Akútny nedostatok pracovnej sily vyriešil jeden robot

Ekonomika eurozóny zažíva v súčasnosti konjunktúru. Priaznivo sa to prejavuje aj na miere nezamestnanosti, ktorá napríklad na Slovensku klesla pod 8,7 %. Naopak dopyt po pracovnej sile rastie a nielen priemyselnú sféru počuť čoraz hlasnejšie sa ponosovať na neustály nedostatok ľudí. Jedna z najvýznamnejších zlievarní v Českej republike BENEŠ a LÁT a.s. tento problém na jednom konkrétnom pracovisku v závode v Poříčanoch elegantne vyriešila inštaláciou robota COMAU. Návrh a dodávku kompletného riešenia jej zabezpečovali neďalekí krajania z inžinierskej firmy SoliCAD, s.r.o s podporou spoločnosti COMAU.
Akútny nedostatok pracovnej sily vyriešil jeden robot

BENEŠ a LÁT je čisto česká spoločnosť, ktorú v roku 1934 založil Josef Beneš. Má štyri výrobné závody, hlavným je fabrika v Poříčanoch približne 30 km východne od Prahy. Vyrábajú sa tu gravitačným alebo nízkotlakovým liatím odliatky z hliníkových zliatin, ktoré v prípade požiadavky zákazníkov vedia aj opracovať (pred 1,5 rokom spustili do prevádzky novú obrobňu) a vykonať na nich istú mieru montáže. V ďalších dvoch závodoch sa venujú vysokotlakovému odlievaniu hliníka a zinku, posledný štvrtý je určený pre výrobu plastových hračiek. Tie do svojej činnosti zahrnula firma iba pred 12 rokmi, avšak základným pilierom podnikania je samozrejme zlievarenstvo, kde má BENEŠ a LÁT v ČR jedno z dominantných postavení. Produkty zlievarní putujú väčšinou k subdodávateľom z automobilového priemyslu. Odberateľmi sú však aj výrobcovia hydraulických, pneumatických a komunikačných systémov, autoumyvární, nemocničných lôžok, železničný priemysel, atď. Z celej produkcie ide okolo 15% do Čiech a na Slovensko, zvyšok do ostatných európskych a svetových krajín. Firma má široké spektrum zákazníkov, ktorým dodáva väčšinou tisícové série a preto disponuje stovkami odlievacích foriem.

Závod v Poříčanoch produkuje v malých sériách niekoľko sto typov dielov pre desiatky zákazníkov. Z pohľadu celkového počtu kusov predstavujú odberatelia z automobilového priemyslu 25% produkcie, z hľadiska hmotnostného množstva 40 až 50% celej produkcie závodu. Ten je v nepretržitej prevádzke až na pravidelnú 24-hodinovú odstávku medzi sobotou a nedeľou večer, kedy sa vypracováva plánovanie zákaziek a s tým spojenej výroby na najbližší týždeň. Jednou z výnimiek v produktovom portfóliu je projekt pre švédskeho výrobcu ťahačov SCANIA, pre ktorého závod vyrába dva diely motorovej brzdy s produkciou cez 50 000 kusov ročne, čo sa už nepovažuje za malosériovú ale masovú výrobu. Zákazka pre SCANIA momentálne predstavuje jeden z nosných produktov závodu. Po odliatí je potrebné tieto diely finálne opracovať, čo ešte donedávna manuálne vykonávalo niekoľko pracovníkov. Zhoršujúca sa dostupnosť spoľahlivej pracovnej sily, jej obrovská fluktuácia a v konečnom dôsledku aj nezanedbateľná miera nepodarkov z procesu opracovania prinútili poříčanský závod hľadať náhradné riešenie. Našli ho vo vybudovaní spomínaného robotického pracoviska.

Pôvodné manuálne opracovanie odliatkov

Pri pôvodnom opracovaní sa na odliatkoch vykonávalo niekoľko rôznych úkonov na niekoľkých pracovných stoloch. Išlo o operácie odrezania nátokovej sústavy, brúsenie na pásovej a malej ručnej pásovej brúske a prípadné začisťovanie pilníkom vnútorných kapsičiek. Operácie chronologicky nadväzujúce na seba sa vykonávali rôznymi nástrojmi, pričom každú operáciu mal na starosti iný pracovník.

