Przemysł, podobnie jak inne branże, przechodzi intensywne zmiany. Coraz bardziej powszechna cyfryzacja i łączność w sieci daje początek nowym technologiom i procesom, ale przede wszystkim otwiera potencjał automatyzacji i optymalizacji.
Wydajna linia do produkcji baterii
Zapotrzebowanie na kompaktowe, niezawodne oraz trwałe baterie i akumulatory, niezbędne zarówno w smartfonach, jak i pojazdach elektrycznych, jest przyczyną zwiększania możliwości produkcyjnych przez wielu czołowych dostawców na rynku. Jednak zaprojektowanie takich w wysokim stopniu zautomatyzowanych linii montażowych zajmuje zwykle wiele miesięcy. Czy można skrócić czas realizacji tego procesu?
DWFritz Automation (Wilsonville, Oregon, Stany Zjednoczone) to czołowy globalny dostawca projektowanych i tworzonych na zamówienie rozwiązań z zakresu automatyki precyzyjnej i metrologii oraz systemów inspekcji przeznaczonych do zaawansowanych zastosowań produkcyjnych. Niedawno, firma ta zrealizowała w rekordowym czasie nową, elastyczną, w pełni zautomatyzowaną linię produkcyjną u jednego z największych producentów baterii w Ameryce Północnej.
„W naszej pracy przyzwyczailiśmy się do wielkości wyrażanych w mikronach i milisekundach” — stwierdził Chris Povich, wiceprezes ds. sprzedaży w firmie DWFritz. „Pomagamy naszym klientom zmierzyć się z wyzwaniami związanymi z produkcją, w których wymagane są duże szybkości działania, zaawansowane technologie transportu materiałów, automatyzacja procesów i ogromna precyzja. Jesteśmy w stanie zaoferować rozwiązania spełniające te kluczowe kryteria”.
Ze względu na złożoność przedsięwzięcia i ograniczone ramy czasowe firma DWFritz postanowiła nawiązać kontakt ze strategicznym partnerem dysponującym specjalistyczną wiedzą z różnych dziedzin i doświadczeniem w pracy w środowisku projektowania współbieżnego pozwalającym skrócić iteracje projektowe i czas realizacji projektu. Zdecydowano się na współpracę z przedsiębiorstwem Bosch Rexroth.
Efekty współpracy uzyskane w rekordowym czasie
Niezależnie od wielkości i typu baterii, wytwarzanie takich elementów jest złożonym, wieloetapowym procesem, w którym do produkcji katody i anody wykorzystywane są różnorodne materiały, a po połączeniu z elementami przewodzącymi tworzy się gotowy produkt. Obecnie produkowane baterie i akumulatory są coraz mniejsze, za to odznaczają się większą gęstością energii. Niezwykle rygorystyczne przedziały tolerancji montażu, większe wskaźniki przepustowości oraz możliwość inspekcji w czasie rzeczywistym, rejestrowanie danych i komunikacja z systemami sterowania na poziomie zakładu i maszyny — rozwiązanie, za którego konstrukcję odpowiadały firmy DWFritz i Bosch Rexroth, musiało spełniać wszystkie najważniejsze wymagania.
Chris Povich powiedział, że na decyzję o nawiązaniu współpracy z firmą Bosch Rexroth na potrzeby tego przedsięwzięcia wpłynęło kilka istotnych wymagań projektowych i operacyjnych. „Linia musiała działać z bardzo dużą szybkością” – wyjaśnił. „Problemem było również miejsce. Linia ma ponad trzydzieści metrów długości, jednak musieliśmy zaprojektować ją tak, by zmieściła się na bardzo ograniczonym obszarze. Do tego platforma ruchu musiała być przygotowana na realizację bardzo rozbudowanych potrzeb w zakresie sterowania przemieszczeniami — tylko jeden z systemów miał ponad 50 osi ruchu”.
