PODSTAWY ROBOTYKI

JW 9

Metodyka wprowadzania robotów do przemysłu

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie _________________________________________________________

_ 3

2.

Aspekty organizacyjno - techniczne przedsięwzięcia robotyzacyjnego

4

2. 1. Techniczno-organizacyjna metodyka przedsięwzięcia robotyzacyjnego

4

2. 2. Podatność procesu produkcyjnego na robotyzację _____________________________

7

2. 2. 1. Podatność

gospodarcza_________

_________________________________________________7

2. 2. 2. Wymagania organizacyjno-techniczne produkcji

8

2. 2. 3. Robotyzacja na różnych etapach rozwoju techniki produkcyjnej

9

2. 2. 3. 1. Produkcja jednostkowa i małoseryjna

9

2. 2. 3. 2. Produkcja seryjna

11

2. 2. 3. 3. Komputerowe systemy wytwarzania

17

2. 2. 4. Podatność organizacyjno-techniczna

18

2. 3. Techniczno-organizacyjne przygotowanie robotyzacji

21

2. 3. 1. System roboczy

23

2. 3. 2. System transportowy i urządzenia zasobnikowe

24

2. 3. 3. Wybór maszyny manipulacyjnej

25

2. 3. 4. Plan organizacyjny robotyzowanego procesu _____________________________

27

2. 3. 5. Bezpieczeństwo pracy z maszynami manipulacyjnymi 30

3. Aspekty ekonomiczne przedsięwzięcia robotyzacyjnego

32

3. 1. Katalog składników oceny efektywności ekonomicznej

33

3. 2. Składniki kosztów produkcji 33

3. 2. 1. Produkcja konwencjonalna33

3. 2. 2. Produkcja zrobotyzowana 34

3. 3. Składniki efektu ekonomicznego produkcji zrobotyzowanej

36

3. 4. Kryteria oceny efektywności ekonomicznej

36

3. 5. Wskaźniki oceny efektywności ekonomicznej
________________________________ 37

3. 5. 1. Oszczędność pracy żywej
______________________________________________ 37

3. 5. 2. Oszczędność kosztu wytwarzania

38

3. 5. 3. Efektywność nakładów inwestycyjnych

38

1. Wprowadzenie

Dzisiejsze czasy nastawione są na wysoki rozwój i wydajność oraz dodatni wynik

ekonomiczny. Tym samym kładzie się duży nacisk na usprawnienie procesów

produkcyjnych. Naprzeciw tym potrzebom wychodzi automatyka i robotyka. Jednakże

samo zagadnienie i celowość wprowadzania zaproponowanych rozwiązań jest dość

skomplikowana pod względem analizy techniczno-ekonomicznej.

Początki rozwoju techniki robotyzacyjnej często spotykały się z przypadkami

nieudanych wdrożeń maszyn manipulacyjnych. Był to efekt braku doświadczania

zarówno ze strony producentów, jak i przede wszystkim użytkowników. Nie wystarczy

bowiem rozwiązać pomyślnie problemów techniczno–organizacyjnych wprowadzenia

maszyny manipulacyjnej do procesu produkcyjnego, ale również przedstawić dowody

dodatnich efektów ekonomicznych. Z kolei pozytywny rezultat analizy ekonomicznej nie

jest równoznaczny z techniczno-organizacyjną możliwością robotyzacji, nie mówiąc już o

warunkach akceptacji nowej techniki przez załogi przedsiębiorstw. Stan taki wynika z

kilku przyczyn. Pierwszą i najbardziej istotną jest pojmowanie samego słowa “robot”

przez społeczeństwo. Mimo sporej już liczby wdrożeń w przemyśle nadal często,

zwłaszcza w przypadkach pierwszych wdrożeń, mylnie zakłada się, że maszyna

manipulacyjna po dostawieniu do istniejącego stanowiska przejmie całość zadań

wykonywanych przez człowieka. W praktyce bowiem niezbędne są działania

przygotowawcze robotyzacji. Obejmują one właściwie wszystkie systemy procesu

wytwarzania, szczególnie system roboczy, transportowy oraz kontroli i nadzoru przebiegu

procesu. Działania racjonalizacji przedrobotyzacyjnej wiążą się oczywiście z

koniecznością poniesienia nakładów finansowych. Zawierają się one w zakresie od części

kosztu maszyny manipulacyjnej, aż po kilkakrotną jej wartość, w odniesieniu do

pojedynczego stanowiska produkcyjnego. Działania przygotowawcze są tym większe, im

mniej zracjonalizowany (zmechanizowany, zautomatyzowany) jest sam proces

produkcyjny. Faza realizacyjna i eksploatacyjna również wymaga pewnych dodatkowych

działań np. zmiana stanu zatrudnienia i poziomu wykształcenia tej części załogi, która ma

obsługiwać robotyzowany proces oraz działania zapewniające bezpieczeństwo pracy

maszynami manipulacyjnymi. Sam proces automatyzacji polega przede wszystkim na

zastępowaniu pracy “żywej" — fizycznej człowieka i nie jest zasadniczo niezbędny do

optymalizacji procesu produkcyjnego w rozumieniu np. istotnych zmian jakości

produktu, oszczędności energii i materiałów, wyraźnego zwiększenia produkcji czy

wprowadzenia nowych metod wytwarzania. Niektóre z wymienionych działań mogą być

wręcz sprzeczne z koncepcją robotyzacji, jak np. oszczędność energii lub łatwiej

osiągalne przez inne działania modernizacyjne: technologiczne, organizacyjne i tech-

niczne, wykorzystujące nadal pracę człowieka.

Ograniczenie czynnika ludzkiego w pracy produkcyjnej umożliwiają nie tylko maszyny

manipulacyjne, ale także konwencjonalnie zautomatyzowane maszyny i urządzenia

technologiczne oraz specjalne urządzenia transportowo-robocze o stałym programie

pracy, jak np. linio obróbkowe złożone z obrabiarek zespołowych czy linie montażowe

karoserii samochodowych. Kryterium wyboru jest zmienność programu produkcyjnego, a

więc “sztywność" i “elastyczność" sposobu produkowania, związana z wielkością i

seryjnością produkcji.

Wprowadzanie i upowszechnianie nowych technik i technologii w istotny sposób

wpływa na ekonomiczne i socjalne aspekty działalności człowieka. Obok zjawisk

pozytywnych ujawniają się również efekty negatywne, zmniejszające na ogół korzyści

płynące z wprowadzenia nowości. Niestety wraz ze wzrostem nakładów na nową

technologię maleją możliwości jej wycofania w przypadku niekorzystnego rozwoju

wydarzeń, a skompensowanie negatywnych wpływów wymaga dalszych nakładów. Nie

zawsze jednak możliwe jest zniwelowanie strat, szczególnie gdy problemy mają

znaczenie socjalne. Dlatego wszystkie duże projekty produkcyjno-technologiczne

wymagają dokładnej analizy systemowej możliwych następstw już w fazie wstępnego

planowania.

2. Aspekty organizacyjno - techniczne przedsięwzięcia robotyzacyjnego

Decyzja o wprowadzeniu robotów do danego segmentu przemysłu zawsze powinna

być poprzedzona dogłębna analizą możliwości jej realizacji. Znaczącymi aspektami

decydującymi o powodzeniu danego przedsięwzięcia są zagadnienia organizacyjno –

techniczne.

2. 1. Techniczno-organizacyjna metodyka przedsięwzięcia robotyzacyjnego

Przedsięwzięcie robotyzacyjne można podzielić na trzy fazy: decyzyjną,

inwestycyjną i eksploatacyjną.

Faza decyzyjna obejmuje:

1) analizę konwencjonalnie prowadzonego lub nowo projektowanego procesu

produkcyjnego pod kątem podatności robotyzacyjnej, w tym: gospodarczej,

organizacyjno-technicznej, manipulacyjnej obiektów i urządzeń technologicznych, oraz

obciążeń człowieka w produkcji konwencjonalnej;

2) studium projektowe oparte na wykonanej analizie, obejmujące określenie sposobu

współdziałania systemu roboczego produkcji z systemem transportowym półproduktów,

materiałów i narzędzi, systemem kontroli i nadzoru, odprowadzania odpadów i zasilania

w energię, z uwzględnieniem możliwości robotyzacji systemu manipulacyjnego; winno

ono uwzględniać kolejno analizowane:

a) rozwiązania organizacyjne, w tym:

— określenie sposobu realizacji programu produkcyjnego,

— wybór schematu organizacyjnego,

b) rozwiązania techniczne, w tym:

— określenie wymagań manipulacyjnych (wybór maszyn manipulacyjnych),

— określenie wymagań na obiekt manipulacji (produkt oraz półprodukt w jego

kolejnych fazach produkcyjnych),

— określenie wymagań technicznych na maszyny i urządzenia (technologiczne)

systemu roboczego procesu,

— określenie wymagań technicznych na urządzenia pozostałych systemów procesu,

szczególnie urządzenia transportowo-magazynujące oraz kontrolno-nadzorujące,

— określenie sposobu i zakresu sterowania centralnego i cząstkowego (stanowisk

względnie poszczególnych grup maszyn i urządzeń),

— określenie sposobu zabezpieczenia obsługi stanowisk zrobotyzowanych i załogi

produkcyjnej przed zagrożeniami powodowanymi przez maszyny manipulacyjne;

3) decyzje o realizacji przedsięwzięcia robotyzacyjnego.

Faza inwestycyjna obejmuje:

1) projekt techniczno-organizaeyjny:

a) założenia organizacyjne robotyzowanego procesu, w tym wydzielenie operacji,

stanowisk lub ciągów produkcyjnych prowadzonych w sposób konwencjonalny i

zrobotyzowany,

b) projekt zmian konstrukcyjnych i technologicznych produktu pod kątem

wytwarzania go w procesie robotyzowanym,

c) plan przestrzenny poszczególnych robotyzowanyeh stanowisk i ciągów

produkcyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem miejsca ustawienia maszyn

manipulacyjnych względem maszyn i urządzeń produkcyjnych i pomocniczych,

d) projekty zmian konstrukcyjnych i sterowniczych maszyn i urządzeń procesu w celu

przystosowania ich do współpracy z maszynami manipulacyjnymi.

e) projekty specjalnych urządzeń robotyzowanego procesu, w tym chwytaków,

narzędzi, interfejsu sterującego, urządzeń i układów sensorycznych,

f) projekt centralnego systemu sterowania procesem oraz układów sterowania grupami

stanowisk, maszyn i urządzeń procesu lub założenia wykorzystania do tego celu

układów sterowania maszyn manipulacyjnych,

g) projekt urządzeń i systemów zabezpieczających obsługę stanowisk

zrobotyzowanych i załogę produkcyjną przed zagrożeniami ze strony

zrobotyzowanych stanowisk,

h) projekty układów i sieci zasilających w energię i media pomocnicze (np. w wodę

chłodzącą) maszyny manipulacyjne i urządzenia pomocnicze;

2) przygotowania techniczne i kadrowe przedsięwzięcia składające się z:

a) zamówienia maszyn manipulacyjnych, handlowych maszyn i urządzeń

pomocniczych, układów sterujących, pomiarowych, zasilających, narzędzi itd.,

b) zlecenia wykonania specjalnych urządzeń, układów, zespołów, chwytaków,

narzędzi itp.,

c) oprzyrządowania maszyn i urządzeń technologicznych procesu w układy napędowe,

pomiarowe i sterujące w celu przystosowania ich do współpracy z maszynami

manipulacyjnymi i urządzeniami pomocniczymi,

d) kompletacji maszyn manipulacyjnych oraz handlowych i specjalnych maszyn i

urządzeń pomocniczych (próby, odbiory),

e) wytypowania i szkolenia personelu operatorskiego ze szczególnym uwzględnieniem

programowania, bieżącej obsługi i nadzoru maszyn manipulacyjnych,

f) przeszkolenia personelu naprawczego w zakresie budowy, przeglądów i napraw

maszyn manipulacyjnych i urządzeń pomocniczych,

g) przeszkolenia i przesunięcia zbędnej w robotyzowanym procesie części załogi

produkcyjnej na inne miejsca pracy,

h) przeszkolenia załogi produkcyjnej procesu lub załogi stykającej się z procesem w

zakresie bezpieczeństwa pracy z maszynami manipulacyjnymi,

3) realizację techniczną przedsięwzięcia obejmującą:

a) wykonanie fundamentów pod maszyny manipulacyjne, urządzenia pomocnicze oraz

w przypadku ewentualnej zmiany miejsca ustawienia pod maszyny i urządzenia

technologiczne w robotyzowanych stanowiskach i ciągach produkcyjnych,

b) zabudowę i montaż maszyn manipulacyjnych, urządzeń pomocniczych, układów

sterowania, sieci zasilających i pomiarowo-sterujących itp. w robotyzowanych

stanowiskach i ciągach produkcyjnych,

c) rozruch, próby i odbiory poszczególnych zrobotyzowanych stanowisk i ciągów

produkcyjnych;

4) odbiór inwestycji — podjęcie decyzji o uruchomieniu eksploatacji produkcyjnej.

