Integratorzy systemów coraz częściej stają przed wyzwaniem, polegającym na opracowaniu rozwiązań projektowych, które zawierają kombinację różnych technologii inżynieryjnych
Gdy firma inżynieryjna INVOTEC rozpoczęła swoją działalność 15 lat temu, większość klientów chciała, by świadczyła im określone, niezwiązane ze sobą, usługi.
Niektórzy potrzebowali pomocy przy sterowaniu, inni chcieli wsparcia przy projektowaniu mechanicznym lub rozwiązania problemu natury produkcyjnej – twierdzi inżynier John Hanna, prezes i współzałożyciel firmy. Dziś wielu klientów chce, byśmy dostarczali zintegrowane systemy, wymagające od nas, byśmy połączyli kilka dyscyplin inżynieryjnych i produkcyjnych po to, by powstał jeden, gotowy produkt.
W rezultacie INVOTEC zyskał sobie opinię projektanta niestandardowych, zautomatyzowanych, wielostanowiskowych systemów produkcyjnych. Systemy te, przeznaczone do wykonywania szeregu zadań, w tym montażu, testowania, spawania i usuwania materiałów za pomocą lasera, spełniają wiele zastosowań w różnych branżach, od przemysłu motoryzacyjnego, przez transport materiałów, do zastosowań medycznych.
Istnieje wyraźna tendencja w kierunku bardziej wyrafinowanego wyposażenia ze zintegrowanymi funkcjami kontroli i zabezpieczenia przed błędami – dodaje Hanna. To często wymaga połączenia systemów wizyjnych, czujników i sterowania ruchem – wszystko zintegrowane z centralnym sterownikiem programowalnym lub systemem sterowania za pośrednictwem komputera PC.
Kreatywne połączenie
Mowa tu o zautomatyzowanym systemie, jaki INVOTEC niedawno zaprojektował, by umożliwić laserowe spawanie płytki o grubości 0,38 mm wykonanej ze stali nierdzewnej we wnętrzu kanału o przekroju poprzecznym w kształcie litery U – także wykonanego z nierdzewnej stali. Dokładność pozycjonowania wynosi ± 0,10 mm. Zespawane części tworzą podzespół instrumentu chirurgicznego.
Maszyna, skonfigurowana w układzie z czterostanowiskowym, podziałowym stołem obrotowym, wykorzystuje imponujący zestaw technologii: spawarkę korzystającą z lasera impulsowego Nd:YAG, miernik mocy lasera, układ usuwania wyziewów, układ optyczny służący do osiowania lasera i obserwacji, instalację gazową doprowadzającą argon, napędzane serwomechanizmami urządzenia pozycjonujące w płaszczyźnie X-Y, pracujący w wysokiej rozdzielczości system wizyjno-oświetlający, programowalny sterownik logiczny, zestaw rozmaitych czujników, podnośniki podciśnieniowe, trójpozycyjne, pneumatyczne urządzenie podające, wibracyjny system podawania części, sterowane kamerą urządzenie podziałowe, mechaniczny system zabezpieczający i system ochrony przed promieniem lasera.
Jedno z ważniejszych wyzwań projektowych, jakie musieliśmy pokonać, leżało w ogólnym rozplanowaniu systemu – stwierdza inżynier mechanik Daryl Greywitt, wiceprezes i współzałożyciel INVOTEC. Musieliśmy zmieścić ten szeroki asortyment podzespołów mechanicznych i sterujących na stosunkowo niewielkiej przestrzeni.
Cztery gniazda montażowe maszyny, otoczone aluminiowymi płytami, w których umieszczono okienko kontrolne odporne na promień lasera, zamontowane są na czteropołożeniowym stole obrotowym. W pierwszym położeniu operator ładuje wykonany ze stali nierdzewnej element kanału. Przed rozpoczęciem obrotu czujniki fotoelektryczne sprawdzają, czy element został prawidłowo osadzony w gnieździe. Na stanowisku drugim podajnik wibracyjny podaje drugi element tego podzespołu – płytkę ze stali nierdzewnej, umieszczając ją w osadzonym na stałe gnieździe. Następnie pneumatyczne urządzenie podające wyposażone w chwytak i głowicę podciśnieniową podnosi płytkę i umieszcza ją w kanale. Sprężynowy zacisk utrzymuje płytkę w miejscu, podczas przenoszenia jej na stanowisko nr 3, gdzie odbywa się właściwa operacja spawania.
