Dowiedz się więcej o innych wyzwaniach w obszarze automatyki i przyszłych wymaganiach – nasz artykuł przeglądowy przybliża przyszłość techniki sterowania.
Michael Haun
Wykrawanie bez ostrych krawędzi z zastosowaniem napędu firmy Bosch Rexroth
Młoda firma z Berlina pracuje nad trwałymi, dowolnie łączonymi maszynami wykorzystywanymi w innowacyjnym procesie wykrawania w tworzywach sztucznych. Najważniejszym elementem tych maszyn jest wysoce dynamiczny serwonapęd firmy Bosch Rexroth. Spełnia on najwyższe wymagania w zakresie funkcjonalności i zadziwia swoją wydajnością.
Zadziory i nadlewki (określane również jako włosy anielskie) to typowe wady w procesie wykrawania w tworzywach sztucznych. Firma Stanova Stanztechnik GmbH opracowała procedurę, która pozwala wykrawać otwory w powszechnie używanych tworzywach sztucznych, takich jak PVC i PC-ABS, bez ostrych krawędzi.
Nowy proces wykrawania eliminuje potrzebę obróbki krawędzi metodą chemiczną, termiczną lub mechaniczną. Nierówności krawędzi wyrobów takich jak kanały kablowe były dotychczas usuwane m.in. poprzez kuleczkowanie. Korzystano także z klasycznych procedur, m.in. obróbki wibracyjnej lub frezowania. Dzięki nowej technologii nie ma konieczności obróbki ostrych krawędzi. Oznacza to oszczędność czasu, miejsca i kosztów związanych z produkcją części z tworzywa sztucznego. Przekłada się to również w istotnym zakresie na całkowite koszty produkcji.
Firma musiała sprostać wielu problemom podczas prac nad tym rozwiązaniem. „Zanim uzyskaliśmy pożądane efekty zaliczyliśmy wiele prób i błędów” – powiedziała Katrin Lechler, dyrektor zarządzający w firmie Stanova. W przypadku PVC dobre rezultaty można osiągnąć przy większej prędkości wykrawania i niewielkiej grubości cięcia. Firmie Stanova udało się zwiększyć prędkość wykrawania do 900 skoków na minutę dzięki zastosowaniu stempli mimośrodowych napędzanych przez serwomotory synchroniczne o wysokiej dynamice.
Wymagania dla serwonapędu były zatem dość duże już od samego początku. Przeprowadzono szereg badań porównawczych, zestawiając różne koncepcje napędów wielu producentów. Firma Bosch Rexroth przekonała inżynierów z firmy Stanova funkcjonalnością serii napędów, wiedzą specjalistyczną oraz bogatym know-how w zakresie ich zastosowań. „Specjaliści w dziedzinie napędów z firmy Bosch Rexroth zapewnili nam profesjonalne wsparcie na miejscu i pomogli nam osiągnąć nasz ambitny cel, czyli opracowanie krok po kroku techniki idealnego wykrawania” – powiedział Manuel Schulz, technik automatyzacji w firmie Stanova.
Celem było nie tylko osiągnięcie 900 skoków stempla przy prędkości 1500 mm/s, ale także możliwość dynamicznej kontroli takiego systemu wieloosiowego. Było to możliwe tylko przy użyciu wszechstronnego sterownika napędu firmy Bosch Rexroth w połączeniu z serwomotorami synchronicznymi MS2N o wysokiej wydajności. W porównaniu z poprzednią generacją charakteryzują się one większą gęstością mocy oraz bardzo niską pulsacją momentu obrotowego. Dzięki 5 razy większej odporności na przeciążenia maszyny mogą przyspieszać z jeszcze większą dynamiką. Pozwala to osiągać krótkotrwale wysoki moment obrotowy nawet przy dużych prędkościach, ponieważ silniki zaprojektowano do pracy w trybie osłabienia wzbudzenia. Bez osłabienia wzbudzenia maksymalna prędkość jest ograniczana przez napięcie wyjściowe urządzenia sterującego. Do pracy w trybie osłabienia wzbudzenia stojan musi być wyposażony w dodatkowy komponent. Osłabia on strumień magnetyczny i ogranicza indukowane przeciwnapięcie. Dzięki temu można znacznie zwiększyć użyteczny zakres momentu obrotowego i prędkości. Przy takim samym napięciu można bowiem osiągać wyższe prędkości maksymalne.
