ОткрепитьЗакрепитьЗакрыть

Центральный офис в России
ООО «Бекхофф Автоматизация»

Серебряническая наб., д. 29
109028 г. Москва, Российская Федерация

+7 495 419 07 44
russia@beckhoff.com
www.beckhoff.ru

23 мар. 2022 г.

Гибкая технология управления с коротким циклом повышает эффективность линий по производству hairpin-статоров

Управление на базе ПК при производстве электродвигателей для автомобильной промышленности

Производитель станков компания GROB создает высокопроизводительные производственные и сборочные системы, соответствующие быстро растущим требованиям сферы электротранспорта. Решающее значение здесь имеет минимальное время цикла и быстрые последовательности технологических операций, обеспечиваемые технологией управления на базе ПК и сети EtherCAT от Beckhoff. Высокотехнологичная производственная машина для изготовления профилей, напоминающих шпильки для волос, из которых формируется обмотка статора электродвигателя, иллюстрирует преимущества этого масштабируемого решения по автоматизации. В качестве центральной платформы управления используется ультракомпактный промышленный ПК C603x с ПО TwinCAT 3, а также масштабируемая транспортная система XTS.

Слаженная работа команды (слева направо) позволила разработать высокотехнологичную машину для производства тонких медных hairpin-профилей, которая находится на заднем плане: Тилман Пласс, Дариус Вала (оба из компании Beckhoff), Оливер Шернау, Фабиан Глеклер (оба из компании GROB), Карстен Шетцле (Beckhoff), Томас Турнхубер, Даниэль Гугенбергер, Флориан Пихлер (все из компании GROB), Флориан Шуэтт (Beckhoff), Мартин Элленридер, Андреас Райссер и Томас Грайссель (все из компании GROB).
Слаженная работа команды (слева направо) позволила разработать высокотехнологичную машину для производства тонких медных hairpin-профилей, которая находится на заднем плане: Тилман Пласс, Дариус Вала (оба из компании Beckhoff), Оливер Шернау, Фабиан Глеклер (оба из компании GROB), Карстен Шетцле (Beckhoff), Томас Турнхубер, Даниэль Гугенбергер, Флориан Пихлер (все из компании GROB), Флориан Шуэтт (Beckhoff), Мартин Элленридер, Андреас Райссер и Томас Грайссель (все из компании GROB).

Семейная компания GROB-Werke GmbH & Co. KG из города Миндельхайм (Германия) уже более 95 лет разрабатывает системы и станки, в том числе для ведущих мировых производителей автомобилей и поставщиков их компонентов. Портфолио включает как универсальные многоцелевые станки, так и сложные производственные системы, станции ручной сборки и автоматизированные сборочные линии. Также представлены системы для производства электродвигателей и системы для производства и сборки аккумуляторов и топливных элементов. Фабиан Глеклер, глава департамента технологий управления бизнес-подразделения электротранспорта компании GROB, поясняет: «В этой области мы охватываем всю производственную цепочку и предлагаем соответствующие требованиям заказчика системы для всей трансмиссии».

Сфера электротранспорта требует высокопроизводительных технологий управления

По словам Мартина Элленридера, руководителя группы функциональной разработки бизнес-подразделения электротранспорта компании GROB, в связи с тенденцией перехода на электромобили к технологии управления предъявляются новые требования: «По сравнению с решениями для производства двигателей внутреннего сгорания, данные системы характеризуются более сложными станциями, сниженным временем цикла ПЛК, высоким процентом приводных технологий и сложными связанными перемещениями». Все это можно увидеть в машине для изготовления специальных hairpin-профилей для обмотки статора (второе поколение), которая оснащена технологией управления и приводной техникой Beckhoff. В дополнение к четырем шпинделям GROB здесь реализовано в общей сложности 57 NC-осей – 40 настоящих и пять виртуальных, а также 12 приводных механизмов масштабируемой транспортной системы XTS (eXtended Transport System), работающих как отдельные сервооси. Уровень ввода/вывода состоит из EtherCAT-модулей и ПАЗ-модулей (технология TwinSAFE) или Box-модулей с 270 дискретными входами и 150 дискретными выходами.

