Štandardný proces alebo, povedzme, bežne používaný u mnohých integrátorov robotov spočíva v overení robota iba statickým spôsobom. To znamená, že pri procese inžinieringu sa otestuje schopnosť robota dosiahnuť na miesto výkonu operácie a schopnosť robotického nástroja vykonať požadovanú akciu, či už ide o uchopenie, spájanie, detekciu alebo meranie. Výsledkom je zapracovateľnosť. Nezohľadňuje sa spôsob príjazdu robota, kinematika robotov a zariadení, ale iba pozícia v určitých pózach robota alebo zariadenia.
Integrátori, ktorí si uvedomujú dynamické možnosti simulácie, overujú robot aj vzhľadom na jeho trajektóriu. To znamená, že ich zaujíma aj proces medzi spomínanými pozíciami. Dokážu vytvoriť robotický program a ten preniesť do reálneho robota. Tento prístup dokáže dnes ušetriť čas, náklady na nábeh pracoviska, eliminovať prípadné kolízie a priniesť efektivitu do výroby.
Ale čím môže byť simulácia dnes? V prvom rade simulácia je nosnou časťou celkového inžinieringu a z pohľadu životného cyklu produktu (PLM – product lifecycle management) môžeme povedať, že ako jediný proces sprevádza robotickú linku od začiatku po koniec produktu. Simulácia je chrbtovou kosťou celého projektu a vychádzajú z nej všetky procesy a opäť sa v nej stretávajú.
Ak to zoberieme z pohľadu PLM, tak práca na simulácii sa začína už v procese vytvárania cenovej ponuky pracoviska. Cena sa stanovuje na základe konceptu, ktorý sa vytvára v simulácii z tzv. dummy modelov. Tieto modely sú vytvorené z knižnice už existujúcich prvkov, ktoré boli v minulosti nasadené v podobnej aplikácii, a nesú so sebou mnoho informácií. Nie je to len 3D reprezentácia, ale aj cena technológie, kapacitné plánovanie, či už personálne, alebo výrobné. Na základe takto vytvoreného konceptu dokážeme prakticky jedným exportom stanoviť cenu výrobnej linky a ponúknuť zákazníkovi nielen opis, ale aj pohľad na robotickú linku. Vytvorenie 3D koncepčného návrhu neprináša len spomínanú grafickú reprezentáciu, ale slúži v následnom kroku ako základ pre začiatok projektu.
Po začatí prác na robotickej linke udáva simulácia potrebné základné informácie, kde sa majú nachádzať výrobné prostriedky, ich situáciu vzhľadom nielen na robot, ale aj na ďalšie procesy, ktoré vstupujú do výrobnej linky. Samozrejme je rozdiel medzi integráciou do už existujúcej linky alebo tvorbou na zelenej lúke. Pri integrácii je už okolie robota zväčša dané, čiže robot sa prispôsobuje okoliu. Do priestoru sa vkladajú existujúce výrobné časti a obmedzia robota. Pokiaľ nemáme reálnu informáciu a 3D dáta o existujúcom stave, je vhodné vytvoriť si priestor najlepšie prostredníctvom skenovania a vytvorením mračna bodov. Pokiaľ sme na zelenej lúke, zohľadňujeme iba požiadavky napríklad operátora, ktorý musí mať ergonomickú výšku na nakladanie do zváracieho prípravku. Vytvoria sa statické pozície s reálnym produktom vo všetkých operáciách a prvotný layout pracoviska. Takýmto spôsobom sa vytvorí podklad samotnej mechanickej, elektrickej a technologickej konštrukcie. Z konštrukcie prichádzajú prvé návrhy, ktoré sa v simulácii overujú a pripomienkujú. Samozrejmosťou je v tejto fáze overenie taktu. To znamená, že sa vytvorí následnosť krokov a ich časová závislosť vzhľadom na požadované výrobné kapacity.
Dummy modely sa postupne menia na skutočné 3D návrhy typizované pre danú integráciu. Tieto skutočné modely sa kinematizujú, čiže dostávajú jednak mechanickú funkčnosť, jednak funkčnosť logickú. Na vysvetlenie logická funkčnosť slúži vo fázach virtuálneho nábehu. Napríklad pneumatický valec má rýchlosť, akou sa pohybuje, a koncové polohy, do ktorých sa dostáva. Avšak logická funkčnosť hovorí aj o tom, akým signálom spustím ventil, čo sa stane, ak sa počas prejazdu náhodou odpojí prívodný vzduch, stlačí núdzové zastavenie a pod. Pokiaľ máme dummy model už nahradený 3D návrhom, povolenie na výrobu dáva práve simulácia, nie mechanická konštrukcia.
