan vezérelt, újraprogramozható, többcélú, három vagy több tengely mentén történő mozgásra programozható kezelőszerkezet”, simán belefér akár egy függőleges emelőállomásokkal rendelkező raktári szállítószalag is. Az ilyen gépeket azonban alapból soha nem sorolnánk a robotok közé.

A gyakorlati megkülönböztető jegy, amit érdemes megjegyezni, az, hogy az egyetlen (értsd: nagyon világosan meghatározott) célra, állandó helyen való felhasználásra készült gépeket általában nem tekintjük robotoknak, legalábbis ipari körökben nem. Például egy jellegzetes marógép ugyan nagyszámú összetett programot képes futtatni a különböző alkatrészek megmunkálásához, de úgy tervezték, hogy az orsójára szerelt forgó pengékkel vágja a fémet, és valószínűleg egész élettartama alatt egy helyen marad, biztonságosan rögzítve.

2. ábra: Bizonyos esetekben a robot és a gép közötti különbségtétel azon alapul, hogy az automata szerkezet hogyan néz ki. Egyesek a robotok közé sorolják a gépesített emberi karokhoz hasonló csuklós karokat, és a gépek közé az egymásra merőleges lineáris csúszkákon mozgó automata szerkezeteket (mint a kis alkatrészek összeszerelésére és ellenőrzésére tervezett CT4) (kép: IAI America Inc.)

Néha azonban még ezekben a meghatározásokban is vannak ellentmondások. Az automata gépek, például a CNC szerszámgépek egyre rugalmasabbak, a megmunkálóközpontok a maró- és esztergagépek szerepét is betöltik, és sok ilyen gép érintkezőszondákat és lézerletapogatókat használva az alkatrészek ellenőrzését és mérését is elvégzi. Az ilyen szerszámgépek akár additív (azaz rétegfelhordásos) gyártásra is alkalmassá tehetők. Másrészt a rugalmasnak feltételezett ipari robotokat gyakran speciális, egy adott feladatra – például festékszórásra vagy hegesztésre – tervezett berendezésekként szállítják, és előfordulhat, hogy egész élettartamukat egy gyártósor egy munkacelláján belül töltik.

A lényeg az, hogy a mai gépjárműiparban a robotnak minősített automata rendszerekkel szemben gyakori elvárás, hogy nagyfokú rugalmasságot mutassanak – képesek legyenek (újrabeállítás után) szállítási, válogatási, összeszerelési, hegesztési és festési feladatok elvégzésére, amelyek napról napra változhatnak. Ezektől az ipari robotoktól azt is elvárják, hogy az üzem más területeire is át lehessen őket helyezni, akár gyártási rendszerként való átcsoportosítás és újrabeállítás keretében, akár hetedik tengely menti lineáris pályákon folyamatosan mozgathatóként, hogy egy sorban elhelyezkedő munkacellákat szolgáljanak ki.

Gépjárműipari gyártóüzemekbe szánt robotcsaládok

A gépjárműipari gyártóüzemekben használt robotokat mechanikai felépítésük alapján sorolják be nagyobb kategóriákba, beleértve a csuklótípusukat, a rudazatelrendezésüket és a szabadságfokaik számát.

A legtöbb ipari robot a soros manipulátoros robotok közé tartozik. Az ebbe a kialakítási családba tartozó robotok rudazata lineáris láncot alkot, amelynek egyik végén egy talp, a másik végén pedig valamilyen végberendezés található, és a rudazat mindegyik rúdját egyetlen csukló kapcsolja a következő rúdhoz. Ide tartoznak a csuklós robotok, a SCARA robotok (választott síkban mozgatható csuklós robotkarú (selective compliance articulated robot arm) robotok), az együttműködő hattengelyű robotok, a (lényegében lineáris működtetőelemekből álló) merőleges pályákon mozgó robotok és a (kissé ritka) hengeres robotok.

3. ábra: Az együttműködő robotok egyre gyakrabban fordulnak elő az automatizált raklapozás előnyeit kihasználó 2. szintű gépjárműipari beszállítói létesítményekben (kép: Dobot)

A párhuzamos manipulátoros robotok ott jeleskednek, ahol a berendezéseknek nagy szilárdságra és nagy működési sebességre van szükségük. A csuklós karokkal ellentétben (amelyeket egyetlen rudazatsoron keresztül függesztenek fel a térben) a párhuzamos manipulátorokat rudazatok csoportja vagy csoportjai tartják vagy függesztik fel. Ilyenek például a delta elrendezésű robotok és a Stewart-robotok.

A helyváltoztató robotok olyan kerekes egységek, amelyek anyagokat és raktári elemeket szállítanak a gyárakban és a raktárakban. Használhatók automatizált targoncaként raklapok kiemelésére, mozgatására és polcokra vagy az üzem padlójára helyezésére. Ilyenek például az automata irányított járművek (AGV) és az önjáró robotok (AMR).

