Robotiikka nykypäivän autoteollisuudessa

Teollisuusrobotit ovat välttämättömiä nykypäivän valmistusprosesseissa – ne suorittavat monenlaisia toimintoja ja koordinoivat tehtäviä muiden automaation muotojen kanssa. Ensimmäinen teollisuudenala, joka alkoi hyödyntää robotiikkaa laajamittaisesti ja myös edistää robotiikkaan liittyviä teknologioita oli itse asiassa 1 triljoonan dollarin autoteollisuus. Tämä ei ole ihme, sillä autot ovat pitkälle kehitettyjä ja kalliita tuotteita, jotka voivat oikeuttaa sellaiset tehdasinvestoinnit, jotka eivät välttämättä tuota voittoa vuosiin. Nykyään suurin osa autoteollisuuden tuotantokeskuksista käyttää robotiikkaa. Pakkausteollisuus, puolijohdetuotanto ja suhteellisen uusi automaattivarastointiala ovat vasta viimeisten kahden vuosikymmenen aikana nopeuttaneet robotiikan käyttöönottoa niin, että ne haastavat siinä autoteollisuuden.

Kuva 1: Autoteollisuus on vauhdittanut robotiikkateknologian kehitystä enemmän kuin kenties mikään muu teollisuudenala. (Kuvan lähde: Getty Images)

Itse robotit sekä täydentävät teollisuusautomaatiolaitteet sisältävät sähkömoottoreita, hydrauliikkajärjestelmiä ja nestevoimajärjestelmiä, käyttömoottoreita, ohjauksia, verkkolaitteita, käyttöliittymiä (HMI) ja ohjelmistojärjestelmiä sekä anturi-, takaisinkytkentä- ja turvallisuuskomponentteja. Nämä elementit lisäävät tehokkuutta suorittamalla esiohjelmoituja rutiineja, jotka on helppo sovittaa muuttuviin reaaliaikaisiin olosuhteisiin. Robottityösolujen odotetaan olevan myös yhä useammin uudelleenkonfiguroitavia, jotta voidaan tuottaa uusia automalleja, sillä kuluttajien mieltymykset muuttuvat nopeammin kuin koskaan.

Selvennys automaatiosta ja robotiikasta käytettävästä terminologiasta

Sanakirja Oxford English Dictionary määrittelee robotit seuraavasti: ”ne ovat koneita, jotka pystyvät suorittamaan automaattisesti monimutkaisia liikesarjoja, erityisesti ohjelmoitavia”. Hämmentävää on se, että tämä määritelmä voi kuvata kaikkea pesukoneista CNC-työstökoneisiin. Jopa ISO 8373 -standardin määritelmä, jonka mukaan robotti on ”automaattisesti ohjattava, uudelleenohjelmoitava, monikäyttöinen manipulaattori, joka on ohjelmoitavissa kolmella tai useammalla akselilla", voisi kuvata vertikaalisilla nostoasemilla varustettua varastokuljetinta. Tällaisia koneita ei kuitenkaan koskaan normaalisti luokitella roboteiksi.

Käytännöllinen, mielessä pidettävä erottava tekijä on se, että koneita, jotka on rakennettu yhteen [lue: hyvin selkeästi määriteltyyn] käyttötarkoitukseen kiinteässä sijainnissa, ei katsota yleensä roboteiksi – ainakaan teollisuuspiireissä. Vaikka esimerkiksi tyypillisellä jyrsinkoneella voidaan suorittaa mitä tahansa monimutkaisia ohjelmia erilaisten osien koneistamiseksi, se on suunniteltu leikkaamaan metallia karaan asennetuilla pyörivillä terillä. Se pidetään myös todennäköisesti kiinnitettynä turvallisesti yhteen paikkaan koko käyttöikänsä ajan.

Kuva 2: Joissakin tapauksissa robotin ja koneen välinen ero perustuu siihen, miltä automatisoitu rakenne näyttää. Jotkut luokittelevat roboteiksi mekaanisia ihmiskäsivarsia muistuttavat nivelkäsivarret – ja koneiksi lineaarikelkkojen automaattiset karteesiset rakenteet (kuten pienten osien kokoonpanoon ja tarkastukseen tarkoitettu CT4). (Kuvan lähde: IAI America Inc.)