Использование ультракомпактных промышленных ПК C6030 или C6032 и ПО TwinCAT в качестве ядра управления позволяет достичь чрезвычайно высокий уровень производительности машины при времени цикла 2,3 с на hairpin-профиль. Для каждого статора необходимо отдельно изготовить около 200 hairpin-профилей. Это еще больше впечатляет, если учесть сложность процесса обработки и разнообразие задач управления, которые варьируются от загрузки необработанного медного провода, его выравнивания, сложного сгибания и зачистки до точного позиционирования в гнездо предварительной установки:

  • Загрузка провода (от катушки до прямого медного провода, с электрическим испытанием изоляции или без): управление на базе ПК для регулирования «плавающего» валика
  • Зачистка медного провода «на лету»: позиционирование осей, дисковый кулачок и «летающая пила»
  • Подача провода: подключение осей ко второй системе энкодера, переключение системы энкодера в зависимости от рабочего состояния системы, а также переключение используемых осей через интерфейсы для специальных режимов работы (перемещение с проводом или без него)
  • Контроль провода: транспортировка и позиционирование
  • Запрессовка/резка: дисковые кулачки, а также компенсация смещения материала во время процесса прессовой посадки/резки за счет динамических коэффициентов сцепления функций эквивалентной передачи
  • 2D-гибка: динамические дисковые кулачки, генерируемые параметрами hairpin-профиля, которые связаны с использованием динамических коэффициентов сцепления функций эквивалентной передачи
  • 3D-гибка: динамические дисковые кулачки, генерируемые параметрами hairpin-профиля, которые связаны с приводными механизмами XTS с помощью динамических коэффициентов сцепления функций эквивалентной передачи
  • Предварительная установка hairpin-профилей: дисковые кулачки или координатное перемещение
  • Различные варианты загрузки/позиционирующих движений гнезда предварительной установки и зажимного элемента: связь виртуальных и реальных осей

Даниэль Гугенбергер, руководитель группы электропроектирования бизнес-подразделения электротранспорта компании GROB, объясняет разницу между данной задачей и производством двигателей внутреннего сгорания: «Классические процессы сборки, такие как болтовое соединение, запрессовка и ручная сборка, в значительной мере автоматизированы и не могут выполняться оператором станка с требуемым качеством, точностью и скоростью». По его словам, в связи с очень высокой производительностью системы решающее значение имеют подробные машинные данные и данные технологического процесса: «Если весь процесс изготовления длится две секунды, то мониторинг производства и анализ ошибок возможен только с использованием подходящих инструментов анализа и камер высокоскоростной съемки. Поэтому мы часто используем программный осциллограф TwinCAT Scope View».

Для создания обмотки статора требуется около 200 hairpin-профилей примерно в 50 различных вариантах исполнения. Они производятся друг за другом в порядке, необходимом для размещения в гнезде предварительной установки. Поэтому важно встроенное обнаружение ошибок. Фабиан Глеклер поясняет: «В случае ошибки в материале или геометрии необходимо повторно изготовить соответствующий hairpin-профиль и автоматически загрузить его в систему, добавив его в нужное положение. Учитывая количество осей перемещения и вариантов hairpin-профилей, это представляет собой серьезную задачу для технологии управления, поскольку требуется своевременный расчет множества параметров, углов гибки и дисковых кулачков».