Mukesh Dulani, prezes firmy DWFritz, wspomina, że jednym z największych problemów był czas. „W przeszłości korzystaliśmy w takich sytuacjach z usług różnych dostawców, ale samo rozpoczęcie współpracy w tym przypadku zajęłoby nam od 10 do 15 tygodni” — powiedział Dulani. „W tym projekcie mieliśmy zaledwie 12 tygodni na zaprojektowanie i skonstruowanie rozwiązania oraz osiem tygodni na realizację procesu zakupów, musieliśmy zatem nawiązać relacje z partnerem takim jak Bosch Rexroth, który był w stanie dostarczyć niezbędne technologie i wsparcie projektowe umożliwiające powodzenie przedsięwzięcia”.
Matthias Aberle, wiceprezes Bosch Rexroth ds. produkcji, inżynierii i automatyki przemysłowej w regionie Ameryki Północnej uważa, że współpraca przedsiębiorstwa z czołowymi producentami maszyn i integratorami stanowi kluczowy krok, który przybliża realizację wizji fabryki przyszłości.
„Musimy obecnie wziąć pod uwagę, że klienci oczekują lepszych rezultatów. Chcą budować bardziej otwarte, innowacyjne systemy, w których pozyskiwane w czasie rzeczywistym z maszyn w hali produkcyjnej informacje przesyłane są do systemów umożliwiających ich bardziej efektywne wykorzystanie” — powiedział Aberle. „Aby to osiągnąć, nawiązujemy współpracę z ważnymi partnerami technologicznymi, takimi jak DWFritz. Dzięki mocnym stronom obu naszych przedsiębiorstw możemy oczekiwać istotnej transformacji branży automatyki przemysłowej”.
W ramach projektowania skomplikowanej linii produkcyjnej uwzględniającej różne technologie firma Bosch Rexroth zaoferowała szeroką gamę rozwiązań technologicznych i systemów. Były to m.in.:
- różne systemy przenośników do transportu baterii w ramach poszczególnych komórek produkcyjnych i między komórkami;
- precyzyjne moduły przemieszczeń liniowych używane w systemach transportu typu suwnicowego;
- aluminiowa rama konstrukcyjna;
- pełny zestaw zaawansowanych systemów sterowania przemieszczeniami i napędami, w tym jedna z pierwszych implementacji nowej, przełomowej platformy sterowania ctrlX AUTOMATION firmy Bosch Rexroth.
System automatyzacji ctrlX AUTOMATION i platforma sterowania ctrlX CORE nie tylko przyczyniły się do sukcesu projektu, ale także umożliwiają klientowi budowę kolejnych linii produkcyjnych w przyszłości w oparciu o tę samą platformę oprogramowania i sprzętu.
„Jednym z naszych najważniejszych celów było uzyskanie otwartej architektury sterowania maszynami, tak aby serwery naszego klienta mogły bezpośrednio odpytywać maszyny i uzyskiwać dane w czasie rzeczywistym” — powiedział Mukesh Dulani. „Zastosowanie systemu automatyzacji Rexroth ctrlX AUTOMATION i platformy sterowania ctrlX CORE nie tylko przyczyniło się do sukcesu projektu, ale także umożliwia klientowi budowę kolejnych linii produkcyjnych w przyszłości w oparciu o tę samą platformę oprogramowania i sprzętu”. Rozwiązanie ctrlX AUTOMATION obejmuje zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie. Platforma jest wyposażona w system operacyjny czasu rzeczywistego oparty na Linux, odznacza się spójną, otwartą architekturą i umożliwia użytkownikom tworzenie, dodawanie i udostępnianie funkcji automatyzacji za pośrednictwem aplikacji. Można je nawet nabywać w sklepie Bosch Rexroth ctrlX Store, dzięki czemu automatyzacja staje się równie prosta jak korzystanie ze smartfona.
