La robotique dans la production automobile actuelle

Les robots industriels sont essentiels dans la production moderne, où ils exécutent une multitude de fonctions et coordonnent les tâches avec d'autres formes d'automatisation. En fait, l'industrie automobile, qui pèse 1000 milliards de dollars, a été la première à avoir les moyens d'utiliser la robotique à grande échelle et à promouvoir les technologies associées à la robotique. Il n'y a rien d'étonnant à cela, car les automobiles sont des produits sophistiqués et coûteux qui peuvent justifier des investissements dans des usines qui ne seront rentables qu'après plusieurs années. Aujourd'hui, la grande majorité des centres de production automobile ont recours à la robotique. Ce n'est qu'au cours des deux dernières décennies que les secteurs du conditionnement et de la production de semi-conducteurs et le domaine relativement nouveau de l'entreposage automatisé ont accéléré l'adoption de la robotique pour rivaliser avec l'industrie automobile.

Figure 1 : L'industrie automobile, plus que toute autre, a favorisé le développement des technologies robotiques. (Source de l'image : Getty Images)

Les robots eux-mêmes et les équipements d'automatisation industrielle complémentaires contiennent des moteurs électriques, des systèmes hydrauliques, des entraînements, des commandes, du matériel de réseau, des interfaces homme-machine (IHM) et des systèmes logiciels, ainsi que des composants de détection, de rétroaction et de sécurité. Ces éléments contribuent au rendement en exécutant des routines préprogrammées qui peuvent facilement s'adapter aux conditions changeantes en temps réel. De plus en plus, on s'attend à ce que les cellules de travail robotisées soient également reconfigurables pour produire de nouvelles offres automobiles ... car les préférences des consommateurs évoluent plus rapidement que jamais.

Clarifier la terminologie utilisée pour l'automatisation et la robotique

Le dictionnaire anglais Oxford définit les robots comme des « machines capables d'effectuer automatiquement des séries complexes de mouvements, en particulier par programmation ». Ce qui complique les choses, c'est que cette définition pourrait s'appliquer à tout, des machines à laver aux machines-outils à commande numérique. Même la définition ISO 8373 d'un robot, à savoir un « manipulateur multi-application, reprogrammable à commande automatique, programmable sur trois axes ou plus », pourrait décrire un convoyeur d'entrepôt doté de stations de levage verticales. Cependant, ces machines ne seraient jamais classées comme des robots.

La différence pratique à retenir est que les machines construites pour un usage unique [lire : très clairement défini] dans un lieu fixe ne sont généralement pas considérées comme des robots ... du moins pas dans les cercles industriels. Par exemple, bien qu'une fraiseuse typique puisse exécuter un grand nombre de programmes complexes pour usiner différentes pièces, elle est conçue pour couper le métal à l'aide de lames rotatives montées dans sa broche... et il est probable qu'elle restera solidement installée à un seul emplacement pendant toute sa durée de vie.

Figure 2 : Dans certains cas, la distinction entre robot et machine repose sur l'apparence d'une conception automatisée. Certains classent les bras articulés qui ressemblent à des bras humains mécanisés dans la catégorie des robots — et les ensembles cartésiens automatisés de glissières linéaires (comme le CT4 pour l'assemblage et l'inspection de petites pièces) dans la catégorie des machines. (Source de l'image : IAI America Inc.)

Parfois, ces définitions sont elles-mêmes contradictoires. Par exemple, les machines automatisées telles que les machines-outils à commande numérique sont de plus en plus flexibles, les centres de fraisage-tournage jouant à la fois le rôle de fraiseuses et de tours — et nombre de ces machines exécutant des tâches d'inspection et de mesure sur les pièces à l'aide de sondes de contact et de scanners laser. Ces machines-outils peuvent même être équipées pour la fabrication additive. D'autre part, les robots industriels supposés flexibles sont souvent fournis en tant que modèles spécialisés conçus pour une tâche spécifique telle que la pulvérisation de peinture ou le soudage ... et ils peuvent très bien passer toute leur vie de service dans une cellule de travail sur une ligne de production.

En définitive, dans l'industrie automobile d'aujourd'hui, on attend souvent des systèmes automatisés catégorisés en tant que robots qu'ils fassent preuve d'une grande flexibilité, c'est-à-dire qu'ils soient capables (moyennant une reconfiguration) d'exécuter des tâches de transport, de tri, d'assemblage, de soudage et de peinture pouvant varier d'un jour à l'autre. Ces robots industriels doivent également pouvoir être déplacés vers de nouvelles zones d'une usine, que ce soit pour être redéployés en tant que systèmes de fabrication et reconfigurés, ou pour être continuellement mobiles sur des rails linéaires avec un septième axe afin de desservir des cellules de travail sur une ligne.

Familles de robots pour les sites de production automobile

Les robots utilisés dans les sites de production automobile sont généralement catégorisés en fonction de leur structure mécanique — y compris leurs types d'articulation, leurs arrangements de liaison et leurs degrés de liberté.