Robotok hagyományos használata a gépjárműgyártásban

A gépjárműgyártó üzemekben a robotok hagyományos felhasználási módjai közé tartozik a hegesztés, a festés, az összeszerelés és (az átlagos gépjárműbe bekerülő mintegy 30 000 alkatrész szállítása esetén) az anyagmozgatási feladatok. Nézzük meg, hogy hogyan használják ezeken a területeken az egyes robotaltípusokat.

A csuklós karú hattengelyű robotok olyan soros manipulátoros robotok, amelyeknek minden csuklója forgócsukló. A legelterjedtebb kialakítás a hattengelyű robot, amelynek szabadságfokai lehetővé teszik, hogy a tárgyakat a munkaterületén belül bármilyen helyzetbe és irányba beállítsa. Ezek nagyon rugalmas robotok, amelyek számtalan ipari folyamathoz alkalmasak. Valójában a legtöbb ember lelki szemei előtt a csuklós karú hattengelyű robotok jelennek meg, amikor ipari robotra gondol.

4. ábra: A nagy teljesítményű vonalkódolvasók gyorsan és megbízhatóan dekódolják az 1D és 2D vonalkódokat. Némelyikük robotok végberendezésére szerelhető, hogy lehetővé tegyék elektronikai és gépjárműipari alkatrészek, valamint részegységek kiválasztását (kép: Omron Automation and Safety)

A nagy hattengelyű robotokat gyakran használják gépjárműalvázak hegesztésére és karosszériaelemek ponthegesztésére. A kézi módszerekkel ellentétben a robotok képesek a hegesztési útvonalak pontos, megállás nélküli térbeli követésére, miközben a környezeti viszonyok függvényében alkalmazkodnak a hegesztési varratdudor változó paramétereihez.

5. ábra: A legtöbb ember lelki szemei előtt ezekhez hasonló hattengelyű robotok jelennek meg, amikor ipari robotokra gondol (kép: Kuka)

Máshol a csuklós karú hattengelyű robotok hetedik tengely menti rendszereken közlekednek, hogy alapozást, festést, átlátszó bevonat felvitelét és tömítési műveleteket végezzenek a gépjárművek karosszériáin. Az ilyen megoldásokkal hibátlanul egységes eredményeket lehet elérni, amelyek részben azért olyan megbízhatóak, mert ezeket a folyamatokat jól elszigetelt, a külvilágból származó szennyező részecskéktől hatékonyan védett szórófülkékben végzik. A hattengelyű robotok programozás útján optimalizált szórási útvonalakat követnek a tökéletes kivitelezés érdekében, miközben minimálisra csökkentik a festék nem kívánt helyekre kerülését, valamint a festék- és tömítőanyag-pazarlást. Ráadásul nem kell a gépjárműgyár dolgozóit kitenni a szórással történő anyagfelhordáshoz használt egyes anyagok káros gőzeinek.

6. ábra: A SIMATIC Robot Integrator alkalmazás leegyszerűsíti a robotok automata gépsorokba történő beépítését azáltal, hogy figyelembe veszi a különböző beszállítók robotjainak paramétereit, valamint a különböző szerkezetek geometriáját és szerelési követelményeit. Az így kialakított berendezéseket méretezhető, nagy teljesítményű SIMATIC S7 vezérlőegységek egészítik ki, amelyek beépített be- és kimeneti rendszerrel (I/O) és különböző kommunikációs lehetőségekkel vannak ellátva a különféle rendszerekhez való rugalmas illesztés érdekében (kép: Siemens)

A SCARA robotoknak két forgócsuklójuk van, és a két forgócsukló forgástengelyei párhuzamosak és függőlegesek, így egy mozgási síkban való, X–Y tengely menti helyzetbeállítást tesznek lehetővé. Ezután egy harmadik, lineáris tengely teszi lehetővé a Z tengely menti (fel-le) irányú mozgást. A SCARA robotok viszonylag kis költségű megoldások, amelyek szűk helyeken is kiválóan használhatóak – még úgy is, hogy gyorsabb mozgást végeznek, mint a velük egyenértékű, merőleges pályákon mozgó robotok. Nem csoda, hogy a gépjárműipar elektronikai és villamossági rendszereinek gyártásához SCARA robotokat használnak, beleértve a klímaberendezést, a mobil eszközök csatlakoztatását, a hangtechnikai és képi megjelenítő rendszereket, a szórakoztórendszert és a navigációt. Ezeken a területeken a leggyakrabban SCARA robotokat használnak a rendszerek gyártásához szükséges pontos anyagmozgatási és összeszerelési feladatok elvégzésére.

A merőleges pályákon mozgó robotoknak legalább három lineáris tengelyük van egymás fölött elhelyezve, hogy X, Y és Z tengely menti mozgást tudjanak végezni. A gyakorlatban a 2. szintű gépjárműipari beszállítók néhány merőleges pályákon mozgó robotot használnak a végtermékek minőségének és egységességének ellenőrzésére CNC szerszámgépek, 3D nyomtatók és koordinátamérő gépek (CMM, coordinate measurement machine) formájában. Ha ezeket a gépeket is belevesszük a számításba, akkor könnyen meglehet, hogy a merőleges pályákon mozgó robotok a legelterjedtebb ipari robotok az ágazatban. Mint korábban említettük, a merőleges pályákon mozgó gépeket gyakran csak akkor nevezik robotoknak, ha nem szerszámok mozgatására, hanem munkadarabok kezelésével járó műveletekre használják őket – például összeszerelésre, felszedésre és elhelyezésre vagy raklapozásra.