Ponadto sterowniki Bosch Rexroth pozwalają zarządzać także urządzeniami przemysłowymi innych producentów za pośrednictwem deterministycznej platformy komunikacji w czasie rzeczywistym. Umożliwia to obsługę zaawansowanych systemów krzywkowych i synchronizację modułów produkcyjnych zgodnie z tym samym zegarem czasu rzeczywistego. Łatwość obsługi i otwartość platformy ctrlX AUTOMATION były kluczowymi czynnikami, dzięki którym zespół mógł zrealizować ten złożony, oparty na współpracy projekt w określonych ramach czasowych. Platforma pozwala skorzystać z dowolnie wybranych języków programowania i nie ogranicza się do zamkniętych platform. Internetowy interfejs konfiguracji systemu umożliwia szybkie i łatwe uruchamianie bez konieczności instalacji oprogramowania. Całkowicie wirtualne środowisko projektowe umożliwiło zespołowi zbudowanie modelu cyfrowego (tzw. cyfrowego bliźniaka) platformy między systemem MES i sterownikami automatyki, a w rezultacie pozwoliło zaoszczędzić mnóstwo czasu.
„Dzięki możliwości użycia modelu cyfrowego inżynierowie firmy DWFritz uzyskali platformę oprogramowania, na której mogli od razu rozpocząć pracę” — powiedział Dave Hull, wiceprezes regionalny firmy Bosch Rexroth. „Już na kilka miesięcy przed dostarczeniem sprzętu testowali wszystkie systemy, sprawdzając ich działanie i interfejsy z systemem MES producenta baterii. To dało nam doskonałą pozycję wyjściową do dalszych prac”.
Technologia Rexroth umożliwia precyzyjne przemieszczenia i pozwala uzyskać dużą wydajność
Firma DWFritz zbudowała komórki produkcyjne w ramach linii wytwarzania baterii w oparciu o innowacyjne komórki montażowe DWFritz Flexible Platform DFP5000. To elastyczna, modułowa platforma, którą można w niestandardowy sposób skonfigurować na potrzeby konkretnych procesów z wykorzystaniem sterowników, serwonapędów i przenośników doprowadzających. Według Martina Bambergera, głównego inżyniera w firmie DWFritz, precyzyjne narzędzia kinematyczne to kluczowy element umożliwiający realizację różnorodnych zadań związanych z montażem i inspekcją w wielu komórkach produkcyjnych. „Poprawne dopasowanie wszystkich elementów baterii przy tolerancji rzędu 20–50 mikronów w trakcie montażu i przetwarzania na linii o dużej przepustowości wymaga zastosowania precyzyjnych komponentów” — powiedział Bamberger.
W celu zapewnienia wymaganej precyzji i efektywności funkcjonalnej systemów kinematycznych wybrano kompaktowe moduły liniowe Rexroth CKK. „Nasze moduły są bardzo kompaktowe i odznaczają się dużą dokładnością, z powtarzalnością na poziomie pięciu mikronów” — powiedział Mike Ziencina, dyrektor ds. sprzedaży w firmie Rexroth. Moduły zostały połączone w ramach różnych rozwiązań kinematycznych, np. systemów typu „pick-and-place” opartych na robotach kartezjańskich, uwzględnianych w komórkach DFP5000.
Innym ważnym rozwiązaniem technologicznym dostarczonym przez firmę Bosch Rexroth był kompaktowy system serwonapędów IndraDrive Mi ze zintegrowanym silnikiem, używany na stanowiskach prowadzenia wstęgi, na których realizowane są wstępne fazy produkcji baterii. IndraDrive Mi to system bez szafki sterowniczej łączący serwonapęd i silnik w ramach jednego urządzenia. Udostępnia elastyczne opcje połączeń zależne od wymagań w danym zastosowaniu. Dzięki temu zespół był w stanie zintegrować wszystkie komponenty napędu elektrycznego bezpośrednio w maszynie, co pozwoliło zaoszczędzić miejsce i skrócić czas konfiguracji.