Joskus jopa nämä määritelmät ovat ristiriidassa keskenään. Automaattikoneet, kuten CNC-työstökoneet, ovat esimerkiksi yhä joustavampia, ja sorvausjyrsintäkeskukset hoitavat sekä jyrsinkoneiden että sorvien roolit. Monet tällaiset koneet suorittavat myös osien tarkastus- ja mittaustehtävät kosketusantureiden ja laserskannereiden avulla. Tällaisissa työstökoneissa voi jopa olla laitteet lisäävää valmistusta varten. Toisaalta otaksutusti joustavat teollisuusrobotit toimitetaan usein tiettyyn tehtävään suunniteltuina erikoistuneina malleina, esimerkiksi maalaus tai hitsaus, ja ne saattavat hyvinkin viettää koko käyttöikänsä tuotantolinjan yhdessä työsolussa.

Tosiasia on se, että roboteiksi luokitelluilta automaatiojärjestelmiltä odotetaan nykypäivän autoteollisuudessa usein suurta joustavuutta – kykyä (uudelleenkonfiguroinnin avulla) suorittaa päivästä toiseen vaihtelevia kuljetus-, lajittelu-, kokoonpano-, hitsaus- ja maalaustehtäviä. Näiden teollisuusrobottien tulisi myös olla siirrettävissä tehtaan uusille alueille, esimerkiksi uudelleen käyttöönotettavina tuotantojärjestelminä ja uudelleenkonfiguroituina tai jatkuvaliikkeisinä 7. akselin lineaariradoilla linjan työsolukokonaisuuksien hoitoa varten.

Autotehtaisiin tarkoitetut robottiperheet

Autotehtaissa käytettävät robotit luokitellaan yleisesti mekaanisten rakenteiden, kuten niveltyyppien, tukivarsirakenteiden ja vapausasteiden mukaan.

Useimmat teollisuusrobotit kuuluvat sarjamanipulaattorirobotteihin. Tämän robottiperheen malleissa on lineaarinen linkkien ketju, jonka toisessa päässä on jalusta ja toisessa päässä päätetyöväline. Lisäksi ketjun jokaisen linkin välissä on yksi nivel. Tähän luokkaan kuuluvat nivelrobotit, SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) -robotit, kuusiakseliset yhteistyörobotit, karteesiset robotit (jotka koostuvat pääasiassa lineaarisista aktuaattoreista) ja (jokseenkin harvinaiset) sylinterirobotit.

Kuva 3: Yhteistyörobotit ovat yhä yleisempiä autoalan Tier 2 -luokan alihankkijoiden tehtaissa, joissa hyödynnetään automaattista paletointia. (Kuvan lähde: Dobot)

Rinnakkaisrakenteiset manipulaattorirobotit ovat erinomaisia sovelluksiin, joissa tarvitaan suurta jäykkyyttä ja toimintanopeutta. Toisin kuin nivelkäsivarret (jotka on ripustettu 3D-avaruuteen yhden ainoan tukivarsilinjan kautta), rinnakkaisrakenteiset manipulaattorit on tuettu tai ripustettu tukivarsisarjojen avulla. Esimerkkejä niistä ovat delta- ja Stuart-robotit.

Mobiilirobotit ovat pyörillä varustettuja yksiköitä, jotka siirtävät materiaaleja ja varastotavaroita tehtaissa ja varastoissa. Ne voivat toimia automaattisina haarukkatrukkeina, jotka noutavat, siirtävät ja sijoittavat kuormalavoja hyllyihin tai tehtaan lattialle. Esimerkkejä niistä ovat automaattitrukit (AGV) ja autonomiset mobiilirobotit (AMR).

Autoteollisuuden perinteiset robottisovellukset

Autotehtaiden perinteisiin robottisovelluksiin kuuluvat hitsaus-, maalaus-, kokoonpano- ja materiaalinkäsittelytehtävät (keskivertoautoon asennettavien noin 30 000 osan kuljetusta varten). Tarkastellaanpa, miten joitakin robottien alatyyppejä käytetään näissä sovelluksissa.

Kuusiakseliset nivelvarsirobotit ovat sarjamanipulaattoreita, joissa jokainen nivel on kiertonivel. Yleisin kokoonpano on kuusiakselinen robotti, jolla on vapausasteita asettaa objekteja mihin tahansa asentoon ja suuntaan sen työalueen sisällä. Nämä ovat erittäin joustavia robotteja, jotka soveltuvat lukemattomiin teollisuusprosesseihin. Kuusiakseliset nivelvarsirobotit ovat itse asiassa juuri sellaisia, mitä useimmat ihmiset ajattelevat teollisuusrobottien olevan.

