Fleksibilna automatizacija u drvnoj industriji za proizvodnju komponenata za drvene zgrade

Industrija danas nastoji da podigne nivo automatizacije proizvodnje na najviši stepen, jer to utiče na troškove proizvodnje i kvalitet proizvoda. Tako industrijski robot, koji je sinonim za automatizaciju, traži aplikacije i u drvnoj industriji. Trenutno se najčešće koristi kao manipulator za zbrinjavanje i pakovanje proizvoda i u površinskoj obradi. S razvojem odgovarajućeg softvera i hardvera, aplikacija u drvnoj industriji može biti više, a to bi se odrazilo i na više dodatne vrednosti proizvoda i konkurentnost. Prvi deo ovog članka je pregled trenutnog stanja upotrebe industrijskih robota, sa naglaskom na drvnoj industriji. U nastavku je predstavljana aplikacija za korišćenje industrijskih robota u proizvodnji elemenata za drvene konstrukcije sa naglaskom na razvoj univerzalnog elektro držača. Pišemo i o mogućnostima upotrebe industrijskog robota na računarski vođenoj mobilnoj platformi za izradnju elemenata za drvenu gradnju.

PIŠU: doc. dr Dominika Gornik Bučar, e-mail: Dominika.Gornik@bf.uni-lj.si
            i saradnici: vanr. prof. dr Gorazd Fajdiga, doc. dr Miran Merhar, dr Bojan Gospodarič
            Univerzitet u Ljubljani, Biotehnički fakultet, Odsek za drvnu tehnologiju

Na kvalitet i cenu proizvodnje snažno utiče nivo automatizacije, a početak automatizacije proizvodnje predstavlja korišćenje NC i CNC mašina u proizvodnom procesu. Danas je sinonim za automatizaciju industrijski robot, čije korišćenje u industriji naglo raste. Prodaja industrijskih robota se 2013. godine na svetskom tržištu povećala za 12% u odnosu na prethodnu godinu, a beležila je i dalje postepen rast, pa će, prema prognozama, 2017. godine biti veća za oko 35% u odnosu na 2013. godinu. Oko 70% ukupne svetske prodaja industrijskih robota pripada Kini, Japanu, Koreji, SAD i Nemačkoj.
Najčešće se industrijski roboti koriste  u automobilskoj industriji, sa učešćem od 39%, slede elektronička i elektro industrija s 20%, industrija gume i plastike 7%, hrane 4%, i druga industrija sa 30%.
Industrijski roboti u drvnoj industriji
Osnovni stepen automatizacije u drvnoj industriji predstavlju klasične 3 i 5 osne CNC mašine. Nadogradnju predstavljaju automatske CNC mašine, koje se služe industrijskim robotom. S automatizovanim pakovanjem i paletiranjem gotovih proizvoda u industriji nameštaja s industrijskim robotima može se povećati produktivnost za 45%, a investicija se povrati za manje od tri godine.
Zbog prilagođavanja željama kupaca za različitim proizvodima malih serija, veliki izazov je projektovanje inovativnih automatizovanih fleksibilnih proizvodnja. Osnovne komponente takve proizvodnje su industrijski roboti opremljeni različitim jedinicama za obradu i CAD/CAM software podrškom. Neograničene mogućnosti pruža nam industrijski robot na vođenoj mobilnoj platformi. Zanimljiv primer je prikazan na slici 1, gde dva mobilna robota zajedno sastavljaju nameštaj.

Slika 1. Automatsko sastavljanje nameštaja

Robotski CENTAR za proizvodnju komponenata za drvene zgrade

Veličina elemenata koji se mogu izraditi zavisi od veličine obradnog prostora posebno razvijenih CNC mašina ili manipulativnog obradnog robotskog centra koji je, ako je industrijski robot stavljen na dodatnu linearnu osu bilo koje dužine, cenovno aktuelniji od namenskih CNC mašina. Odgovarajućim izborom veličine robota i ispravnom parametrizacijom regulatora robota moguće je udovoljiti zahtevima za preciznošću, tačnošću i dinamikom robotskog manipulativno obradnog centra.
Posebnu pažnju u dizajnu robotsko manipulativnog obradnog centra treba posvetiti instalaciji robota, steznog sistema, sistemu obradnih agregata koji zavisi od tehnologije izrade i forme elemenata. Zbog fleksibilnosti manipulativnog obradnog centra, razumno je da je robot na linearnoj osi stavljen duž središta centra tako da imamo dve obradne površine jednake veličine. U jednom području proizvodimo linearne, a u drugom panelne elemente. U takvoj realizaciji je dobro u prostoru za proizvodnju linearnih elemenata upotrebljavati stezni sistem sa dodatnom rotirajućom osovinom koja omogućava obradu (brušenje, glodanje, ugradnju elemenata za povezivanje…) po ukupnoj površini linearnog elementa (grede). U području obrade za proizvodnju panelnog elementa instalira se stezni sto sa mogućnošću vakuum stezanja (slika 2).