Ze względu na szybkość działania i stopień złożoności tej linii produkcyjnej kwestie bezpieczeństwa miały krytyczne znaczenie. Firma Bosch Rexroth dostarczyła kompletny pakiet najnowocześniejszych rozwiązań zapewniających bezpieczeństwo działania maszyn, w tym zintegrowany z PLC sterownik bezpieczeństwa, zaawansowaną technologię bezpieczeństwa SafeMotion wbudowaną w serwonapędach oraz funkcje bezpiecznego wejścia/wyjścia i zintegrowane mechanizmy bezpiecznej komunikacji PROFIsafe.
Jeśli chodzi o transport produktów, elementem decydującym o powodzeniu projektu okazały się systemy transportowe Bosch Rexroth. Aby ustalić, które przenośniki są najbardziej odpowiednie, zespół wziął pod uwagę między innymi rozmiar wytwarzanych produktów, ich wagę, przepustowość produkcji i wymaganą dokładność zatrzymania. Zdecydowano, że najlepszą platformą będzie przenośnik Rexroth VarioFlow plus skonfigurowany jako rozwiązanie paletowe. VarioFlow plus to elastyczny, modułowy przenośnik łańcuchowy z łańcuchem wykonanym z tworzywa sztucznego, odpowiedni do przenoszenia dużych ilości artykułów w poziomie, w pionie, z omijaniem przeszkód i w innych konfiguracjach. Wraz z przenośnikiem VarioFlow plus można skorzystać z palet na elementy obrabiane, umożliwiających przenoszenie produktów w zastosowaniach, w których istotne jest pozycjonowanie lub większa dokładność.
Ponieważ w komórkach montażowych znajduje się bardzo dużo komponentów automatyzacji, system VarioFlow plus umożliwia realizację wielu procesów z zachowaniem pozycji palety w ramach przenośnika dla każdego narzędzia. Ponadto VarioFlow plus ułatwia stworzenie systemu recyrkulacji, w którym puste palety wracają na początek i można ponownie uruchomić proces. Pozwala to zaoszczędzić cenne miejsce w hali produkcyjnej. Warto dodać, że firmy Bosch Rexroth i DWFritz prowadziły ścisłą współpracę nad tworzeniem otwartej architektury linii produkcyjnej.
Przyszłością automatyki są mechanizmy współpracy opartej na współbieżnym projektowaniu
Zbudowane w tym projekcie mechanizmy współpracy w ramach procesu projektowania i tworzenia, w którym w krótkich, nakładających się ramach czasowych odbywało się projektowanie systemu, programowanie oraz pozyskiwanie i integrowanie komponentów, staną się standardowym podejściem w złożonych projektach automatyzacji — jeśli tylko odpowiedni partnerzy będą w stanie współpracować w taki sposób, w jaki udało się to zrobić firmom DWFritz i Bosch Rexroth.
„Od samego początku przedstawiciele Bosch Rexroth współpracowali z naszym zespołem projektantów tworzącym koncepcję techniczną” — powiedział Chris Povich z firmy DWFritz. „Kiedy zdobyliśmy ten projekt, pełny zespół składający się z ludzi reprezentujących oba przedsiębiorstwa natychmiast zajął się ciężką pracą, aby sprostać wyzwaniom, przed którymi stanął klient”. Sukces tego przedsięwzięcia nie tylko tworzy podstawy do dalszej współpracy firmy Bosch Rexroth z firmą DWFritz, ale także pokazuje, w jaki sposób można urzeczywistnić wizję automatyzacji w sektorze produkcyjnym zgodną z koncepcją Przemysłu 4.0.
„Dzięki naszemu partnerstwu mogliśmy przekonać się, jakie konkretne kroki pozwalają zrealizować ten model” — powiedział Dave Hull z firmy Rexroth. „Niezmiernie nas cieszy możliwość współpracy z przedsiębiorstwem takim jak DWFritz. Pokazujemy, jak można skrócić czas realizacji, przyczynić się do sukcesu klienta i dostarczyć rozwiązanie, które sprawdzi się nie tylko dziś, ale również w przyszłości”.
Jeśli masz jakieś pytania lub potrzebujesz dodatkowych informacji dotyczących ctrlX AUTOMATION, skontaktuj się z nami:
