Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Schweißen (Station 2)
Autor: Darvin Welslau
Dozent: Prof. Dr. Mirek Göbel
Wintersemester: 2023/2024
Fachsemester: 7
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Einleitung
Im Rahmen des Mechatronik Studiums an der Hochschule Hamm - Lippstadt, ist es Teil des 7. Semesters das Produktionstechnik Praktikums zu absolvieren. Dieses Projekt wurde in dem Studienschwerpunkt „Global Production Engineering III“ durchgeführt und beschäftigt sich mit dem Umgang von automatisierten Systemen. Zu diesem Zwecke besteht die Aufgabe darin ein Teil einer Produktionsanlange zu entwickeln, welches als Gesamtkonzept einen Untersetzer vollautomatisch zusammenfügen soll.
Etwas detaillierter besteht diese Produktionsanlage aus den Stationen Kommissionierung, Montieren, Verschweißen und schließlich Verpacken.
Das Verpacken wird in diesem Semester vernachlässigt und über eine Art Auswerfer realisiert, sodass das Endprodukt auch von dem Förderband entnommen wird.
Gesamtkonzept
Die Gesamtaufgabe dieser Anlage ist die Produktion von HSHL-Getränkeuntersetzern(siehe Abb. 2), welche als Werbegeschenke dienen können. Für die Umsetzung dieses Projekts wurden vorab spezifische Anforderungen gestellt:
- Projekt soll nachhaltig sein → Weiterentwicklungs-Möglichkeiten für nachfolgende Semester
- System soll auf verschiedene Stationen aufteilbar sein
- Getränkeuntersetzer sollen individualisierbar sein
- Nutzung des vorhandenen Förderbands der MPS-Anlage als gemeinsame Schnittstelle
Folgende Stationen waren im Rahmen des Praktikums mit an der Produktionsanlage beteiligt:
- Förderband - Station Bandanlage
- Picker (Montage) - Station Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Kommissionierung (Station 1)
- Kommissionierung - Station Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Montage (Station 3)
- Schweißen - Station Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Schweißen (Station 2)
Aufgabe der Station
Aus den Jahren zuvor, wurden die Einlegebauteile des HSHL-Untersetzers mittels Klebstoff in der Grundplatte fixiert. Dabei ergaben sich folgende Problemstellungen:
- Klebstoff härtet in den Leistungen aus.
- Spülprozesse müssen gefahren werden, damit der gesamte Klebstoff aus den Leitungen entfernt wird.
- Bei verhärtetem Klebstoff in den Leitungen, müssen alle Komponenten für die Inbetriebnahme ausgetauscht werden.
Um diesen Problemen ein Ende zu setzen, wurde die Station Kleben durch die Station Schweißen ersetzt.
Vorgehensweise nach dem V-Modell
Das V-Modell (siehe Abb.3) wird eingesetzt, um dem Benutzer bei der Organisation und Durchführung eines anstehenden Projekts zu helfen. Es visualisiert das lineare Vorgehen der einzelnen Projektphasen. Angefangen bei den Anforderungen des Projekts begleitet es den Benutzer bis schlussendlich der Abnahmetest das erfolgreiche Abschließen des Projekts bestätigt. Dabei sind die einzelen Schritte des absteigenden Pfades mit den korrespondierenden Schritte des aufsteigenden Pfades sinnhaftig miteinander verknüft und bauen aufeinader auf.
Anforderungsdefinition
Zu Beginn eines jeden Projektes müssen zunächst die Anforderungen gestellt werden. Diese Anforderungen beziehen sich auf Aufgaben die das Projekt beinhalten.