Les manipulateurs sériels incluent la plupart des robots industriels. Les modèles de cette famille présentent une chaîne linéaire de maillons avec une base à une extrémité et un effecteur terminal à l'autre extrémité ... avec une seule articulation entre chaque maillon de la chaîne. Ces modèles incluent des robots articulés, des robots SCARA, des robots collaboratifs à six axes, des robots cartésiens (essentiellement constitués d'actionneurs linéaires) et des robots cylindriques (peu courants).

Figure 3 : Les robots collaboratifs sont de plus en plus répandus dans les usines des équipementiers automobiles de niveau 2 qui bénéficient de la palettisation automatisée. (Source de l'image : Dobot)

Les manipulateurs parallèles excellent lorsque les applications requièrent une haute rigidité et une haute vitesse de fonctionnement. Contrairement aux bras articulés (suspendus dans l'espace 3D par une seule ligne de liaisons), les manipulateurs parallèles sont soutenus ou suspendus par des réseaux de liens. Les exemples incluent les robots Delta et Stuart.

Les robots mobiles sont des unités sur roues qui déplacent des matériaux et des articles de stock dans les usines et les entrepôts. Ils peuvent fonctionner comme des chariots élévateurs automatisés pour récupérer, déplacer et placer des palettes sur des étagères ou sur le sol de l'usine. Les exemples incluent les véhicules à guidage automatique (AGV) et les robots mobiles autonomes (AMR).

Utilisation de robots classiques dans la production automobile

Les applications robotiques classiques dans les usines de production automobile incluent la soudure, la peinture, l'assemblage et (pour le transport des quelque 30 000 pièces qui entrent dans la composition d'une voiture moyenne) les tâches de manutention. Examinons comment certains sous-types de robots sont utilisés dans ces applications.

Les robots à bras articulé à six axes sont des manipulateurs sériels dans lesquels chaque articulation est une articulation simple. La configuration la plus courante est le robot à six axes disposant de degrés de liberté pour positionner des objets dans toute position et toute orientation à l'intérieur de son volume de travail. Il s'agit de robots très flexibles, adaptés à une multitude de processus industriels. En fait, les robots à bras articulé à six axes sont ceux que la plupart des gens imaginent lorsqu'ils pensent à un robot industriel.

Figure 4 : Les lecteurs de codes-barres hautes performances peuvent décoder rapidement et de manière fiable les codes-barres 1D et 2D. Certains sont montés sur des effecteurs terminaux robotiques pour faciliter le prélèvement de pièces électroniques et automobiles ainsi que d'éléments de sous-ensembles. (Source de l'image : Omron Automation and Safety)

En fait, les grands robots à six axes sont souvent utilisés pour la soudure des châssis automobiles et le soudage par points des panneaux de carrosserie. Contrairement aux approches manuelles, les robots ont la capacité de tracer avec précision des trajectoires de soudure dans l'espace 3D sans s'arrêter, tout en s'adaptant aux paramètres changeants du cordon de soudure en fonction des conditions environnementales.

Figure 5 : Ces robots à six axes correspondent à l'idée que la plupart des gens se font d'un robot industriel. (Source de l'image : Kuka)

Dans d'autres cas, des robots à bras articulés à six axes se déplacent sur un septième axe pour exécuter des opérations d'apprêt, de peinture, de vernissage et d'autres processus d'étanchéité sur des carrosseries automobiles. De telles dispositions permettent d'obtenir des résultats irréprochables qui sont en partie si fiables parce que ces processus sont exécutés dans des cabines de pulvérisation bien isolées et non contaminées par des particules provenant de l'environnement extérieur. Les robots à six axes suivent également des trajectoires de pulvérisation optimisées par programmation pour des finitions parfaites, tout en minimisant les projections et les déchets de peinture et d'enduit. De plus, ils éliminent la nécessité d'exposer le personnel de l'usine automobile aux vapeurs nocives associées à certains matériaux appliqués par pulvérisation.

Figure 6 : L'application SIMATIC Robot Integrator simplifie l'intégration de robots dans les environnements automatisés en tenant compte des paramètres des robots de différents fournisseurs ainsi que des géométries et des exigences de montage de diverses applications. Ces installations sont complétées par des contrôleurs SIMATIC S7 hautes performances et évolutifs, avec des E/S intégrées et diverses options de communication pour des adaptations de conception flexibles. (Source de l'image : Siemens)

Les robots SCARA sont dotés de deux articulations simples avec des axes de rotation parallèles, orientés dans le sens vertical, pour un positionnement X-Y dans un seul plan de mouvement. Puis un troisième axe linéaire permet le déplacement dans la direction Z (haut et bas). Les robots SCARA sont des options relativement peu coûteuses qui excellent dans les espaces confinés, tout en offrant des mouvements plus rapides que les robots cartésiens équivalents. Il n'est donc pas étonnant que les robots SCARA soient utilisés dans la production de systèmes électroniques et électriques automobiles, notamment les systèmes destinés à la climatisation, à la connectivité des dispositifs mobiles, aux éléments audiovisuels, au divertissement et à la navigation. Dans ce cas, les robots SCARA sont le plus souvent utilisés pour exécuter les tâches précises de manutention et d'assemblage nécessaires à la production de ces systèmes.

