Tiskové zprávy Březen

Šroubovací technika

(Tiskové zprávy Březen 2010)

Vývoj: Alternativy pro montáž kabeláží vozidel

Lehčí auta šetří prostředí a peněženku

Snížení nákladů a hmotnosti automatizovaným přemístěním plochých vodičů

V automobilovém průmyslu vznikají slabiny díky určitým změnám. Polika a spotřebitelé požadují v boji proti změně klimatu automobily, které spotřebují méně pohonných hmot a tím vylučují méně CO2. Vedle výzkumu po přesvědčující alternativy pohonu až k tradičním spalovacím motorům je v centru pozornosti hledání dalších úsporných opatření. Je třeba snížit hmotnosti vozidel. 

V dnešní době spočívá většina nejoblíbenějších vlastností nového vozidla ve funkcích, které jsou realizovány pomocí elektroniky. K tomu počítejme ještě nutné palubní systémy, které činí hmotnost a náklady vozidla vyššími. Hmotnost naroste díky standardním svazkům kabelů i na objemu. Náklady při konfekcionování a montáži - automatizace na základě stávajících technologií není možná. 

Vycházejme z úvah, že přemístění flexibilních kabelů plochých vodičů namísto běžných svazků kabelů by mohlo ušetřit náklady a hmotnost vozidel, vědci začali se svými výzkumy na katedře pro automatizaci výroby a analýzu produkce (FAPS) na univerzitě Friedricha Alexandera (Erlangen-Nürnberg): Zkoumají automatizovanou manipulaci a montáž flexibilních kabelů plochých vodičů a vyvíjí odpovídající prototyp zařízení.

Výzkumné zařízení FAPS umožňuje přemístění vícežilných kabelů plochých vodičů na trojrozměrných, plošných modulech (např. u dveří vozidla) vedenými roboty a spojení pomocí tavení nebo svařování laserem. Ve středu pozornosti výzkumu je spojení kabelu s funkčními elementy, provazy jsou po přemístění přece přístupné pouze z jedné strany. Musela být tedy vyvinuta nová kontaktní technologie. Měla by být automatizovaná - tím je dodatečný procesní krok odizolování zbytečný. Současné přímé kontaktování pružinovými svorkami, které je přihlášeno k patentování, je velkým úspěchem výzkumné práce. 

U tohoto konceptu je přemístěn kabel plochých vedení, který je třeba kontaktovat, nejprve přes malý „kontaktní štít“. Během lineárního posuvu funkčního elementu protínají břity obou kontaktních nožek pružinové svorky izolační vrstvu kabelů plochých vodičů, sesouvají se k měděnému vodiči pod izolaci. Musí se rozšířit přídržná síla - až do konečného zašroubování funkčních elementů např. reproduktor. Přídržná síla působí proti síle pružiny pružinové svorky. Po sešroubování se dosáhne požadované silové a redundantní elektrické spojení mezi kabelem plochých vodičů a funkčním elementem.
Konvertibilita přímého kontaktování pružinové svorky je znázorňována a hodnocena na FAPS katedře na nejrůznějších montážních linkách. Tam jsou k dispozici mimo jiné i prověřené automatizační instalace plochých vodičů, kontaktování plochých vodičů, stejně tak plně automatizovaná montáž modulů osobních automobilů a komponentů plochých vodičů.

Ve výrobních linkách se exemlárně používají dva roboty k namotování plochých vodičů a elektrických systémů - v tomto případě reproduktor do dveří vozidla. Dva lineární roboty typu Reis Robotics RL16 jsou nařízeny tak, aby mezi nimi vznikl samostatný pracovní prostor. Aby se rozšířil stupeň volnosti lineárními roboty, je součástka namontována na hexapod, který umožňuje dodatečné změny pozice. Pohyb materiálu je realizován pomocí systému dvoupásových popruhů.

Robotům jsou k dispozici nejrůznější nářadí umístěná v chapačích montážních buněk. Pro elektrické kontaktování reproduktoru s kabelem plochých vodičů instalovaným do dveří vozidla jsou používány komplexní šroubovací systémy pro přívod šroubů, stejně tak speciální kontaktní chapače.

Zatímco byly vyvíjeny chapače výzkumníky z katedry, která se zabývá těmito úkoly, zasedl tým odborníků - Dipl.-Inf. Markus Michl a firma DEPRAG SCHULZ GMBH & CO. KG z Bavorska a zabýval se následujícími tématy: řešení šroubovacího nářadí, přívodu šroubů a techniky řízení šroubování. Hlavní komponenty šroubovacího systému se skládají ze šroubováku DEPRAG - typu MINIMAT®-E 320E27-0042 pro požadovaný krouticí moment od 0,7 do 4,2 Nm. Vedoucí projektu Dipl.-Inf. Markus Michl: „Na základě své minimální konstrukční velikosti a nízké hmotnosti se toto zařízení osvědčuje jako vhodné pro šroubování u konečného efektoru robota.“