Duża prędkość produkcji przydaje się szczególnie w przypadku wykrawania w ciągłym materiale (na linii) lub gdy podajnik przyspiesza elementy obrabiane do prędkości wykrawarki (poza linią). Procedura wykonywana poza linią jest prosta, ale jednocześnie złożona – narzędzie nie przemieszcza się wraz z elementem obrabianym, pozostaje nieruchome, a materiał przesuwa się. Wyzwanie stanowi w tym przypadku dokładna synchronizacja posuwu materiału i wykrawania. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu dodatkowego enkodera napędu podajnika, który jest wczytywany jako drugi enkoder przez sterownik napędu Bosch Rexroth, co pozwala na szybką kontrolę bez opóźnienia czasowego. Ta synchronizacja dotyczy wszystkich napędów – dwóch mimośrodów odpowiedzialnych za wykrawanie oraz dwóch napędów podających materiał. Przy wykrawaniu kanałów kablowych trzeba również zsynchronizować trzecią prasę mimośrodową. Odpowiada ona za wykrawanie otworów montażowych w podstawie, które są rozmieszczone w różnych odległościach od bocznych stempli. Jest to bardzo skomplikowana interakcja, a wszystko odbywa się z prędkością niemal 16 skoków na sekundę.
Całościowa koncepcja maszyny
W projekcie firmy Stanova chodziło jednak o coś więcej niż tylko opracowanie innowacyjnego procesu wykrawania i wprowadzenie go na rynek. Celem prac było również stworzenie zintegrowanej koncepcji maszyny, trwałej i umożliwiającej łatwe włączanie do procesu wykrawania w branży tworzyw sztucznych. Struktura rozwiązań spełnia 4 podstawowe warunki określone przez firmę – modułowość, użyteczność, elastyczność i trwałość. Można je łatwo i elastycznie integrować z istniejącymi systemami, a w razie konieczności wykorzystywać również w innych lokalizacjach.
Trwałość odgrywa ważną rolę dla firmy Stanova. Poprzez konsekwentne wykorzystanie serwonapędów udało się obniżyć zużycie energii przez wykrawarkę mimośrodową do poziomu 7-10 kW przy maksymalnej prędkości (1000 skoków/min). Dla porównania, wykrawarka z napędem hydraulicznym zużywa więcej energii (ok. 30-40 kW) i osiąga niższą prędkość. Koncepcja serwonapędu firmy Bosch Rexroth może zapewnić jeszcze większą oszczędność energii. Połączenie magistrali DC umożliwia wymianę energii pomiędzy napędami. W odróżnieniu do poprzednich systemów, gdy energia hamowania napędu zostanie przekształcona na ciepło, można ją z powodzeniem wykorzystać, aby zwiększyć prędkość innego napędu. W zależności od profilu obciążenia, można w ten sposób zaoszczędzić nawet 30% energii kinetycznej. Aby jeszcze lepiej wykorzystać te możliwości stosuje się moduły kondensatorów, dzięki którym energia magistrali DC jest dostępna w optymalnym zakresie jako bufor. Zastosowanie zasilacza odzyskowego w nowej serii napędów modułowych ctrlX DRIVE może dodatkowo zwiększyć wydajność. W tym właśnie obszarze można wykorzystać inteligentny system zarządzania energią opracowany przez firmę Bosch Rexroth – „Smart Energy Mode”. System sterowania dostarcza napięcie z magistrali DC niezależnie od napięcia sieciowego, wykorzystując kondensatory umożliwiające magazynowanie energii. W ten sposób eliminuje się ryzyko przeciążenia sieci i ogranicza straty na linii łączącej z siecią. Rezultat: mniejsze zużycie energii, większa kompatybilność sieci i zastosowanie mniejszych komponentów, aby uzyskać taką samą wydajność maszyny.
Jeśli masz jakieś pytania lub potrzebujesz dodatkowych informacji dotyczących ctrlX AUTOMATION, skontaktuj się z nami:
Michael Haun
Game Changer
Assembly Lines
