Robotica in de hedendaagse autoproductie

Industriële robots zijn essentieel voor de moderne productie - zij voeren een groot aantal functies uit en coördineren taken met andere vormen van automatisering. In feite was de automobielindustrie, met een waarde van 1 ton, de eerste industrie die de middelen had om op grote schaal gebruik te maken van robotica ... en ook de technologieën in verband met robotica verder te ontwikkelen. Geen wonder, want auto's zijn zeer geavanceerde big-ticket items die fabrieksinvesteringen kunnen rechtvaardigen die mogelijk jarenlang geen rendement opleveren. Nu maakt de overgrote meerderheid van de autofabrieken gebruik van robotica. Pas in de laatste twee decennia hebben de sectoren verpakking, halfgeleiderproductie en het relatief nieuwe gebied van geautomatiseerde opslag hun invoering van robotica bespoedigd om de automobielindustrie te evenaren.

Afbeelding 1: De automobielindustrie heeft, meer dan misschien enige andere, de ontwikkeling van robotica-technologieën gestimuleerd. (Bron afbeelding: Getty Images)

In de robots zelf en in aanvullende industriële automatiseringsapparatuur zijn elektromotors, hydraulische systemen en stromingssystemen opgenomen; aandrijvingen, bedieningselementen, netwerkhardware, mens-machine-interfaces (HMI's) en softwaresystemen; en sensor-, feedback- en veiligheidscomponenten. Deze elementen zorgen voor efficiëntie door het uitvoeren van voorgeprogrammeerde routines die zich gemakkelijk kunnen aanpassen aan veranderende omstandigheden in real time. In toenemende mate wordt verwacht dat robotwerkcellen ook herconfigureerbaar zijn om nieuwe auto's te produceren ... aangezien de voorkeuren van de consument sneller dan ooit evolueren.

Verduidelijking van de terminologie inzake automatisering en robotica

De Oxford English Dictionary definieert robots als "machines die automatisch complexe reeksen bewegingen kunnen uitvoeren, in het bijzonder programmeerbaar". Verwarrend is dat deze definitie alles zou kunnen beschrijven, van wasmachines tot CNC-machines. Zelfs de ISO 8373-definitie van een robot als een "automatisch bestuurde, herprogrammeerbare, multifunctionele manipulator, programmeerbaar in drie of meer assen" zou een magazijntransportband met verticale liftstations kunnen beschrijven. Dergelijke machines zouden normaal gesproken echter nooit als robots worden aangemerkt.

Het praktische verschil is dat machines die voor één [lees: zeer duidelijk omschreven] gebruik op een vaste locatie zijn gebouwd, gewoonlijk niet als robots worden beschouwd ... althans niet in industriële kringen. Bijvoorbeeld, hoewel een typische freesmachine een willekeurig aantal complexe programma's kan uitvoeren om verschillende onderdelen te bewerken, is zij ontworpen om metaal te snijden met behulp van roterende messen die in de spindel zijn gemonteerd ... en zij zal waarschijnlijk gedurende haar hele levensduur op één plaats vast blijven zitten.

Afbeelding 2: In sommige gevallen is het onderscheid tussen robot en machine gebaseerd op hoe een geautomatiseerd ontwerp eruit ziet. Sommigen classificeren gelede armen die lijken op gemechaniseerde menselijke armen als robots - en classificeren geautomatiseerde cartesische opstellingen van lineaire geleiders (zoals de CT4 voor assemblage en inspectie van kleine onderdelen) als machines. (Bron afbeelding: IAI America Inc.)

Soms worden zelfs deze definities tegengesproken. Zo zijn geautomatiseerde machines zoals CNC-bewerkingsmachines steeds flexibeler, met draai- en freescentra die de rol vervullen van zowel freesmachines als draaibanken - en veel van dergelijke machines voeren ook inspectie- en meettaken uit op onderdelen met contacttasters en laserscanners. Dergelijke werktuigmachines kunnen zelfs worden uitgerust voor additieve vervaardiging. Anderzijds worden zogenaamd flexibele industriële robots vaak geleverd als gespecialiseerde modellen die zijn ontworpen voor een specifieke taak, zoals verfspuiten of lassen ... en die hun hele levensduur kunnen doorbrengen in één werkcel op een productielijn.

Het komt erop neer dat in de hedendaagse automobielindustrie van geautomatiseerde systemen die als robots worden aangemerkt, inderdaad vaak een grote flexibiliteit wordt verwacht - in staat om (met herconfiguratie) transport-, sorteer-, assemblage-, las- en verftaken uit te voeren die van dag tot dag kunnen variëren. Van deze industriële robotica wordt ook verwacht dat zij verplaatsbaar zijn naar nieuwe gebieden in een fabriek - hetzij om opnieuw te worden ingezet als productiesystemen en opnieuw te worden geconfigureerd of voortdurend verplaatsbaar op lineaire rupsbanden met zevende as om werkcellen in een lijn te bedienen.

Robotfamilies voor autofabrieken

Robots in autoproductielocaties worden in grote lijnen ingedeeld volgens hun mechanische structuren - met inbegrip van hun soorten verbindingen, hefinrichtingen en vrijheidsgraden.