Slika 2. Robotizovan manipulativno obradni centar

Za potpuno automatizovanu proizvodnju elementa potrebno je obradni centar opremiti sistemom za zamenu obradnih agregata, jer proizvodni proces elementa ujedinjuje više operacija (rezanje, lepljenje, rukovanje, kontrolu,…). Sistem za zamenu agregata dobro je zamisliti tako da je lako nadogradiv, jer se tako automatizacija proizvodnje može izraditi postupno, atomatizacijom pojedinih operacija. Dinamika i stepen automatizacije sistema tako zavise od želje i finansijske sposobnosti investitora. Osnova za automatsku zamenu agregata je rastavljiv sistem za dovod električne i/ili pneumatske snage i signalnih i/ili mernih signala. Takav sistem mora imati adekvatnu mehaničku čvrstoću.
Kod potpuno automatizovane proizvodnje elementa ima puno manipulacija različitih materijala, koji imaju različite dimenzije i mehanička svojstva (spoljašnji sloj elementa, unutrašnja struktura, punila…), što zahteva veliki broj namenskih držača. U nastojanju da se smanji broj različitih držača u proizvodnom procesu i njihova zamena, koja je dugotrajna, pojavljuje se potreba za univerzalnim držačem, koji ima mogućnost menjanja pritisne sile i dužine držača.
Najčešće se koriste pneumatski držači, kojim menjamo silu uz pomoću redukcijskog ventila, čime smanjimo pritisak u cilindru držača. Podešavanje dužine držača najčešće se čini ručnim podešavanjem položaja zahvatanja cilindra. Navedeni nedostatak pneumatskog držača moguće je izbeći inovativnim pristupom – zamenom držačem sa elektromotornim pogonom.
Elektromotorni držač
Dizajn kontrole rada držača izveden je iz više postavljenih zahteva, a neki su da električni pogon radi u položajnom načinu i da omogućava podešavanje veličine struje kroz motor. Podešavanje sistema kontrole treba da bude ručno ili automatsko putem standardnog protokola. Blok dijagram kontrole elektromotornog držača, kao i druge ilustracije i dijagrami vezani za ovaj tekst mogu se videti na internet stranici www.mehteh.si.
Na slici 3 je prikazan prototip elektromotornog držača, čija se karakterizacija sile držača, takođe, može videti na spomenutom sajtu.

Slika 3. Prototip elektromotornog držača za posluživanje CNC mašina proizveden na Univerzitetu u Ljubljani, Biotehnički fakultet, Odsek za drvnu tehnologiju

Industrijski robot na vođenoj mobilnoj platformi za proizvodnju komponenata za drvene zgrade

Kod izrade elemenata za drvenu gradnju često se susrećemo sa potrebama za specifičnom obradom velikih površina, odnosno predmeta obrade. Ista se obično izvodi na konvencionalni način tako što čovek vodi obradni agregat, a kvalitet i efikasnost zavise isključivo od čoveka. Razvojem računarsko vođene mobilne platforme za obradne agregate, stvorili smo tehničko-tehnološke uslove za značajno povećanje kvaliteta obrade i efikasnosti uz istovremeno smanjivanje troškova. Najvažnija karakteristika koncipirane i izrađene računarsko vođene mobilne platforme za obradne agregate ili robote je njena izrazita prilagodljivost, kako s aspekta programske, tako i mašinske opreme. Programiranje je jednostavno i možemo ga izvesti proizvoljnom
CAD/CAM programskom opremom. Delovanje mobilnog obradnog sistema uporedivo je sa delovanjem računarski podržanih obrađivačkih mašina, sa tom razlikom što su dimenzije prostora obrade proizvoljne, a neuporedivo je niža i cena.

Slika 4. Prototip industrijskog robota na vođenoj mobilnoj platformi za proizvodnju komponenata za drvene zgrade proizveden na Univerzitetu u Ljubljani, Biotehnički fakultet, Odsek za drvnu tehnologiju

Zbog prilagodljivosti tržištu, smanjenja troškova proizvodnje i isporuke proizvoda visokog kvaliteta, stepen automatizacije u drvnoj industriji počinje rapidno da raste. Na tržištu se pojavlju primene industrijskih robota opremljenih posebno razvijenim sistemima za drvnu industriju nameštaja. Mnoge mogućnosti za integraciju industrijskih robota su u procesu proizvodnje drvnih elemenata za građevinarstvo, posebno u proizvodnji panelnih elemenata. Za višu integraciju industrijskih robota u ovom segmentu, potrebno je opremiti robota sistemom za zamenu obradnih agregata, jer takav robot obavlja nekoliko operacija u procesu proizvodnje konačnog proizvoda. Često je potrebno izgraditi specijalne namenske obradne agregate, što značajno podiže cenu automatizacije svake faze proizvodnje.
I mobilni industrijski roboti sa odgovarajućom CAD/CAM programskom opremom i odgovarajućim mehaničkim konceptom mogu kod obrade i izrade drvenih i kompozitnih elemenata za drvenu gradnju obezbediti odgovarajuću preciznost obrade uz praktično neograničen obradni prostor, jer su opterećenja koja nastaju prilikom obrade istih pod kontrolom.

LITERATURA

1. http://www.ifr.org/industrial-robots/statistics/
2. http://www09.abb.com/global/scot/scot241.nsf/veritydisplay/93e5aae66254eb7fc12574c5003deaa9/$file/abb%20helps%20automate%20global%20furniture%20industry.pdf
3. http://people.csail.mit.edu/rak/www/sites/default/files/pubs/KneEtal13.pdf
4. http://mehteh.si/research/process_avtomation.html