Robotikk i dagens kjøretøyproduksjon

Industriroboter er avgjørende for moderne produksjon – de utfører et stort antall funksjoner, samtidig som de koordinerer oppgaver med andre typer automatisering. Bilindustrien, som er verdsatt til rundt én trillion amerikanske dollar, var faktisk den første industrien som hadde midler til å dra nytte av robotikk i stor skala – i tillegg til å fremme teknologiene knyttet til robotikk. Så det er ikke så overraskende, siden biler er større forbruksartikler, at de kan rettferdiggjøre anleggsinvesteringer som kanskje ikke gir avkastning på mange år. I dag bruker de aller fleste bilproduksjonsanlegg robotteknologi. Bare i løpet av de siste to tiårene har feltene for emballasje- og halvlederproduksjon, og det relativt nye feltet med automatiserte lagervarehus, fremskyndet bruken av robotikk for å konkurrere med bilindustrien.

Figur 1: Bilindustrien har, kanskje mer enn noen annen industri, vært motivasjonen til utviklingen av robotteknologi. (Bildekilde: Getty Images)

I selve robotene, og i komplementært industrielt automatiseringsutstyr, finner vi elektriske motorer, hydrauliske systemer og hydraulikksystemer; drivverk, styringer, nettverksmaskinvare, grensesnitt mellom mennesker og maskiner (HMI – human-machine interface) og programvaresystemer; og avføling, tilbakekobling og sikkerhetskomponenter. Disse elementene gir effektivitet ved å utføre forhåndsprogrammerte rutiner som lett kan tilpasses etter endrede forhold i sanntid. Det forventes også at robotarbeidsceller i økende grad har mulighet til å rekonfigureres, slik at de kan produsere nye kjøretøytyper – etter hvert som forbrukerpreferansene fortsetter å utvikle seg raskere enn noensinne.

Klargjøring av terminologi som brukes for automatisering og robotikk

Den engelske Oxford-ordboken (Oxford English Dictionary) definerer roboter som «maskiner som er i stand til å automatisk utføre komplekse bevegelser, spesielt programmerbare». For å gjøre ting enda mer forvirrende, kan denne definisjonen beskrive alt fra vaskemaskiner til CNC-maskinverktøy. Selv ISO 8373-definisjonen, som beskriver en robot som en «automatisk styrt, omprogrammerbar, flerbruksbearbeider, som er programmerbar i tre eller flere akser», kan beskrive et lagertransportbånd med vertikale løftestasjoner. Slike maskiner vil imidlertid under normale omstendigheter aldri bli klassifisert som roboter.

Den praktiske differensiatoren å huske på, er at maskiner konstruert for ett enkelt [les: veldig klart definert] bruksområde på et fast sted, ikke vanligvis regnes som roboter – i hvert fall ikke i industrielle sirkler. Selv om en typisk fresemaskin kan kjøre «x» antall komplekse programmer for å maskinere forskjellige deler, er den utviklet for å kutte metall ved å bruke roterende blader montert i spindelen – og det er sannsynlig at den vil være sikkert festet på ett enkelt sted under hele levetiden.

Figur 2: I noen tilfeller er skillet mellom robot og maskin basert på hvordan en automatisert konstruksjon ser ut. Enkelte klassifiserer leddarmer som ligner mekaniserte menneskelige armer, som roboter – og klassifiserer automatiserte kartesiske sammenstilligner bestående av lineære glidninger (som CT4 for montering og inspeksjon av små deler), som maskiner. (Bildekilde: IAI America Inc.)

Noen ganger er også disse definisjonene motstridende. For eksempel blir automatiserte maskiner som CNC-maskinverktøy stadig mer fleksible, med fresesentre som utfører rollene til både fresemaskiner og dreiebenker – og mange slike maskiner utfører også inspeksjons- og måleoppgaver på deler med kontaktprober og laserscannere. Slike maskinverktøy kan til og med være utstyrt for å utføre additiv produksjon. På den annen side leveres angivelig fleksible industrielle roboter ofte som spesialiserte modeller som er utviklet for en bestemt oppgave, for eksempel lakksprøyting eller sveising – og kan ofte tilbringe hele levetiden parkert i en arbeidscelle på en produksjonslinje.

Konklusjonen er at automatiserte systemer i bilindustrien som er klassifisert som roboter, faktisk ofte forventes å utvise høy fleksibilitet – i stand til å (med omkonfigurasjon) utføre oppgaver som kan variere fra dag til dag, for eksempel transport, sortering, montering, sveising og lakkering. Disse industrielle robotene forventes også å kunne flyttes til nye områder i et anlegg – enten for omplassering som produksjonssystemer og omkonfigurerte eller kontinuerlig bevegelige på syvaksede lineære spor for å betjene arbeidscellematriser i en linje.

Robotfamilier for bilproduksjonsanlegg

Roboter i bilproduksjonsanlegg er bredt klassifisert i henhold til deres mekaniske strukturer – inkludert leddtyper, forbindelsessammenstillinger og frihetsgrader.

