توسعه سیستم‌های پیشرفته با کنترل سریع و انعطاف‌پذیر

فناوری کنترل انعطاف‌پذیر با زمان چرخه کوتاه‌تر، بهره‌وری خطوط تولید استاتور Hairpin را افزایش می‌دهد

شرکت GROB به عنوان یکی از تولیدکنندگان ماشین ابزار، سیستم‌های تولید و مونتاژ با ظرفیت بالا را برای رفع نیازهای مهم و درحال‌رشد حوزه الکتروموبیلیتی ارائه می‌دهد. عوامل تعیین‌کننده در اینجا، حداقل زمان چرخه و فرایندهای سریع هستند که توسط کنترل و تکنولوژی درایو مبتنی بر PC و EtherCAT شرکت بکهوف (Beckhoff) ممکن شده‌اند. یک نمونه پیشرفته از دستگاه تولید Hairpin، که گیچ‌های سیم‌پیچ استاتور موتورهای الکتریکی از آن ساخته می‌شود، مزایای این راهکار اتوماسیون مقیاس‌پذیر را برجسته کرده است. این ماشین از TwinCAT 3 روی یک کامپیوتر صنعتی فوق فشرده C603x به عنوان پلتفرم کنترل مرکزی و همچنین سیستم حمل XTS استفاده می‌کند.

توسعه سیستم‌های پیشرفته با کنترل سریع و انعطاف‌پذیر

گروه GROB-Werke GmbH & Co. KG مستقر در آلمان با بیش از ۹۵ سال سابقه، سیستم‌ها و ماشین ابزار تخصصی برای معروف‌ترین تولیدکنندگان خودروی جهان و تامین‌کنندگان‌شان تولید می‌کند. حوزه فعالیت این شرکت، از مراکز ماشین‌کاری یونیورسال گرفته تا خطوط تولید بسیار پیچیده و ایستگاه‌های مونتاژ دستی تا خطوط مونتاژ کاملاً اتوماتیک را شامل می‌شود. این شرکت همچنین سیستم‌های تولید موتورهای الکتریکی و سیستم‌های تولید و مونتاژ برای تکنولوژی باتری و پیل سوختی را نیز عرضه می‌کند.

نیازهای جدید الکتروموبیلیتی و تکنولوژی کنترل طبق اظهارات مدیران بخش توسعه عملکرد شرکت GROB، روند برق‌رسانی به خودروها (الکتروموبیلیتی) الزامات نوینی را برای سیستم‌های کنترل ایجاد کرده است. در قیاس با خطوط تولید موتورهای احتراق داخلی، خطوط الکتروموتور دارای ایستگاه‌های پیچیده‌تر، زمان‌های چرخه کوتاه‌تر برای PLC، سهم بیشتر تکنولوژی درایو (Drive Technology) و حرکات کوپله‌شده و هماهنگ بیشتری هستند. نمونه بارز این موضوع، نسل دوم ماشین Hairpin است که کاملاً با کنترل و تکنولوژی درایو بکهوف تجهیز شده است: چهار محور دوک GROB، ۵۷ محور NC (شامل ۴۰ محور واقعی، ۵ محور مجازی و ۱۲ موور سیستم XTS به عنوان سرومحورهای مستقل)، و همچنین یک سطح وسیع IO با ۲۷۰ ورودی دیجیتال و ۱۵۰ خروجی دیجیتال مبتنی بر EtherCAT و TwinSAFE.

هسته کنترل توسط PCهای صنعتی جمع و جور (C6030 یا C6032) و نرم‌افزار TwinCAT فراهم شده و ماشین با زمان چرخه فوق‌سریع ۲/۳ ثانیه برای هر Hairpin، نرخ تولید بسیار بالایی را ارائه می‌کند. هر استاتور نیازمند تولید حدود ۲۰۰ Hairpin مجزا است که اهمیت سرعت و دقت فرآیند تولید را نشان می‌دهد.

