圖1 在弗勞恩霍夫機械與自動化研究所研發(fā)的鉚接工作崗上，人與機器可以安全穩(wěn)定地共同工作
2015年國際機器人聯(lián)合會的大量世界機器人研究論文表明：隨著機器人系統(tǒng)在生產(chǎn)的特定程序步驟中頻繁使用，在裝配中有更多的自動化潛力。2014年世界范圍內(nèi)售出的機器人有半數(shù)以上是人工操作機器人，約四分之一是焊接機器人。而相反，裝配機器人的比例降到了11%。這種配比的主要原因是，裝配在動力學(xué)和多種挑戰(zhàn)面前敗下陣來。
簡單地布置和裝備新的機器人系統(tǒng)
小批量、多樣的生產(chǎn)方案和短循環(huán)周期等框架條件確定了程序。為了讓自動化解決方案在技術(shù)上和經(jīng)濟上有意義，人們需要通過智能程序簡單設(shè)置和裝配的機器人系統(tǒng)。完全自動化常常不是理想的解決方案，因為工人在復(fù)雜的工作任務(wù)中常常可以輕易地手動解決，或者至少可以在需要的時候參與修正。輕型機器人以其輕便的重量和部分已經(jīng)集成的傳感器適用于安全的人機協(xié)作(MRK)。因為輕型機器人非常緊湊并且活動半徑與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比較小，能夠非常好地與全自動或半自動裝配工作崗位相結(jié)合。
圖2 通過力量控制裝配的軟件，組裝開關(guān)柜等復(fù)雜的工序可以實現(xiàn)自動化
裝配功能中的自動化潛力
Martin Naumann,弗勞恩霍夫機械與自動化研究所裝配自動化組組長，也就是這次研討會的負責(zé)人，公開了綱要。他介紹了弗勞恩霍夫機械與自動化研究所的自動化潛能研究。這是一種多級化的、可以迅速實施的工作方法，專家們已經(jīng)對世界各地的客戶成功地投入使用。本次研究的目標是，通過提到自動化程度來達到節(jié)省成本的可能性。因此，企業(yè)們得到了對生產(chǎn)過程中的投資和優(yōu)化可能性的決定性依據(jù)。
這項研究始于專家們對生產(chǎn)過程的巡視。然后，他們對裝配程序中分離、操作、定位及焊接等每一個步驟進行了評估。不同的技術(shù)、經(jīng)濟和人體工程學(xué)標準以及變化數(shù)量都需要在可能的自動化程度中加以考慮。這些內(nèi)容隨后還將根據(jù)特殊標準詳細地分析。
作為評估的結(jié)果，客戶不僅接受了一個半自動化解決方案的初步方案，同時還有專家們根據(jù)其分析結(jié)果和經(jīng)驗，在制定自動化解決方案的概念和實施時的經(jīng)濟性評估。客戶可以得到在這些基礎(chǔ)上做出的決策，同時開始具體方案、可操作性分析報告或者自動化解決方案的實施。
另外一種提高生產(chǎn)設(shè)備自動化潛力的可能性，除了改善和改變過程以外，還有產(chǎn)品設(shè)計。在“為自動化而設(shè)計”的理念下，弗勞恩霍夫研究院機械與自動化研究所的研究助理Johannes W??ner博士介紹了多種可能性，如何將產(chǎn)品部件或者產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向“親自動化型”制造。專家們?yōu)轫憫?yīng)的產(chǎn)品設(shè)計制定了指導(dǎo)方針，并且基于此已經(jīng)為多家企業(yè)進行了咨詢服務(wù)。
這個指導(dǎo)方針涉及模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、部件和程序標準，以盡可能低的部件數(shù)量或者柔軟的零部件等。一個智能而又符合客戶個性的產(chǎn)品或零件結(jié)構(gòu)，可以幫助裝配中的過程步驟完美并且迅速實現(xiàn)自動化。
圖3 該軟件還可以為螺絲緊固工序提供相應(yīng)的零部件
輕型機器人在裝配中作為助手
適用于人機協(xié)作(MRK)的輕型機器人可以持續(xù)改變裝配過程。企業(yè)們可以借由這款機器人助理將工人和機器人的優(yōu)勢結(jié)合起來：一方面靈活、有創(chuàng)造力、精細以及善于解決問題，另外一方面則在重復(fù)的工作任務(wù)中可以承受超出人體工程學(xué)范圍的操作，高質(zhì)量，高速度和高準確性。
無論如何，企業(yè)們都需要考慮普遍和安全性規(guī)定，以及可能產(chǎn)生的認證費用。為了成功地運營項目，弗勞恩霍夫研究院機械與自動化研究所的研究助理Ramez Awad建議道，企業(yè)如何在構(gòu)想人機協(xié)作應(yīng)用的初期，就迅速辨別和解決掉可能的風(fēng)險損害。在他的報告中介紹了一款由IPA開發(fā)的基于模塊的風(fēng)險分析工具。這款工具以硬件的形式安裝在圖書館，照管可能的風(fēng)險、屬性和功能性。由此，一個對成本多樣化的評估，必要的安全性準備的影響及其文獻匯編都是可以辦到的。作為例子，Awad展示了一個人機協(xié)作的鉚釘工作崗位，如何在這樣的程序基礎(chǔ)上，實現(xiàn)經(jīng)濟和安全性解決方案(圖例1)。
此外，研討會介紹了不同的輕型機器人及其應(yīng)用可能性。來自ABB公司的Carsten Busch詳細研究了雙臂機器人Yumi的產(chǎn)品細節(jié)。它使用在小件操作領(lǐng)域。Yumi被設(shè)計成自身安全性機器人，為此，應(yīng)用在輕型制造、低容量和矛盾檢測方面。KUKA在LBR iiwa的協(xié)助下研發(fā)了輕型機器人，以其智能傳感器而聞名。KUKA系統(tǒng)的Johannes Kurth博士介紹了敏感、并且承受7?kg或者14?kg的機器人。由于智能的剛性調(diào)節(jié)，機器人可以與具有剛性或者減震系數(shù)的彈簧相比較，可以做到順利編程。裝配現(xiàn)有傳感器使得機器人可以適應(yīng)安全的人機協(xié)作應(yīng)用。
圖4 在裝配臺，機器人還可以在其他活動上協(xié)助工人
應(yīng)用的新可能性
新的技術(shù)和輕型機器人的持續(xù)發(fā)展都需要顧及機器人系統(tǒng)的分量在裝配中同樣需要提高。這種積極的趨勢在世界機器人研究報告2015當(dāng)中得到了證實：盡管裝配機器人在2013年的銷售量是16100臺，2014年增長至24000臺。鑒于當(dāng)今銷售的多樣性，來自Faude自動化科技的Dieter Faude在他的報告中提到。他介紹了大量的、來自不同生產(chǎn)商的、使用了輕型機器人系統(tǒng)的設(shè)備，從涂膠站的裝貨卸貨機器，到密封條處理設(shè)備。
應(yīng)用型研究的焦點在于，研發(fā)出靈活高效的機器人系統(tǒng)，比現(xiàn)在普遍使用的更迅捷實用。試圖為力量控制裝配工序打造一個新的機器人程序，弗勞恩霍夫研究院機械與自動化研究所的Frank N?gele說道。用這款軟件可以將復(fù)雜的工序，比如開關(guān)柜和汽車門把手的組裝、以及螺絲緊固等，第一次從經(jīng)濟上實現(xiàn)了自動化(圖2和圖3)。基本原則在于，裝配工序不再是機器人導(dǎo)向，而是按照任務(wù)導(dǎo)向來進行編程。它因此可以適應(yīng)相近的其他任務(wù)，甚至轉(zhuǎn)移到根本不相干的機器人系統(tǒng)。以環(huán)境為基礎(chǔ)的編程成為可能：機器人的軌道不是一開始就設(shè)定好的，而是隨著運行時間不斷推演計算。根據(jù)對不同變量價值的分配，配合當(dāng)前的接觸力、距離和物體識別等傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自己來核算合適的運動學(xué)，它自己如何進行運動，而進程模塊則作為任務(wù)的一個結(jié)果。
新技術(shù)提供了一個好處，單獨的程序部分或者進程模塊，也被稱作“技能”，可以重復(fù)應(yīng)用。除此之外，它們很容易被重新組裝，可以被重新排序。它使得積木原則成為可能，專家們據(jù)此研發(fā)了軟件。他們因此將在每種應(yīng)用情況下，都要把機器人系統(tǒng)進行分級，并且劃分到微觀層面、單獨閉合的程序組件。此外，新的編程還與工業(yè)4.0無縫銜接。編程技能全部準備與云構(gòu)架的機器人程序相連接，根據(jù)需要來加載。
圖5 機器人與工人同時在裝配臺完成不同的任務(wù)
輕型機器人作為“智能工廠”的一部分
隨工業(yè)4.0而來的不斷增長的生產(chǎn)設(shè)備電子化和網(wǎng)絡(luò)化是一個發(fā)展，完全為企業(yè)創(chuàng)造了新的可能性。來自Bosch Rexroth的Mark Gr?zinger從實踐出發(fā)，闡述了從聯(lián)網(wǎng)的螺釘機到工人輔助系統(tǒng)等多種案例和反應(yīng)。研究學(xué)院Arena2036展示了針對工業(yè)4.0的主要應(yīng)用情況，弗勞恩霍夫研究院機械與自動化研究所的研究助理Manuel Fechter介紹到。在Arene2036，科學(xué)和工業(yè)方面的合作伙伴們共同工作，這里有斯圖加特大學(xué)、弗勞恩霍夫研究院、戴姆勒、博世、Festo和KUKA，共同研究和檢驗未來汽車的生產(chǎn)模塊。編制工業(yè)4.0技術(shù)以外的另一個重點是具有適應(yīng)性的生產(chǎn)系統(tǒng)，與現(xiàn)在相比，減少對傳送帶和循環(huán)周期的依賴。人機協(xié)作就是這樣一種具有適應(yīng)性的，適應(yīng)了當(dāng)今市場環(huán)境的生產(chǎn)系統(tǒng)先驅(qū)。以一個新的裝配臺為例，在其中完成車門模塊的裝配，弗勞恩霍夫研究院機械與自動化研究所表明，自動化程度變化的技術(shù)可能性(圖4和圖5)。
在工人熟練地操作插線板插夾的時候，輕型機器人KUKA iiwa可以做一些單調(diào)簡單的在車門模塊上插入或者擰緊的工作。由于所有的組件都是可以移動的，這些工作臺可以根據(jù)個體需要安置和排序。
總體上來說，這次科技研討會為與會者們展示了裝備自動化當(dāng)下與未來解決方案廣闊的前景。對于那些對這個領(lǐng)域有興趣的企業(yè)和雇主來說，弗勞恩霍夫研究院機械與自動化研究所是一個獨立的技術(shù)伙伴，客戶們可以在各個行業(yè)分科有效地制定生產(chǎn)系統(tǒng)。為此，專家們研發(fā)了各種穩(wěn)定的方法、方案以及硬軟件解決方案。可以提供的包括針對組件研發(fā)的現(xiàn)有系統(tǒng)的研究，到全新裝配工序設(shè)施的設(shè)計與實施。