V súčasnosti všetky úkony združuje robotické pracovisko. Veľký rozdiel medzi súčasným a predchádzajúci stavom je v toku materiálu. Pri manuálnom opracovaní pomerne veľa času zhltlo ručné prenášanie dielov z jedného pracovného stola na druhý, kedy sa reálne na odliatku nevykonávali žiadne užitočné operácie a de facto išlo o prázdne prestojové časy. Dnes je z pohľadu logistiky potrebné zabezpečiť iba vstup a výstup z robotického pracoviska, čím sa čas potrebný na pôvodné presuny dielov výrazne zredukoval.

Robotické riešenie

Manuálne operácie niekoľkých ľudí nahradilo robotické pracovisko s jedným inštalovaným robotom COMAU NJ130. Ten rozličnými pohybmi manipuluje s odliatkom (s hmotnosťou cca 8 kg) a opracováva ho na kotúčovej píle a dvoch frézach s pevným umiestnením. Pracovisko obsluhuje jeden operátor, ktorý v prvom kroku pristaví v prepravnom vozíku odliate diely zo zlievarne a v presne definovanej polohe ich pokladá na vstupný dopravník. Ten privádza diely do robotickej bunky, pričom pohyb dopravníka sa riadi na základe signálov zo senzorov prítomnosti rozmiestnených pozdĺž dopravníka (svetelné snímače). Priestor vstupného dopravníka chráni optická bezpečnostná bariéra. Po vstupe do bunky je diel nasnímaný kamerou s prísvitom, ktorá jasne určí polohu dielu a overuje, či to je správny diel. Následne si robot berie diel koncovým uchopovačom (na ňom sú umiestnené indukčné snímače od ifm electronic detegujúce skutočnú prítomnosť dielu v čeľustiach uchopovača) a diel následne opracováva sériou definovaných presných pohybov okolo jednotlivých nástrojov. Laserovým senzorom prichyteným na konštrukcii robota sa kontroluje prítomnosť a celistvosť obrábacích nástrojov. Začína sa na kotúčovej píle, kde sa odrežú prečnievajúce nátoky (s presnosťou ± 1 mm).

Ďalšou operáciou je frézovanie hrán resp. obídenie kontúry okolo celého dielu. Poslednou treťou operáciou je frézovanie vnútorných kapsičiek použitím nástroja s menším priemerom 8 mm. Tieto kapsičky sú pre konštrukciu dielu veľmi dôležité, pretože nimi preteká v zloženej motorovej brzde olej. Zo strany koncového odberateľa SCANIA sú kladené vysoké nároky na kvalitu vyhotovenia kapsičiek, ktoré musia byť precízne opracované bez akýchkoľvek výčnelkov a pilín. Robot po dokončení poslednej operácie ukladá diel na výstupný dopravník (pohyb takisto riadený na základe senzorov prítomnosti), ktorým sa uložené diely odvádzajú z robotickej bunky. Z výstupného dopravníka odoberá diely operátor a v prípade potreby vykonáva dodatočné úpravy a ukladá ich do prepravného koša. Robotická bunka je obkolesená ochranným oplotením. Vstup cez dvere do priestoru robota stráži multifunkčný bezpečnostný systém MGB.

Robotické pracovisko opracováva dva typy dielov motorovej brzdy a z dôvodu rozdielnej konštrukcie si každý z nich vyžaduje osobitný uchopovač, ktorý operátor pracoviska osádza na koncové rameno robota. Oba uchopovače bolo potrebné kompletne vyvinúť a vyrobiť presne na mieru, pretože štandardné modely dostupné na trhu boli nevyhovujúce. O zložitosti týchto konštrukčných komponentov robotického riešenia svedčí aj fakt, že ich návrhom, vývojom a výrobou strávili špecialisti zo SoliCAD, s.r.o. tri mesiace. Použitý robot Comau má 6 osí, nosnosť 130 kg, dosah 260 cm a vystuženú štvrtú os, aby bolo možné zvládnuť kmitanie a reakčné sily celej sústavy počas rezania a frézovania. Pomerne veľa práce dalo nájsť také prevádzkové podmienky, aby celá sústava nekmitala a nevznikala rezonancia. Pre ilustráciu, vhodné parametre pre prvú operáciu pílenia sa ladili približne dva týždne.