Faza eksploatacyjna obejmuje:

1) przygotowanie przezbrojenia jednostek kinematycznych maszyn manipulacyjnych,

technologicznych i urządzeń pomocniczych oraz zaprogramowanie maszyn

manipulacyjnych, centralnego systemu sterowania procesem i układów sterowania

grupami stanowisk, maszyn i urządzeń dla każdego kolejno uruchamianego programu

produkcyjnego;

2) rejestrację nastaw oraz uzupełnianie biblioteki programów po każdorazowo

uruchomionym nowym programie produkcyjnym w celu skracania czasu przezbrajania

przy przyszłych zmianach programu produkcyjnego;

3) analizowanie parametrów jakościowych produktów i parametrów ekonomicznych

procesu dla ewentualnego wprowadzenia korekt nastaw i programów sterowania maszyn

manipulacyjnych, technologicznych i urządzeń pomocniczych;

4) wykonywanie nakazanych przez producenta bieżących czynności obsługowych maszyn

manipulacyjnych i urządzeń pomocniczych, prowadzenie rejestracji przeglądów,

uszkodzeń, napraw i remontów.

Szczególnie istotny wpływ na wielkość efektów przedsięwzięcia robotyzacyjnego

mają działania w fazie decyzyjnej.

Do działań uważanych za podstawowe dla powodzenia robotyzacji zalicza się :

— analizy podatności procesu na robotyzację;

— studium projektowe adaptacji urządzeń i maszyn technologicznych dla pracy w

układzie zrobotyzowanym oraz dodatkowych urządzeń, oprzyrządowania procesu oraz

wyboru koncepcji i techniki sterowania zrobotyzowanym stanowiskiem lub ciągiem

produkcyjnym

— studium projektowe organizacji robotyzowanego procesu ze szczególnym

uwzględnieniem problematyki wyboru maszyny manipulacyjnej, przestrzennego

ukształtowania (planu) robotyzowanego stanowiska lub ciągu produkcyjnego oraz

zabezpieczenie obsługi procesu i załogi produkcyjnej przed zagrożeniami ze strony

maszyn manipulacyjnych.

2. 2. Podatność procesu produkcyjnego na robotyzację

2. 2. 1. Podatność gospodarcza

Podatność gospodarcza danego procesu produkcyjnego na robotyzację jest tym

większa, im większy jest potencjał gospodarczy gałęzi przemysłu, z którym proces ten

jest związany, a tym samym większe są możliwości finansowania przedsięwzięć

robotyzacyjnych i im mniejsza jest efektywność ekonomiczna produkcji wytworzonej

przez jednego zatrudnionego, tzn. im większe mogą być potencjalne korzyści wynikające

z przesunięcia zatrudnionych w tymże procesie (przedsiębiorstwie, wydziale produkcyj-

nym) do innych procesów (przedsiębiorstw, wydziałów produkcyjnych)

charakteryzujących się większą efektywnością wytwarzania.

Uwzględniając potencjalne możliwości finansowania przedsięwzięć ro-

botyzacyjnych i korzyści mogące stąd wyniknąć, godnymi penetracji pod kątem

poszukiwania zastosowań maszyn manipulacyjnych winny być w kraju procesy

produkcyjne związane z przemysłami:

1) węglowym, włókienniczym, drzewnym, odzieżowym, materiałów budowlanych,

skórzanym, wyrobów metalowych powszechnego użytku, wyrobów metalowych dla

przemysłu, maszyn i urządzeń energetycznych, wyrobów elektrotechnicznych,

2) odlewniczym, elektronicznym, szklarskim, obrabiarkowym, okrętowym i

energetycznym.

Należy pamiętać, że decyzji o rozpoczynaniu robotyzacji procesów produkcyjnych

w danej gałęzi przemysłu nie można opierać wyłącznie na podstawie obserwowanych

postępów robotyzacji tej gałęzi w innym systemie gospodarczym. Postępowanie takie

może być obarczone poważnym błędem, wynikającym z nieuwzględnienia różnic sytuacji

gospodarczej branego pod uwagę przemysłu w obydwu porównywanych systemach. Tezę

tę wspierają także analizy procentowego nasycenia maszynami manipulacyjnymi tych

samych procesów produkcyjnych w różnych krajach o zaawansowanej technice

robotyzacyjnej. Różnice te wynikają przede wszystkim ze zróżnicowanej gospodarczej

podatności na robotyzację przemysłów, z którymi w danym kraju związane są

wymieniono procesy produkcyjne.

2. 2. 2. Wymagania organizacyjno-techniczne produkcji

Proces produkcyjny jest uporządkowanym zgodnie z technologią wytwarzania

zbiorem operacji roboczych. W ich wyniku przy użyciu narządzi i energii materiały

produkcyjne ulegają przemianom pod względem kształtu i właściwości. Część z nich

zostaje usunięta jako odpad produkcyjny, pozostała staje się półproduktem o stopniowo

wzbogacanej formie i wreszcie końcowym produktem procesu.

W każdej z elementarnych czynności składających się na operację roboczą można

wyróżnić trzy fazy: spostrzeganie (działania sensualne), decydowanie (działanie

intelektualne) oraz lokomocję – manipulację – obróbkę (działania energetyczne).

Zaangażowanie maszyn oraz ludzi do czynności wykonywanych ręcznie w

procesie produkcyjnym jest obecnie bardzo zróżnicowane. Udział tych czynników zależy

zarówno od ogólnego stopnia racjonalizacji procesu, jak i rodzaju operacji roboczej w

konkretnym ciągu produkcyjnym. Dotychczas mechanizacji i automatyzacji uległy

czynności produkcyjne o zdecydowanej nierównowadze wymienionych trzech typów

działań. Możliwe były dwa przypadki:

1) gdy w operacji roboczej przeważały lub, co korzystniejsze, występowały wyłącznie

tylko działania o charakterze informacyjnym lub energetycznym; następstwem była np.

komputeryzacja sfery przygotowania produkcji, automatyzacja systemów regulacji i

sterowania sfery wytwarzania, mechanizacja systemu roboczego;

2) gdy z bloku czynności operacji roboczej udało się wydzielić te, które charakteryzują

się jednorodnością działania, a więc także łatwością automatyzacji, a pozostałe

zintegrować w samodzielną operację roboczą lub połączyć z innymi operacjami, nadal

wykonywanymi ręcznie.

Czynności produkcyjne charakteryzujące się równowagą spostrzegania,

decydowania oraz kształtowania złożonych ruchów lokomocyjno-manipulacyjnych, a

więc nie rozdzielnym spleceniem działań informacyjnych i energetycznych, pozostały

domeną pracy człowieka. Działania informacyjne mogą decydować często na równi z

działaniem energetycznym i czynnościami lokomocyjno-manipulacyjnymi o stopniu

trudności robotyzacji danej operacji roboczej.

Cechą charakterystyczną współczesnej produkcji przemysłowej jest występowanie

w zasadzie wszystkich etapów rozwoju techniki produkcyjnej, od jednostkowej,

rękodzielniczej, przez seryjną, aż do systemów komputerowego wytwarzania. Różnicuje

to odpowiednio zadania, jakie powinna przejąć maszyna manipulacyjna.

2. 2. 3. Robotyzacja na różnych etapach rozwoju techniki produkcyjnej

2. 2. 3. 1. Produkcja jednostkowa i małoseryjna

Na najniższym rozwojowo etapie produkcji, w produkcji jednostkowej i

małoseryjnej o typie rękodzielniczym (produkty jednostkowe, modele, serie prototypów,

specjalne narzędzia itp.), ciąg technologiczny czynności roboczych prowadzących do

wytworzenia wyrobu jest wykonywany przez jednego robotnika lub grupę

współpracujących ze sobą robotników w obrębie najczęściej jednego lub rzadziej kilku

stanowisk roboczych. Niezbędne do wykonywania wyrobu są czynności:

— lokomocyjno–transportowe — pobranie i przetransportowanie w obrębie stanowiska

roboczego materiałów, narzędzi, usunięcie odpadów produkcyjnych i

odtransportowanie gotowego wyrobu;

— manipulacyjne — przemieszczanie i pozycjonowanie obrabianego przedmiotu i

narzędzi w przestrzeni roboczej maszyn i urządzeń technologicznych;

— obróbkowe — osiągnięcie podstawowego celu procesu, tzn. przekształcenie formy

prostszej wyrobu w formę wzbogaconą;

— kontrolno–pomiarowe — sprawdzenie poprawności wykonania czynności

obróbkowych z reguły przez kontrolę założonych parametrów wyrobu w trakcie lub po

wykonaniu wymienionych czynności;

— nadzorcze — ogólna kontrola stanu oraz funkcjonowania narzędzi, urządzeń i maszyn

technologicznych, włączając czynności nastawiania, uzupełniania materiałów

eksploatacyjnych itp.

Każda z wymienionych grup czynności technologicznych wymaga jednoczesnego

zaangażowania działań o charakterze sensualnym, intelektualnym oraz energetycznym.

Niektóre z czynności technologicznych są wykonywane bezpośrednio, za pomocą

nieuzbrojonych rąk, zmysłów i intelektu robotnika, który spełnia rolę uniwersalnego

obserwatora, decydenta, źródła energii, środka ruchu i narzędzia (np. wyszukiwanie i

chwytanie właściwych elementów w kontenerze transportowym, większość czynności

przemieszczania, pozycjonowania i mocowania przedmiotów obróbki w przestrzeni

roboczej stanowiska i urządzeń technologicznych, czynności obróbkowe i montażowe);

inne czynności wykonywane są pośrednio, tzn. za pomocą uniwersalnych i specjalnych

narzędzi, ale ruchy robocze tych narzędzi lub przedmiotu obróbki napędzane są siłą

mięśni robotnika (np. kucie, spawanie, zgrzewanie, malowanie, skręcanie śrubami),

którego działanie ograniczone zostaje do roli uniwersalnego obserwatora, decydenta,

ź

ródła energii i środka ruchu; pozostałe czynności wykonywane są także pośrednio, ale

przy użyciu zmechanizowanych maszyn i urządzeń technologicznych, sterowanych

przemieszczeniami dźwigni, przycisków i przełączników (np. przeważająca część

procesów obróbki skrawaniem, odlewanie ciśnieniowe, wytłaczanie), co jeszcze bardziej

ogranicza działania człowieka, sprowadzając jego rolę głównie do uniwersalnego

obserwatora, decydenta i środka ruchu;

Użytkowe działania energetyczne człowieka, związane z wykonywaniem

czynności technologicznych w tym typie produkcji mają charakter zarówno

lokomocyjno–transportowy (ruchy globalne), jak i manipulacyjno–wysięgnikowy (ruchy

regionalne i lokalne) o silnie zróżnicowanej wartości energii mechanicznej niezbędnej do

ich realizacji.

