רובוטים בייצור הרכב של היום

רובוטים תעשייתיים הם חיוניים לייצור מודרני - הם מבצעים מגוון עצום של פונקציות תוך תיאום משימות עם צורות אחרות של אוטומציה. למעשה, תעשיית הרכב של טריליון דולר הייתה התעשייה הראשונה עם האמצעים להשתמש ברובוטיקה בקנה מידה גדול... ולקדם גם את הטכנולוגיות הקשורות לרובוטיקה. לא פלא, שכן מכוניות הן פריטים מתוחכמים ביותר ויקרים שיכולים להצדיק השקעות במפעל העלולות לא להניב החזר ROI במשך שנים. כיום, הרוב המכריע של מרכזי ייצור הרכב משתמשים ברובוטים. רק במהלך שני העשורים האחרונים, תחומי האריזה, ייצור מוליכים-למחצה והתחום החדש יחסית של אחסון אוטומטי זרזו את אימוץ הרובוטים ומתחרים בתעשיית הרכב.

איור 1: תעשיית הרכב, יותר מכל תעשייה אחרת, הניעה את התקדמות טכנולוגיות הרובוטים. (מקור התמונה: Getty Images‏)

בתוך הרובוטים עצמם ובציוד אוטומציה תעשייתית משלים נמצאים מנועים חשמליים, מערכות הידראוליות ומערכות הספק מבוססות-נוזל; דוחפים, בקרות, חומרת רשת, ממשקי אדם-מכונה (HMIs) ומערכות תוכנה; ורכיבי חישה, משוב ובטיחות. אלמנטים אלה מקנים יעילות על ידי רוטינות מתוכנתות-מראש היכולות להסתגל בקלות לתנאים משתנים בזמן-אמת. יותר ויותר מצופה שתאי עבודה רובוטיים יכללו גם יכולת הגדרת-תצורה כדי לייצר היצע מכוניות חדש ... מכיוון שהעדפות הצרכנים התפתחו מהר יותר מאי פעם.

הבהרת מינוח המשמש עבור אוטומציה ורובוטים

מילון אוקספורד האנגלי מגדיר רובוטים כ"מכונות המסוגלות לבצע באופן אוטומטי סדרות מורכבות של תנועות, במיוחד כאלו הניתנות-לתכנות." המבלבל בכך הוא שהגדרה זו יכולה לתאר כל דבר, החל ממכונות כביסה וכלה במכונות CNC. אפילו הגדרת ISO 8373‏ של רובוט כ"מניפולטור רב-תכליתי, מבוקר-אוטומטית וניתן לתכנות-חוזר בשלושה צירים או יותר" יכולה לתאר מסוע מחסן עם תחנות הרמה אנכיות. עם זאת, מכונות כאלה לעולם לא יסווגו בדרך כלל כרובוטים.

המבדל המעשי שיש לזכור הוא שמכונות שנבנו עבור שימוש יחיד [קרי, מוגדר מאוד בבירור] במיקום קבוע אינן נחשבות לרוב לרובוטים ... לפחות לא בחוגים תעשייתיים. לדוגמה, למרות שמכונת כרסום טיפוסית יכולה להריץ כל מספר של תוכניות מורכבות לעיבוד חלקים שונים, היא נועדה לחתוך מתכת באמצעות להבים סיבוביים שמורכבים על הציר שלה ... וסביר להניח שהיא תישאר מקובעת בצורה מאובטחת במקום אחד במשך כל חיי השירות שלה.

איור 2: במקרים מסוימים, ההבחנה בין רובוט לבין מכונה מבוססת על איך נראה תכן אוטומטי. יש המסווגים זרועות עם מפרק הדומות לזרועות אנושיות ממוכנות כרובוטים - ומסווגים סידורים קרטזיאניים אוטומטיים של מחליקים ליניאריים (כדוגמת CT4 עבור הרכבה ובדיקה של חלקים קטנים) כמכונות. (מקור התמונה: .IAI America Inc‏)

לפעמים, אפילו הגדרות אלו הן סותרות. לדוגמה, מכונות אוטומטיות כגון מכונות CNC שהן יותר ויותר גמישות, כאשר מרכזי סיבוב-כרסום מבצעים את התפקידים של מכונות כרסום ומחרטות כאחד - ומכונות רבות כאלה מבצעות משימות בדיקה ומדידה על חלקים גם עם בחוני מגע וסורקי לייזר. מכונות כאלה עשויות אפילו להיות מצוידות לביצוע ייצור אדיטיבי. מצד שני, רובוטים תעשייתיים גמישים כביכול מסופקים לעתים קרובות כמודלים מיוחדים המיועדים עבור משימה ספציפית כמו ריסוס צבע או ריתוך ... ועשויים לבלות את כל חיי השירות שלהם בתוך תא-עבודה אחד בפס הייצור.