Kľúčovými parametrami pre návrh robotického pracoviska bol maximálny celkový čas potrebný na opracovanie jedného dielu a presnosť opracovania. Obe základné požiadavky sa podarilo naplniť. Zložitejšiemu dielu to trvá niekoľko minút, jednoduchšiemu o niekoľko málo desiatok sekúnd menej. „Dosiahnuť stanovenú presnosť nebol pre nás žiaden problém,“ hovorí technický riaditeľ SoliCAD, s.r.o. Ing. Josef Gregor, Ph.D.“

Použitý COMAU NJ130 je model robota vhodný pre široké spektrum aplikácií ako montáž, ohraňovacie ohýbanie, lisovanie, obrábanie, bodové zváranie, obrábanie dreva/skla, presné lepenie, dávkovanie, manipulácia/balenie, zváranie laserovým lúčom, obsluha strojov, meranie/testovanie, rezanie plazmou/vodným lúčom alebo leštenie a odstraňovanie hrotov.

Výkonný softvér v hlavnej úlohe

Špecialisti zo SoliCAD zvolili pri návrhu robotického riešenia osvedčený postup praktizovaný pri podobných projektoch z nedávnej minulosti. Najskôr si koncept celého pracoviska nasimulovali vo vizualizačnom softvéri Visual Components. Model činnosti s presnými trajektóriami a rýchlosťami pohybu následne vytvorili v intuitívnom CAM softvéri SprutCAM určenom na robotické obrábanie, frézovanie a sústruženie. Zo SprutCAM-u sa cez postprocesor generuje vykonávací kód pre robot v takom formáte, ktorý dokáže prečítať.

Programovanie celej aplikácie a ladenie prevádzkových podmienok ako odstraňovanie chýb uchytenia, kalibrácia, výber vhodných obrábacích nástrojov, stanovenie otáčok a rýchlosti vretien, návrh chladenia vzduchom a olejom, trvalo približne 2 mesiace. Jednou z najnáročnejších úloh bolo zvládnutie frézovania vnútorných kapsičiek. Manuálne naprogramovanie pohybov robota pre túto činnosť bolo prakticky nemožné, preto sa v tomto prípade s výhodou využili pokrokové vlastnosti SprutCAM-u, ktorý to dokázal.

Smelé robotické plány budúcnosti

Manažment závodu v Poříčanoch je s výsledkom projektu robotického pracoviska veľmi spokojný. Pomohol im odstrániť bolestivý problém veľkej fluktuácie a nedostatku pracovnej sily. K tomu sa pridala aj vysoká kvalita obrábania robotickej technológie, vďaka ktorej sa miera nepodarkov až trojnásobne znížila a zrejme by bola aj nulová, keby operátor pracoviska dokázal pokladať diely na vstupný dopravník stále s rovnakou presnosťou. Kvalitu robotického riešenia jednoznačne vyzdvihuje aj Ing. Milan Luňák, vedúci oddelenia technológie Z-02 v poříčanskom závode BENEŠ a LÁT: „Vybudovanie robotického pracoviska bolo samozrejme na začiatku vykúpené precíznou technickou pripravenosťou, teraz je však na nezaplatenie trvalá stabilita a opakovateľnosť vykonávania operácií.“