Kuva 4: Huipputehokkaat viivakoodinlukijat pystyvät dekoodaamaan 1D- ja 2D-viivakoodit nopeasti ja luotettavasti. Jotkin niistä asennetaan robottien päätetyövälineisiin tukemaan elektroniikka- ja autonosien sekä osakokoonpanon osien keräilyä. (Kuvan lähde: Omron Automation and Safety)

Isoja kuusiakselisia robotteja käytetään usein autojen runkorakenteiden hitsauksessa ja koripaneelien pistehitsauksessa. Toisin kuin manuaalisissa menetelmissä, robotit pystyvät seuraamaan hitsausratoja tarkasti 3D-avaruudessa pysähtymättä ja samalla mukautumaan hitsisauman muuttuviin parametreihin ympäristöolosuhteiden mukaan.

Kuva 5: Nämä kuusiakseliset robotit ovat juuri sellaisia, mitä useimmat ihmiset ajattelevat teollisuusrobottien olevan. (Kuvan lähde: Kuka)

Muualla kuusiakselisia nivelkäsivarsirobotteja asennetaan 7. akselin järjestelmään autojen korinosien pohjamaalaus-, maalaus-, lakkaus- ja muita tiivistysprosesseja varten. Tällaisilla ratkaisuilla saadaan virheettömiä ja yhdenmukaisia tuloksia, joiden luotettavuus johtuu osittain siitä, että ne suoritetaan hyvin eristetyissä maalauskopeissa tehokkaasti ulkopuolelta tulevia hiukkasia vastaan suojattuina. Kuusiakseliset robotit noudattavat lisäksi ohjelmoituja, optimoituja ruiskutusratoja täydellisen lopputuloksen takaamiseksi jopa niin, että sekä liikamaalaus että maali- ja tiivistysainehävikki minimoituu. Niiden ansiosta autotehtaan henkilökunnan ei myöskään tarvitse altistua joidenkin ruiskutettavien aineiden haitallisille höyryille.

Kuva 6: SIMATIC Robot Integrator -sovellus yksinkertaistaa robottien integrointia automatisoituihin ympäristöihin. Se ottaa huomioon eri toimittajien robottien parametrit ja eri sovellusten geometriat ja asennusvaatimukset. Näitä järjestelmiä täydentävät skaalautuvat, huipputehokkaat SIMATIC S7 -ohjaimet, joissa on integroitu I/O ja erilaisia kommunikaatiovaihtoehtoja ratkaisun joustavaa mukautusta varten. (Kuvan lähde: Siemens)

SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) -roboteissa on kaksi kiertoniveltä pystysuunnassa kulkevilla samansuuntaisilla kääntöakseleilla X-Y-paikoitukseen yhdessä ainoassa liiketasossa. Kolmas lineaarinen akseli puolestaan mahdollistaa liikkeen Z-suunnassa (ylös ja alas). SCARA-robotit ovat suhteellisen edullisia vaihtoehtoja ja erinomaisia ahtaisiin tiloihin. Ne liikkuvat jopa nopeammin kuin vastaavat karteesiset robotit. Ei ole ihme, että SCARA-robotteja käytetään autojen elektroniikka- ja sähköjärjestelmien valmistuksessa. Niihin lukeutuvat myös ilmastointijärjestelmät, mobiililaitteiden yhdistettävyys, audiovisuaaliset elementit, viihde ja navigointi. SCARA-robotteja käytetään yleisimmin näiden järjestelmien valmistuksessa tarvittavien tarkkojen materiaalinkäsittely- ja kokoonpanotehtävien suorittamiseen.

Karteesisissa roboteissa on vähintään kolme lineaarista päällekkäin sijoitettua akselia liikkeen suorittamiseksi X-, Y- ja Z-suunnissa. Jotkin Tier 2 -alihankkijoiden käyttämät karteesiset robotit ovat todellisuudessa CNC-työstökoneita, 3D-tulostimia ja koordinaattimittauskoneita (CMM), joilla varmistetaan lopputuotteiden laatu ja yhdenmukaisuus. Jos nämä koneet lasketaan mukaan, karteesiset robotit ovat taatusti alan yleisin teollisuusrobottien muoto. Kuten edellä on mainittu, karteesisia koneita kutsutaan kuitenkin usein roboteiksi vain silloin, kun niitä käytetään tehtävissä, joihin liittyy työkappaleiden eikä työkalujen käsittelyä – esimerkiksi kokoonpanossa, ladonnassa ja paletoinnissa.

Toinen autoteollisuudessa käytettävä karteesisen robotin versio on automaattinen pukkinosturi. Ne ovat välttämättömiä kiinnitys- ja liitosprosesseissa, jotka vaativat pääsyn osittain valmiiden ajoneuvokokoonpanojen alustaan.

