EtherCAT și XTS pentru testarea mecanică de final de linie în producția de celule de baterie
Randament ridicat al sistemului datorită comunicației rapide de date și manipulării flexibile a produselor
În domeniul electromobilității, se așteaptă performanțe maxime nu numai din partea bateriilor vehiculelor în sine, ci și în ceea ce privește producția acestora. V4Smart, o companie specializată în celule rotunde litiu-ion, rezultată dintr-o asociere în participațiune între Porsche și Varta, a implementat cu succes acest lucru într-un sistem complex de testare mecanică la sfârșitul liniei de producție a celulelor de baterie, bazat pe comunicația ultra-rapidă EtherCAT și pe sistemul inteligent de transport XTS de la Beckhoff
În spatele companiei V4Smart, cu sediul în Nördlingen, se află o echipă interdisciplinară specializată în dezvoltarea și producția de celule rotunde litiu-ion de înaltă performanță. Accentul se pune pe progresul tehnologic al sistemelor de stocare electrochimică – de la cercetarea materialelor până la producția scalabilă de celule. Un exemplu în acest sens este noua instalație de testare la sfârșitul liniei de producție pentru celule de baterie, destinată, de exemplu, modelelor Porsche 911 Carrera GTS și Turbo S cu propulsie hibridă.
Aceasta a fost implementată în strânsă colaborare cu divizia de inginerie mecanică a Varta Microbattery din Ellwangen, integratorul de sisteme Nema Automation din Bretzfeld și Beckhoff din Verl și Crailsheim.
Andreas Hütter, director tehnic la Nema, descrie gama largă de sarcini după cum urmează: „În calitate de integrator de sisteme, ne-am asumat responsabilitatea pentru proiectarea sistemului de control, realizarea schemelor electrice, proiectarea dulapurilor de comandă-control, programarea software-ului și punerea în funcțiune și am realizat toate aceste lucrări în întregime“.
Complexitate în proiectarea sistemelor și a secvențelor de procese
Sistemul complet este alcătuit din două secțiuni oglindite, fiecare având o lungime de aproximativ 15 m și o lățime de 3 m. În acest fel, s-a atins randamentul ridicat necesar de 80 de piese testate pe minut, menținându-se în același timp o operabilitate ușoară. În fiecare subsistem, un sistem XTS furnizat integral de divizia de inginerie a sistemelor Beckhoff, cu o lungime a traseului de 28,5 m, asigură transportul rapid și flexibil al celulelor de baterie către cele peste 30 de stații de lucru și testare. Complexitatea datelor este completată de aproximativ 1.000 de puncte de date I/O, dintre care jumătate sunt înregistrate prin module EtherCAT Box descentralizate, iar cealaltă jumătate prin terminale EtherCAT distribuite în total în 26 de dulapuri de comandă-control. Prin urmare, așa cum explică Michael Luber, șeful segmentului de formare la V4Smart, o tehnologie de comunicații fiabilă și de înaltă performanță este esențială pentru un sistem atât de mare și cu un volum mare de date – lucru posibil datorită EtherCAT, standardul Industrial Ethernet dezvoltat de Beckhoff și acum consacrat la nivel mondial. Volumul mare de date care trebuie transmis necesită o topologie eficientă a rețelei EtherCAT, adaptată cu precizie la aplicație – o topologie în stea, din care toți ceilalți participanți la rețea sunt integrați în mod liniar.
Stațiile de proces care urmează să fie deservite includ aproximativ 20 de unități de inspecție optică, precum și zone suplimentare de asamblare, de exemplu pentru aplicarea izolației inferioare a celulei bateriei și pentru aplicarea unui manșon termocontractabil, inclusiv tunelul de încălzire necesar.
Felix Eitel, șef de echipă pentru proiectare electrică/tehnologie de control la Varta Microbattery, explică: „Celula bateriei este testată pentru o gamă largă de caracteristici mecanice. Carcasa este verificată pentru a depista zgârieturi, îndoituri și pete de apă sau de electrolit. Același lucru se aplică și capacului și bazei celulei, celula bateriei fiind, în plus, rotită. Apoi se aplică izolația inferioară și se verifică poziționarea corectă a acesteia. Urmează aplicarea termică a manșonului termocontractabil, inclusiv verificări privind lungimea corectă, acoperirea completă și eventualele deteriorări. În final, fiecare celulă de baterie este marcată cu un laser UV, imprimeul este inspectat de o cameră, iar celula este preluată de un robot delta“.
Andreas Hütter confirmă cât de solicitantă este această etapă finală a procesului de producție a celulelor de baterie: „Viteza și fiabilitatea necesare pentru a atinge cota specificată de 40 de piese de testat pe minut per subsistem, împreună cu o rată de respingere sub 1%, necesită deja o tehnologie de control extrem de puternică și complet integrată, precum și o manipulare extrem de flexibilă a produselor – precum cea oferită de XTS. Aplicarea manșonului termocontractabil cu ajutorul tunelului de încălzire, precum și numeroasele sisteme de camere pentru inspectarea proceselor din amonte au reprezentat, de asemenea, provocări majore“.