השורה התחתונה היא שבתעשיית הרכב כיום, מערכות אוטומטיות המסווגות כרובוטים אכן צפויות לעיתים קרובות להפגין גמישות גבוהה - ולהיות מסוגלות (עם הגדרת-תצורה מחדש) לבצע משימות הובלה, מיון, הרכבה, ריתוך וצביעה העשויות להשתנות מיום ליום. רובוטים תעשייתיים אלו צפויים להיות ניתנים להעברה לאזורים חדשים במפעל - בין אם לצורך פריסה מחדש כמערכות ייצור והגדרת-תצורה מחדש, ובין אם להיות ניתנים להזזה מתמדת על מסילות ליניאריות של הציר השביעי כדי לשרת מערכי תאי עבודה בתוך קו.

משפחות רובוטים עבור אתרי ייצור רכב

רובוטים באתרי ייצור רכב מסווגים בגדול לפי המבנים המכניים שלהם - כולל סוגי המפרקים שלהם, סידורי ההצמדה ודרגות החופש שלהם.

רובוטים מניפולטוריים טוריים כוללים את מרבית הרובוטים התעשייתיים. לתכנים במשפחה זו יש שרשרת ליניארית של מקטעים עם בסיס בקצה אחד ואפקטור קצה בקצה השני ... עם מפרק אחד בין כל מקטע בשרשרת. אלה כוללים רובוטים מפרקיים, רובוטים עם זרוע רובוטית מפרקית תואמת סלקטיבית (SCARA) , רובוטים בעלי שישה צירים, רובוטים קרטזיאניים (המורכבים בעיקרם ממפעילים (Actuators‏) ליניאריים), ורובוטים צילינדריים (מעט נדירים).

איור 3‏: רובוטים שיתופיים נפוצים יותר ויותר במפעלי ספקי רכב Tier-2 הנהנים ממשטחים אוטומטיים. (מקור התמונה: Dobot‏)

רובוטים מניפולטוריים מקביליים מצטיינים ביישומים המצריכים קשיחות גבוהה ומהירות פעולה גבוהה. בניגוד לזרועות מפרקיות (תלויות בחלל 3D‏ באמצעות קו יחיד של מקטעים), מניפולטורים מקביליים נתמכים או תלויים על ידי מערכים של מקטעים. דוגמאות כוללות רובוטים דלתא ו-Stuart‏.

רובוטים ניידים הם יחידות עם גלגלים המעבירות חומרים ופריטי מלאי ברחבי מפעלים ומחסנים. הם עשויים לתפקד כמלגזות אוטומטיות לשליפה, העברה והנחת משטחים על מדפים או על רצפת המפעל. הדוגמאות כוללות רכבים מונחים אוטומטיים (AGVs) ורובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs).

שימושים רובוטים קלאסיים בייצור רכב

יישומים רובוטיים קלאסיים במפעלי ייצור רכב כוללים משימות ריתוך, צביעה, הרכבה ומשימות טיפול בחומרים (עבור שינוע 30,000 החלקים השונים הנמצאים במכונית ממוצעת). נבחן כיצד משתמשים בתתי-סוגים של רובוטים ביישומים אלה.

רובוטים עם זרועות מפרקיות בשישה-צירים הם מניפולטורים טוריים שבהם כל מפרק הוא מפרק מסתובב. התצורה הנפוצה ביותר היא רובוט בעל שישה צירים עם דרגות חופש כדי למקם עצמים בכל מיקום וכיוון בתוך חלל העבודה שלו. אלו רובוטים גמישים ביותר המתאימים לאינספור תהליכים תעשייתיים. למעשה, רובוטים עם זרועות מפרקיות בשישה צירים הם מה שרוב האנשים מתארים לעצמם כשהם חושבים על רובוטים תעשייתיים.

