ELPLC Smart Factory

ELPLC Smart Factory

System zarządzania i monitorowania produkcji, zbierający i analizujący dane z maszyn.

Linia montażu i testowania amortyzatorów

Linia montażu i testowania amortyzatorów

Linie przeznaczone do produkcji i testowania amortyzatorów zajmują wysoką pozycję w portfolio firmy i doczekały się wielu innowacji.

Linie dysz cyrkonowych

Linie dysz cyrkonowych

Zrobotyzowane linie w ciągu technologicznym wytwarzania dysz cyrkonowych, produktu dla branży odlewniczej.

Korzyści z automatyzacji złożonych procesów montażu
i testowania, na przykładzie linii produkcyjnych amortyzatorów
i sprężyn gazowych

Damian Żabicki, 2022.05.23, Automatyzacja i robotyzacja

Potencjał firmy ELPLC S.A. to przede wszystkim możliwość projektowania oraz wdrażania prototypowych stacji, stanowisk i linii, które ściśle odpowiadają potrzebom i problemom występującym w przemysłowych procesach produkcyjnych i montażowych. W oparciu o analizę techniczną konkretnego przebiegu technologicznego, powstają koncepcje maszyn, automatyzujących pracę fabryk na całym świecie.

Na nasz potencjał składa się zespół ponad 160 specjalistów: projektantów, programistów, mechatroników, automatyków, operatorów. Własny Dział Badań i Rozwoju pozwala na znaczne poszerzenie kompetencji w realizacji projektów B+R. Doskonałym przykładem może być tutaj realizowana właśnie innowacja produktowa w ramach projektu POIR.01.02.00-00-0056/18-00 - „Nowatorski ciąg technologiczny do montażu i testowania amortyzatorów oraz sprężyn gazowych” z przeznaczeniem dla międzynarodowych producentów komponentów Tier1. Prace B+R wpisujące się w Krajową Inteligentną Specjalizację nr 14, dotyczącą automatyzacji i robotyzacji procesów technologicznych, przyniosły już szereg korzyści. Chodzi tutaj właśnie o opracowane urządzenia, takie jak tester charakterystyki siły tłumienia dla amortyzatorów oraz sprężyn gazowych, stacja do napełniania gazem i zamykania amortyzatorów, a także stacja do napełniania gazem i zamykania sprężyn gazowych. Warto przyjrzeć się nieco bliżej tym rozwiązaniom, a przede wszystkim korzyściom, jakie niesie za sobą ich wdrożenie do produkcji.

Testowanie charakterystyki siły tłumienia amortyzatorów samochodowych – wymagania technologiczne

Przy próbach automatyzowania procesu testowania charakterystyki siły tłumienia amortyzatorów konieczne jest zastosowanie odpowiednich napędów, wymuszających ruch na potrzeby pomiaru zależności między amplitudą drgań a ich częstotliwością, przy uwzględnieniu różnych współczynników tłumienia. Jak pokazuje praktyka większość testerów nie jest w stanie zasymulować ruchów, będących odzwierciedleniem pracy amortyzatora w warunkach rzeczywistych. Oprócz tego przy teście charakterystyki wymaga się możliwie najmniejszego błędu pomiarowego, który w standardowych aplikacjach może wynosić aż 10 %. Ponadto koniecznością jest krótki czas cyklu oraz precyzyjny pomiar przemieszczenia w dużym zakresie. Dla właściwego wykonania testu charakterystyki amortyzatora konieczne jest wykonanie pomiaru siły z określoną precyzją.