Aby byly šroubováku MINIMAT®-E EC, automaticky přiváděny čtyři potřebné šrouby pro reproduktor - M 4 x 12 mm, potřebuje FAPS pro své zařízení systém na přívod šroubů, který dodává firma DEPRAG ve standardním provedení. Systém přívodu šroubů spočívá v dopravní technice vibračního podávání, vykazující vysoký a spolehlivý dopravní výkon. Skládá se z jednoho vibračního podavače, jednoho podávacího hrnce a separátoru. Šrouby jsou automaticky uzavřeny před každým šroubovacím procesem přívodní hadicí. Šroub je ideálně veden hubicí a vedením hubice a připraven přesně polohově k sešroubování. Robot nastaví polohu šroubováku, hubice a vedení hubice u šroubovacího místa na šroubovací pozici. Pomocí lineární jednotky jede šroubovák dolů - jeho dřík se ponoří hubicí a pouzdrem na šroubovací hlavu. Po startovním signálu z řízení se zašroubuje šroub, který byl uzavřen přívodní hadicí. 

Šrouby jsou utaženy ve dvoustupňovém procesu: Nejprve je šroub utažen pomalými otáčkami, poté dotažen ve spojení s předepsaným krouticím momentem (min. 1,2 Nm /max. 1,8 Nm). Při dosaženém krouticím momentu je šroubovák automaticky vypnut. Šrouby jsou spolehlivě utaženy - vždy se stejným krouticím momentem - s max. standardní odchylkou 3% na součástce. Během 1,3 sek. je šroub utažen. Tento proces šroubování je hlídán řízením DEPRAG - AST10, které je integrováno do konstrukce montážní linky.

Bernd März, vedoucí vývojového centra mechatroniky v DEPRAGU, popisuje četné možnosti použití AST10: „Naše AST10 sekvenční řízení nalezne své použití jak v plně automatizovaných montážních zařízeních stejně tak na ručních pracovištích.“ Slouží jako šroubovací řízení pro bezkartáčové EC-motory, k obsluze a hlídání šroubovacích procesů - nezávisle na pracovišti, k centrální evidenci dat, k přípravě dat, k srovnání dat s externími databázemi a k celosvětovému přístupu k procesním údajům. Výhody spočívají ve vysoké přesnosti, v promyšlené ergonomii softwaru, http-rozhraní a integrovaném webserveru.

Dipl.-Inf. Markus Michl se rozhodl pro šroubovací řízení DEPRAG AST10, „protože nás přesvědčilo jednoduchým začleněním do našeho systému řízení“. Centrálními komponenty řízení prototypického montážního zařízení FAPS je počítač, který je propojený přes různá rozhraní u jednotlivých řízení - jako je AST10 - a je možno ho nastavit dle požadavků. Přes ethernet je zaručeno spojení řídícího počítače s oběma řízeními průmyslových robotů - může být zadán externě příkaz v XML-formátu.

Ethernet-komunikační spojení rovněž spočívá v hexapodu. Přes rozhraní USB jsou uzavřeny další dvě IO-Warrior (Microcontroller ke kontrole procesu), typické úlohy SPS, jako stanovení a čtení digitálních vstupů nebo výstupů, jsou povoleny. Přes IO-Warrior jsou aktory (magnetický ventil k řízení vzduchu) a sensory (kontrola šroubování, rozpoznání posuvné pozice lineární jednotky) spojeny kvůli koordinaci práce vibračního podávání stejně tak přívodních komponentů s řídícím počítačem. 

Šroubovací řízení DEPRAG AST10 je propojeno přes svůj PLC-Port s IO-Warrior. Přes komunikační rozhraní je sdělen výběr šroubovacího programu šroubovacímu řízení. Je přijímán startovní příkaz k šroubování - oproti zpětným hlášením ze strany šroubovacího řízení (Systém IO/NIO - správné/chybné, šroubování IO/NIO - správné/chybné). Kromě toho existují sekvenční spojení a Ethernet spojení k šroubovacímu řízení, aby byly dodrženy detailní informace v rámci procesní kontroly - přes průběh šroubovacího procesu.
Přes sekvenční spojení se zprostředkovávají datové řetězce, jako např. informace o konečných momentech šroubování nebo tyto řetězce obsahují chybná hlášení. Obsah těchto datových řetězců může být předem konfigurován přes web-konfigurační rozhraní AST 10. Přes požadavek http může být vyžádán záznam dat šroubovacího procesu k procesní analýze a dokumentaci. Je k dispozici např. kroutící moment, průběh snímání, číslo šroubovací fáze v taktu v několika milisekundách - k analýze chybného případu a tím k procesní kontrole.