איור 4: קוראי ברקוד עם ביצועים עיליים יכולים לפענח במהירות ובאמינות ברקודים 1D‏ ו-2D‏. חלקם מותקנים על אפקטורי קצה רובוטיים כדי לתמוך בליקוט של חלקים אלקטרוניים ולרכב וכן אלמנטים של תת-מכללים. (מקור התמונה: Omron Automation and Safety)

למעשה, רובוטים גדולים עם שישה צירים משמשים לעתים קרובות לריתוך שלדות רכב וריתוך נקודתי של לוחות גוף. בניגוד לגישות ידניות, לרובוטים יש את היכולת לעקוב במדויק אחר נתיבי ריתוך בחלל 3D‏ מבלי לעצור תוך התאמה במקביל לפרמטרים המשתנים של חרוז הריתוך בתגובה לתנאי הסביבה.

איור 5: רובוטים עם שישה צירים אלה הם מה שרוב האנשים מתארים לעצמם כשהם חושבים על רובוטים תעשייתיים. (מקור התמונה: Kuka‏)

במקומות אחרים, רובוטים מפרקיים עם שישה צירים רוכבים על מערכות ציר שביעי כדי לבצע הכנה, צביעה, ציפוי שקוף ותהליכי איטום אחרים על גופי פאנל של רכבים. סידורים כאלה מספקים תוצאות עקביות ללא תקלות, שבחלקן הן כל כך אמינות מכיוון שתהליכים אלו מבוצעים בתאי ריסוס מבודדים היטב השומרים מפני זיהום על ידי חלקיקים מהסביבה החיצונית. רובוטים עם שישה צירים גם עוקבים אחר מסלולי ריסוס שעברו אופטימיזציה לטובת גימורים מושלמים, ותוך מזעור פסולת צבע וסילר עקב ריסוס-יתר. יתרה מכך, הם מונעים את הצורך לחשוף את אנשי מפעלי הרכב לאדים המזיקים הקשורים לחומרים מסוימים המיושמים בריסוס.

איור 6: אפליקציית SIMATIC Robot Integrator‏ מפשטת את השילוב של רובוטים במערכים אוטומטיים על ידי התאמה לפרמטרים של רובוטים של ספקים שונים ושל גיאומטריות ודרישות הרכבה של יישומים שונים; התקנות אלו מושלמות עם בקרי SIMATIC S7 מדרגיים עם ביצועים גבוהים שלהם אפשרויות I/O‏ ותקשורת שונות משולבות עבור התאמות תכנון גמישות. (מקור התמונה: Siemens‏)

לרובוטים עם זרוע רובוטית מפרקית תואמת סלקטיבית (SCARA) יש שני מפרקים מסתובבים עם צירי סיבוב מקביליים בכיוון האנכי עבור מיקום X-Y במישור אחד של תנועה. ואז ציר ליניארי שלישי מאפשר תנועה בכיוון Z (מעלה ומטה). רובוטים מסוג SCARA הם אפשרויות בעלות נמוכה יחסית המצטיינים במקומות סגורים - אפילו תוך מתן תנועות מהירות יותר לעומת רובוטים קרטזיאניים אקוויוולנטיים. אין פלא שרובוטים מסוג SCARA משמשים בייצור של מערכות אלקטרוניקה וחשמל לרכב - כולל אלה לבקרת אקלים, חיבוריות להתקנים ניידים, אלמנטים אודיו/ויזואליים, בידור וניווט. כאן, רובוטים מסוג SCARA משמשים לרוב לביצוע משימות טיפול והרכבה מדויקות של חומרים לייצור מערכות אלו.

לרובוטים קרטזיאניים יש, לכל הפחות, שלושה צירים ליניאריים המגובבים כדי לבצע תנועה בכיווני X, Y ו-Z. למעשה, חלק מהרובוטים הקרטזיאניים המשמשים מפעלי רכב Tier-2 לובשים צורה של מכונות CNC, מדפסות 3D‏ומכונות מדידת קואורדינטות (CMM) כדי לאמת את האיכות והעקביות של מוצרי קצה. אם סופרים את המכונות הללו בדירוג, רובוטים קרטזיאניים הם הצורה הנפוצה ביותר של רובוטים תעשייתיים. כפי שהוזכר קודם לכן, מכונות קרטזיאניות נקראות לעתים קרובות רובוטים רק כאשר הן משמשות לפעולות הכרוכות במניפולציה של חלקי עבודה ולא של כלים - בהרכבה, ליקוט-והשמה ובניית משטחים, לדוגמה.

וריאציה נוספת של רובוט קרטזיאני המשמשת בתעשיית הרכב היא מנוף אוכף אוטומטי. אלה הכרחיים עבור תהליכי הידוק וחיבור הדורשים גישה למרכב התחתון של מכללי רכב שהושלמו חלקית.

