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.
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.