Les robots cartésiens ont, au minimum, trois axes linéaires qui sont superposés pour exécuter des mouvements dans les directions X, Y et Z. En fait, certains robots cartésiens employés par les fournisseurs automobiles de niveau 2 prennent la forme de machines-outils à commande numérique, d'imprimantes 3D et de machines de mesure des coordonnées (CMM) pour vérifier la qualité et la cohérence des produits finis. Si l'on compte ces machines, les robots cartésiens sont sans conteste la forme de robot industriel la plus répandue dans l'industrie. Comme indiqué précédemment, les machines cartésiennes ne sont souvent appelées robots que lorsqu'elles sont utilisées pour des opérations impliquant la manipulation de pièces et non d'outils — dans l'assemblage, le placement automatisé et la palettisation, par exemple.

Une autre variante de robot cartésien utilisée dans l'industrie automobile est le portique automatisé. Ces portiques sont indispensables pour les processus de fixation et d'assemblage exigeant l'accès au châssis de véhicules partiellement assemblés.

Nouvelles utilisations des robots dans la production automobile

Les robots cylindriques sont des robots compacts et économiques qui permettent un positionnement sur trois axes avec une articulation simple à la base et deux axes linéaires pour les extensions de bras et de hauteur. Ils conviennent particulièrement bien à la surveillance des machines, à l'emballage et à la palettisation de sous-composants automobiles.

Les robots collaboratifs (cobots) à six axes mentionnés précédemment présentent la même structure de liaison de base que les variantes industrielles plus grandes, mais avec des entraînements basés sur des moteurs intégrés extrêmement compacts à chaque articulation ... typiquement sous la forme d'un moteur à engrenages ou d'une option d'entraînement direct. Dans les environnements automobiles, ils sont chargés du soudage des supports, des fixations et des sous-châssis géométriquement compliqués. Les avantages incluent une haute précision et une répétabilité élevée.

Les robots Delta ont trois bras qui sont actionnés via des articulations simples depuis la base, et ils sont souvent montés au plafond pour une disposition suspendue. Chaque bras comporte un parallélogramme avec des articulations universelles montées à son extrémité, et ces parallélogrammes sont tous connectés à l'effecteur terminal. Le robot Delta dispose ainsi de trois degrés de liberté de translation, l'effecteur terminal ne tournant jamais par rapport à la base. Les robots Delta peuvent atteindre des accélérations extrêmement élevées, ce qui les rend très efficaces pour les opérations de placement dans les applications impliquant le tri et d'autres manipulations de petits composants électriques et attaches automobiles.

Les plateformes de Stewart (également appelées hexapodes) se composent d'une base triangulaire et d'un effecteur terminal triangulaire, connectés par six actionneurs linéaires en octaèdre. Cela confère six degrés de liberté avec une structure extrêmement rigide. Cependant, l'amplitude des mouvements est relativement limitée par rapport à la taille de la structure. Les plateformes de Stewart sont utilisées pour la simulation de mouvements, l'usinage de précision mobile, la compensation des mouvements des grues et la compensation des vibrations haute vitesse dans les routines de test de physique et d'optique de précision ... y compris celles visant à vérifier la conception des suspensions des véhicules.

Les véhicules à guidage automatique (AGV) suivent des itinéraires définis, identifiés par des lignes peintes sur le sol, des fils sur le sol ou d'autres balises de guidage. Les AGV sont généralement dotés d'un certain degré d'intelligence leur permettant de pouvoir s'arrêter et démarrer afin d'éviter les collisions entre eux et avec les humains. Ils conviennent parfaitement aux tâches de transport de matériel dans les usines de production automobile.

Les robots mobiles autonomes (AMR) n'ont pas besoin d'itinéraires fixes et sont capables de prendre des décisions plus sophistiquées que les AGV. Particulièrement utiles dans les entrepôts tentaculaires des constructeurs automobiles, ils permettent généralement une navigation libre en utilisant des scanners laser et des algorithmes de reconnaissance d'objets pour détecter leur environnement. Lorsqu'une collision potentielle est détectée, au lieu de s'arrêter et d'attendre comme un AGV, les AMR peuvent simplement modifier leur trajectoire et contourner les obstacles. Cette capacité d'adaptation rend les AMR considérablement plus productifs et flexibles sur les quais de chargement des usines automobiles.

Conclusion

L'industrie automobile a stimulé l'innovation massive dans le domaine de la robotique au cours des 30 dernières années, et cette tendance va se poursuivre avec le marché florissant des véhicules électriques (VE). L'industrie a également commencé à bénéficier de nouvelles adaptations de l'intelligence artificielle et de la vision artificielle pour améliorer les installations robotiques pour des utilisations de tous types.