Powyższa analiza wskazuje, iż maszyna, która byłaby zdolna do przejęcia działań

człowieka w produkcji jednostkowej i małoseryjnej typu rękodzielniczego, a więc w

przypadku ekstremalnym zadań “uniwersalnego obserwatora, decydenta, źródła energii,

ś

rodka ruchu i narzędzia", musiałyby być maszyną o charakterze antropomorficznym. Jest

to podstawowe ograniczenie i przeszkoda w pełnej robotyzacji tego typu produkcji.

Nie wyklucza to jednak celowości wprowadzenia do produkcji jednostkowej i

małoseryjnej ręcznie sterowanych maszyn manipulacyjnych, serwo- i teleoperatorów.

Maszyny te mają zapewnioną, przez włączenie człowieka w ich sterowanie, autonomię

działań sensualnych i intelektualnych, a zadaniem ich byłoby wspomaganie działań

energetyczno--ruchowych człowieka lub odsuniecie go od strefy zagrożenia zdrowia lub

ż

ycia.

2. 2. 3. 2. Produkcja seryjna

W produkcji seryjnej poszczególne operacje obróbkowe procesu produkcyjnego

są wykonywane na wyspecjalizowanych stanowiskach ułożonych w ciąg technologiczny

systemu roboczego. Przepływy materiałów i narzędzi w ciągu stanowisk systemu

roboczego zapewnia wydzielony system transportowy produkcji. Do podstawowych

zadań tego systemu należy:

— dostarczenie niezbędnych do wytwarzania na danym stanowisku materiałów

produkcyjnych, eksploatacyjnych i narzędzi;

— przemieszczanie, zgodnie z technologią wytwarzania, półproduktów między

poszczególnymi stanowiskami produkcyjnymi;

— odprowadzenie powstających w procesie wytwarzania odpadów produkcyjnych,

eksploatacyjnych oraz zużytych narzędzi.

Oba systemy, tzn. roboczy i transportowy, sprzęga w jednolity system wytwarzania

system manipulacyjny. Inne czynności produkcyjne, jak np. kontrolno-pomiarowe czy

nadzorczo-eksploatacyjne, w zależności od stopnia organizacji systemu wytwarzania,

przejęły systemy równie wyspecjalizowane jak wymienione, bądź zostały pozostawione

do realizacji na poszczególnych stanowiskach obróbkowych. W pierwszym przypadku

część z tych zadań, najczęściej kontrolno-pomiarowe, wykonywana jest na stanowiskach

włączonych w ciąg technologiczny systemu roboczego, zorganizowanych całkowicie

analogicznie jak stanowiska obróbkowe.

W konwencjonalnym systemie seryjnego wytwarzania zadania systemu

manipulacyjnego wypełnia człowiek. Dzięki wprowadzeniu oddzielnego systemu

transportowego i przejęciu przez niego czynności transportowo-lokomocyjnych,

realizacja tych zadań jest umiejscowiona w przestrzeni roboczej stanowiska

produkcyjnego i wymaga od człowieka lub maszyny mającej robotyzować jego

działalność wypełnienia funkcji w zasadzie wyłącznie wysięgnikowo-manipulacyjnych

(ruchy regionalne i lokalne). Ograniczone funkcje lokomocyjne niezbędne są tylko w

działaniach pomocniczych, np. obsługi kilku przestrzennie odległych urządzeń

produkcyjnych lub jako ruch synchronizacyjny w stosunku do przemieszczającego się w

obrębie stanowiska produktu.

Zadania systemu manipulacyjnego w produkcji seryjnej mogą mieć trojaki

charakter (rys. 2.1): transportowy (rys. 2.1a), obsługowy (załadowczo-wyładowczy, rys.

2.1b), technologiczny (obróbkowy, rys. 2.1c). W pierwszym przypadku zadania systemu

są identyczne jak pewne wybrane funkcje systemu transportowego, np. sprzęganie

różnych ciągów systemu transportowego lub systemu transportowego z innymi systemami

produkcji, także z właściwym dla danego stanowiska produkcyjnego systemem

manipulacyjnym.

Zadanie systemu manipulacyjnego ma charakter technologiczny, jeśli podstawowe

operacje obróbkowe w konwencjonalnym systemie seryjnego wytwarzania są

wykonywane na danym stanowisku ręcznie. W przypadku robotyzacji stanowiska,

maszyna manipulacyjna przejmuje zadania systemu roboczego. Zadania te mogą być

wykonywane przez maszyny manipulacyjną w dwojaki sposób:

— jako operacja przedmiotem obróbki względem rozmieszczonych w przestrzeni

roboczej stanowiska narzędzi lub urządzeń technologicznych;

— jako operacja narzędziem względem zamocowanego lub przemieszczanego w

kontrolowany sposób w przestrzeni roboczej stanowiska przedmiotu obróbki.

W obydwu przypadkach, tzn. manipulacji przedmiotem lub narzędziem, maszyna może

wykonywać zarówno główne, jak i pomocnicze ruchy robocze, co oczywiście narzuca

określone wymagania energetyczno-wytrzymałościowe na jednostkę kinematyczną, bądź

też ograniczać się do wykonywania tylko ruchów pomocniczych, podczas gdy ruchy

główne będą wykonywane przez urządzenia technologiczne stanowiska.

W stosunku do zadań typu transportowego i technologicznego, zadanie obsługowe

ma charakter wtórny. W zadaniu tym występują w odpowiednich proporcjach zarówno

pierwiastki transportowe, jak i technologiczne. Typowe zadanie obsługowe maszyn i

urządzeń składających się na stanowisko produkcyjne obejmuje właściwie dwie grupy

czynności produkcyjnych:

— załadowczo–wyładowcze (o charakterze transportowym), sprzęgające system

transportowy produkcji z systemem roboczym.

— nadzorczo–synchronizacyjne (o charakterze technologicznym) pracy maszyn i

urządzeń systemu roboczego (np. uruchamianie czynności mocujących, obróbkowych,

kontrolnych), sterowania stanem pracy maszyn i urządzeń technologicznych linii lub

gniazda produkcyjnego oraz stanem pracy urządzeń systemu transportowego.

W produkcji seryjnej, na jej współczesnym etapie zorganizowania i

oprzyrządowania, zadania manipulacyjne nie są w rzeczywistości wyłącznie zadaniami

podstawowymi, tzn. transportowymi lub technologicznymi. Są to w większości

przypadków zadania o charakterze obsługowym, których punkt ciężkości zależnie od

technologii wytwarzania i konkretnej operacji roboczej na danym stanowisku

produkcyjnym może przesuwać się od zadania transportowego, a więc zbliżonego lub

uzupełniającego działanie systemu transportowego, do zadania technologicznego, a więc

identycznego z czynnościami realizowanymi przez maszyny i urządzenia technologiczne

systemu roboczego.

Zawartość działań energetycznych i informacyjnych określa możliwości

maszynowej realizacji zadania manipulacyjnego. Istotnym elementem tej charakterystyki,

określającym podstawowe właściwości układu ruchu, sterowania i zasilania maszyny

manipulacyjnej, jest klasa i parametry energetyczne występujących w zadaniu

manipulacyjnym przemieszczeń obiektów.

Podział przemieszczeń na klasy, traktując zadanie manipulacyjne jako ciąg

elementarnych, jednostkowych przemieszczeń manipulowanych obiektów, umożliwia

podobieństwo ruchów w obrębie pewnych grup czynności współczesnej produkcji

seryjnej. Podobieństwa te narzucają dwa czynniki:

•

funkcje i ograniczenia fizjologiczne człowieka;

•

technologia i technika wytwarzania, obejmujące zarówno narzędzia, urządzenia i

maszyny technologiczne, jak też geometryczne ukształtowanie i funkcjonalne

powiązanie wszystkich elementów tworzących środowisko produkcyjne,

ukształtowane pod bezpośrednim wpływem wspomnianych funkcji i ograniczeń

fizjologicznych człowieka.

Jednocześnie ruchy należące do tej samej klasy, a więc o podobnym lub nawet

identycznym charakterze kinematycznym, ale związane z wykonywaniem różnych

czynności technologicznych, mogą się różnić pod wzglądem wartości energii

mechanicznej niezbędnej do ich realizacji oraz działań informacyjnych towarzyszących

danemu ruchowi.

Wyróżnikami informacyjnymi elementarnych przemieszczeń w zadaniu manipulacyjnym

są:

— położenie przemieszczanych obiektów w stacji załadowczej (pobranie - początek

ruchu) i wyładowczej (oddanie — koniec ruchu),

— tor ruchu przemieszczanego obiektu.

Niezdeterminowane położenie wielu takich samych lub różnych obiektów w stacji

początkowej i końcowej ruchu jest przypadkiem spotykanym najczęściej w zadaniu

obsługowym o stosunkowo słabo zracjonalizowanej produkcji mało- i średnioseryjnej.

Jest to przypadek, w którym system transportowy przekazuje obiekty (przedmioty

obróbki) systemowi manipulacyjnemu stanowiska roboczego w sposób

nieuporządkowany, przeważnie w skrzynce — zasobniku, przez transporter taśmowy lub

bezpośrednio na stół magazynowy stanowiska. Przy pobieraniu obiektu układ

sensoryczny maszyny manipulacyjnej musi wykazywać umiejętności wizyjnego lub

taktylnego rozpoznania zbioru obiektów, zidentyfikowania, wyboru oraz określenia

współrzędnych położenia potrzebnego obiektu, a jednostka kinematyczna — uchwycenia

wybranego obiektu w określonym technologią miejscu i z zadaną dokładnością.

Wymagania takie są oczywiście niepotrzebne przy odkładaniu obiektu.

W przypadku zdeterminowanego położenia obiektów manipulacji system

transportowy produkcji musi być wyposażony w podajniki kontenerowe lub paletowe, w

których każdy z obiektów jest umiejscowiony z określoną tolerancją w znanym,

względem bazy podajnika, położeniu. W tym przypadku maszynie manipulacyjnej

stawiane są mniejsze wymagania; tylko pamiętanie wzoru zapełnienia podajnika oraz

umiejętność zgodnego z tym wzorem pobierania (odkładania) obiektów.

Szczególnym przypadkiem omówionej sytuacji jest przemieszczanie tylko

jednego obiektu o ściśle określonym położeniu wyjściowym. Przypadek taki ma miejsce,

gdy:

1) maszyna manipulacyjna realizuje tylko zadanie technologiczny i obiekt (narzędzie) jest

związany z maszyną oraz gdy system transportowy dostarcza obiekt (przedmiot obróbki)

w sposób zdeterminowany do przestrzeni roboczej maszyny manipulacyjnej,

2) maszyna manipulacyjna realizuje zadaniu transportowe (rys. 2.1a) albo obsługowe, a

specjalne urządzenie podająco–pozycjonujące bądź współpracujące z systemem

transportowym, bądź wyposażone w magazyn obiektów, zapewnia podanie pojedynczego

obiektu w określonym położeniu lub obiekty są pobierane z urządzeń mocujących maszyn

obróbkowych po zakończonej przez nie operacji roboczej bez pośrednictwa systemu

transportowego.

Drugi z wymienionych przypadków występuje zwykle w zracjonalizowanych procesach

produkcji wielkoseryjnej oraz masowej i w stosunkowo najmniejszym stopniu obciąża

maszynę manipulacyjną.