S těmito informačně-technickými vazbami jsou dle Dipl.-Inf. Markus Michla vytvořeny optimální předpoklady pro centrální koordinaci celkových montážních linek. Aby se toto co nejvíce usnadnilo uživateli, byly sdruženy elementární funkce jako robotické a hexapodální pohyby, přívod šroubů nebo provedení šroubovacích programů v jednom programovém řízení - implementace do objektově orientované script řeči Python.

Tím se uživateli značně ulehčí: Časově náročná a často chybná práce přípravy průběhových programů odpadá. Úkolem zůstane pouze specifikace pracovních příkazů v zadaném datovém formátu. Vybrané datové schéma obsahuje vždy pět elementů - „Název zakázky/předpoklad/název zařízení/příkaz/parametry“.

A tím už probíhá plně automatizovaná montáž dveřního modulu: Dveřní modul s již rozšířenými kabely plochých vodičů stejně tak s namontovaným reproduktorem je přiveden do interního transferu. Plech dveří je jako základní komponent fixován na paletě, která je napnuta na hexapod. Následně zachytí robot, který je vybaven kontaktními chapači, reproduktor a dá ho do zadané montážní pozice. Tím vznikne již kontaktování mezi kabely plochých vodičů a reproduktorem. Hlavní problém: Robot musí setrvat v této pozici tak dlouho, dokud reproduktor není trvale fixován spojovacími elementy a tím sešroubován.

Úkolem druhého robota je manipulace se šroubovacím nástrojem. Ten přijede již k šroubovacímu místu, odkud je přiváděn šroub. Tím se uvolní šroubovací proces a šroub je zašroubován na kroutící moment. Tento postup se zopakuje u všech šroubovacích míst. Poté se vrátí oba roboty na výchozí pozici, montovaný dveřní modul je opět odsunut z buňky.

Dipl.-Inf. Markus Michl zdůrazňuje potencionál zařízení: „Na základě vyvinutého flexibilního Software-Frameworks dojde k testování komplexních postupů s více komponenty, které je třeba kontaktovat na dveřním modulu - a to s minimálními náklady. Také výroba jiných modulových jednotek jako např. použití modifikovaných kontaktních technologií by mohla být realizována. Širší použití této nové technologie v automobilovém průmyslu se musí ještě testovat. V dlouhodobých testech analyzují výzkumníci mimo jiné spolehlivost těchto a jiných alternativních druhů kabeláže a kontaktování.
 

Katedra pro automatizaci výroby a analýzu produkce

Katedra pro automatizaci výroby a analýzu produkce (FAPS) je součástí univerzity Friedricha Alexandera (Erlangen-Nürnberg), centrum hospodářských výzkumů a vzdělávání v regionu Nürnberg. Cca. 24.000 studentů v jedenácti fakultách, široká nabídka oborů a široké zaměření studia. Pod vedením Prof. Jörga Frankeho je zaměstnáno asi 20 výzkumných pracovníků při studiu FAPS, zkoumají rozdílná témata k procesům a konstruování zařízení v oblasti manipulace a montážní techniky, elektronické výroby, stejně tak k plánování a simulaci. Četné projekty z oblasti výzkumu a kooperace (BMBF, BFS, DFG, AiF, EU) byly úspěšně uzavřeny. Kromě toho se fakulta podílí na zvláštním výzkumu v Německé výzkumné společnosti.

Dipl.-Inf. Markus Michl, nar. 1980, je od roku 2006 výzkumným pracovníkem a zabývá se vývojem kontrolních a diagnostických systémů v průmyslových zařízeních.
Dipl.-Ing. Christian Ziegler, nar. 1979, je rovněž od roku 2006 výzkumným pracovníkem a na katedře se zabývá oblastí manipulace a montážní techniky.

DEPRAG SCHULZ GMBH & CO. KG

DEPRAG SCHULZ GMBH & CO. KG je významný výrobce v oblasti šroubovací techniky, pneumatických motorů, pneumatického nářadí a automatizace. Je zastoupen 600 zaměstnanci ve více než 50 zemích. Šroubovací a měřící technika s vysokou přesností a flexibilitou patří k základním kompetencím výroby zařízení a strojů v bavorském Ambergu. Inovativní šroubovací technika a zařízení na přívod dílů patří rovněž k portfoliu specialistů na automatizaci. Zákazníkům plynou z plánování a realizace konstrukce jen samé výhody: Zákazník obdrží centrální komponenty svého zařízení od jednoho výrobce a vyvaruje se komplikovaných problémů mezi výrobcem zařízení a výrobcem komponent. 

Kontakt:

Dagmar Dübbelde
DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. KG
Carl-Schulz-Platz 1
D-92224 Amberg
Tel: 09621 371-343
Fax: 09621 371-199
Email: d.duebbelde@deprag.de

Copyright fotografie (vymezení autorských práv):

 

 

Vezměte, prosím, na vědomí, že fotografie podléhají autorským právům. Neoprávněné použití bez souhlasu vlastníka a udání zdroje, úprava či užití pro jiné účely nejsou dovoleny.