שימושי רובוטים חדשים וחדשניים בייצור רכב

רובוטים צילינדריים הם רובוטים קומפקטיים וחסכוניים הנותנים מיקום תלת-ציר עם מפרק מסתובב בבסיס ושני צירים ליניאריים להארכת הגובה והזרוע. הם מתאימים במיוחד לטיפול במכונות, אריזה ובניית משטחים של תתי-רכיבים של מכוניות.

רובוטים שיתופיים עם שישה צירים (קובוטים) שהוזכרו קודם לכן כוללים את אותו מבנה קישור בסיסי כמו וריאציות תעשייתיות גדולות יותר, אך עם דוחפים קומפקטיים ומשולבים ביותר מבוססי מנוע בכל מפרק ... בדרך כלל בצורה של מנוע הילוכים או אפשרות הנעה-ישירה. במערכי רכב מוטלת עליהם משימה עם מסגרות ריתוך, תושבות ותת-מסגרות מסובכות מבחינה גיאומטרית. היתרונות כוללים דיוק גבוה ועקביות תוצאות.

לרובוטים דלתא יש שלוש זרועות המופעלות באמצעות מפרקים מסתובבים מהבסיס - לרוב מותקנות לתקרה לצורך סידור תלוי. לכל זרוע יש מקבילית עם מפרקים אוניברסליים המותקנים בקצה שלה, ומקביליות אלו מתחברות כולן לאפקטור הקצה. זה נותן לרובוט דלתא שלוש דרגות חופש, כאשר אפקטור הקצה אף פעם לא מסתובב ביחס לבסיס. רובוטים דלתא יכולים להשיג תאוצות גבוהות במיוחד, מה שהופך אותם ליעילים ביותר עבור פעולות ליקוט-והשמה ביישומים הכוללים מיון וטיפול אחר באמצעי הידוק ורכיבים חשמליים קטנים לרכב.

פלטפורמות Stewart‏ (הנקראות גם Hexapods) מורכבות מבסיס משולש ומאפקטור קצה משולש המחוברים באמצעות שישה מפעילים (Actuators‏) ליניאריים באוקטה-הדרון. זה מקנה שש דרגות חופש עם מבנה קשיח במיוחד. עם זאת, טווח התנועה מוגבל יחסית בהשוואה לגודל המבנה. פלטפורמות Stewart משמשות עבור סימולציית תנועה; עיבוד מדויק נייד; קיזוז תנועת מנוף; וקיזוז רעידות במהירות גבוהה ברוטינות בדיקות מדויקות של פיזיקה ואופטיקה ... כולל אלו לאימות תכני מתלי רכב.

רכבים מונחים אוטומטית (AGVs) עוקבים אחר מסלולים קבועים המסומנים בקווים צבועים על הרצפה, חוטים על הרצפה או משואות הכוונה אחרות. ל-AGV יש בדרך כלל מידה של אינטליגנציה ולכן הם נעצרים ומתחילים כדי להימנע מהתנגשויות זה בזה ובבני אדם. הם מתאימים ביותר עבור משימות הובלת חומרים במפעלי ייצור רכב.

רובוטים ניידים אוטונומיים (AMR) אינם דורשים מסלולים קבועים והם מסוגלים לקבל החלטות מתוחכמות יותר לעומת AGVs. שימושיים במיוחד במחסנים רחבי הידיים של יצרני רכב, הם לרוב משיגים ניווט חופשי באמצעות סורקי לייזר ואלגוריתמים לזיהוי אובייקטים כדי לחוש את הסביבה שלהם. כאשר מזוהה אפשרות להתנגשות, במקום לעצור ולהמתין כמו AGV‏, AMR יכולים פשוט לשנות מסלול ולעקוף את המכשולים. יכולת הסתגלות זו הופכת את ה-AMR‏ ליותר פרודוקטיבי וגמיש ברציפי הטעינה של מפעלי רכב.

סיכום

תעשיית הרכב הניעה חדשנות מסיבית בתחום הרובוטיקה במהלך 30 השנים האחרונות, ומגמה זו תימשך גם עם שוק הרכבים החשמליים (EVs) המתפתח. התעשייה גם החלה להפיק תועלת מהתאמות חדשות של בינה מלאכותית וראיית מכונה לשיפור התקנות רובוטיות עבור שימושים מכל הסוגים.