Len čo máme všetky komponenty nakreslené, dochádza k vytvoreniu kompletnej dynamickej simulácie. Čiže linka sa overí vzhľadom na deklarovaný výrobný takt. Proces výroby komponentov pokračuje a v tomto prekrytom čase sa finalizujú robotické programy a vytvára sa virtuálny nábeh pracoviska. To znamená, že keď simulácia povolí a validuje stavbu, tak sa začne na základe simulácie stavať reálna linka. Samozrejmá je asistencia simulácie pri stavbe. Virtuálny nábeh nám už prakticky začal niekoľko procesov dozadu a teraz sa len spájajú všetky do celku a z už existujúcich knižníc sa definuje „správanie“ linky. Čiže vytvoria sa programy, ktoré sa priamo prenesú do robotov a riadiacich systémov. Na stavbu opäť prichádza simulácia a vytvorené programy nahrá do robotov a validuje ich funkčnosť. V mnohých prípadoch je toto posledný krok simulácie.
Na rad prichádzajú funkčnosti, ktoré si mnohí technici neuvedomujú a nevyužívajú. Opäť z pohľadu PLM sme niekde v 2/3 životného cyklu produktu. Linka vyrába diely, avšak simulácia by mala pokračovať, a to zanesením skutočných stavov zo samotnej stavby. Určite sa nepodarí všetko postaviť na centimeter presne a vzhľadom na nejaké požiadavky zákazníka môže dôjsť k zmenám na linke. Najvhodnejším prostriedkom je vytvorenie 3D skenu pracoviska. Sken sa vkladá do simulácie a tým sa reálny stav prenesie do pôvodného virtuálneho. Tento úkon nám pomôže v situácii, keď sa zvýši napríklad objem vyrábaných kusov, alebo v stave, keď napríklad faceliftom predĺžime životnosť produktu. Takže ako sme začali celkovú realizáciu projektu simuláciou konceptu, tak ho zatvárame prenesením reálneho do simulácie. Netreba zabúdať aj ďalšie možnosti, ktoré sa už dnes využívajú. Napríklad naviazanie ľudských zdrojov na simuláciu, t. j. koľko a akých pracovníkov budeme potrebovať, koľko krokov bude musieť za deň prejsť, aká bude ergonómia pracoviska, ale môže to byť aj definovanie výšky operátora. Prepojenie simulácie aj priamo so systémom ERP prináša výhody, ako zefektívniť výrobu, nakoľko sa získa napríklad prehľad o stave zásob a využití komponentov, ktoré sú dostupné.
Obrovskú výhodu simulácie ocenia aj integrátori kolaboratívnych robotov. Dnes je už súčasťou modelov správanie človeka a zadefinovanie rizík, ku ktorým môže dôjsť. Kritické situácie sa modelujú a sú súčasťou hodnotenia rizík pracoviska. Dokážeme namodelovať interferencie robota s človekom, vytvoriť zakázané zóny pre robot. Napríklad uchopovač s výrobkom môže ísť do nejakej maximálnej výšky a nikdy sa nemôže prevrátiť. Bezpečnosť sa v simulácii nezohľadňuje len pri kolaboratívnych robotoch. Treba si uvedomiť, koľko trvá napríklad dobeh robota. Pokiaľ nie je umiestnený v klietke, ale má napríklad otvorené okno na nakladanie chránené len bezpečnostnou závorou alebo skenerom, treba to zohľadniť. Reakcia celého systému na vstup človeka do nebezpečnej zóny môže znamenať aj otočenie robota o 60° na jednej osi. Správnou simuláciou dokážete tomuto zabrániť ešte v procese návrhu. Môžete vytvoriť obmedzenia pre robot alebo dokonca vytvoriť program, ktorý nikdy neumožní robotu nadobudnúť takú rýchlosť, ktorá by dokázala ublížiť človeku.