Seriell manipulatorrobotikk inkluderer de fleste industriroboter. Konstruksjoner i denne familien har en lineær forbindelseskjede med et fundament i den ene enden og en endeeffektor i den andre enden – med ett enkelt ledd mellom hver forbindelse i kjeden. Disse inkluderer leddelte roboter, SCARA-roboter (SCARA – selective compliance articulated robot arm), samarbeidende seksaksede roboter, kartesiske roboter (hovedsakelig bestående av lineære aktuatorer) og (noe uvanlige) sylindriske roboter.

Figur 3: Samarbeidsroboter blir stadig mer vanlige i klasse 2-billeverandøranlegg som drar nytte av automatisert palletering. (Bildekilde: Dobot)

Parallell manipulatorrobotikk utmerker seg der konstruksjoner trenger høy stivhet og driftshastighet. I motsetning til leddarmer (suspendert i 3D-rom via en enkeltlinje med forbindelser), er parallelle manipulatorer støttet eller suspendert av forbindelsesmatriser. Eksempler omfatter Delta- og Stuart-roboter.

Mobil robotikk er enheter på hjul som flytter materialer og lagervarer rundt i fabrikker og lagerhus. De kan fungere som automatiserte gaffeltrucker for å hente, flytte og plassere paller på hyller eller fabrikkgulv. Eksempler er automatiserte veiledede kjøretøy (AGV – automated guided vehicle) og autonome mobile roboter (AMR – autonomous mobile robot).

Klassisk robotbruk i bilproduksjon

Klassiske robotkonstruksjoner i anlegg for kjøretøyproduksjon omfatter oppgaver som sveising, lakkering, montering og (for transport av de 30 000 delene som inngår i en gjennomsnittlig bil) materialhåndtering. Tenk på hvordan noen robotundertyper tas i bruk for disse bruksområdene.

Seksaksede leddarmroboter er serielle manipulatorer der alle ledd er roterende ledd. Den vanligste konfigurasjonen er den seksaksede roboten som har frihetsgrader til å posisjonere objekter i en hvilken som helst posisjon og retning innenfor arbeidsvolumet. Disse er svært fleksible roboter som er egnet for utallige industrielle prosesser. Faktisk er seksaksede leddarmroboter det de fleste mennesker forestiller seg når de tenker på en industrirobot.

Figur 4: Strekkodelesere med høy ytelse kan raskt og pålitelig dekode 1D- og 2D-strekkoder. Noen fester på robotiske endeeffektorer støtter plukking av elektroniske deler og kjøretøydeler, samt elementer for delsammensetninger. (Bildekilde: Omron Automation and Safety)

Faktisk brukes store seksaksede roboter ofte til bilrammesveising og punktsveising av karosseripaneler. I motsetning til manuelle tilnærminger, har roboter muligheten til å nøyaktig spore sveisebaner i 3D-rom uten å stoppe, samtidig som de imøtekommer de vekslende parametrene til sveisematerialet som respons på miljøforholdene.

Figur 5: Disse seksaksede robotene er det de fleste mennesker forestiller seg når de tenker på en industrirobot. (Bildekilde: Kuka)

Andre steder vil seksaksede leddarmroboter kjøre på syvaksede systemer for å utføre grunning, lakkering, klarlakkbelegging og andre forseglingsprosesser på karosserier. Slike sammenstillinger gir konsistente resultater uten feil, som er pålitelige fordi disse prosessene utføres i godt isolerte sprøytebokser som effektivt holdes kontamineringsfrie fra partikler fra omgivelsene utenfor. Seksaksede roboter følger også programmeringsoptimaliserte sprøytebaner for å gi perfekte overflater, samtidig som de minimerer oversprøyting og lakkering og forseglingsavfall. Dessuten eliminerer de situasjoner som kan utsette personell i bilproduksjonsanlegg for skadelig damp/røk som er forbundet med visse sprøytepåførte materialer.

Figur 6: SIMATIC Robot Integrator-appen forenkler integreringen av roboter i automatiserte omgivelser ved å imøtekomme parametrene til leverandørers roboter og konstruksjoners geometri- og monteringskrav. Disse installasjonene kan komplementeres ved å bruker skalerbare SIMATIC S7-styringer med høy ytelse, der disse har integrert I/O og ulike kommunikasjonsalternativer for fleksible konstruksjonstilpasninger. (Bildekilde: Siemens)

SCARA-roboter (SCARA – selective compliance articulated robot arm) har to roterende skjøter med parallelle dreieakser som beveger seg i vertikal retning for X-Y-posisjonering i ett enkelt bevegelsesplan. Deretter vil en tredje lineære akse bevege seg i Z-retningen (opp og ned). SCARA-enheter er relativt billige alternativer som utmerker seg i trange rom – selv når de gir raskere bevegelser sammenlignet med tilsvarende kartesiske roboter. Så det er ikke rart at SCARA-roboter brukes i produksjon av bilelektronikk og elektriske systemer – inkludert de for klimastyring, konnektivitet for mobile enheter, lydelementer og visuelle elementer, underholdning og navigasjon. Her brukes SCARA som regel til å utføre de nøyaktige materialhåndterings- og monteringsoppgavene som trengs for å produsere disse systemene.

Kartesiske roboter har minst tre lineære akser som er stablet for å utføre bevegelser i X-, Y- og Z-retningene. Faktisk vil noen kartesiske roboter tas i bruk av billeverandører i klasse 2 i form av CNC-maskinverktøy, 3D-skrivere og koordinatmålingsmaskiner (CMM) for å verifisere kvaliteten og konsistensen til sluttprodukter. Hvis kartesiske roboter tas med i opptellingen, er disse lett bransjens vanligste industrirobottype. Som nevnt tidligere kalles kartesiske maskiner ofte bare roboter når de brukes til operasjoner som involverer manipulering av arbeidsstykker og ikke verktøy – for eksempel montering, plukking og plassering og palletering.

En annen kartesisk robotvariant som brukes i bilindustrien, er den automatiserte bomkranen. Disse er uunnværlige for feste- og sammenføyningsprosesser som krever tilgang til understellet som består av delvis fullførte kjøretøymoduler.

Ny og klassisk robotbruk i bilproduksjon

Sylindriske roboter er kompakte og økonomiske roboter som gir treakset posisjonering med et roterende ledd ved fundamentet og to lineære akser for høyde og armforlengelser. De er spesielt godt egnet for maskinbetjening, pakking og palletering av delkomponenter til biler.

Samarbeidende seksaksede roboter (cobots), som ble nevnt tidligere, har samme grunnleggende forbindelsesstruktur som større industrielle variasjoner, men med ekstremt kompakte og integrerte motorbaserte drivverk ved hvert ledd – vanligvis i form av en girmotor eller direktedrivverk. I kjøretøyomgivelser vil oppgaven til disse være å sveise braketter, fester og geometrisk kompliserte underrammer. Fordelene inkluderer høy presisjon og repeterbarhet.

Delta-roboter har tre armer som aktiveres via roterende ledd fra fundamentet – ofte montert i taket for opphengte sammenstillinger. Hver arm har et parallellogram med universalledd montert i enden, og disse parallellogrammene kobles deretter til endeeffektoren. Dette gir delta-roboten tre grader av sammenkoblingsfrihet, der endeeffektoren aldri roterer i forhold til fundamentet. Delta-roboter kan oppnå ekstremt høye akselerasjoner, noe som gjør dem svært effektive for plukkrobot-operasjoner i konstruksjoner som involverer sortering og annen håndtering av fester og elektriske komponenter i biler.

Stewart-plattformer (også kalt «hexapod») består av et trekantet fundament og en trekantet endeeffektor forbundet med seks lineære aktuatorer i et oktaeder. Dette gir seks frihetsgrader med en ekstremt stiv struktur. Bevegelsesområdet er imidlertid relativt begrenset sammenlignet med strukturens størrelse. Stewart-plattformer brukes til bevegelsessimulering; mobil presisjonsmaskinering; kranbevegelseskompensasjon; og høyhastighets vibrasjonskompensasjon i presisjonsfysikk og optiske testrutiner – inkludert de som er for å verifisere hjulopphengskonstruksjoner i biler.

Automatiserte veiledede kjøretøy (AGV-er) følger faste ruter merket med linjer malt på gulvet, ledninger på gulvet eller andre veiledningsstolper. AGV-er har vanligvis en viss grad av intelligens, slik at de stopper og starter for å unngå kollisjoner med hverandre og med mennesker. De er svært egnet for materialtransportoppgaver i bilproduksjonsanlegg.

Autonome mobile roboter (AMR - autonomous mobile robot) krever ikke faste ruter og er i stand til å ta mer sofistikerte beslutninger enn AGV-er. Disse er spesielt nyttige i de omfattende lagerhusene til bilprodusenter, og de oppnår vanligvis fri navigasjon ved å bruke laserskannere og objektgjenkjenningsalgoritmer for å registrere omgivelsene. Når en potensiell kollisjon detekteres, kan AMR-er, i stedet for å stoppe og vente som en AGV, ganske enkelt endre kurs og bevege seg rundt hindringer. Denne tilpasningsevnen gjør AMR-er betydelig mer produktive og fleksible i lasteplasser for bilproduksjonsanlegg.

Konklusjon

Bilindustrien har motivert industrien til massiv innovasjon innen robotikk i løpet av de siste 30 årene, og denne trenden vil fortsette med det raskt voksende markedet for elektriske kjøretøy. Bransjen har også begynt å dra nytte av nye AI- og maskinsynstilpasninger for å forbedre robotinstallasjoner for alle typer bruk.