Automatyzacja procesu testowania charakterystyki siły tłumienia amortyzatorów – założenia koncepcyjne ELPLC S.A

Zrobotyzowany ciąg montażowy

Wobec powyższych założeń technicznych, wyspecyfikowanych przez producentów na całym świecie firma ELPLC S.A., podjęła się próby zaprojektowania systemu, pozwalającego określić charakterystykę siły tłumienia amortyzatora. Podjęcie się tego wyzwania przez firmę ELPLC S.A. nie była przypadkowe. Bogate doświadczenie badawczo-rozwojowe, zdobyte w projektach w branży motoryzacyjnej było gwarancją odpowiedniego podejścia i zaplecza projektowego. Ponadto portfolio firmy zawierało już szereg prototypowych i dedykowanych rozwiązań w postaci zrobotyzowanych i modułowych linii oraz systemów produkcyjnych, łącznie ze stacjami montażowymi, zarówno automatycznymi jak i półautomatycznymi. Chodzi tutaj m. in. o szereg innowacyjnych i pracujących z powodzeniem, rozwiązań w postaci testerów szczelności, różnego typu stanowisk kontrolno-pomiarowych: w tym opartych na złożonych systemach wizyjnych, pracujących przy kontroli jakości w bardzo precyzyjnych procesach technologicznych przemysłu motoryzacyjnego.

Konepcja zrobotyzowanej linii

Na etapie prac projektowych konieczne było zastosowanie rozwiązań technicznych, które musiały zasymulować pracę amortyzatora, pozwalającą na wykonanie pomiarów z błędami wynikającymi ze specyfikacji norm technicznych Branży Automotive. Oprócz tego oczekiwano uniwersalności maszyny, umożliwiającej testowanie wielu referencji amortyzatorów o różnych średnicach i wysokościach. Ważnym założeniem była modułowa konstrukcja pozwalająca na dopasowanie maszyny do warunków obiektowych fabryki. Projektowana stacja testująca musiała zapewnić odpowiedni zwrot inwestycji, o którym przede wszystkim decydował czas cyklu.

Projekt systemu sterowania i wizualizacji pracy testera oparto na założeniach standardu Industry 4.0 z funkcjonalnością pełnego traceability. Chodzi tutaj o możliwość zbierania danych, podglądu aktualnego stanu maszyny, przeprowadzania diagnostyki oraz analizy danych. Istotną rolę odgrywała możliwość odpowiedniej obsługi maszyny z ewentualną integracją z innymi systemami informatycznymi pracującymi w fabryce. Innym przejawem kompatybilności z Industry 4.0 jest dostosowanie linii do współpracy z AGV / AMR.

Celem spełnienia założonych wymagań firma ELPLC S.A. zaprojektowała system kontroli tłumienia oparty na badaniu charakterystyki drgań amortyzatora, z ruchem wymuszonym silnikami liniowymi. W konstrukcji stacji testującej przewidziano dwa urządzenia tego typu. Są to silniki liniowe firmy Siemens – to właśnie one napędzają efektor testujący. Tym sposobem uzyskano siłę kompresji (Fmax) wynoszącą 10350N. Dla zapewnienia odpowiedniej dokładności pomiaru konieczny okazał się pomiar siły tłumienia, za który odpowiada czujnik tensometryczny (12,5 kN) firmy HBM z odpowiednim przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Należy podkreślić, że siła testu, wynosząca 6,5 kN, jest potwierdzana symulacyjnie z określonym zapasem. Pomiar aby był dokładny musiał być wykonany w ściśle określonej pozycji amortyzatora z uwzględnieniem założonej drogi z przedziału od 0 do niewiele ponad 400mm. – Projektowana stacja musiał zapewnić taką pozycję.

O wyborze silnika liniowego firmy Siemens zadecydowała również jego prędkość maksymalna (Vmax) osiągająca 90m/min. Parametr ten pozwolił skrócić czas cyklu testowania. Pomiar siły jest uzupełniony kontrolą przebytej drogi w jednostce czasu. Wykorzystano do tego system pomiarowy IMS-I - Bosch Rexroth.

Przewaga konkurencyjna koncepcji ELPLC S.A.

Zastosowane przez firmę ELPLC S.A. rozwiązania konstrukcyjne, wraz z odpowiednim sterowaniem, zapewniały automatyczną pracę stacji testującej. Błąd pomiarowy uzyskano na poziomie 1,5%. Należy podkreślić, że w rozwiązaniach bazujących na napędzie hydraulicznym parametr ten wynosi nawet 10%. Uzyskano również czas cyklu na poziomie 6,8s – w przypadku napędów hydraulicznych wynosi on 7,2s. Mierzone przemieszczenie przekracza 450mm (standardowo wynosi on do 350mm).