مراحل اصلی کنترل PLC در خط Hairpin:

• تامین سیم (کنترل دنسینگ سیم کویل به سیم مسی مستقیم، با یا بدون تست برق عایق)
• لخت کردن سیم مسی در حرکت (موقعیت‌دهی محور، کَم پلیت و اره پرنده)
• تغذیه سیم (کوپلینگ محورها به سیستم انکودر دوم، سوئیچینگ سیستم انکودر طبق موقعیت کارکرد سیستم و سوئیچینگ محورها برای حالت‌های عملیاتی خاص)
• بازرسی سیم (انتقال و موقعیت‌دهی)
• پرس و برش (جبران جابجایی مواد حین پرس و برش به واسطه کوپلینگ دینامیک پارامترهای مجازی)
• خمش دو بعدی (کَم‌های دینامیک حاصل از پارامتر Hairpin و کوپلینگ دینامیک)
• خمش سه بعدی (کوپلینگ قطعات Hairpin با موورهای XTS توسط پارامترهای دینامیک)
• پیش قراردهی Hairpin‌ها (کَم پلیت/حرکت هماهنگ)
• تنوع انواع ورود/حرکت و موقعیت مکانی Pre-insertion Nest و افسارها (کوپل محورهای مجازی و واقعی)

مزایای کنترل مبتنی بر رایانه و EtherCAT و استفاده از HMI مدرن

"دانیل گوگن‌برگر" رئیس برق طراحی واحد کسب‌وکار الکتروموبیلیتی GROB، تفاوت این روش با تولید موتورهای احتراق داخلی را چنین بیان می‌کند: «فرآیندهای کلاسیک مونتاژ نظیر بستن پیچ‌ها، پرس و کارهای دستی عمدتاً اتوماتیک شده‌اند و دستیابی به کیفیت و سرعت موردنظر دیگر با اپراتور انسانی ممکن نیست.» کنترل مبتنی بر PC بکهوف با فراهم کردن داده‌های فرآیندی و ماشینی دقیق، امکان مانیتورینگ تولید و تحلیل خطا در زمان‌هایی به کوتاهی دو ثانیه را محقق ساخته است؛ جایی که فقط ابزار تحلیلی پیشرفته و دوربین سرعت‌بالا کارگشا هستند. استفاده مکرر از نرم‌افزار TwinCAT Scope View نمونه‌ای از ابزار تحلیل داده و مشاهده موج (Oscilloscope) برای این کاربرد است.

یکی از چالش‌ها، مدیریت بالغ بر ۲۰۰ Hairpin در ۵۰ شکل مختلف جهت جایگذاری درست است. درجای‌یابی درست و تشخیص خطای آنلاین (Inline) اهمیت ویژه‌ای دارد: در صورت بروز خطا، Hairpin باید مجدد و بصورت خودکار تولید و در موقعیت صحیح قرار گیرد. تعداد زیاد محورها و Variantهای Hairpin وظیفه مدیریت کنترل را حجیم و متنوع می‌کند و سیستم باید انواع پارامترها، زوایا و کَم‌های دینامیک را به موقع محاسبه نماید.

تجربه موفق اتوماسیون از ۲۰۰۴ تاکنون اولین ماشین فرآیندی GROB در سال ۲۰۰۴ با فناوری بکهوف تجهیز شد. استفاده از کنترل پی‌سی ابتدا برای تست و ماژین‌ها بود تا اینکه از سال ۲۰۱۷ خطوط مونتاژ نیز به این راهکار مهاجرت کردند. دلایل اصلی گزینش این راهکار: زمان چرخه کوتاه‌تر PLC، انعطاف بالا برای نیازهای آینده، برخورداری از اینترفیس‌های متعدد به پروتکل‌های مختلف، قابلیت‌های حرکتی پیشرفته، عمق عیب‌یابی بالا، ادغام راحت توابع شبیه‌سازی و مهندسی (مثلاً از طریق MATLAB). سایر نکات مهم شامل تولید خودکار کد نرم‌افزار HMI، ادغام راحت کنترل حرکتی اختصاصی، سیستم ورژن کنترل، رهگیری باگ و تست نرم‌افزار است. انعطاف بالای TwinCAT استانداردسازی توسعه نرم‌افزار را ساده نموده است.