Stanowisko trzecie, na którym mieści się laser impulsowy Nd:YAG Miyachi Unitek, dokonuje precyzyjnej integracji kilku mechanizmów. Najpierw, gniazdo zawierające kanał i płytkę, spięte razem zaciskiem w odpowiednim położeniu względem siebie, przesuwa się do wnętrza stanowiska, pod głowicę spawającą. Następnie na gniazdo opuszczona zostaje aluminiowa osłona, która wchodzi w odpowiednią szczelinę w tarczy podziałowej i zostaje w niej zablokowana. Magnetycznie kodowany wyłącznik bezpieczeństwa gwarantuje, że zanim nastąpi uruchomienie lasera, osłona zostanie całkowicie zablokowana. Gdy osłona znajdzie się na swoim miejscu, otwarty zostaje dopływ argonu, dzięki czemu wokół obszaru spawania powstaje lokalna, obojętna atmosfera, a zgrzeina jest czysta i wolna od zanieczyszczeń. Sterownik spawania laserowego zaczyna następnie realizację wcześniej zaprogramowanego harmonogramu spawania, tworząc pierwszą zgrzeinę punktową. Potem suwak X-Y przesuwa głowicę spawającą w następne położenie i powtarza operację, dopóki we wszystkich pięciu punktach nie powstaną zgrzeiny. Dopływ argonu zostaje wówczas odcięty i uruchomiony system usuwania oparów. Na koniec podniesiona zostaje osłona ochronna. Miernik Ophir LaserStar, zamontowany na tym stanowisku, automatycznie monitoruje moc oddawaną przez laser, zapewniając właściwy poziom mocy przed rozpoczęciem spawania.
Po zakończeniu operacji spawania gniazdo zawierające podzespół przesuwa się do stanowiska numer 4 w celu kontroli i rozładunku. Wysokiej rozdzielczości czujnik wizyjny Cognex In-Sight zamontowany nad gniazdem rejestruje obraz obszaru spawania i weryfikuje umiejscowienie zgrzeiny punktowej oraz jej jakość. Po pozytywnie zakończonej kontroli wizualnej urządzenie podające wyjmuje kompletny zespół z gniazda i umieszcza go na tacy.
Średni czas trwania cyklu obejmującego wszystkie te procesy wynosi zaledwie 25 sekund na zespół, wliczając w to załadunek i rozładunek.
W pogoni za precyzją
Krytycznym wymaganiem dla całego systemu było zagwarantowanie precyzyjnego umiejscowienia płytki w stosunku do wnętrza kanału – twierdzi inżynier projektu Mark Ruane, który dodaje także, że wiele elementów systemu wybrano ze względu na stopień, w jakim mogły przyczynić się do uzyskania dokładności pozycjonowania. Zespół projektowy potrzebował także lasera, który byłby w stanie stworzyć silną, kosmetycznie czystą zgrzeinę przy minimalnej ilości generowanych odprysków. Wykorzystał wiedzę, że laser światłowodowy Miyachi Unitek z serii LW umożliwia łatwą integrację przy pełnej kontroli ustawień lasera i funkcji, a przy tym nie wymaga wielu czynności konserwacyjnych. Oprócz tego, funkcja ustawiania kształtu impulsu, w jaką wyposażone jest urządzenie, umożliwia uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości i jakości zgrzeiny.
Inżynier ds. sterowania Ed Baker akcentuje, że z punktu widzenia elektroniki najpoważniejszą przeszkodą przy realizacji projektu było zaprojektowanie systemu sterowania ruchem, który mógłby precyzyjnie umieścić głowice laserowe nad miejscami spawania, zapewniając jednocześnie możliwość prostego wprowadzania korekt przez operatora, gdyby zaszła taka konieczność. Wielkość zgrzeiny punktowej wynosi około 1,1 mm, przy czym niektóre miejsca, w których należało wykonać spawanie, miały szerokość zaledwie 1,4 mm.
Aby sprostać temu zadaniu, zespół wybrał sterownik programowalny Allen Bradley CompactLogix L43 i dwa interfejsowe moduły ruchu Allen Bradley SERCOS do ustawiania laserowej głowicy spawającej. Głowica zamontowana jest na suwaku pozycjonującym X-Y firmy Parker sterowanym napędami interfejsu SERCOS. Dzięki temu systemowi całość programowania serwomechanizmu wykonywana jest w sterowniku programowalnym, więc osobny pakiet oprogramowania sterującego ruchem nie jest potrzebny.
Laserowy system spawający zawiera czterostanowiskowy, podziałowy stół obrotowy, który ładuje, spawa, przeprowadza kontrolę i rozładowuje podzespół w czasie zaledwie 25 sekund. Projektowanie tej zautomatyzowanej maszyny wymagało bliskiej współpracy specjalistów ds. sterowania i inżynierów- mechaników.
Urządzenie wyposażone jest także w interfejs operatora Allen Bradley Panelview Plus 600. Za pomocą Panelview można z łatwością zmieniać umiejscowienie zgrzeiny, wprowadzając po prostu nowe wartości położenia, które następnie są zapisywane bezpośrednio w poleceniach ruchu w PLC – dodaje Baker.
Narzędzie do rozwiązywania problemów
Oprogramowanie inżynieryjne także odgrywało kluczową rolę w tym projekcie. Inżynierowie INVOTEC polegali na oprogramowaniu SolidWorks 3D do projektowania mechanicznego, zaś zarządzanie dokumentami PDMWorks sprawiało, że członkowie zespołu byli na bieżąco z kolejnymi wersjami projektu w miarę, jak postępowały prace projektowe.
Interakcja obejmująca gniazdo elementu, ustawiana za pomocą serwomechanizmów głowica laserowa oraz podzespoły osłony lasera muszą zapewniać wolną od interferencji, światłoszczelną ścieżkę dla spawów laserowych – stwierdza Ruane. SolidWorks pozwoliło nam stworzyć wiele różnych konfiguracji, które pokazywały ruch w każdym podzespole, dopóki nie zakończono spawania we wszystkich punktach na ścieżce spawania.
Oprócz tego, każdą z tych konfiguracji trzeba było zbadać pod kątem interferencji oraz izolacji światła z pozostałej części maszyny. Pracujące w trzech wymiarach narzędzie do wykrywania interferencji SolidWorks sprawiło, że badanie wszystkich konfiguracji projektowych było szybkie i dokładne, dodaje Ruane.
Zespół projektowy wybrał laser Miyachi Unitek, na zdjęciu ukazany z kamerą pozycjonującą, z racji łatwości integracji, pełnej kontroli ustawień i niskich wymagań konserwacyjnych. Funkcja ustawiania kształtu impulsu, w jaką wyposażone jest urządzenie, umożliwia uzyskanie zgrzeiny o odpowiedniej wytrzymałości i jakości.
Patrząc wstecz na projekt, inżynierowie INVOTEC podkreślają znaczenie bliskiej współpracy między inżynierami-mechanikami i specjalistami ds. sterowania. Na przykład wybór urządzeń do sterowania ruchem musiał być dokonywany wspólnie, ponieważ musieliśmy przeprowadzić optymalizację rozwiązania na podstawie dokładności, zdolności przenoszenia obciążenia, możliwości dokonywania korekt i dostępnego miejsca – twierdzi Greywitt.
Całkowity czas realizacji tego mechatronicznego projektu, od początkowej koncepcji do usunięcia błędów z systemu w ostatecznej postaci, wyniósł około 22 tygodni, wliczając w to czas potrzebny na opracowanie kolejnych wersji projektu. A ostateczny projekt, jak twierdzą inżynierowie INVOTEC, zapewnił klientowi precyzyjną, wysokowydajną, zautomatyzowaną alternatywę umożliwiającą wyeliminowanie konieczności przeprowadzania bardzo skomplikowanej, wymagającej dużego nakładu pracy operacji ręcznej.
dn