Z kolei pomiar siły wynosi +/- 10 kN (standardowo +/- 5 kN). Należy podkreślić, że dzięki odpowiedniej dynamice układu wynikającej z jego ciężaru, a także rozdzielczości systemu pomiaru drogi oraz stabilności odczytów, uzyskano optymalny zakres prędkości na poziomie 0,5mm/s - 1000mm/s. Pozwoliło to na wykonywanie testów funkcjonalnych większości amortyzatorów dostępnych na rynku.

Testowanie charakterystyki amortyzatorów w technologicznym ciągu montażowym - założenia

Linia montażu amortyzatorów

Jednak prace badawczo-rozwojowe nad stacją do testowania charakterystyki amortyzatorów były znacznie dalej idące. W odpowiedzi na potrzeby rynkowe założono, że projektowana maszyna może być jednym z modułów kompleksowej linii montażowej amortyzatorów samochodowych.

Na etapie zbierania danych wejściowych do projektowania linii projektanci i konstruktorzy firmy ELPLC S.A. na bieżąco konsultowali koncepcje i parametry techniczne poszczególnych stacji. Inżynierowie procesowi fabryk amortyzatorów zlokalizowanych na całym świecie oczekiwali uniwersalnej maszyny pozwalającej na montaż różnych referencji amortyzatorów. Zwracano przy tym uwagę na fakt, że produkowane amortyzatory mają rury o średnicy od 30 do 60mm, przy wysokości mieszczącej się pomiędzy 120 a 600mm. Konieczne było przy tym uwzględnienie różnych średnic (od 30 do 300mm) i położenia (od 25 do 100mm) pierścienia łoża sprężyny. Poszczególne stacje oraz ciągi transportowe linii musiały pracować z gotowym produktem o wysokości wynoszącej od 300 do 1000mm. Dodatkowo podkreślano konieczność zachowania określonego ciśnienia gazu w amortyzatorze (od 0 do 25bar) oraz właściwej siły gazu w amortyzatorze (od 20 do 500N). Dodatkowo proces montażu wymagał pracy z nakładkami o różnych średnicach (40-80mm) z maksymalnym ciężarem komponentów wynoszącym do 8 kg.

Dochodziła konieczność spełnienia szeregu dodatkowych wymagań względem zachowania parametrów takich jak siła (45-150kN), a także siła tłumienia amortyzatora (-6500 - 6500N), występująca w jego odpowiedniej pozycji pracy (od 0 do 400mm). Konieczne było przy tym zachowanie wymagania względem prędkości pracy (od 0,5mm/s do 1000mm/s).

Oprócz tego przedstawiciele fabryk podkreślali konieczność wykonywania przez linię kontroli podstawowych wymiarów amortyzatora. Zwracano uwagę na konieczność precyzyjnego dozowania oleju w ilości mieszczącej się pomiędzy 60 ml a 600ml.

Zaprojektowaną i wyprodukowaną przez firmę ELPLC S.A. linię technologiczną cechuje przede wszystkim automatyczna praca, trwałość oraz wysoka dokładność montażu i wykonywanych testów charakterystyki. Do pełnej obsługi linii nie potrzeba pracowników produkcyjnych. Wymagane jest tylko dostarczanie pojemników z komponentami na stację załadunku (moduł 1) oraz odbierania pojemników załadowanych. Ciąg technologiczny łącznie z szafami sterowniczymi może być dostosowany do układu logistycznego fabryki. Do połączenia linii z szafami sterującymi przewidziano specjalne złącza o wysokim poziomie ochrony IP.

Przebieg procesu i parametry techniczne linii montażowej do amortyzatorów

Linia montażu amortyzatorów z widocznym testerem CTS

Po załadunku linii przez operatora na stacji początkowej, amortyzator jest napełniany olejem (moduł 1). Z kolei zamykanie amortyzatora odbywa się w module 3. Należy podkreślić, że operacja zamykania wykorzystuje technologię zaoblania górnej części cylindra przy jednoczesnym zagazowaniu i utrzymywaniu wymaganej wartości ciśnienia gazu w amortyzatorze.