A gépjárműiparban használt másik merőleges pályákon mozgó robotváltozat az automata portáldaru. Ezek nélkülözhetetlenek például az olyan rögzítési és összeillesztési folyamatokhoz, amelyek megkövetelik a részben elkészült járművek futóművéhez való hozzáférést.

A robotok új és újszerű felhasználása a gépjárműgyártásban

A hengeres robotok kis méretű és gazdaságos robotok, amelyek három tengely menti helyzetbeállítást tesznek lehetővé a talpon egy forgócsuklóval, valamint két lineáris tengellyel a magasság beállításához és a kar kinyújtásához. Különösen alkalmasak gépek kiszolgálására, csomagolásra és gépjárműalkatrészek raklapozására.

A korábban említett hattengelyű együttműködő robotoknak (az angol collaborative robot kifejezésből alkotott mozaikszóval: cobot) ugyanolyan az alapvető rudazatkialakításuk, mint a nagyobb ipari változatoknak, de rendkívül kis méretű és beépített villanymotoros mozgatással vannak ellátva minden egyes csuklónál, jellemzően fogaskerekes vagy közvetlen meghajtás formájában. A gépjárműiparban a konzolok, tartók és bonyolult geometriájú kiegészítőkeretek hegesztésére használják őket. Az előnyeik közé tartozik a nagy pontosság és ismételhetőség.

A delta elrendezésű robotoknak vagy röviden delta robotoknak három karjuk van, amelyeket forgócsuklókon keresztül mozgatnak a talpról – amely függesztett elrendezések esetén gyakran a mennyezetre van szerelve. Minden kar végére egy-egy csuklóval ellátott paralelogramma van szerelve, és ezen paralelogrammák mindegyike hozzá van kapcsolva a végberendezéshez. Ezáltal a delta elrendezésű robot három egyenes vonalú szabadságfokot kap, miközben a végberendezés soha nem fordul el a talphoz képest. A delta elrendezésű robotok rendkívül nagy gyorsulásra képesek, így rendkívül hatékonyak a kis méretű gépjárműipari kötőelemek és villamos alkatrészek válogatásával és egyéb mozgatásával járó feladatok során szükséges felszedési és elhelyezési műveletekben.

A Stewart-platformok (más néven hexapodok, hatlábú robotok) egy háromszög alakú talpból és egy háromszög alakú végberendezésből állnak, amelyeket hat lineáris működtetőelem köt össze egy oktaéderben (nyolcszögben). Ez hat szabadságfokot tesz lehetővé rendkívül merev szerkezettel. A szerkezet méretéhez képest azonban a mozgástartomány viszonylag korlátozott. A Stewart-platformokat mozgásszimulációra, nagy pontosságú mobil megmunkálásra, daruk mozgáshelyesbítésére és nagy sebességű rezgéskiegyenlítésre használják precíziós fizikai és optikai ellenőrzési eljárásokban, beleértve a járművek felfüggesztőrendszerének ellenőrzését is.

Az automata irányított járművek (AGV, automated guided vehicles) meghatározott útvonalakat követnek, amelyeket a padlóra festett vonalak, a padlóra fektetett vezetékek vagy más irányjelzők jelölnek. Az automata irányított járműveknek jellemzően el vannak látva bizonyos fokú intelligenciával, így megállnak és elindulnak, hogy elkerüljék az ütközést egymással és az emberekkel. Kiválóan alkalmasak a gépjárműipari gyártóüzemek anyagszállítási feladatainak ellátására.

Az önjáró robotok (AMR, autonomous mobile robot) nem igényelnek kijelölt útvonalakat, és kifinomultabb döntéseket tudnak hozni, mint az automata irányított járművek. Különösen hasznosak az autógyártók kiterjedt raktáraiban, és jellemzően lézerletapogatók és tárgyfelismerő algoritmusok segítségével érzékelik a környezetüket, így valósítva meg a kötetlen mozgáshoz szükséges navigációt. Ha ütközésveszélyt érzékelnek, az önjáró robotok ahelyett, hogy megállnának és várakoznának, mint az automata irányított járművek, egyszerűen megváltoztatják a pályájukat, és kikerülik az akadályokat. Ez az alkalmazkodóképesség jelentősen hatékonyabbá és rugalmasabbá teszi az önjáró robotokat a gépjárműipari üzemek rakodódokkjaiban.

Összegzés

A gépjárműipar az elmúlt 30 évben hatalmas fejlesztéseket ösztönzött a robotika területén, és ez a tendencia a villanyjárművek (EV, electric vehicle) piacának fellendülésével csak tovább folytatódik. Az iparág elkezdte használni a mesterséges intelligencia és gépi látás új megvalósítási formáit is, hogy javítsák a robotikai berendezések minden felhasználási módját.