Проверенная система автоматизации и инновационный HMI

Мартин Элленридер вспоминает, что первый станок GROB был оснащен технологией Beckhoff еще в 2004 году: «Затем последовали испытательные стенды и дополнительные магазинные устройства, а в 2017 году с помощью управления на базе ПК была автоматизирована первая линия сборки. Основными причинами для соответствующего использования были быстрое время цикла управления, а также гибкость системы касательно будущих областей применения и требований. К ним относятся многочисленные интерфейсы для различных систем шин, расширенные функции перемещения и глубина диагностирования. Открытость TwinCAT обеспечивает интеграцию с MATLAB®, который помог нам в процессе разработки системы. Таким образом инженеры по организации производства смогли легко интегрировать имитационное моделирование в испытательные стенды. Другие аспекты включают автоматическую генерацию кода из системы E-CAD вплоть до HMI, простую интеграцию блоков управления перемещением собственной разработки, а также интеграцию управления версиями, отслеживание дефектов и тестирование программного обеспечения. Кроме того, гибкость TwinCAT упрощает стандартизацию разработки программного обеспечения».

Ультракомпактный промышленный ПК C6030 или C6032 (если требуется больше интерфейсов) используется совместно с multi-touch панелью управления CP3918 с кастомизированной кнопочной консолью. «IPC предлагает достаточную вычислительную мощность чтобы достичь поставленной цели – времени цикла ПЛК 4 мс. К этому следует добавить компактную конструкцию промышленного ПК и различные возможности монтажа», – рассказывает Фабиан Глеклер. Компания с самого начала полагалась на TwinCAT HMI поскольку в случае человекомашинного интерфейса основное внимание уделялось удобной и безошибочной работе машины: «Нам было важно тесное сотрудничество с Beckhoff, особенно с филиалом в Мюнхене, чтобы реализовать такой крупный проект HMI. Это позволило создать HMI, соответствующий нашим требованиям (например, с автоматической связью между HMI и PLC и реализацией нескольких языков), где основное внимание уделяется удобству использования, четкому отображению параметров и глубине диагностирования. Результатом является унифицированная и инновационная концепция управления для всех наших систем».

Высокотехнологичное перемещение с помощью сервоосей и XTS

Многочисленные поворотные оси реализуются с помощью сервоприводов AX5000, а в некоторых случаях с помощью компактной приводной техники EL72xx и EP72xx и серводвигателей AM8000. Мартин Элленридер видит особое преимущество в однокабельной технологии One Cable Technology: «OCT позволяет значительно упростить монтаж кабелей и снижает количество источников ошибок. Другими важными факторами при использовании AX5000 являются дополнительный охват интерфейсов энкодера и функций безопасного перемещения благодаря опциональной TwinSAFE-плате AX5805». К этому следует добавить богатый набор функций внутри TwinCAT, таких как TwinCAT NC PTP, NC Camming или NC Flying Saw, а также возможность сочетания всех этих функций.

Многочисленные поворотные оси дополняются XTS от Beckhoff. Овальная система с длиной пути 3 м и 12 приводными механизмами перемещает отдельные hairpin-профили на линейный портал для финального процесса установки. Даниэль Гугенбергер видит преимущества XTS прежде всего в высокой гибкости системы и простоте добавления новых функций. Он продолжает: «Помимо классической задачи транспортировки, мы используем XTS для гибкого позиционирования на разных точках обработки – станциях сгибания и съемки. Компактный дизайн и модульность системы упрощают интеграцию различных станций. Транспортная система обеспечивает дополнительные преимущества благодаря гибкому контролю расстояния в зависимости от статуса компонента (нет компонента, первый изгиб, второй изгиб), снижение времени цикла, разделение отдельных процессов, чтобы, например, меняющееся время обработки не оказывало непосредственное влияние на машину в целом».

По мнению Мартина Элленридера, TwinSAFE зарекомендовал себя как интегрированная функциональность безопасности, предлагая высокий уровень гибкости в приложениях безопасности. В дополнение к технологии безопасности на основе привода ПАЗ-модуль EL6910 с логическими функциями (TwinSAFE Logic) используется в качестве специального контроллера безопасности. В комплексной производственной линии обмен данными между распределенными приложениями безопасности отдельных машин и систем осуществляется по протоколу EAP (EtherCAT Automation Protocol). «Такой связанный с безопасностью обмен данными через границы системы управления является важным аспектом безопасности машин, поскольку наши заказчики обычно используют большое количество взаимосвязанных систем», подводит итог Мартин Элленридер.