XTS ca element central al sistemului
Elementul central și unificator al sistemului îl reprezintă sistemul inteligent de transport al produselor XTS de la Beckhoff. Acest lucru este evident nu numai prin lungimea mare a traseului, de 28,5 m, în fiecare dintre cele două subsisteme, ci și prin cele peste 100 de module motorizate XTS și 100 de unități de deplasare utilizate în fiecare dintre ele. În plus, XTS a fost factorul decisiv în alegerea sistemului de control bazat pe PC de la Beckhoff ca tehnologie de automatizare, după cum explică Felix Eitel: „Varta Microbattery utilizează această tehnologie de control bazată pe PC în sistemele sale de ambalare de mulți ani. Pentru testerul de la sfârșitul liniei de producție pentru V4Smart, însă, XTS a fost de fapt factorul principal. Acest sistem de transport a fost singura modalitate de a atinge dinamica și viteza necesare în manipularea produselor“.
Andreas Hütter adaugă: „Decuplarea transportului produsului de ciclul mașinii este esențială în acest context. La urma urmei, sistemul include o mare varietate de stații de prelucrare – unele paralele, altele individuale – precum și tunelul de încălzire, un proces continuu care trebuie sincronizat cu operațiunile ciclice. Acest lucru necesită gradul ridicat de flexibilitate pe care îl oferă XTS.
În plus, spațiul disponibil pentru sistem este limitat, iar XTS permite realizarea unei configurații foarte compacte a mașinii. Un sistem proiectat în mod convențional ar fi fost cu cel puțin o treime mai mare“.
Potrivit lui Andreas Hütter, integrarea tunelului de încălzire cu lungimea de 2 m pentru aplicarea manșonului termocontractabil ar fi fost, de asemenea, mai dificilă fără sistemul flexibil XTS. Dispozitivele de transport se deplasează prin acest tunel cu o viteză de 60 mm/s. Provocarea a constat în faptul că toate celulele bateriei aflate în interiorul tunelului de încălzire trebuiau scoase în mod fiabil din zona încălzită, chiar și în cazul apariției unei defecțiuni într-un proces din amonte, pentru a preveni deteriorarea cauzată de încălzirea excesivă. Într-o configurație convențională, depanarea ar fi trebuit să aștepte până la golirea tunelului de încălzire.
Cu sistemul flexibil XTS, acest timp de așteptare este eliminat, deoarece acesta poate fi împărțit în două zone de siguranță folosind un modul suplimentar de alimentare cu energie.
Acest lucru permite oprirea și întreținerea secțiunii frontale a sistemului în cazul unei defecțiuni, în timp ce elementele mobile care transportă celulele de baterie pot ieși din tunelul de încălzire fără întrerupere.
Felix Eitel explică o altă caracteristică specială a transportului produselor:
„Suportul pentru piese montat pe dispozitivul de deplasare XTS sporește și mai mult flexibilitatea sistemului. Celula bateriei este montată astfel încât să se poată roti, ceea ce îi permite – prin intermediul unui cuplaj magnetic la un servomotor AM8000 acționat de sistemul
servo multiaxial AX8000 – să fie rotită odată ce ajunge la stațiile de lucru respective. Acest sistem este utilizat la 13 stații din fiecare subsistem, adică pentru inspecțiile optice, la stațiile de curățare și în tunelul de încălzire“. Tehnologia One Cable Technology (OCT) a
servomotoarelor oferă, de asemenea, avantaje, deoarece reduce semnificativ efortul de cablare, ocupă mai puțin spațiu și facilitează întreținerea.
Servomotoarele AM8000 sunt utilizate, de asemenea, în cele două aplicații de tip „pick-and-place“ – implementate ca cinematică delta – la începutul și la sfârșitul secvenței de proces. Acestea sunt calculate prin intermediul funcției „TwinCAT 3 Kinematic Transformation“ de pe controlerul central al mașinii Beckhoff. TwinCAT 3 Motion Pick-and-Place se ocupă de planificarea efectivă a mișcărilor. Un al doilea computer de control Beckhoff asigură o vizualizare clară și o operare comodă a sistemului prin intermediul TwinCAT HMI și a trei panouri de control multi-touch Beckhoff.
Colaborare pentru găsirea soluției optime
Sprijinul reciproc dintre partenerii implicați a contribuit, de asemenea, în mod semnificativ la găsirea soluției dorite. Andreas Hütter confirmă: colaborarea cu Beckhoff – și, în special, cu biroul de vânzări din Crailsheim – a fost strânsă, orientată spre găsirea de soluții
și pe picior de egalitate, acoperind toate aspectele, de la proiectarea produsului până la întrebările legate de aplicații. Michael Luber subliniază abordarea orientată în mod consecvent către obiective: „În ciuda implicării a patru parteneri și a complexității corespunzătoare
a procesului, orice provocări apărute au fost abordate întotdeauna într-un mod foarte constructiv
și pozitiv. De asemenea, au răspuns rapid și eficient“.