Ako už bolo uvedené, zvyšovanie výrobnej kapacity je súčasťou životného cyklu produktu. Pri optimalizácii sa môžeme zamerať na viacero elementov, v prvom rade treba zistiť najužšie miesto výroby. Pokiaľ máme skutočný stav linky v simulácii, môžeme začať s optimalizáciou. V prvom kroku prenášame zálohy z robotov spätne do simulácie. Čiže dokážeme vyhodnotiť, prečo ide robot po danej trajektórii a prečo ju nezmení. Zaujímavosťou pri simulácii môže byť zameranie sa na využitie gravitácie a súčinnosti viacerých osí v jednom pohybe. Gravitáciu dokážete efektívne využiť pri prepolohovávaní robota, keď robot na páke dokáže nadobudnúť vyššiu rýchlosť, alebo pri použití viacerých kĺbov robota na rovnaký cieľ. Keď chcete pootočiť len uchopovač o niekoľko stupňov a nepoužiť len kĺb, ktorý je priamo prepojený s uchopovačom v danej osi. Optimalizácia nemusí byť len vzhľadom na čas. Roboty môžeme optimalizovať aj vzhľadom na spotrebu energie. Simuláciou opäť dokážeme navrhnúť dynamické úkony, ktoré budú spotrebovávať čo možno najmenej elektrickej energie. Pri niektorých úkonoch nemusíme zdvíhať celý robot, stačí nám len jeho efektor. Správnym vytvorením simulačných knižníc a prenesením reálnych údajov do simulácie dokážeme posunúť návrh do nových dimenzií.
Pokiaľ je už optimalizácia na hrane a prídeme k stavu, že musíme do výrobnej linky dodať robot, simulácia nám umožní zefektívniť celý proces. Zákazník požiada o ďalšieho robota, ale zároveň vám zakáže zmeniť rozlohu pracoviska. Správnou simuláciou sa dokáže uskutočniteľnosť daného zámeru. Roboty budú musieť spolu interagovať a bude sa musieť vytvoriť správny sled operácií, ktorý odsimuluje chod robotov a zadefinuje im priestor, ktorý majú spoločný a v ktorom budú musieť spolu komunikovať, aby danú zónu obsadili pre seba a druhý robot čakal na jej uvoľnenie.
Zaujímavosťou je simulovanie káblových zväzkov, ktoré si nesú roboty. V reálnych podmienkach sa často stretávame práve s problémom s prívodmi do efektorov. Často sa trhajú, ošúchavajú, ničia. Správnou simuláciou sa káblové zväzky dokážu navrhnúť na správnu dĺžku či polohu tak, aby nedochádzalo k ich poškodeniu.
To je len časť dnešných možností simulácie v priemyselnej robotike. V budúcnosti nás čakajú ďalšie možnosti, na ktorých sa už teraz pracuje. Napríklad vstup človeka do virtuálnej reality, čiže naozaj pohyb v robotickej linke pomocou headsetov a pod. Tiež automatická tvorba trajektórií robotov je relatívne novou súčasťou simulačných nástrojov, ktorá je už zakomponovaná do softvérov. V budúcnosti nás isto neminú nástroje na efektívnejšie návrhy liniek s kolabotratívnymi robotmi a hodnotenie ich rizík. Práca s mračnami bodov a spracovanie veľkého množstva dát. Prepojenie na PDM, ERP či databázových enginov, ktoré budú v priemysle za niekoľko rokov kľúčové. Samozrejme počíta sa s vytvorením návrhov, ktoré budú lepšie pracovať s predikciou. Už dnes máme reálne vytvorené pracovné návody pre operátorov, takže logicky ďalším krokom bude vkladanie napríklad videa, výkresu alebo dokonca kontaktu na servis.
Poďakovanie
Článok vznikol v rámci riešenia projektu Výskum pokročilých technológií tvárnenia a spájania materiálov a robotizácie technologických procesov vo výrobe komponentov dopravných prostriedkov, ktorý je podporovaný Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR v rámci poskytnutých stimulov pre výskum a vývoj zo štátneho rozpočtu v zmysle zákona č. 185/2009 Z. z. o stimuloch pre výskum a vývoj.
Maroš Mudrák
Juraj Čapek
MATADOR Automation, s.r.o.
maros.mudrak@matador-group.eu
