Industriële robots werken meestal als zelfstandige complete machines. De laatste tijd lezen we veel over cobots, oftewel robots die voor samenwerking met mensen zijn geoptimaliseerd. Het gebruik van robots in combinatie met productie- en verpakkingsmachines is al even boeiend. Er bestaat niet een koningsweg, maar drie volledig verschillende manieren voor een robot om een machine een arm te lenen. Wanneer dit correct wordt toegepast, kunnen machinebouwers en automatiseerders echt de turbo erop zetten.
Het met hoge efficiëntie produceren van steeds complexer wordende producten in steeds kleinere batchgroottes, stelt de fabrikanten en daarmee de machine- en installatiebouwers en automatiseerders voor enorme uitdagingen. De productie-installaties moeten automatisch aangepast worden aan deze productverandering. Bovendien moeten ze tegelijkertijd productiever en flexibeler worden. In de machine- en productie-installatiebouw werden maximale productiviteit en maximale flexibiliteit echter lange tijd als onverenigbaar beschouwd.
Industriële robots worden gezien als een van de middelen om dit conflict op te lossen. Sinds de lancering van de eerste elektrisch aangedreven zesassige knikarmrobot bijna 50 jaar geleden, doen robots klussen die te gevaarlijk, te ingewikkeld, te zwaar, te vies of te eentonig zijn voor mensen. Sindsdien kunnen door het gebruik van robots vóór, tijdens en na de inzet van afzonderlijke machines ook complexe productieketens doorlopend en met grote flexibiliteit worden geautomatiseerd.
Robot-flexibiliteit in de machines
Robots werken echter tot nu toe meestal in eigen afdelingen, zogenaamde omheinde robotcellen. Daar werken ze alleen of met elkaar. Er zijn echter ook taken in en rond productie- of verpakkingsmachines, die door robots worden uitgevoerd vanwege hun kracht, herhalingsnauwkeurigheid en zeer flexibele kinematica.
Daarom is het voor de hand liggend de voordelen van robotica ook binnen afzonderlijke machines te benutten. Het voordeel is duidelijk: robots zijn veel flexibeler dan de eerder vaak gebruikte apparaten, die meestal slechts één taak uitvoeren als speciale mechanische constructies.
Enabler voor Industry 4.0
Geïntegreerd in machines kunnen robots bepaalde stappen van het bewerkingsproces zoals het in-, uit- en omspannen van werkstukken overnemen. Op dezelfde manier kunnen ze onderdelen in verpakkings- of montagesystemen invoeren en positioneren en deze ontstapelen en palletiseren. In de kunststofindustrie is het al enige tijd gebruikelijk dat robots bij het spuitgieten inlegdelen invoeren of de volledig gespoten onderdelen ontvormen.
De flexibelere robots kunnen niet alleen eenvoudiger worden aangepast aan de productiebehoeften van verschillende productvarianten, ze kunnen ook worden gebruikt voor functies die met andere middelen beperkt of helemaal niet gerealiseerd kunnen worden. Daartoe behoort een volautomatische ombouw van de machineconfiguratie, inclusief gereedschapsbezetting, voor een batch- of werkstukwissel als voorwaarde voor een productie volgens de beginselen van Industry 4.0.
Integratie met hindernissen
Terwijl robots in grote productielijnen in de auto-industrie al tientallen jaren deel uitmaken van het dagelijks leven, zijn ze als integraal onderdeel van machines tot nu toe zelden te zien. Daarvoor zijn logische redenen te vinden. Industriële robots zijn ontworpen als volledig zelfstandige systemen. Daarom beschikken ze over een eigen besturing, die meestal zelfs een eigen schakelkast heeft.
De communicatie tussen een machinebesturing en een robotbesturing vindt meestal plaats via interfaces, vaak zelfs in een bedraad HART-systeem. Dat beperkt de mogelijkheden om de bewegingen te synchroniseren. Daarom kunnen aan de cyclustijden die van moderne productiemachines worden verwacht, niet zonder meer worden voldaan.
Ook om andere redenen kan robot-integratie in machines hindernissen opleveren. Engineering, diagnose en onderhoud worden uitgevoerd via eigen, meestal merkenrechtelijk beschermde systemen. Ze worden grotendeels uitgevoerd in eigen programmeertalen. Daarom is voor de robotprogrammering speciale kennis nodig. Bovendien kunnen de robotprogramma’s daardoor moeilijk in de rest van de machine-automatisering worden geïntegreerd. Niet in de laatste plaats daarom schrikken veel machinebouwers van het onderwerp robotica af.
Diepere integratie
Als alternatief voor de integratie van een robot als autarkische totale machine is het mogelijk om een robotkinematica in de machine-automatisering direct te integreren. Hierbij moet echter wel rekening worden gehouden met een aantal randvoorwaarden die bij het gebruik van een industriële robot als afzonderlijke machine niet relevant zijn.