W module 2 odbywa się opisany już test charakterystyki siły tłumienia amortyzatora. Następny etap to kontrola kluczowych wymiarów amortyzatora (długość obudowy od 120 do 600mm). Czynność ta odbywa się na stacji C4 modułu 1, przy wykorzystaniu systemu wizyjnego Cognex oraz obiektywu stałoogniskowego Edmunds 6mm Techspec 2/3".

Ważnym etapem w procesie montażu jest precyzyjne dozowanie oleju do komór amortyzatora (moduł 1). Użyto przy tym siłownik hydrauliczny firmy Prema. Dozowanie oleju można porównać do pracy strzykawki aplikującej odpowiednią dawkę oleju. Tłok siłownika jest połączony z napędem śrubowym, napędzanym serwonapędem firmy Siemens. W zależności od typu amortyzatora ilość dozowanego oleju wynosi od 60 do 600ml.

Dzięki zastosowaniu odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych i uniwersalności linii jest możliwy montaż amortyzatorów z rurą o średnicy mieszczącej się pomiędzy 30 a 60mm. Trzeba mieć na uwadze fakt, że średnica rury amortyzatora montowanego na linii wpływa nie tylko na paletkę transportową ale również na pracę stacji testu charakterystyki siły tłumienia oraz stację napełniania gazem i walcowania. Zastosowanie znalazły więc systemy przezbrajania narzędzi współpracujących z określoną średnicą rury. Z kolei celem dostosowania pracy do wysokości rury amortyzatora na wszystkich stacjach przewidziano odpowiedni prześwit, pozwalający na bezpieczny przejazd rury oraz podmontowanego tłoczyska.

Parametry takie jak średnica (od 30mm do 300mm) oraz położenie (od 25mm do 100mm) pierścienia łoża sprężyny osiągane są na wszystkich kluczowych modułach. Średnica pierścienia łoża sprężyny to parametr amortyzatora, mogący znacznie zwiększyć gabaryty komponentu. W efekcie system transportowy linii firmy ELPLC S.A. może przewozić amortyzatory o średnicy pierścienia od 30mm (najmniejsza średnica cylindra) aż do 300mm.

Ze względu na to, że firma ELPLC S.A. na etapie projektowania postawiła na uniwersalność linii, stąd też całkowita wysokość obsługiwanego gotowego produktu wynosi od 300 do 1000mm. Komponenty o takich wysokościach mogą swobodnie przejeżdżać przez cały ciąg transportowy linii. Dla uzyskania takiej właściwości zastosowano oprzyrządowanie paletki o możliwie najniżej położonym punkcie podparcia amortyzatora a w niektórych miejscach przewidziano narzędzia górne z obniżoną wysokością.

W module 3 amortyzator jest napełniany azotem oraz zamykany przez walcowanie. Przyjęto, że ciśnienie gazu w amortyzatorze mieści się pomiędzy 0 a 25bar. Bezpośrednie podanie ciśnienia do amortyzatora dokonuje się w głowicy.

Siła gazu w amortyzatorze wynosi 20N - 500N. Do pomiaru siły od gazu wykorzystywano czujnik tensometryczny firmy HBM z przetwornikiem. Istotną rolę odgrywa przy tym specjalnie zaprojektowany układ obrotowy. Zakres pomiarowy tak dobrano, aby w 90% pokrywał on parametry ogólnie produkowanych amortyzatorów.

Nakładki montowanych amortyzatorów mogą mieć średnicę od 40 do 80mm. Elementy te są pobierane z paletki za pomocą chwytaka. Wymienne szczęki pozwalają na zaciskanie chwytaka na tak szerokim zakresie nakładek. Nowatorskim rozwiązaniem ELPLC S.A. jest specjalny system szybkiego przezbrajania szczęk układu chwytającego wraz z pozycjonowaniem. Maksymalny ciężar komponentów do montażu wynosi 8 kg.