Przemieszczenia o niezdeterminowanym i nieograniczonym wewnątrz całej

przestrzeni roboczej systemu manipulacyjnego torze ruchu są w praktyce przypadkiem

bardzo rzadkim. Mogą mieć miejsce tylko wtedy, gdy przestrzeń robocza maszyny nie

koliduje z innymi urządzeniami stanowiska i dotyczy np. ruchów jałowych.

Typowym dla znacznej części zadań transportowych i obsługowych jest

przypadek przemieszczania po torze zdeterminowanym przez podanie wybranych

punktów podporowych, przez które z pewną dokładnością musi przejść manipulowany

obiekt. Pozostałe odcinki toru nie są zdeterminowane. Takie częściowe zdeterminowanie

jest charakterystyczne dla przemieszczeń, gdy;

— przestrzeń robocza maszyny manipulacyjnej koliduje z urządzeniami stanowiska

produkcyjnego;

— transportowany obiekt musi w określony sposób wniknąć (lub być. usuniętym) w

ograniczoną i przenikającą się z przestrzenią roboczą maszyny manipulacyjnej,

przestrzeń roboczą maszyny obróbkowej (typowe zadanie obsługowe maszyn

technologicznych — rys. 2.1b);

— operacje technologiczne są wykonywane w określonych punktach przestrzeni roboczej

maszyny manipulacyjnej i nie jest istotny tor ruchu narzędzia między tymi punktami

(typowe zadanie technologiczne maszyn manipulacyjnych — np. zgrzewanie

punktowe, nitowanie — rys. 2.1c).

Ten rodzaj przemieszczeń wymaga co najmniej, aby układ sterowania maszyny manipulacyjnej pamiętał

położenie kolejnych punktów podporowych oraz wygenerował sygnały sterujące jednostką kinematyczną

tak, aby manipulowany obiekt znalazł się oraz przebywał w ich pobliżu z określoną dokładnością przez

określony czas, a układ pomiarowy położeń potwierdzał osiągnięcie kolejnego celu.

Pewna część zadań technologicznych przejmowanych przez maszyny

manipulacyjne wymaga jednak przemieszczeń toru w pełni, tzn. w czasie i przestrzeni

zdeterminowanym. Są to dwa przypadki:

— gdy określenie toru przemieszczania wymaga wieloletniego produkcyjnego

doświadczenia obsługującego proces człowieka, tak jak np. w procesach malowania

natryskowego, piaskowania, polerowania; opis analityczny toru jest trudny bądź wręcz

niemożliwy do otrzymania ze wzglądu na specyfikę procesu wytwarzania.

— gdy jest konieczne prowadzenie obiektu manipulacji w narzuconych względami

technologicznymi warunkach (dokładnością, prędkością, przyspieszeniem) wzdłuż

ś

ciśle określonej linii toru, np. w niektórych procesach odpowiedzialnego spawania

łukowego, obróbki skrawaniem, także w przypadkach synchronizacji ruchu obiektu z

przemieszczającymi się innymi obiektami lub narzędziami maszyny manipulacyjnej

Realizacja opisanych klas przemieszczeń stawia zdecydowanie wyższe niż dla

przemieszczeń niezdeterminowanych wymagania jednostce kinematycznej i układowi

sterowania maszyny manipulacyjnej. Jednostka kinematyczna musi realizować ruchy

pozycjonowane ciągle lub dyskretnie, układ sterowania odpowiednio ciągle lub

dyskretnie określać, zapamiętywać, odtwarzać i przetwarzać żądane parametry ruchu w

sygnały sterujące z określoną jakością statyczną i dynamiczną jednostką kinematyczna

maszyny. Są to wymagania analogiczne do stawianych obrabiarkom sterowanym

numerycznie.

Parametry energetyczne ruchu, drugi wskaźnik charakteryzujący zadanie

manipulacyjne, są związane przede wszystkim z rodzajem zadania manipulacyjnego.

Wartość niezbędnej mocy użytecznej do realizacji zadania o charakterze transportowym i

parametrach ruchu zbieżnych z parametrami pracy ręcznej człowieka, tzn. przy masach

przemieszczanych do 50 kg i prędkościach ok. 0,8 m/s, nie przekracza kilkuset watów (w

danym przypadku ok. 0,4 kW). Wartość ta może ulec zmianie w zależności od narzuconej

masy transportowanej i parametrów ruchu. Przy realizacji zadań technologicznych

wartość mocy użytecznej musi odpowiadać mocom napędów maszyn obróbkowych — a

więc około kilka do kilkanaście kW

Chcąc dokonać opisu modelu maszyny manipulacyjnej zdolnej do przejęcia działań

człowieka w produkcji seryjnej, należy przyjąć następujące dwa założenia:

1) maszyna nie musi, jak to miałoby miejsce w produkcji jednostkowej i małoseryjnej

typu rękodzielniczego, pełnić roli “uniwersalnego obserwatora, decydenta, źródła energii,

ś

rodka ruchu i narzędzia” — nie potrzebny staje się antropomorfizm modelu;

2) specjalizacja zadań manipulacyjnych w produkcji seryjnej prowadzi, przy

uwzględnieniu racjonalności rozwiązania technicznego i ekonomicznego maszyny

manipulacyjnej, do silnego zróżnicowania właściwości funkcjonalnych jej układów

składowych w zależności od konkretnego przeznaczenia.

W produkcji seryjnej ruchy lokomocyjne są w większości operacji roboczych

zbędne lub zredukowane do ruchu pomocniczego. Ograniczona liczba ruchów

regionalnych i lokalnych, typowa dla zadania manipulacyjnego w produkcji seryjnej,

pozwala na odpowiednie ograniczenie liczby stopni ruchliwości jednostki kinematycznej

maszyny manipulacyjnej: przeciętnie 2-6. W przypadku zadań o niezdeterminowanym

torze ruchu przemieszczeń zbędna jest kontrola pracy układów napadowych w trakcie

ruchu między punktami podporowymi toru.

W zależności od seryjności produkcji (częstości zmian algorytmu pracy) oraz od

klasy elementarnych przemieszczeń występujących w zadaniu manipulacyjnym i zakresu

współpracy ze środowiskiem produkcyjnym, układ sterowania maszyny manipulacyjnej

może być rozwiązany jako:

— stałoprogramowy —w produkcji wielkoseryjnej i masowej, w przypadku

zdeterminowanego położenia manipulowanego obiektu;

— programowany ręcznie — w produkcji od średnioseryjnej do wielkoseryjnej i przy

zdeterminowanym położeniu manipulowanego obiektu;

— programowany przez obwiedzenie toru — poczynając od produkcji małoseryjnej i w

przypadku przemieszczenia obiektu (narzędzia) po torze

— programowany przez nauczanie — także od produkcji małoseryjnej, ale dla złożonych

wymagań współpracy ze środowiskiem, np. ścisłe określonego toru ruchu,

niezdeterminowanych położeń obiektów (przy wyposażeniu w urządzenia

sensoryczne), synchronizacji pracy wielu maszyn obróbkowych, sytuacjach

decyzyjnych, awaryjnych.

2. 2. 3. 3. Komputerowe systemy wytwarzania

Uwagi o wymaganiach produkcji seryjnej w stosunku do systemu mani-

pulacyjnego podane w poprzednim punkcie odnoszą się w zasadzie w całości do

systemów komputerowego wytwarzania (CAM - Computer Aided Manufacturing).

Różnica polega na zmianie zakresu zadań systemu transportowego produkcji, z

odpowiednimi konsekwencjami w stosunku do zadań maszyny manipulacyjnej w

procesie.

Centralnie sterowany system transportowy w komputerowych systemach

wytwarzania przejmuje większość bądź wszystkie zadania systemu manipulacyjnego z

produkcji konwencjonalnej, dostarczając materiały i półprodukty w sposób całkowicie

zdeterminowany na miejsce obróbki w poszczególnych maszynach i urządzeniach

technologicznych lub stacjach roboczych ciągu produkcyjnego. Transport ten może być

realizowany:

— bezpośrednio, np. za pomocą układu jezdno–wysięgnikowego o budowie portalowej

lub suwnicowej,

— za pośrednictwem zunifikowanych w całym systemie produkcyjno–transportowym

palet, wózków itp., umożliwiających zarówno jednoznaczne zamocowanie obiektu, jak

i osadzenie całości w miejscu obróbki.

Konsekwencją zastosowania centralnie sterowanego systemu transportowego jest

prawie całkowite zredukowanie zadań transportowych i obsługowych na korzyść zadań

technologicznych (obróbkowych), jakie w systemach CAM może wypełnić maszyna

manipulacyjna. Przy transporcie bezpośrednim rola maszyny manipulacyjnej ograniczać

się będzie do wypełnianiu zadań pomocniczych bądź w samym systemie transportowym,

np. jako plastyczny element sprzęgający różne ciągi systemu transportowego, bądź

między systemem transportowym i urządzeniami technologicznymi procesu. Zadania

technologiczne maszyn manipulacyjnych w systemach CAM są zadaniami zbieżnymi z

zadaniami numerycznie sterowanych maszyn i urządzeń produkcyjnych.

2. 2. 4. Podatność organizacyjno-techniczna

Obszarem penetracji techniki robotyzacyjnej na jej współczesnym etapie rozwoju

winny być przede wszystkim procesy produkcyjne o średnim stopniu racjonalizacji

techniki produkcyjnej, tzn. konwencjonalnie zmechanizowanej i zautomatyzowanej

produkcji seryjnej. Twierdzenie to opiera się na porównaniu dwóch obszarów

— maksymalnego efektu oszczędności pracochłonności, wyznaczonego jako graniczna

wartość stosunku czasu pomocniczego do maszynowego;

— ekonomicznej zasadności robotyzacji, wyznaczonej jako graniczna wartość nakładów

inwestycyjnych na robotyzację.

Rozpatrując procesy produkcyjne o różnym stopniu racjonalizacji organizacyjno-

technicznej stwierdza się, że początkowym efektem racjonalizacji jest zwiększenie, a

następnie zmniejszenie względnego udziału pracochłonności manipulacji w ogólnie

zmniejszającym się czasie jednostkowym operacji wykonywanych na danym wyrobie.

Większość czynności manipulacyjnych należy do grupy czynności pomocniczo–

przygotowawczych do właściwej operacji maszynowej. Udział tych czynności jest

większy w tych typach produkcji, w których proces wytwarzania dzielony jest na

elementarne operacje i tym samym większe są zadania transportu między operacyjnego,

mniejszy zaś, gdy procesy maszynowe koncentrowane są na mniej licznych (najlepiej

pojedynczych) stanowiskach lub centrach produkcyjnych.

Koszt inwestycyjny robotyzacji maleje wraz ze zwiększającym się stopniem

racjonalizacji technicznej i organizacyjnej produkcji. Zmniejszają się bowiem wymagania

stawiane maszynie manipulacyjnej (wobec przesunięcia większości zadań

transportowych, technologicznych, kontrolnych i sterowniczych ze sfery

podporządkowanej człowiekowi do sfery zautomatyzowanych maszyn i urządzeń

technologicznych).

Jednym z efektów robotyzacji powinno być podniesienia wydajności produkcji

dzięki zwiększeniu prędkości ruchu przemieszczanych całkowicie maszynowo

przedmiotów obróbki i narządzi.

Organizacyjno-techniczna podatność produkcji na robotyzację wzrasta ze

zwiększeniem seryjności produkcji, tym samym warunki wprowadzania robotyzacji w

Polsce są gorsze niż w krajach o podobnym potencjale gospodarczym. W latach

siedemdziesiątych średni krajowy stosunek czasu maszynowego do czasu pomocniczego i

przygotowawczo-zakończeniowego w przemyśle maszynowym, głównym odbiorcy

techniki robotyzacyjnej, wynosił jak 1 : 4 — są to proporcje charakterystyczne dla

produkcji jednostkowej i małoseryjnej. Oznacza to, że etap prac związanych

bezpośrednio z robotyzacją musi być poprzedzony intensywną racjonalizacją techniczno-

organizacyjną produkcji; nasyceniem w środki mechanizacji i konwencjonalnej

automatyzacji z równoczesnym działaniem w kierunku zwiększenia seryjności.