Für das Projekt der Station Schweißen im Gesamtprojekt des HSHL-Getränkeuntersetzern wurden die Anforderungen nach folgenden Aspekten definiert:
- Aufbau und Einbindung der Station
- Verbindung der zu fügenden Bauteile
- Benutzung von Software und Hardware
- Sicherheit und wie diese gewährleistet wird
- Dokumentation
| ID | Typ (Info/Anforderung) | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum | Durchsicht von | am | Status Auftragnehmer | Kommentar Auftragnehmer | Status Auftraggeber | Kommentar Auftraggeber | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | I | 1 | Aufbau | |||||||||
| 002 | A | 1 | Der Aufbau muss technisch umsetzbar und zeitlich realisierbar sein. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 003 | A | 1 | Der Aufbau muss in die Produktion des Untersetzers durch das Förderband eingepflegt werden. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 004 | A | 1 | Die Station muss mit einer Heißluftlötstation und passendem Lötkolben aufgebaut werden. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 005 | A | 1 | Der Roboter muss technisch so angepasst werden, dass er in der Lage ist den Lötkolben führen zu können. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 006 | I | 2 | Schweißvorgang | |||||||||
| 007 | A | 2 | Die Heißluftlötstation muss der Wärme zum Aufschmelzen des vorliegenden Filaments liefern. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 008 | A | 2 | Die Schweißung muss entlang der Einlegebauteilkontur erfolgen | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 009 | A | 2 | Das Ergebnis der Schweißung muss eine stoffschlüssige Verbindung darstellen. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 010 | A | 2 | Die Strömungsgeschwindigkeit sowie die Temperatur muss vor eingestellt und geprüft seien. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 011 | I | 3 | Schnittstellen | |||||||||
| 012 | A | 3 | Die Lötstation muss an einem Standard-Steckdosen Anschluss von 230V angeschlossen werden. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 013 | A | 3 | Der Warenträger muss über die SPS gesteuert werden, sodass passend an der Schweißstation gestoppt wird. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 014 | A | 3 | Die Schweißstation muss so eingebunden werden, dass bei einem Eingangssignal des Warenträgers das Programm startet und nach Vollendung den Warenträger wieder freigibt. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 0015 | A | 3 | Die Schweißung muss auf dem Warenträger erfolgen. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 0016 | I | 4 | Software / Werkzeuge | |||||||||
| 0017 | A | 4 | Der Stationsaufbau muss mit Standardwerkzeug montierbar seien. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 0018 | A | 4 | Alle Bauteiländerungen und Neukonstruktionen müssen mit SolidWorks erfolgen | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 0019 | A | 4 | Der Roboter muss über die gängige Software programmiert werden. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 0020 | A | 4 | Die Einbindung der Station muss über die dazugehörige Hardware erfolgen. | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 021 | I | 5 | Dokumentation | |||||||||
| 022 | A | 5 | Eine nachvollziehbare und nachhaltige Dokumentation muss erfolgen | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 | |||||
| 023 | A | 5 | Die Dokumentation muss folgende Dinge beinhalten: Planung des Projektes, Systementwürfe, Komponenten der Station, Entwicklung sowie Umsetzung und Testung | Welslau | 24.10.2023 | Erdmann | 07.11.2023 |
Funktionaler Systementwurf
Ein funktionaler Systementwurf ist ein Prozess, bei dem die Funktionalität eines Systems definiert und spezifiziert wird. Dies beinhaltet die Identifizierung der Anforderungen an das System, die Festlegung der Funktionen, die das System erfüllen soll, und die Entwicklung von Entwurfskonzepten, um diese Funktionen zu realisieren. Der funktionale Systementwurf legt den Rahmen für die Implementierung des Systems fest und dient als Leitfaden für die Entwicklung und Integration von Hardware- und Softwarekomponenten. Zudem bildet er die Grundlage für den nachfolgenden technischen Systementwurf.
Datei:Funktionaler Systementwurf Station Schweißen PowerPoint Datei.pptx
- Computer = Die Software bildet das Zusammenspiel aus der Programmierung des Roboters sowie der Ansteuerung des Förderbandes.
- Roboter = Der Roboter führt das Schweißprogramm aus und führt den Lötkolben der Heißluftstation positionsgetreu.
- Heißluftlötstation = Die Heißluftlötstation liefert die notwendige Wärme zum aufschmelzen der Einlegebauteile.
