Liczba robotów sprzedawanych na świecie rośnie w zawrotnym tempie: według ostatniego raportu Międzynarodowej Federacji Robotyki, opublikowanego jesienią ubiegłego roku, w 2017 r. przekroczyła ona 2 mln, a w kolejnych latach ich sprzedaż będzie rosła średnio o 14% r/r, aby ok. 2020 r. sięgnąć 0,5 mln sztuk rocznie. To pokazuje, że roboty coraz częściej stają się nieodzownym elementem procesów produkcyjnych, niewiele jednak mówi o zadaniach, jakie mają do wykonania.

Współczesne systemy robotyczne potrafią coraz więcej: już nie tylko wykonują operacje z zakresu szeroko rozumianej obsługi obrabiarek, ale też – odpowiednio zintegrowane z centrum obróbczym – mogą realizować równolegle szereg zadań składających się na cykl produkcji danego detalu. Ich potencjał w tym zakresie wciąż jednak nie jest wykorzystywany, głównie dlatego, że technologia umożliwiająca pełną integrację robota z obrabiarką jest relatywnie młoda i nadal znajduje się w fazie optymalizacji.

W tradycyjnym podejściu do automatyzacji obrabiarek robot pełni wyłącznie funkcje operatora, nie zaś równorzędnego partnera realizującego część zadań obróbczych. Popularne sformułowanie, że pracuje on ramię w ramię z maszyną, nie jest zatem do końca zasadne, a w każdym razie pomija fakt, że wspomaga on raczej pracę człowieka niż obrabiarki.

Nowoczesne koncepcje wykorzystania robotów idą dalej – zakładają zaangażowanie ich do takich operacji z dziedziny obróbki detali jak okrawanie, znakowanie, szczotkowanie, wiercenie otworów, a nawet ciężka obróbka zgrubna. Co więcej, czynności te powinny być wykonywane w trakcie pracy obrabiarki – między jednym a drugim załadunkiem i/lub rozładunkiem detalu. Celem jest zwiększenie stopnia wykorzystania systemu robotycznego, tak by uniknąć zbędnych przestojów, a jednocześnie maksymalnie skrócić czas obróbki komponentów.

Programowanie robota w środowisku CNC
Aby móc w pełni wykorzystać wskazane możliwości robotów, nie wystarczy „dostroić” ich oprogramowania do trybu pracy maszyny obróbczej. Takie rozwiązanie – choć wykonalne – byłoby mało opłacalne i niepraktyczne. Wymagałoby bowiem zainwestowania sporych nakładów w programowanie i testowanie aplikacji, co przy rosnącej presji na skracanie czasu cyklów produkcji i częstej zmianie jej profilu mogłoby negatywnie wpływać na pozycję konkurencyjną przedsiębiorstwa. Stąd też autonomiczny charakter systemów sterowania robotem i obrabiarką stanowił do niedawna skuteczną barierę w rozwijaniu zaawansowanych aplikacji łączących funkcjonalności obu tych urządzeń.

Przeszkodę tę w porę dostrzegli jednak także producenci robotów i układów sterowania. Ich współpraca w 2012 r. zaowocowała premierą pierwszego pakietu oprogramowania umożliwiającego sterowanie pracą jednostki robotycznej i obrabiarki za pomocą jednego, spójnego interfejsu. Stworzona wspólnie przez firmy KUKA i Siemens platforma pozwala na programowanie robota bezpośrednio w układzie sterowania Sinumerik na panelu sterowniczym obrabiarki. Kluczowym komponentem systemu jest biblioteka bloków funkcyjnych mxAutomation dostarczająca pełny zestaw narzędzi programistycznych do obsługi wszystkich zintegrowanych ze sobą urządzeń. Dzięki możliwości tworzenia programów przy użyciu kodu G oraz prostego przełączania między układem sterowania robota i obrabiarki interfejs może być obsługiwany także przez operatorów nieposiadających specjalistycznej wiedzy z zakresu programowania.

Udana współpraca Siemensa i KUKI dała początek kolejnym inicjatywom mającym na celu pełną integrację robotów i obrabiarek. W 2017 r. na targach EMO Siemens i Comau zaprezentowały pilotażowy układ sterowania Sinumerik Run My Robot/Direct Control – rozbudowaną platformę CNC do programowania i obsługi centrów obróbczych i jednostek robotycznych, która jeszcze lepiej łączy oba urządzenia, zwiększając tym samym dynamikę i precyzję pracy robota. Rok później w ich ślady poszła także firma Mitsubishi Electric, prezentując bardzo podobne rozwiązanie do obsługi własnych robotów.

Pokonać bariery
Przezwyciężenie barier technicznych nie doprowadziło jednak – wbrew oczekiwaniom producentów – do szybkiej popularyzacji rozwiązań łączących obrabiarki i roboty w zespoły o bardziej równoważnych funkcjach. Po części winni temu są sami klienci, a konkretniej ich nieznajomość zagadnienia lub błędne przekonanie, że taka „głęboka” integracja wiąże się z wysokimi kosztami o trudnym do przewidzenia okresie zwrotu z inwestycji. Ta nieufność znajduje jednak uzasadnienie w badaniach naukowych, które wykazały, że konstrukcje większości robotów uniemożliwiają realizację zadań obróbczych z dokładnością, powtarzalnością i jakością typową dla obrabiarki, ponieważ jednostki robotyczne mają mniejszą sztywność i relatywnie niską odporność na drgania.

Problemem tym w latach 2012–2015 zajmował się zespół naukowców z Instytutu Technologii Produkcji i Obrabiarek na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze. W ramach projektu Innoflex badacze opracowali całościową koncepcję modernizacji oprogramowania i narzędzi robota mającą na celu poprawę jakości wytwarzanych detali. Zaproponowali konkretne metody planowania toru ruchu ramienia robotycznego oraz symulacji jego pracy pod obciążeniem, aby w ten sposób wyeliminować część błędów powstających na etapie tworzenia programu obróbczego. Metody te – ich zdaniem – powinny zostać uzupełnione o możliwość śledzenia przebiegu procesu obróbki w czasie rzeczywistym i bieżącej korekty ruchów robota w razie stwierdzenia odchyleń od zadanej trajektorii. Stąd też konieczne jest wyposażenie go w zestaw czujników monitorujących jego pracę. Jak stwierdzili naukowcy, w minimalizacji drgań robota pomocne mogą okazać się także specjalne narzędzia obróbcze opracowane specjalnie z myślą o aplikacjach robotycznych.

Otwarte pozostaje pytanie, czy wnioski płynące z badań przełożą się na konkretne rozwiązania umożliwiające poprawienie jakości produktów wytwarzanych przez roboty. Z pewnością korzyści z wdrażania systemów robotycznych w procesach produkcyjnych zachęcają przedsiębiorców do inwestowania w kolejne jednostki i rozszerzenia zakresu powierzanych im zadań. Wspierają ich w tym sami producenci, stale udoskonalając zarówno konstrukcję, jak i parametry swoich rozwiązań. Jednak o tym, czy działania te doprowadzą do popularyzacji modelu pełnej integracji robota z obrabiarką, przekonamy się dopiero za kilka lat.