Dla określenia podatności organizacyjno-technicznej konkretnego stanowiska

produkcyjnego niezbędne jest przeprowadzenie szczegółowej analizy, której kierunki i

zakres zależą od trzech podstawowych wariantów wprowadzenia techniki robotyzacyjnej

do produkcji:

— modernizacji stanowisk lub ciągu produkcyjnego bez wymiany maszyn i urządzeń

technologicznych.

— modernizacji procesu produkcyjnego połączonego z częściową lub całkowitą wymianą

maszyn i urządzeń technologicznych,

— wyposażenia nowo projektowanego oddziału produkcyjnego w zestawy maszyn i

urządzeń technologicznych, transportowych i manipulacyjnych.

Podstawą analiz są z reguły ankiety przygotowywane przez producentów maszyn lub

instytucje (np. biura projektowe) i przedsiębiorstwa zajmujące się projektowaniem,

kompletacją i wdrażaniem nowych rozwiązań produkcyjnych.

Według Budy i Kovaća (CIRP) analiza podatności organizacyjno-technicznej

procesu na robotyzację może obejmować:

1) ustalenie wymagań stawianych maszynie manipulacyjnej w procesie, w tym:

— identyfikacje, czynności manipulacyjnych przez określenie klasy przemieszczeń,

— określenie liczby stopni ruchliwości chwytaka lub narzędzia (liczby zespołów ruchu

części lokalnej jednostki kinematycznej),

— określenie kształtu i parametrów geometrycznych przestrzeni roboczej,

— określenie udźwigu,

— określenie sposobu sterowania przemieszczeniami,

— określenie rodzaju i liczby kroków programu;

2) określenie charakterystyki technicznej maszyn i urządzeń procesu, w tym:

— oprzyrządowania procesu w urządzenia pomocnicze i ich właściwości,

— określenie stopnia automatyzacji maszyn i urządzeń produkcyjnych,

— możliwości podłączenia maszyn i urządzeń produkcyjnych do centralnego systemu

sterowania,

— określenie przestrzeni roboczej i kanałów dostępu do maszyn i urządzeń

produkcyjnych,

— zorientowania obiektów manipulacji w poszczególnych fazach procesu

technologicznego,

•

wymagań kontrolno-nadzorczych maszyn i urządzeń produkcyjnych;

3) określenie charakterystyki obiektów manipulacji, w tym;

— podatności manipulacyjnej przedmiotu obróbki lub narzędzia,

— seryjności i częstości zmian programu produkcyjnego,

— sposobu transportowania, podawania do stanowiska roboczego, magazynowania i

pozycjonowania obiektu manipulacji,

— sposobu usuwania odpadów i sposobu podawania materiałów eksploatacyjnych (np.

płyny smarujące i chłodzące) i technologicznych (np. wymiana narzędzi w maszynach

technologicznych):

4) określenie warunków eksploatacyjnych maszyny manipulacyjnej i urządzeń

pomocniczych, w tym:

— powierzchni osadzenia maszyny manipulacyjnej i urządzeń pomocniczych,

•

warunków energetycznych zasilania.

Tablica 2.1. przedstawia kryteria podatności procesu produkcyjnego na

robotyzację. Każdemu z nich przyporządkowany jest odpowiedni współczynnik, który

mnożony jest przez uzyskaną ocenę punktową. Im większy wynik stanowiący sumę

omówionych iloczynów, tym proces jest bardziej podatny na robotyzację.

TABLICA 2.1. Krytera podatno

ś

ci procesu produkcyjnego na robotyzacj

ę

Kryterium

oceny

Współ-

czynnik
kryterium

Ocena punktowa

oceny

czynnik
kryterium

0

1

2

3

Możliwość

rezygnacji z
obecności
człowieka w
procesie

5

brak

możliwość

odciążenia

częściowa

pełna

Wielkość serii

produkcyjnej

4

jednostkow

a

masowa

wielkoseryjna

średnia i

małoseryjna

Automatyczny

przebieg
procesu
produkcyjnego

4

brak

trudna

realizacja

łatwa

realizacja

istnieje lub jest

niepotrzebny

Odprowadzeni

e wiórów,
odpadów

3

–

ręczne

częściowo

automatyczne

automatyczne

lub
niepotrzebne

Odporność

procesu na
zakłócenia

3

brak

niewielka

średnia

duża

Czas

przezbrajania
procesu

2

duży

średni

niewielki

brak

Konieczność

postoju w
każdym takcie
roboczym

3

tak

Według

potrzeby

nie

–

Podobieństwo

stanowisk
roboczych

1

żadne

niewielkie

duże

identyczne

Chwytak

maszyny
manipulacyjnej

2

skompliko

wany

—

typowe

rozwiązanie

prosty

Dopuszczalna

liczba miejsc
uchwycenia
obiektu
manipulacji

3

1

2

> 2

–

Automatyczne

urządzenia
mocujące

3

brak

trudna

realizacja

łatwa

realizacja

niepotrzebne

Ciężar obiektu

manipulacji

3

bardzo

duży

duży

średni

mały

Możliwość

uporządkowani
a i
zorientowania
obiektów
manipulacji

5

nie istnieje

bardzo trudna

łatwa

Przedmioty

uporządkowan
e lub
pojedyncze

2. 3. Techniczno-organizacyjne przygotowanie robotyzacji

Istnieje sześć zasad techniczno-organizacyjnego przygotowania przedsięwzięcia

robotyzacyjnego:

1) zasada optymalnego ujęcia procesu manipulacyjnego — należy, uwzględniając lub

optymalizując zadania technologiczne systemu roboczego, podzielić zadania systemu

manipulacyjnego na skończoną liczbę elementarnych, powtarzających się cyklicznie

czynności (kroków) — zasada ta warunkuje wykorzystanie maszyny manipulacyjnej jako

ś

rodka automatyzacji procesu produkcyjnego;

2) zasadę równoczesności — należy doprowadzić do równoczesnej pracy maszyn i

urządzeń technologicznych systemu roboczego i systemu manipulacyjnego — zasada ta

umożliwi skrócenie czasów wykonywania operacji roboczych do ich niezbędnego,

technologicznego minimum;

3) zasadę ekonomiczności — należy, przez odpowiednie przygotowania konstrukcyjne

maszyn i urządzeń technologicznych systemu roboczego, transportowego oraz

kontrolnego, a także przez ich przestrzenne usytuowanie względem współpracującej z

nimi maszyny manipulacyjnej, zmniejszyć do minimum liczbę, czynności

manipulacyjnych oraz wyeliminować w możliwie największym zakresie działania

sterownicze, nadzorcze i kontrolne — zasada ta pozwala zwiększyć współczynnik

zamienności pracy żywej i maszynowej, a tym samym poprawić wskaźniki ekonomiczne

przedsięwzięcia robotyzacyjnego;

4) zasadę synchronizacji — należy ustalić kolejność wykonywania zadań

technologicznych, manipulacyjnych i pomocniczych w obrębie stanowisk

wielomaszynowych, ciągów lub linii produkcyjnych tak, aby doprowadzić do możliwie

najlepszego czasowo wykorzystania maszyn i urządzeń produkcyjnych — zasada ta

umożliwia zwiększenie wydajności produkcji;

5) zasadę optymalnego ustawienia maszyny manipulacyjnej — należy tak usytuować

maszynę manipulacyjną w stosunku do współpracujących z nią maszyn i urządzeń

produkcyjnych, aby optymalnie wykorzystać przestrzeń roboczą maszyny, zwłaszcza

zapewnić najmniejsze przemieszczenia jej jednostki kinematycznej i w możliwie

minimalnym stopniu zająć powierzchnię produkcyjną — przestrzeganie tej zasady

pozwoli na skrócenie czasów wykonywania czynności manipulacyjnych oraz zmniejszy

koszt wykorzystania powierzchni produkcyjnej, a tym samym poprawi wskaźniki

ekonomiczne produkcji;

6) zasadę zgodności — należy dla danego procesu produkcyjnego wybrać maszynę

manipulacyjną o parametrach kinematycznych, sterowniczych, sensorycznych i

energetycznych zgodnych, ale nie przewyższających w niepotrzebnym zakresie

odpowiednich wymagań procesu — zasada ta pozwoli na zmniejszenie kosztu inwestycji

przedsięwzięcia robotyzacyjnego i kosztu eksploatacji zrobotyzowanego procesu.

Odpowiednio do omówionych zasad działania techniczno-organizacyjnego

przygotowania robotyzacji winny koncentrować się na:

— racjonalizacji rabotyzacyjnej systemu roboczego produkcji robotyzowanej;

— racjonalizacji systemu transportowego pod kątem współpracy z robotyzowanymi

stanowiskami produkcyjnymi — przygotowaniu urządzeń pośredniczących,

zasobnikowych itp.;

— wyborze maszyny manipulacyjnej;

— wyborze wariantu przestrzennego usytuowania maszyn i urządzeń technologicznych,

transportowych i kontrolnych oraz maszyn manipulacyjnych w stanowiskach, ciągach

lub liniach produkcyjnych (plan organizacyjny robotyzowanego procesu);

— przygotowaniu urządzeń i układów eliminujących zagrożenie powodowane przez

maszyny manipulacyjne w stosunku do obsługi i załogi produkcyjnej.

2. 3. 1. System roboczy

W zakresie przedsięwziąć odnoszących się do systemu roboczego produkcji,

przygotowanie techniczne robotyzacji winno zapewnić:

— możliwie najwyższy stopień automatyzacji przebiegu czynności roboczych maszyn i

urządzeń technologicznych, w tym zwłaszcza urządzeń mocujących przedmiot

obróbki,

— automatyzację kontroli stanu narzędzi oraz, jeśli to możliwe, przyholowanie urządzeń

do automatycznej ich wymiany,

— redukcję, automatyzację lub przesunięcie na stanowiska obsługiwane konwencjonalnie

czynności pomocniczych procesu,

— automatyzację kontroli i nadzoru przebiegu procesu.

Zastosowanie maszyn manipulacyjnych ułatwia, a niekiedy wręcz dopiero

umożliwia, osiągnięcie takiego stopnia automatyzacji maszyn i urządzeń

technologicznych, przy którym zarówno przedmiot obróbki, jak i jednostki robocze

urządzeń produkcyjnych, przed i po każdym cyklu roboczym (obróbkowym, wytwórczym

itp.) znajdują się w ściśle określonym miejscu i jednoznacznym położeniu, a wszystkie

czynności robocze między zamocowaniem a odmocowaniem przedmiotu przebiegają

automatycznie.

Niezbędna do realizacji dużej części procesów obróbkowych zmiana narzędzi

przebiega w większości współczesnych obrabiarek automatycznie (np. głowice

rewolwerowe). Natomiast wymiana zużytych narzędzi jest wykonywana nadal ręcznie.

Powodowane jest to przede wszystkim różnym czasem zużywania się narzędzi, a sam

moment konieczności wymiany ocenia obsługujący na podstawie pomiarów obrobionego

przedmiotu, sygnałów dźwiękowych lub kontroli optycznej. W przypadku robotyzacji

procesu obróbkowego niezbędny staje się automatycznie działający system kontroli i

wymiany narzędzi (w praktyce przemysłowej jeszcze dość rzadki), określenie średniego

czasu używania narzędzi lub w ostateczności pozostawieniu zadania kontroli i wymiany

operatorowi procesu.

Napędy osłon miejsc obróbki powinny być sprzężone ze sterowaniem maszyny

manipulacyjnej, podobnie jak sterowanie urządzeń pomocniczych i towarzyszących.

Liczba sygnałów dwustanowych niezbędnych do realizacji tych działań w produkcji

seryjnej w odniesieniu do jednego stanowiska nie przekracza kilku do kilkunastu

sygnałów, z reguły 6-8 sygnałów sterujących i kontrolnych. Trudne z reguły usuwanie

odpadów z miejsca obróbki może być rozwiązane jako aktywne (np. wydmuchiwanie lub

podsycanie małych wiórów i pyłów) lub pasywne — przez samoczynne wypadanie

odpadów na transporter (np. przy niekonwencjonalnym usytuowaniu przestrzennym

obrabiarki, narzędzia i przedmiotu obróbki).

Inne czynności pomocnicze, jak np.: kontrola wymiarów, obróbka wykańczająca

główną operację roboczą, np. poprawki malarskie polakierowanych powierzchni,

przygotowanie operacji następnych, itp. mycie, oczyszczanie, składanie półwyrobów,

winny być również przesunięte do stanowisk procesu obsługiwanych ręcznie.

W większości współczesnych procesów produkcyjnych człowiek obsługujący

proces wizualnie, w niektórych przypadkach słuchowo lub nawet dotykowo, kontroluje i

nadzoruje przebieg procesu. Tylko nieliczne funkcje kontrolno-nadzorcze przebiegają

automatycznie (np. zabezpieczenie przed przeciążeniem silników elektrycznych). W

przypadku wprowadzenia robotyzacji zabezpieczenie przed następstwami uszkodzeń

urządzeń procesu wymaga:

— budowy automatycznie działającego centralnego systemu kontroli

— budowy operatorskiego systemu diagnozowania uszkodzeń,

— pozostawienia kontroli i nadzoru zrobotyzowanych stanowisk w gestii obsługi

operatorskiej lub załóg stanowisk pracy ręcznej.

W dziedzinie automatyzacji czynności pomocniczych procesu, sprzyjającej

wprowadzeniu maszyn manipulacyjnych, jest jeszcze sporo problemów do rozwiązania,

gdyż stopień automatyzacji tych czynności jest niski. Na przykład praktycznie całkowicie

w gestii pracowników obsługi procesu pozostaje kontrola i wymiana zużytych narzędzi

oraz kontrola i nadzór procesu.

2. 3. 2. System transportowy i urządzenia zasobnikowe

Ocenia się, że rozwiązanie połączenia systemu transportowego i roboczego

produkcji decyduje o powodzeniu większości przedsięwzięć robotyzacyjnych.

Pozostawienie w przypadku robotyzacji produkcji konwencjonalnego systemu

transportowego musi bowiem prowadzić w większości przypadków do znacznego

rozszerzenia działań sensorycznych ze względu na niezdeterminowane położenie

obiektów manipulacji w stacji początkowej ruchu oraz pozostawienie człowieka jako

elementu sprzęgającego oba systemy. Oba przypadki prowadzą do pogorszenia

efektywności ekonomicznej robotyzacji lub nawet postawienia pod znakiem zapytania jej

celowość.

System transportowy w zrobotyzowanym procesie produkcyjnym może opierać

się na:

— dostarczaniu obiektów manipulacji (przedmiotów obróbki) w zasobnikach o

jednoznacznie wyznaczonym położeniu obiektów (np. zasobniki paletowe, kasetowe,

przenośniki łańcuchowe) i zdeterminowanym położeniu lub ruchu zasobnika albo

obiektu względem maszyny manipulacyjnej,

— wyposażeniu stanowisk zrobotyzowanych w zasobniki magazynowo-podające,

zapewniające pracę stanowiska bez ingerencji człowieka przez dłuższy czas, najlepiej

co najmniej jedną zmianę roboczą, nadające zorientowane położenie wyjściowe

obiektów manipulacji,

— ustawieniu maszyn technologicznych lub stanowisk w linie tak, aby kolejne położenia

wyjściowe obiektów manipulacji były wyznaczane przez urządzenia mocujące, a

całość zadań systemu transportowego przejęły maszyny manipulacyjne.

Przyjęcie konkretnego rozwiązania systemu transportowego nie pozostaje bez

wpływu na wybór wariantu organizacyjnego procesu produkcyjnego, zwłaszcza

stanowisk obsługiwanych konwencjonalnie (ręcznie) oraz jego wskaźników

wydajnościowych, tym samym efektywności ekonomicznej wytwarzania. Zasobniki

magazynowo-podające przystosowane do współpracy z maszynami manipulacyjnymi

dzieli się ze względu na;

1) możliwości ruchu samego zasobnika, rozróżniając zasobniki:

— stacjonarne,

— ruchome, w tym; transportowalne, jezdne i samojezdne,

2) możliwości ruchu obiektu w zasobniku, rozróżniając zasobniki;

— aktywne — zmieniające w każdym cyklu roboczym położenie swej zawartości tak, że

w stacji wyjściowej znajduje się jeden gotowy do pobrania przedmiot, bądź

zapewniona jest możliwość odłożenia jednego przedmiotu, np. zasobnik łańcuchowo-

drabinkowy, zasobniki przenośnikowo-paletowe, ześlizgowe,

— częściowo aktywne — zmieniające położenie całych grup przedmiotów, np.

osadzonych na pozycjonowanych płaszczyznach magazynowych tak, że maszyna

manipulacyjna musi mieć możliwość pamiętania wzoru zapełnienia poszczególnej

grupy,

— bierne — np. stoły o układanych w określonych miejscach przedmiotach, co wymaga

od układu sterowania maszyny manipulacyjnej zapamiętania informacji o

początkowym położeniu i stanie zapełnienia zasobnika oraz prowadzenia bilansu

zawartości.

Podstawowymi wskaźnikami jakości zasobników magazynowych są: pojemność

zasobnika, gęstość upakowania zawartości na jednostkę, objętości lub powierzchni oraz

czas przezbrajania albo przetransportowywania.

2. 3. 3. Wybór maszyny manipulacyjnej

Przy wyborze maszyny manipulacyjnej należy bezwzględnie przestrzegać zasady

zgodności wymagań procesu i możliwości kinematycznych, sterowniczych i

energetycznych maszyny jako środka automatyzacji procesu. Zakup maszyn o

możliwościach znacznie przewyższających potrzeby, np. maszyn uniwersalnych, podnosi

niepotrzebnie koszty inwestycji i eksploatacji robotyzowanego procesu produkcyjnego.

Stosowane są dwie metody określania parametrów technicznych dobieranych do

wymagań procesu maszyn manipulacyjnych:

1) przez przyjęcie i uśrednienie dla danego procesu produkcyjnego (stanowisk, linii

produkcyjnych) wartości parametrów technicznych już wykorzystywanych w praktyce

maszyn manipulacyjnych;

2) przez wykorzystanie analizy podatności organizacyjno-technicznej robotyzowanego

procesu, nie biorąc pod uwagę; właściwości konkretnej maszyny, ale uwzględniając

pewne wspólne dla poszczególnych grup rozwiązań parametry techniczne.

Przy analizie wymagań procesu szczególną uwagę należy zwrócić na możliwe

precyzyjne określenie zakresu i przebiegu czynności zadania manipulacyjnego na

poszczególnym stanowisku pracy w konwencjonalnie prowadzonym procesie

produkcyjnym (identyfikacja wymagań manipulacyjnych). Uwzględnić należy:

— podział zadania manipulacyjnego na elementarne czynności, łącznie z określeniem

przemieszczeń oraz zakresów, parametrów i dokładności,

— sposób oraz parametry chwytania i orientowania obiektu manipulacji,

— potrzeby synchronizacji (czasowej, ruchowej) poszczególnych czynności

manipulacyjnych i technologicznych oraz maszyn systemu roboczego, kontrolnego

itd.,

— warunki blokad czynności manipulacyjnych w stosunku do sytuacji w systemie

roboczym.

Z analizy tej wynikną:

— wymagania kinematyczne odnoszące się do części regionalnej i lokalnej, ewentualnie

globalnej jednostki kinematycznej,

— wymagania energetyczne w stosunku do jednostki kinematycznej maszyny

manipulacyjnej,

— wymagania sterownicze i sensoryczne odnoszące się do układu sterowania oraz

urządzeń i układów sensorycznych maszyny manipulacyjnej,

— podanie, które z czynności roboczych, pomocniczych i manipulacyjnych mogą być

realizowane w stanowisku zrobotyzowanym, a które muszą być przejęte przez

stanowiska obsługiwane konwencjonalnie (ręcznie).

Dokonanie wyboru maszyny manipulacyjnej jest zadaniem trudnym,

wymagającym uwzględnienia wzajemnych relacji co najmniej kilkudziesięciu

parametrów technologicznych, wymiarowych, funkcjonalnych oraz technicznych maszyn

i urządzeń stanowiska roboczego. Wyboru maszyny manipulacyjnej należy dokonywać

równolegle z tworzeniem planu organizacyjnego robotyzowanego procesu, posługując się

komputerową technika wspomagającą prace projektowe.

2. 3. 4. Plan organizacyjny robotyzowanego procesu

Przygotowanie organizacyjne przedsięwzięcia robotyzacyjnego musi zawierać

rozwiązanie dwóch podstawowych zagadnień:

— wyboru i schematu organizacyjnego robotyzowanego procesu w rozumieniu linii lub

wydziału produkcyjnego, ze szczególnym uwzględnieniem wzajemnych relacji

systemów procesu: roboczego, transportowego, manipulacyjnego i kontrolnego oraz

podziału procesu na ciągi i stanowiska produkcyjne zrobotyzowane i prowadzone

konwencjonalnie,

— planu przestrzennego zagospodarowania poszczególnych zrobotyzowanych stanowisk

produkcyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem wyboru, sposobu i miejsca osadzenia

maszyny manipulacyjnej i urządzeń towarzyszących w stosunku do maszyn i urządzeń

produkcyjnych.

Zadania manipulacyjne, w szczególności obsługowe i technologiczne, mogą być

wykonane w różnych układach organizacyjnych stanowisk procesu produkcyjnego. Do

podstawowych należą:

— pojedynczo, równolegle do systemu transportowego obiektów ułożone maszyny

technologiczne lub maszyny manipulacyjne roboty żujące działania robocze;

— linia maszyn systemu roboczego, sprzęgnięta systemem manipulacyjnym w ciąg

technologiczny wytwarzania produktu, niezależny od konwencjonalnego systemu

transportowego i dodatkowo obsługiwana (transport materiałów, odpadów, narzędzi)

przez pomocniczy system manipulacyjny, współpracujący z kolei z głównym

systemem transportowym;

— gniazdo kilku maszyn systemu roboczego, tworzące jedno stanowisko produkcyjne

obsługiwane przez system manipulacyjny sprzęgający stanowisko z systemem

transportowym oraz synchronizujący pracę maszyn i urządzeń stanowiska,

— układ mieszany o liniowo-gniazdowym rozmieszczeniu maszyn systemu roboczego, obsługiwanych

przez system manipulacyjny sprzęgający dane stanowisko z systemem transportowym i z innymi

stanowiskami linii produkcyjnej.

Przy wyborze i sporządzaniu planu przestrzennego zagospodarowania

poszczególnego robotyzowanego stanowiska produkcyjnego należy uwzględnić:

1) wybór wariantu konfiguracji maszyn roboczych i maszyny manipulacyjnej, przy dwóch wariantach

podstawowych; gniazdowym (rys. 2.2a) oraz liniowym (rys. 2.2b), wymagającym z reguły wyposażenia

jednostki kinematycznej w zespół ruchu globalnego;

2) konstrukcyjną możliwość lub celowość zintegrowania maszyny manipulacyjnej z

maszynami i urządzeniami produkcyjnymi stanowiska, np. przez zastosowanie maszyn

specjalizowanych lub modułowych;

3) zabezpieczenie kanałów dostępu, którymi, uwzględniając możliwości kinematyczne

branej pod uwagę maszyny manipulacyjnej, chwytak (narzędzie) wraz z przedmiotem

musi się przedostać do miejsca obróbki;

4) wykorzystanie powierzchni produkcyjnej — oszczędne, ale uwzględniające:

— dostęp do maszyny manipulacyjnej i maszyn produkcyjnych dla programowania,

przeglądów i konserwacji, przy czym możliwe tu są także dwa warianty osadzenia

maszyny manipulacyjnej: podłogowy i sufitowy, zawieszony ponad stanowiskiem,

— lokalizację stacji zasilania maszyn technologicznych i maszyny manipulacyjnej,

— lokalizację szaf układów sterowania maszyn technologicznych i maszyny

manipulacyjnej,

•

wyposażenie stanowiska w urządzenia służące bhp.

Rozwiązanie problemu organizacji stanowiska produkcyjnego jest ogólnie znane,

ale tylko przy uwzględnieniu człowieka jako uniwersalnego i elastycznego elementu

manipulacyjnego. Dla optymalnego rozmieszczenia obiektów procesu, w którym ma być

zastosowany o wiele mniej podatny element, jakim jest maszyna manipulacyjna, jedynym

racjonalnym rozwiązaniem jest użycie komputerowych programów i systemów

projektowania, zwłaszcza konwersacyjnych z terminalami graficznymi. Takie systemy

komputerowo wspomaganego projektowania zrobotyzowanych stanowisk produkcyjnych

są intensywnie rozwijane w krajach o zaawansowanej technice robotyzacyjnej. Systemy

takie umożliwiają:

— w przypadku modernizacji procesu — wybór właściwej maszyny manipulacyjnej przy

podanych założeniach konfiguracji i wymiarach maszyn i urządzeń stanowiska oraz

kanałów dostępu do miejsc obróbki,

— w przypadku projektowanego procesu — wybór konfiguracji wzajemnej wszystkich

elementów stanowiska, a więc zarówno maszyn i urządzeń produkcyjnych, jak i

maszyny manipulacyjnej.

Na rysunku 2. 3. Przedstawione są podstawowe układy stanowisk

zrobotyzowanych i prowadzonych konwencjonalnie w linii produkcyjnej procesu:

•

w pełni zrobotyzowanego (rys. 2. 3a) – przekazywanie przedmiotu obróbki odbywa

się za pośrednictwem systemu transportowego,

•

częściowo zrobotyzowanego (rys. 2. 3b, c) w sposób mieszany (b) oraz integrujący

działania podlegające robotyzacji i działania konwencjonalne prowadzone ręcznie.

2. 3. 5. Bezpieczeństwo pracy z maszynami manipulacyjnymi

Jednym z powodów stosowania techniki robotyzacyjnej jest ochrona zdrowia i

ż

ycia człowieka pracującego w przemyśle. Należy jednak pamiętać, że niewłaściwie

zaprojektowane zrobotyzowane stanowisko produkcyjne może stanowić źródło licznych

zagrożeń (przede wszystkim mechanicznych) zarówno dla obsługi operatorskiej, jak i

pozostałej załogi produkcyjnej. Zagrożenia te, jak wskazuje praktyka, mogą przyczynić

się w początkowym okresie stosowania techniki robotyzacyjnej nawet do wzrostu

wypadkowości przy pracy. Przyczynami tych zagrożeń są specyficzne różnice w sposobie

pracy maszyn manipulacyjnych i maszyn technologicznych, niespodziewane dla osób

przyzwyczajonych do pracy z konwencjonalnymi urządzeniami produkcyjnymi. Różnice

te polegają głównie na:

— dużych wymiarach przestrzeni roboczej maszyn manipulacyjnych, kilkakrotnie

większej od samej maszyny, podczas gdy w maszynach technologicznych przestrzeń

robocza znajduje się z reguły wewnątrz maszyny;

— prędkościach ruchu mechanizmu dochodzących do kilku m/s, zmiennych w prawie

całym zakresie, przy kilkakrotnie mniejszych prędkościach posuwowych maszyn

technologicznych;

— zmiennym torze ruchu, podczas gdy ruch narzędzi maszyn jest z reguły określony;

— możliwościach wyrzucenia z dużymi przyspieszeniami obiektów manipulacji z

chwytaków (przed tego typu awariami maszyny technologiczne chronione są

pokrywami, osłonami itp.).

W celu zapewnienia bezpieczeństwa pracy z maszynami manipulacyjnymi

stosowane są urządzenia i układy:

— ochrony bezpośredniej — uniemożliwiające przebywanie człowieka w przestrzeni

niebezpiecznej podczas pracy maszyny,

— ochrony pośredniej — polegające na sygnalizowaniu przekroczenia granicy strefy

niebezpiecznej i wywołaniu odpowiedniej reakcji maszyny.

Praktyka przemysłowa wykazała, że najbardziej pewnym i niezawodnym urządzeniem ochronnym jest

zagroda siatkowa (rys. 2.4.). Zabezpiecza ona nie tylko przed niepożądanym dostępem z zewnątrz, ale i

chroni środowisko zewnętrzne przed wyrzucanymi z chwytaka obiektami manipulacji. Furtki w zagrodzie,

oprócz blokady mechanicznej, zaopatrywane są w wyłączniki uruchamiane przez naciśnięcie klamki lub

otwarcie drzwi oraz niekiedy dodatkowo w łańcuchowe złącza bezpiecznikowe.

Równie dobrym, choć droższym urządzeniem ochronnym są zagrody wykonane z płyt. W chwili obecnej

coraz popularniejsze stają się optoelektroniczne systemy bezpieczeństwa. W ich skład wchodzą:

•

skanery laserowe – zaprojektowane do użytku jako czujniki stacjonarne dla ochrony

niebezpiecznych obszarów lub jako czujniki mobilne dla ochrony będących w ruchu

bezobsługowych pojazdów,

•

kurtyny – nadzorowanie strefy / punktu, zaprojektowane do użytku przy

niebezpiecznych maszynach (rys. 2.5.),

•

•

zamki blokujące – nadzorowanie dostępu.

Do środków ochrony pośredniej należą: układy fotoelektryczne, podłogowe płyty

naciskowe oraz układy sterowania dwuręcznego, znane z konwencjonalnej automatyki.

Zdecydowanie trudniejszym zadaniem niż ochrona przed niepożądanym wejściem

w strefę zagrożenia, jest ochrona obsługi operatorskiej w czasie programowania maszyny

i w sytuacjach awaryjnych, grożących zupełnie nie dającymi się przewidzieć

przemieszczeniami mechanizmu maszyny. Jedynym właściwie zabezpieczeniem jest

zapewnienie przez producenta tzw. bezpiecznej dla obsługi konstrukcji maszyny (np. nie

powodującej po wyłączeniu zasilania tzw. “opadnięcia” zespołów ruchu jednostki

kinematycznej, co występuje w maszynach z napadami hydraulicznymi) oraz wy-

odrębnienie w stanowisku specjalnych, bezpiecznych miejsc dla obsługi.

3. Aspekty ekonomiczne przedsięwzięcia robotyzacyjnego

Efektywność ekonomiczną robotyzacji, podobnie jak każdego innego przed-

sięwzięcia inwestycyjnego związanego z wdrażaniem postępu technicznego, określa się

na podstawie relacji między nakładami i kosztami użytkowania a uzyskanymi dzięki niej

efektami. Obydwa składniki tej relacji muszą być przedstawione w tych samych

jednostkach, a pozytywny wynik ekonomiczny wystąpi wtedy, gdy efekty przewyższą

nakłady.

Badania efektywności robotyzacji procesów przemysłowych są działaniami dość

niejednoznacznymi, a ich wyniki mogą być ze sobą porównywane tylko na płaszczyźnie

identycznych stosunków społeczno–ekonomicznych, branż przemysłowych,

przedsiębiorstw, a w obrąbie poszczególnych przedsiębiorstw — wydziałów i

poszczególnych stanowisk produkcyjnych. Porównanie efektywności ekonomicznej na

tych poszczególnych stopniach może wykazywać diametralnie różne oceny –

efektywność robotyzacji może być np. pozytywna w sensie ogólnospołecznym i

równocześnie negatywna w odniesieniu do wdrażającego ją zakładu produkcyjnego. Ta

sprzeczność jest nie tyle rzeczywista, ile pozorna (zakład produkcyjny jest też instytucją

społeczną) i polega na zróżnicowaniu, wynikającym z reguły z istniejących stosunków i

przepisów finansowo-prawnych, użytych w obydwu przypadkach elementów katalogu

składników tworzących nakłady i uzyskane efekty. Z tego też powodu sama analiza oraz

w jej następstwie otrzymana ocena efektywności ekonomicznej robotyzacji muszą być

ś

ciśle zdefiniowane, zarówno w sensie ogólnym, jak i użytych składników katalogu ocen.

Współczesne metody i środki automatyzacji produkcji przemysłowej wymagają

dużych nakładów początkowych. Dotyczy to także elastycznie zautomatyzowanej

produkcji. Praktyka wykazuje, że koszt projektu ESP w większości przypadków wynosi

od 2 mln do 20 mld dolarów, a koszt najbardziej rozpowszechnionych robotów — od 40

do 100 tys. dolarów. Zrozumiałe jest, że przy tak dużych nakładach oczekuje się

odpowiednich korzyści.

3. 1. Katalog składników oceny efektywności ekonomicznej

Wiarygodność oceny efektywności ekonomicznej robotyzacji zależy zarówno od

pełności katalogu składników nakładów, o co zwykle łatwiej, oraz od określenia

uzyskanych efektów w wariancie z robotyzownnym produkcji, co jest zadaniem już

znacznie trudniejszym. Efekty te są bowiem odnoszone do wariantu konwencjonalnej

produkcji, w którym zadania systemu manipulacyjnego wykonuje człowiek, a więc

powinny uwzględniać nie tylko uchwytne finansowo różnice kosztów stałych i zmiennych

wytwarzania, ale także, i to w możliwie największym zakresie, zawierać bezpośrednia

nieuchwytne koszty poprawy warunków pracy, zabezpieczenia zdrowia i życia, zmian

jakości produktu itp.

Próby stworzenia możliwie pełnego katalogu składników oceny efektywności

ekonomicznej robotyzacji były czynione już w początkowym okresie wprowadzania

maszyn manipulacyjnych do przemysłu i nadal są intensywnie prowadzone.

3. 2. Składniki kosztów produkcji

3. 2. 1. Produkcja konwencjonalna

Do zbioru kosztów w produkcji konwencjonalnej, mających podstawowe

znaczenie w ocenie efektywności stosowania maszyn manipulacyjnych, zaliczono:

— koszt robocizny bezpośrednio produkcyjnej K

pr

,

— koszt obsługi technicznej procesu produkcyjnego K

ep

,

— koszt przyuczenia nowych pracowników K

np

,

— koszt użytkowania powierzchni produkcyjnej K

upk

,

— koszt przezbrajania urządzeń i przestawiania procesu produkcyjnego K

pp

,

— wydatki na bezpieczeństwo i higienę pracy K

bhp

.

Wymienione koszty składają się łącznie na koszt, który można nazwać umownie kosztem

wytwarzania w produkcji konwencjonalnej K

k

. Tworzy go koszt opłaconej pracy ludzkiej,

zaangażowanej w działania konwencjonalnego systemu produkcyjnego: produkowania,

obsługi procesu, przygotowania kadry oraz urządzeń procesu i zapewnienia

odpowiednich warunków pracy (K

pr

+K

ep

+K

np

). Zestaw ten może być rozszerzony o inne

koszty, jak np.: koszt użytkowania powierzchni produkcyjnej, niezbędnego przezbrajania

procesu przy zmianach wytwarzanego produktu oraz bezpieczeństwa i higieny pracy

(K

upk

+K

pp

+K

bhp

).