Projekty pochodne

Projektowanie stacji do testowania charakterystyki amortyzatorów pozwoliło firmie ELPLC S.A. na wykonanie, oprócz kompleksowej linii montażowej, kilku dodatkowych tematów badawczo-rozwojowych.

Dzięki założeniom, przyjętym koncepcjom projektowym oraz bardzo dokładnemu przeanalizowaniu procesów, zaprojektowano również stację napełniania gazem i zamykania, integrującą wykonywanie dwóch procesów w jednym miejscu. Takie rozwiązanie pozwoliło na skrócenie czasu cyklu o połowę. Wynika to stąd, że zamiast dwóch operacji, realizowanych przeważnie na odrębnych maszynach - zamykania wstępnego z napełnieniem gazem, oraz zamykania finalnego, czynności te są wykonywane podczas jednego ruchu. Dostępność ciągłego wykresu wartości siły ułatwia analizę danych i kontrolę jakości procesu.

Warto podkreślić, że stacje napełniania gazem i zamykania są częstym elementem produkowanych przez ELPLC S.A. linii do produkcji sprężyn gazowych. Pracują one zarówno w fabrykach automotive, jak i w innych branżach– np. w przemyśle meblarskim. Oprócz tego z projektem wdrożeniowym stacji do testowania charakterystyki siły tłumienia amortyzatorów równolegle prowadzono prace nad wykorzystaniem technologii HoloLens 2, jako kluczowego elementu Industry 4.0. i obsługi nowoczesnych maszyn. Bazuje ona na inteligentnych okularach rzeczywistości rozszerzonej. W efekcie zyskuje się możliwość szybkiej diagnostyki oraz wykrywania nieprawidłowości w pracy maszyn. Ponadto wykorzystanie takiego rozwiązania, zwłaszcza w czasie ograniczeń covidowych, pozwala na skrócenie czasu wykonywania przezbrojeń, serwisów i przeglądów, a także zmniejszenie prawdopodobieństwa awarii maszyn oraz nieplanowanych przestojów. Za pomocą okularów można zdalnie zebrać dane z procesu na potrzeby automatyzacji czy wskazać służbom utrzymania ruchu usterki i miejsca awarii maszyn.

Wnioski końcowe ze studium przypadku ELPLC S.A.

Stacja firmy ELPLC S.A. to rozwiązanie, którego w odniesieniu do automatyzacji procesu testowania charakterystyki siły tłumienia amortyzatorów oczekiwali producenci z całego świata. Podkreślano bowiem konieczność skrócenia czasu cyklu przynajmniej do 6,8s, uzyskanie błędu pomiarowego na poziomie 1,5%, pomiaru przemieszczenia przekraczającego 450mm oraz pomiaru siły na poziomie +/- 10 kN. Dla producentów amortyzatorów ważne jest uzyskanie optymalnej prędkości podczas testu w zakresie od 0,5mm/s do 1000mm/s, co firma ELPLC S.A. uzyskała dzięki odpowiedniej dynamice układu związanej z jego ciężarem, rozdzielczością systemu pomiaru drogi oraz stabilnością odczytów. W efekcie zaprojektowana stacja pozwoliła na wykonywanie testów funkcjonalnych większości amortyzatorów dostępnych na rynku.

Warto podkreślić, że tester może być również jednym z elementów kompletnego, modułowego ciągu technologicznego do montażu i testowania amortyzatorów. Rozwiązanie to z kolei odpowiedź ELPLC S.A. na potrzeby producentów, oczekujących automatyzacji procesu montażu amortyzatorów z uwzględnieniem automatycznej pracy, dużej dokładności montażu i wykonywanych testów oraz trwałości. Do pełnej obsługi linii potrzeba… zero operatorów. Linia wymaga tylko obsługi załadunku (moduł 1) oraz rozładunku np. za pomocą AGV / AMR. Przekłada się to na szybki zwrot inwestycji i wyeliminowanie montażu ręcznego, a co za tym idzie, szeregu błędów i zagrożeń jakie się z nim wiążą.