Vooral is een onvoorwaardelijke synchronisatie met de vaak zeer snelle bewegingsmechanismen in de machine meestal absoluut noodzakelijk. Alleen een compromisloos real-time gedrag zowel wat betreft de uitvoering van bewegingen als in de datacommunicatie maakt het combineren van vele deelopdrachten in het ontstaansproces van de productie mogelijk. Daarmee gepaard gaat een aanzienlijke verhoging van de automatiseringsgraad van een machine.
Integratie met Drive
Er zijn mogelijkheden voor directe integratie van robotkinematica beschikbaar. Sommige robotfabrikanten zijn echter nog steeds niet in staat om hun producten te verkopen in een andere vorm dan in complete machines. Bovendien zijn er verschillende mogelijkheden om dat te doen.
Ongeacht of het nu gaat om zesassige knikarmrobots, SCARA-robots of deltarobots: de motoren en tandwielkasten van industriële robots zijn meestal zeer zorgvuldig op hun mechanische bewegingsassen afgestemd. Hetzelfde geldt voor hun interactie met de aandrijfregelaars of -besturingen. In sommige gevallen zijn ze ook nog eens speciaal ontwikkeld door de robotfabrikanten.
De integratie van robotkinematica als mechatronische eenheid, d.w.z. inclusief de servoversterker resp. aandrijfregelaar, belooft daarom snelle resultaten zonder compatibiliteitsproblemen. Hierdoor kan een machinebouwer of automatiseerder zich op de procesbesturing concentreren, zonder zich te hoeven bezighouden met de contourbesturing van de assen.
Dat is altijd voordelig als de machinebesturing enerzijds de integratie van de aandrijfcomponenten van de robot goed ondersteunt terwijl deze anderzijds echter niet over een eigen functie voor de besturing van de robotbeweging beschikt. Alleen al het wegvallen van de afzonderlijke robotbesturing en de daarvoor vaak benodigde eigen schakelkast levert een wezenlijke bijdrage aan het verhogen van de efficiëntie van de totale machine.
Volledige integratie verhoogt productiviteit
De effectiefste manier om robots in machines te integreren, is als louter elektromechanische aggregaten. Automatiseerders gebruiken daarvoor alleen de kinematica, motoren en transmissies. Ze lenen de machine dus slechts één robotarm. Dat verplaatst het grensgebied tussen de traditioneel gescheiden werelden van werktuigbouw en robotica nog verder naar de periferie.
De robotarmen worden in dit geval aangestuurd via servoversterkers of aandrijfbesturingen, die bij de totale besturing van de machine passen. Dit kunnen dezelfde aandrijfregelaars zijn, die ook worden gebruikt voor de aansturing van alle andere bewegingsassen in de machine. Deze worden via dezelfde systeembus – bij high performance machines meestal Industrial Ethernet – aangesproken als alle andere periferiemodules.
De voor de aansturing van de robotassen gebruikte servoversterkers zijn bovendien meestal met geïntegreerde veiligheidsfuncties beschikbaar. Deze gebruiken in veel gevallen dezelfde interne communicatienetwerken voor veiligheidsgerichte reacties via geïntegreerde veiligheidsprotocollen. Omdat de robotkinematica op deze manier naadloos in de veiligheidstechniek van de totale machine kan worden geïntegreerd, kan ook een eigen veiligheidsbesturing voor de robot worden weggelaten.
Verandering van methode verhoogt de productiviteit
Deze uniformering van de hardware biedt de gebruiker van de machine niet alleen voordelen binnen het bedrijf en onderhoud. Er bestaat bovendien het voordeel dat alle elementen van de besturingstechniek – de proces-, bewegings- en veiligheidsbesturing – een uniform, afgesloten geheel vormen.
Het meest opvallend is het nut op het gebied van programmering. Zolang de machinebesturing de juiste functies voor de baanplanning beschikbaar stelt, bestaat er voor de ontwikkelaars van de machinesoftware in principe geen verschil tussen de implementatie van een enkele as of van een robot in een machine.
Daardoor kunnen alle aspecten en modules van de machinesoftware in een software-technisch totaalwerk plaatsvinden. Hierdoor is het mogelijk om de machine als geheel te simuleren en het samenspel van alle systemen op de ‘digital twin’ te testen, nog voordat er in de bouw van dure prototypes wordt geïnvesteerd.
Deze diepe integratie vergemakkelijkt bovendien de exacte synchronisatie tussen machine- en robotbewegingen. Door de snelle reactie op sensorsignalen in het microseconden-gedeelte kan de robot werkstukken in beweging zetten of afzetten zonder het proces te vertragen of zelfs te onderbreken. De daardoor mogelijk gemaakte verandering van methode in de werkstukmanipulatie kan de productiviteit en flexibiliteit van een machine enorm verhogen.
Afbeeldingen: Adobe Stock