کامپیوتر صنعتی فشرده C6030 یا C6032 (در صورت نیاز به اینترفیس بیشتر) به همراه پنل HMI مالتی‌تاچ (CP3918) و کلیدهای سفارشی، قدرت پردازشی لازم برای دستیابی مطمئن به زمان چرخه PLC برابر ۴ میلی‌ثانیه را فراهم نموده است. تمرکز HMI روی بهره‌برداری راحت، بدون خطا و نمایش پارامترها و عیب‌یابی پیشرفته است. این پروژه مشترک بزرگ HMI با شعبه مونیخ بکهوف نیز منجر به یک واسط کاربری مبتکرانه، چندزبانه و سفارشی‌سازی کامل شده است.

حرکت‌های پیشرفته با سروو محورهای AX5000 و سیستم حمل XTS

محورهای حرکتی چرخشی عمدتاً با سروو درایو AX5000 و بخشی از طریق تکنولوژی کم حجم EL72xx/EP72xx و سروو موتور AM8000 کنترل می‌شوند. تکنولوژی One Cable (OCT) منجر به کاهش محسوس کابل‌کشی و عوامل خطا شده و در کنار این، اینترفیس‌های بیشتر انکودر و عملکرد Motion Safety روی کارت AX5805 TwinSAFE از نقاط قوت دیگر است. همچنین مجموعه توابع TwinCAT (مانند NC PTP، NC Camming، NC Flying Saw) و ترکیب این توابع، برتری عملیاتی چشمگیری ایجاد می‌کند.

سیستم حمل و نقل XTS از شرکت بکهوف، یک مسیر بیضی به طول سه متر با ۱۲ موور است که Hairpinهای منفرد را به پورتال خطی برای مرحله نهایی انتقال می‌دهد. مزایای XTS: انعطاف بالا در جای‌دهی Hairpin‌ها روی ایستگاه‌های خم و دوربین، طراحی فشرده و مدولار سیستم، امکان جداسازی مراحل (Decoupling)، کنترل فاصله انعطاف‌پذیر بسته به وضعیت قطعه، کاهش زمان چرخه و حذف اثر مستقیم اختلاف زمان هر مرحله بر کل ماشین.

ایمنی و امنیت سیستم با TwinSAFE و ارتباط EtherCAT EAP

TwinSAFE بکهوف به صورت یکپارچه به عنوان عملکرد ایمنی در سیستم استاندارد شده است. علاوه بر درایوهای ایمن، ماژول EL6910 برای لاجیک ایمنی به عنوان کنترل‌کننده ایمنی مجزا استفاده می‌شود. در خطوط کامل تولید، کاربردهای ایمنی توزیع‌شدهِ ماشین‌ها و سیستم‌ها بر اساس پروتکل EtherCAT Automation Protocol (EAP) با هم ارتباط دارند. این ارتباطات از مرز سیستم‌های کنترل فراتر می‌رود و برای کاربران با خطوط تولید گسترده و تجهیزات متصل، بسیار حیاتی و موثر است.

جمع‌بندی و پیوندهای مهم

با ترکیب کنترل انعطاف‌پذیر مبتنی بر رایانه، کنترل حرکت پیشرفته با سروو درایو، سیستم حمل و نقل XTS، و ایمنی پیشرفته با TwinSAFE، شرکت GROB و بکهوف موفق به دستیابی به نرخ تولید و کیفیت بسیار بالا در خطوط استاتور Hairpin شده‌اند. این راهکارها نمونه بارزی برای آینده اتوماسیون خطوط الکتروموتور و تولید قطعات برای خودروهای الکتریکی و صنعت برق هستند.

اطلاعات بیشتر:

• www.grobgroup.com
• www.beckhoff.com/automotive