Tot de seriële manipulatierobots behoren de meeste industriële robots. Ontwerpen in deze ontwerpfamilie hebben een lineaire keten van schakels met een basis aan het ene uiteinde en een eindeffector aan het andere uiteinde ... met een enkele verbinding tussen elke schakel in de keten. Deze omvatten gelede robots, SCARA-robots (selective compliance articulated robot arm), samenwerkende zesassige robots, cartesische robots (hoofdzakelijk bestaande uit lineaire actuatoren) en (enigszins ongewone) cilindrische robots.

Afbeelding 3: Collaboratieve robots komen steeds vaker voor bij toeleveranciers van Tier 2 auto's die baat hebben bij geautomatiseerd palletiseren. (Bron afbeelding: Dobot)

Parallelle manipulatierobots blinken uit wanneer toepassingen een hoge stijfheid en operationele snelheid vereisen. In tegenstelling tot gelede armen (die in de 3D-ruimte hangen via een enkele lijn van verbindingen) worden parallelle manipulatoren ondersteund of opgehangen door reeksen verbindingen. Voorbeelden hiervan zijn delta- en Stuart-robots.

Mobiele robotica zijn eenheden op wielen die materialen en voorraden verplaatsen in fabrieken en magazijnen. Zij kunnen functioneren als automatische vorkheftrucks om pallets op te halen, te verplaatsen en op rekken of de fabrieksvloer te plaatsen. Voorbeelden hiervan zijn automatisch geleide voertuigen (AGV's) en autonome mobiele robots (AMR's).

Klassieke robottoepassingen in de autoproductie

Klassieke robottoepassingen in autofabrieken zijn onder meer lassen, verven, assemblage en (voor het vervoer van de 30.000 onderdelen die in een gemiddelde auto worden verwerkt) materiaalbehandeling. Ga na hoe sommige subtypes van robots in deze toepassingen worden gebruikt.

Zesassige knikarmrobots zijn seriële manipulatoren waarbij elk gewricht een revoluut gewricht is. De meest gebruikelijke configuratie is de zesassige robot met vrijheidsgraden om voorwerpen in elke positie en oriëntatie binnen zijn werkvolume te plaatsen. Dit zijn zeer flexibele robots die geschikt zijn voor talloze industriële processen. De meeste mensen denken bij een industriële robot aan zesassige knikarmrobots.

Afbeelding 4: Krachtige barcodelezers kunnen 1D- en 2D-barcodes snel en betrouwbaar decoderen. Sommige worden gemonteerd op robotachtige eindeffectors ter ondersteuning van het verzamelen van elektronische en auto-onderdelen en subassemblage-elementen. (Bron afbeelding: Omron Automation and Safety))

In feite worden grote zesassige robots vaak gebruikt bij het lassen van autoframes en het puntlassen van carrosseriedelen. In tegenstelling tot handmatige benaderingen kunnen robots nauwkeurig lasbanen in de 3D-ruimte traceren zonder te stoppen en tegelijkertijd de veranderende parameters van de lasrups aanpassen aan de omgevingsomstandigheden.

Afbeelding 5: Deze zesassige robots zijn wat de meeste mensen zich voorstellen bij een industriële robot. (Bron afbeelding: Kuka)

Elders rijden zesassige knikarmrobots op systemen met een zevende as om grond-, verf-, lak- en andere afdichtingsprocessen uit te voeren op carrosserieën van autopanelen. Dergelijke regelingen leveren feilloos consistente resultaten op, die deels zo betrouwbaar zijn omdat deze processen worden uitgevoerd in goed geïsoleerde spuitcabines die effectief niet worden verontreinigd door deeltjes uit de buitenomgeving. Robots met zes assen volgen ook programmatisch geoptimaliseerde spuitpaden voor een perfecte afwerking en minimaliseren tegelijkertijd overspray en verspilling van verf en sealer. Bovendien hoeft het personeel van autofabrieken niet te worden blootgesteld aan de schadelijke dampen van sommige spuitmaterialen.

Afbeelding 6: De SIMATIC Robot Integrator app vereenvoudigt de integratie van robots in geautomatiseerde instellingen door rekening te houden met de parameters van de robots van verschillende leveranciers en de geometrieën en montagevereisten van verschillende toepassingen; deze installaties worden aangevuld met schaalbare, krachtige SIMATIC S7 controllers met geïntegreerde I/O en verschillende communicatieopties voor flexibele ontwerpaanpassingen. (Bron afbeelding: Siemens)

SCARA-robots (Selective Compliance Articulated Robot Arm) hebben twee rotatiegewrichten met parallelle draaiassen in verticale richting voor X-Y positionering in één enkel bewegingsvlak. Een derde lineaire as maakt beweging in de Z-richting (op en neer) mogelijk. SCARA's zijn relatief goedkope opties die uitblinken in krappe ruimten - zelfs bij snellere bewegingen dan vergelijkbare cartesische robots. Geen wonder dat SCARA-robots worden gebruikt bij de productie van auto-elektronica en elektrische systemen - waaronder die voor klimaatregeling, connectiviteit van mobiele apparaten, audio/visuele elementen, entertainment en navigatie. Hier worden SCARA's het meest gebruikt om de precieze materiaalbehandeling en assemblagetaken uit te voeren om deze systemen te produceren.

Cartesiaanse robots hebben ten minste drie lineaire assen die gestapeld zijn om bewegingen uit te voeren in de X-, Y- en Z-richting. Sommige cartesiaanse robots die door Tier-2 autoleveranciers worden gebruikt, zijn CNC-bewerkingsmachines, 3D-printers en coördinatenmeetmachines (CMM's) om de kwaliteit en consistentie van eindproducten te controleren. Als we deze machines meetellen, zijn cartesiaanse robots gemakkelijk de meest voorkomende vorm van industriële robots in de industrie. Maar zoals gezegd worden cartesiaanse machines vaak alleen robots genoemd wanneer zij worden gebruikt voor bewerkingen waarbij werkstukken worden gemanipuleerd en geen gereedschap - bij assemblage, pick-and-place en palletiseren bijvoorbeeld.

Een andere cartesiaanse robotvariant die in de automobielindustrie wordt gebruikt is de geautomatiseerde portaalkraan. Deze zijn onmisbaar voor bevestigings- en verbindingsprocessen waarbij toegang tot het onderstel van gedeeltelijk voltooide voertuigassemblages nodig is.

Nieuwe en nieuwe toepassingen van robots in de automobielindustrie

Cilindrische robots zijn compacte en zuinige robots die een drieassige positionering mogelijk maken met een revolutiegewricht aan de basis en twee lineaire assen voor hoogte- en armuitbreiding. Zij zijn bijzonder geschikt voor het machinaal bedienen, verpakken en palletiseren van auto-onderdelen.

De eerder genoemde coöperatieve zesassige robots (cobots) hebben dezelfde basisstructuur als grotere industriële varianten, maar met uiterst compacte en geïntegreerde motorische aandrijvingen bij elk gewricht ... meestal in de vorm van een motorreductor of directe aandrijving. In de auto-industrie worden zij belast met het lassen van beugels, steunen en geometrisch gecompliceerde subframes. Voordelen zijn hoge precisie en herhaalbaarheid.

Deltarobots hebben drie armen die worden bediend via draaikoppelingen vanaf de basis - vaak gemonteerd aan het plafond voor een hangende opstelling. Elke arm heeft een parallellogram met universele gewrichten aan het uiteinde, en deze parallellogrammen zijn dan allemaal verbonden met de eindeffector. Dit geeft de deltarobot drie graden van translatievrijheid waarbij de eindeffector nooit roteert ten opzichte van de basis. Deltarobots kunnen extreem hoge versnellingen bereiken, waardoor ze zeer doeltreffend zijn voor pick-and-place-toepassingen bij het sorteren en andere handling van kleine autobevestigingen en elektrische componenten.

Stewart platforms (ook wel hexapods genoemd) bestaan uit een driehoekige basis en een driehoekige eindeffector, verbonden door zes lineaire actuatoren in een octaëder. Dit geeft zes vrijheidsgraden met een extreem stijve structuur. Het bewegingsbereik is echter relatief beperkt in vergelijking met de omvang van de structuur. Stewart platforms worden gebruikt voor bewegingssimulatie; mobiele precisiebewerking; compensatie van kraanbewegingen; en compensatie van hoge-snelheidstrillingen in precisiefysica en optische testroutines ... waaronder die om ontwerpen voor voertuigophanging te verifiëren.

Automatisch geleide voertuigen (AGV's) volgen vaste routes die worden gemarkeerd door lijnen die op de vloer zijn geschilderd, draden op de vloer of andere geleidebakens. AGV's hebben doorgaans een zekere mate van intelligentie, zodat zij stoppen en starten om botsingen met elkaar en met mensen te vermijden. Zij zijn uitermate geschikt voor materiaaltransporten in autofabrieken.

Autonome mobiele robots (AMR's) hebben geen vaste routes nodig en kunnen verfijndere beslissingen nemen dan AGV's. Deze zijn vooral nuttig in de uitgestrekte magazijnen van autofabrikanten en maken gebruik van laserscanners en algoritmen voor objectherkenning om hun omgeving op te sporen. Wanneer een potentiële botsing wordt gedetecteerd, kunnen AMR's, in plaats van te stoppen en te wachten zoals een AGV, eenvoudigweg van koers veranderen en om obstakels heen bewegen. Dit aanpassingsvermogen maakt AMR's aanzienlijk productiever en flexibeler in laadperrons van autofabrieken.

Conclusie

De automobielindustrie heeft de afgelopen 30 jaar enorme innovatie op het gebied van robotica gestimuleerd, en die trend zal zich voortzetten met de ontluikende markt voor elektrische voertuigen (EV's). De industrie begint ook te profiteren van nieuwe AI en machine vision aanpassingen om robotinstallaties voor allerlei toepassingen te verbeteren.