- HSHL-Getränkeuntersetzern = Der HSHL-Untersetzer bildet das eigentliche Produkt, welches Verarbeitet wird.
- Förderband = Das Förderband steuert die einzelnen Station an und dient dem Bewegungszweck der automatisierten Fertigung.
- I/O BIX = Dient zu der Verarbeitung der ankommenden und ausgehenden Signale zu dem Förderband und zu dem Melfa Roboter
Technischer Systementwurf
Ein technischer Systementwurf bezieht sich auf die detaillierte Spezifikation und Planung eines Systems, einschließlich der Hardware-, Software- und Netzwerkkomponenten. Dieser Entwurf umfasst die Auswahl von Technologien, die Festlegung von Schnittstellen, die Definition von Datenstrukturen und Algorithmen sowie die Entwicklung von Plänen für Tests und Validierung. Der technische Systementwurf bildet die Grundlage für die Implementierung des Systems und dient als Baupause für Ingenieure und Entwickler, um das System gemäß den spezifizierten Anforderungen zu bauen.
folgende Signale werden bei der Station Schweißen zwischen der I/O Box und der SPS übermittelt:
- Grün = Signal Warenträger angekommen
- Blau = Signal Warenträger wieder frei geben
- Orange = Masse
folgende Signale werden zwischen dem Roboter und der I/O Box übermittelt:
- Signal für Programmstart
- Signal für Programmende
Der Roboter verfügt über einen 230V Anschluss und ist über das Schlaupaket mit der Lötstation verbunden.
Datei:Technischer Systementwurf Station Schweißen .pptx
Komponentenspezifikation
Auf Basis der beiden Systementwürfe kann nun die Komponentenspezifikation erfolgen. Hierbei kommt es auf die wesentlichen Bauteile an aus denen die Station realisiert wird.
Bei der Station Schweißen teilen sich die Komponenten in die Schweißstation und die Roboterstation auf.
Schweißstation
- Heißluftlötstation - Die Heißluftlötstation liefert die Wärme und beinhaltet den Lötkolben.
- Schlauchpaket - Das Schlaupaket welches bei der Heißluftlötstation mitgeliefert wird, muss die notwendige Länge vorweisen.
- Lötkolben - Der Lötkolben muss handgeführt werden können, damit eine Halterung konstruiert werden kann.
- Sleep Funktion - Die Lötanlage muss eine Sleep-Funktion haben, damit der Lötkolben nicht durchgängig die heiße Luft fördern muss und kein Sicherheitsrisiko entsteht.
Roboterstation
- Mitsubishi Melfa RV-2AJ - Roboter der Station Schweißen des Herstellers Mitsubishi
- Halterung des Lötkolben - An der Vorderen Spitze der Achse J6 muss eine Halterung für die Führung des Lötkolben konstruiert werden
- Input / Output Box - Eingangs - und Ausgangssignal müssen verarbeitet werden, damit der Roboter das Programm starten kann und anschließend den Warenträger wieder freigibt
Entwicklung
In dem Kapitel der Entwicklung wird die Konstruktion von Bauteilen sowie die Programmierung dokumentiert.
Konstruktion
Damit der Lötkolben per Roboter geführt werden kann, musste eine Halterung konstruiert werden, die einen festen Sitz und damit das Positionsgetreue anfahren gewährleistet.
Die Konstruktion erfolgt über die zugelassene Software SolidWorks.
Die Halterung wurde so konstruiert, dass die Bohrungen auf der Rückseite genau den Bohrungen in dem Roboter entsprechen.
Außerdem wurde für eine kraftschlüssige Verbindung durch eine Schraube kombiniert mit einer passenden Mutter, eine Lasche hinzugefügt die verhindert, dass der Lötkolben verrutscht.
Programmierung
Die Programmierung des Roboters kann über zweierlei Wege erfolgen.
Der erste Weg ist die Realisierung über das Hand-Teaching Tool. Zu sehen in Abbildung 8.
Nachfolgend beschrieben ist die Schritt für Schritt Anleitung um ein Programm über das Teaching Tool zu schreiben:
- Sowohl die Teaching-Box als auch die Roboter Konsole muss auf der Schlüsselstellung Teach stehen.