Autoteollisuuden uudet ja uudenlaiset robottisovellukset

Sylinterirobotit ovat kompakteja ja taloudellisia robotteja, jotka mahdollistavat kolmiakselisen paikoituksen. Niiden ominaisuuksiin kuuluvat jalustan kiertonivel ja kaksi lineaarista akselia korkeus- ja käsivarsijatkeita varten. Ne soveltuvat erityisen hyvin koneenhoitoon, pakkaamiseen ja autojen osakomponenttien paletointiin.

Edellä mainituissa kuusiakselisissa yhteistyöroboteissa (coboteissa) on sama perustukivarsirakenne kuin suuremmissa teollisuusmalleissa, mutta niiden varustukseen kuuluvat erittäin kompaktit ja integroidut moottoripohjaiset käyttölaitteet jokaisessa nivelessä – tyypillisesti hammasvaihdemoottori- tai suorakäytön muodossa. Niitä käytetään autoteollisuudessa pidikkeiden, kiinnikkeiden ja geometrisesti monimutkaisten apurunkojen hitsaukseen. Tämän robottityypin tarjoamiin etuihin kuuluvat korkea tarkkuus ja toistettavuus.

Delta-roboteissa on kolme käsivartta, joita ohjataan kiertonivelten kautta jalustasta käsin. Jalusta ripustetaan usein kattoon. Kussakin käsivarressa on suunnikas, jonka päähän on asennettu nivelkappale, ja kaikki nämä suunnikkaat on sitten liitetty päätetyövälineeseen. Tämä tarjoaa delta-robotille kolme translatorista vapausastetta, eikä päätetyöväline pyöri koskaan jalustaan nähden. Delta-robotit pystyvät saavuttamaan erittäin suuren kiihtyvyyden, minkä ansiosta ne ovat erittäin tehokkaita ladontatehtäviin sovelluksissa, joihin sisältyy autojen pienten kiinnityselementtien ja sähkökomponenttien lajittelua ja muuta käsittelyä.

Stewart-alustat (joita kutsutaan myös heksapodeiksi) koostuvat kolmionmuotoisesta jalustasta ja kolmionmuotoisesta päätetyövälineestä, jotka on liitetty kuudella lineaarisella aktuaattorilla oktaedrin muotoon. Tämä tarjoaa kuusi vapausastetta ja erittäin jäykän rakenteen. Liikealue on kuitenkin suhteellisen rajallinen rakenteen kokoon nähden. Stewart-alustoja käytetään liikesimulointiin, mobiiliin tarkkuuskoneistukseen, nosturiliikkeen kompensointiin ja suurissa nopeuksissa esiintyvän tärinän kompensointiin tarkkuusfysiikan ja optiikan testirutiineissa – myös ajoneuvojen jousitusrakenteiden tarkastukseen.

Automaattitrukit (AGV) noudattavat määrättyjä reittejä, jotka on merkitty lattiaan maalatuilla viivoilla, lattiaan kiinnitetyillä metallilangoilla tai muilla opastimilla. Automaattitrukit ovat yleensä jossain määrin älykkäitä, joten ne pysähtyvät ja lähtevät liikkeelle välttääkseen törmäyksiä toistensa ja ihmisten kanssa. Ne soveltuvat erinomaisesti autotehtaiden materiaalinkuljetustehtäviin.

Autonomiset mobiilirobotit (AMR) eivät vaadi kiinteitä reittejä ja pystyvät tekemään automaattitrukkeja sofistikoituneempia päätöksiä. Ne soveltuvat erityisesti käyttöön autotehtaiden valtavissa varastoissa, ja ne pystyvät yleensä navigoimaan vapaasti käyttämällä laserskannereita ja kohteiden tunnistusalgoritmeja ympäristön havaitsemiseen. Kun mahdollinen törmäys havaitaan, autonomiset mobiilirobotit eivät pysähdy ja jää odottamaan kuten automaattitrukit, vaan ne voivat yksinkertaisesti muuttaa suuntaa ja kiertää esteet. Autonomiset mobiilirobotit ovat tämän sopeutumiskyvyn ansiosta huomattavasti tuottavampia ja joustavampia autotehtaiden lastauslaitureilla.

Yhteenveto

Autoteollisuus on vauhdittanut robotiikan massiivista innovointia viimeisten 30 vuoden aikana, ja tämä suuntaus jatkuu sähköajoneuvojen (EV) kasvavien markkinoiden myötä. Alalla on myös alettu hyödyntää tekoälyn ja konenäön uusia adaptaatioita, joilla parannetaan robottijärjestelmiä kaikenlaisiin käyttötarkoituksiin.