Spokojnosť v závode s vysoko odbornými službami špecialistov zo SoliCAD je očividná. Jej priamym dôsledkom je fakt, že na spadnutie je odsúhlasenie investície do ďalšieho spoločného projektu. Jeho podstatou je inštalácia ďalšieho robotického pracoviska, kde sa bude obrábať šesť rôznych typov odliatkov pre zákazníka zaoberajúceho sa výrobou bŕzd a spojok pre nákladné ťahače (telesá posilňovačov bŕzd a spojky, rozdeľovač hydraulickej kvapaliny). Tieto diely budú niekoľkonásobne konštrukčne aj výrobne jednoduchšie ako v prípade dielov motorovej brzdy pre SCANIA. V závode momentálne finalizujú celkovú koncepciu projektu, ako ho zaistiť personálne, obslúžiť softvérovo (otázka SprutCAM-u) a ako operátorom rozšíriť zručnosti tak, aby dokázali viesť skupinu 2-3 ľudí. Výbornú spoluprácu potvrdzuje aj Josef Gregor: „Po technickej stránke si s odborníkmi z BENEŠ a LÁT veľmi dobre rozumieme. Procesy robotického riešenia sa nám natoľko podarilo vyladiť, že sme ho schopní v závode kopírovať aj v iných aplikáciách.“

Plány závodu v Poříčanoch sú však ďaleko ambicióznejšie. Vo výhľade blízkej budúcnosti je totiž aj robotizácia samotného procesu odlievania. Odlievanie je v súčasnosti v réžii skúsených zlievačov, ktorí pri gravitačnom odlievaní realizujú niekoľko storočí starý postup. Naberajú tekutý materiál do lyžice, ktorú vylejú do formy, kde tuhne. Samotné liatie a naberanie materiálu prebieha po nejakej definovanej trajektórii, v definovanom čase, správnym naklopením lyžice a vyliatím do formy (kľúčové úkony liatia). Najdôležitejším parametrom pri tejto metóde gravitačného liatia je samotné naliatie materiálu do formy (ani rýchlo, ani pomaly a po jasne určenej trajektórii), ktoré má enormný vplyv na vnútornú kvalitu dielu. Skúsený zlievač (aspoň 5-ročná prax) je natoľko zručný, že úkony odlievania ovláda na požadovanej úrovni. V zlievarenskom priemysle sú zlievači veľmi cenení ľudia s výborným finančným ohodnotením. Jednoznačný trend výrazného úbytku takýchto skúsených odborníkov v ostatných rokoch núti BENEŠ a LÁT hľadať alternatívy spočívajúce práve v nahradení zlievača robotom, ktorý bude túto činnosť vykonávať so 100%-nou opakovateľnosťou. „Cieľom je, aby SoliCAD, COMAU a BENEŠ a LÁT vytvorili trojzáprah, ktorý bude schopný prísť s príslušným technickým riešením, konkurovať cenou a kvalitou,“ uzatvára Josef Gregor.

COMAU vo svete

COMAU je popredný svetový výrobca automatizovaných systémov a integrovaných zariadení, postupov a služieb, ktoré zvyšujú efektívnosť za stále nižších celkových nákladov. Hlavné sídlo má COMAU v Taliansku v Turíne. Vo svojej medzinárodnej sieti podnikov v 17 krajinách s viac ako 12 600 zamestnancami využíva najnovšie technológie a postupy pre dodávanie systémov na kľúč, ktoré trvalo prekračujú očakávania zákazníkov. COMAU sa špecializuje na zváranie a montáž karosérií, procesy pohonných jednotiek, robotiku a údržbu rovnako ako
na vyspelé výrobné systémy a environmentálne služby pre celý rad priemyselných odvetví. Neustálym vývojom výrobkov a služieb dokáže COMAU viesť priemyselnú automatizáciu na splnenie požiadaviek každého zákazníka, a to počas všetkých fáz projektu – od návrhu, implementácie a inštalácie, až po uvedenie do prevádzky a údržbu.

Za ochotu, čas a poskytnutie informácií veľmi pekne ďakujeme Ing. Josefovi Gregorovi, Ph.D. technickému riaditeľovi SoliCAD, s.r.o. a Ing. Milanovi Luňákovi, vedúcemu oddelenia technológie Z-02 v BENEŠ a LÁT a.s.