3. 2. 2. Produkcja zrobotyzowana

Katalog składników (rocznych) kosztów produkcji zrobotyzowanej tworzą:

— nakłady kapitałowe na zakup i zainstalowanie maszyny manipulacyjnej I

a

,

— nakłady kapitałowe na zakup (budowę) dodatkowych urządzeń technologicznych i

pomocniczych procesu Z

a

,

— nakłady kapitałowe na zakup (budowę) urządzeń zapewniających bezpieczeństwo

obsługi i pracy maszyny manipulacyjnej Z

bhp

,

— koszt zmian konstrukcyjnych produktów, spowodowanych wprowadzaniem maszyny

manipulacyjnej K

zk

,

— koszt zaprogramowania maszyny manipulacyjnej i maszyn produkcyjnych przy

zmianach wytwarzanego produktu K

p

,

— koszt obsługi technicznej maszyny manipulacyjnej i procesu produkcyjnego K

ea

,

— koszt robocizny bezpośrednio-produkcyjnej tej czyści produkcji, która jest nadal

obsługiwana przez robotników K

pa

,

— koszt użytkowania powierzchni produkcyjnej K

upa

,

— koszt zużycia energii przez maszynę manipulacyjną i urządzenia towarzyszące K

en

,

— koszt przezbrajania urządzeń i przestawiania procesu produkcyjnego oraz

przezbrajania i przeprogramowywania maszyny manipulacyjnej K

mp

.

Wymienione koszty składają się łącznie na umownie nazwany koszt wytwarzania w

systemie zrobotyzowanym K

a

(koszt wykorzystania stanowiska roboczego z maszyną

manipulacyjną). Oprócz kosztu opłaconej pracy ludzkiej (K

zh

+K

p

+K

ea

+K

pa

), niezbędnej

także w wariancie zrobotyzowanym do:

— wykonania prac specyficznie charakterystycznych dla wariantu zrobotyzowanego, jak

np. przeprojektowanie konstrukcyjne produktu pod kątem możliwości chwytnych,

manipulacyjnych i produkcyjnych stosowanej maszyny manipulacyjnej oraz

opracowania programu i zaprogramowania urządzeń procesu wraz z maszyną

manipulacyjną,

— wykonania prac — pozostałości wariantu konwencjonalnego produkcji, które nie

zostały przejęte przez maszynę manipulacyjną i urządzenia towarzyszce lub

związanych z niezbędną obsługą techniczną urządzeń procesu i samej maszyny

manipulacyjnej,

podstawową część kosztu K

a

tworzą odpisy amortyzacyjne i kapitałowe (dyskonto)

nakładów inwestycyjnych.

Nakłady te są ponoszone na:

— zakup maszyny manipulacyjnej I

z

,

— przystosowanie i uzupełnienie maszyny manipulacyjnej urządzeniami (standardowymi

lub specjalnymi) umożliwiającymi jej współprace,z urządzeniami technologicznymi

procesu, operatorem, nadrzędnym systemem sterowania itp. I

p

— zainstalowanie maszyny manipulacyjnej w stanowisku produkcyjnym I

i

,

— zakup (budowę) dodatkowych urządzeń technologicznych i pomocniczych

niezbędnych w wariancie zrobotyzowanym procesu produkcyjnego Z

m

,

— zakup (budowę) urządzeń zapewniających bezpieczeństwo obsługi i pracy maszyny

manipulacyjnej w stanowisku produkcyjnym Z

hh

,

Koszt zakupu maszyny manipulacyjnej I

z

jest wartością silnie zróżnicowaną, zależną od

struktury jednostki kinematycznej i rodzaju układu sterowania.

Niemożliwe do pominięcia, nawet we wstępnej ocenie efektywności

ekonomicznej robotyzowanej produkcji, są wartości pozostałych nakładów

inwestycyjnych (I

p

+I

i

+Z

m

+Z

bh

) niezbędnych dla wprowadzenia maszyny manipulacyjnej

na stanowisko produkcyjne.

Ś

rednie nakłady dodatkowe należy szacować na 80% wartości maszyny manipulacyjnej.

W niektórych przypadkach zastosowań ekstremalne wartości nakładów dodatkowych

mogą być 3-4 razy większe niż nakłady inwestycyjne na zakup maszyny manipulacyjnej.

Katalog składników kosztów w produkcji robotyzowanej uzupełniają koszty:

użytkowania powierzchni produkcyjnej (K

upa

), zużycia energii (K

en

) i niezbędnego

przezbrajania procesu przy zmianach wytwarzanego produktu (K

mp

).

3. 3. Składniki efektu ekonomicznego produkcji zrobotyzowanej

Do podstawowych składników efektu ekonomicznego produkcji zroboryzowanej,

poza ewentualnym zmniejszeniem kosztu wytwarzania K

a

względem kosztu wytwarzania

w produkcji konwencjonalnej K

k

, należy zaliczyć:

— oszczędność pracy żywej O

p

wyrażająca się wartością ekonomiczną w sferze

ogólnospołecznej w postaci dodatkowego dochodu, który może zostać wytworzony

przez pracowników przesuniętych do innych zadań produkcyjnych oraz oszczędnością

wydatków socjalno-oświatowych O

spo

;

— przyrost produkcji

∆

P

a

dzięki większej wydajności stanowisku zrobotyzowanego w

stosunku do konwencjonalnego;

— zmniejszenie strat na skutek zmniejszenia liczby braków, poprawę jakości produkcji

oraz oszczędności materiałów i narzędzi

∆

W

b

w produkcji zrobotyzowanej w stosunku

do konwencjonalnej.

W warunkach deficytu rąk do pracy, oszczędność pracy żywej może byt

pierwszym i wystarczająco ekonomicznie uzasadnionym powodem szerokiego

wprowadzenia maszyn manipulacyjnych do produkcji. Aspekt ekonomiczny tego efektu

wyraża się potencjalną możliwością bardziej racjonalnego (wielozmianowość, likwidacja

przestojów) wykorzystania maszyn i urządzeń technologicznych, a przede wszystkim

wytworzeniem dodatkowej produkcji. Bezdyskusyjne w sferze ogólnospołecznej są

oszczędności uzyskane dzięki zmniejszeniu liczby rent z tytułu chorób zawodowych i wy-

padków przy pracy oraz liczby i wysokości dodatków za pracę w ciężkich i szkodliwych

warunkach. Zmniejszanie wydatków na oświatę, kształcenie, budownictwo i cele socjalne

mogą być uwzględniane jako oszczędność tylko w płaszczyźnie efektów poszczególnego

przedsiębiorstwa przemysłowego.

3. 4. Kryteria oceny efektywności ekonomicznej

Kryteria oceny efektywności ekonomicznej zastosowań maszyn manipulacyjnych

opierają się w zasadzie na formułach i wskaźnikach stosowanych do oceny efektywności

ogólnie rozumianego postępu technicznego, w tym oczywiście i automatyzacji.

Do powszechnie stosowanych kryteriów należą:

— kryterium oszczędności pracy żywej w systemie zrobotyzowanym względem systemu

konwencjonalnego produkcji,

— kryterium oszczędności kosztu wytwarzania,

— kryterium okresu zwrotu nakładów inwestycyjnych na robotyzację w postaci:

statycznego kryterium amortyzacji oraz dynamicznego kryterium wartości bieżącej

przedsięwzięcia, uwzględniającego zaistniałe lub prognozowane zmiany

parametrów ekonomicznych i organizacyjnych w okresie użytkowania stanowiska,

— kryterium efektywności nakładów inwestycyjnych przedsięwzięcia robotyzowanego w

odniesieniu do zainwestowanej jednostki pieniężnej,

— kryterium stopnia efektywności inwestowania jako granicznej wartości stopy

dyskontowej, dopuszczalnej w przedsięwzięciu inwestycyjnym,

— kryterium racjonalności robotyzacji procesu produkcyjnego w postaci syntetycznego

połączenia, potraktowanych względnie w stosunku do wariantu konwencjonalnego:

przyrostu i kosztu produkcji, a w niektórych postaciach także innych parametrów

techniczno-organizacyjnych procesu.

— kryterium obszaru opłacalności wiążącego efektywność ekonomiczną z

podstawowymi parametrami procesu, np. programem produkcyjnym, czasem

jednostkowym operacji, zwłaszcza w przewidywaniu możliwości istotnych zmian tych

parametrów w okresie użytkowania stanowiska roboczego.

W ocenie efektywności sugerowane jest opieranie się na kilku kryteriach, które wzajemnie się

uzupełniając tworzą bardziej obiektywny obraz stanu ekonomicznego przedsięwzięcia niż w przypadku

stosowania tylko jednej, wybranej formuły.

3. 5. Wskaźniki oceny efektywności ekonomicznej

3. 5. 1. Oszczędność pracy żywej

()(

ra

ek

rp

n

n

n

n

O

+−+=

)

(

)

(

ea

ra

ek

r

p

n

n

n

n

O

+

−

+

=

Efektywność robotyzacji w sferze osobowej określa oszczędność pracy żywej robotników i

personelu obsługi technicznej

gdzie: n

r

, n

ek

— liczba robotników i personelu obsługi technicznej w wariancie

konwencjonalnym produkcji; n

ra

— liczba robotników niezbędnych do nadzoru pracy

stanowiska i maszyny manipulacyjnej oraz wykonujących niezautomatyzowane czynności

produkcyjne i manipulacyjne w wariancie zrobotyzowanym produkcji; n

ea

— liczba

personelu obsługi technicznej w wariancie zrobotyzowanym produkcji.

a

k

a

k

ak

K

K

d

K

K

K

=

−

=

∆

lub

a

k

a

k

ak

K

K

d

K

K

K

=

−

=

∆

lub

3. 5. 2. Oszczędność kosztu wytwarzania

Podstawowy wskaźnik kryterium określa formuła

gdzie: K

k

— roczny koszt wytwarzania w systemie konwencjonalnym, K

a

— roczny koszt

wytwarzania w systemie zautomatyzowanym przez stosowanie maszyn manipulacyjnych.

Zastosowanie maszyn manipulacyjnych jest uzasadnione, gdy oszczędność kosztu

wytwarzania

∆

K

ak

jest dodatnia (K

a

< K

k

) lub współczynnik oszczędności kosztu

wytwarzania d > 1.

3. 5. 3. Efektywność nakładów inwestycyjnych

Efektywność nakładów inwestycyjnych jest określana przez dwa typy

wskaźników;

— rentowności, jako stosunku oszczędności (rocznej) kosztu wytwarzania do różnicy

nakładów inwestycyjnych na zakup, zainstalowanie i uruchomienie konwencjonalnej i

zrobotyzowanej techniki procesu produkcyjnego, a więc będącej odwrotnością okresu

zwrotu nakładów inwestycyjnych;

— efektywności nakładów, jako stosunku oszczędności rocznej kosztu wytwarzania do

nakładów kapitałowych rocznych w wysokości odpisu, amortyzacyjnego i

dyskontowego.

W pierwszym przypadku inwestycja jest racjonalna, gdy wskaźnik nie jest mniejszy od

sumy stopy amortyzacyjnej i dyskontowej, w przypadku drugim — gdy wskaźnik jest

równy bądź większy od jedności.

Bibliografia

1. Niederliński A. : Roboty przemysłowe. WSiP, Warszawa 1981

2. Wrotny T. : Robotyka i elastycznie zautomatyzowana produkcja. Tom 1,

Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1991

3. Schmid D. : Mechatronika. REA, Warszawa 2002

4. Katalog produktów firmy SICK