- Ist der Roboter eingeschaltet, kann die Menü Taste gedrückt (Nummer 5) werden um ein Auswahlmenü der Roboter-Aktionen zu öffnen
- Die Taste (J5)/-B öffnet das Teaching Menü.
- Nachfolgend kann ein Menü-Nummer ausgewählt werden mit der passenden Taste zu der passenden Zahl.
- Durch die INP/EXP (Nummer 17) Taste erfolgt die Bestätigung
- Mit der POS-Taste (Nummer 18) gelangen Sie in die Positionsliste des Programmes.
- Über die +/FORWD (Nummer 8) bzw. die -/BACKWD (Nummer 9) können die Position bei einem bestehenden Programm durchgegangen werden.
- Möchten Sie die Position anfahren, drücken Sie den Totmann-Schalter (Nummer 19), die STEP/MOV Taste (Nummer 7) sowie die INP/EXP (Nummer 17). Dabei ist auf mögliche Kollision zu achten!
- Entspricht die Position der gewünschten Position, kann weiter verfahren werden. Sonst kann die Position geändert werden und durch zweifaches betätigen der ADD-Taste (Nummer 13) hinzugefügte werden.
- Für den Fall das sie eine nicht existierende Position Teachen wollen, können Sie die Nummerierung ändern indem sie die Zahl mit der Pfeil-Taste (Nummer 16 / 15) auswählen und dann die gewünschte Nummer über das Tastenfeld eingeben. Bspw. die Nummer 3 wird über die Taste -Z (J1) geschrieben.
- Diesen Prozess können Sie wiederholen bis Sie alle Position erfolgreich geteached haben.
- Über die Menü-Taste (Nummer 5) wird das Programm gespeichert und Sie gelangen wieder zurück.
Move-Befehle hinzufügen: Für das nun gespeicherte Programm benötigt der Roboter noch die Ausführungsbefehle. Auch hierfür gilt die nachfolgende Schritt für Schritt Anweisung:
- Teaching-Tool und Konsole müssen nach wie vor auf der Teach-Stellung stehen.
- Durch betätigen der Menü-Taste (Nummer 5) und der Auswahl der Programm Nummer gelangen Sie in Ihr Programm.
- Auf den Bildschirm sollte -NO DATA- zu sehen sein.
- Nun müssen Sie drei mal die Taste RPL (Nummer 14) drücken um den Cursor zu dem Befehlsfeld zu bringen.
- Die Zahl 10 muss durch die Tasten -B (J5) und -C (J6) geschrieben werden. Nachfolgend muss noch ein Leerzeichen über die Taste -X (J1) eingefügt werden.
- Durch das drücken der POS-Taste (Nummer 18) + -Y (J2) wird der Buchstabe M für den Mov Befehl geschrieben.
- Der Mov Befehl wird anschließend über die POS-Taste (Nummer 18) + -B(J5) ausgewählt und dem Programm hinzugefügt.
- Nun müssen Sie noch den Punkt zudem der Roboter den Mov Befehl ausführen soll eintragen. Dies erfolgt durch zunächst durch das drücken der POS-Taste (Nummer 18) + -X (J1). Damit wird der Buchstabe P geschrieben.
- Nachfolgend fehlt noch die Nummer des Punktes. Dieser ist nach dem jeweiligen Punkt zu wählen der angefahren werden soll. Bspw. P1 wäre die Taste -B(J5)
- Bestätigt wird zum Schluss wieder über INP/EXP (Nummer 17)
Diesen Vorgang können Sie für jeden Punkt wiederholen der in Ihrem Programm angefahren werden soll.
! Achtung: Die zu Beginn geschrieben 10 ist die Zeile des Programmes und muss demnach sukzessiv ansteigen. Zeile 20 wäre demnach die darauffolgende Zeile !
Das nun geschriebene Programm kann durch die Verbindung zu der geeigneten Software auf den PC geladen werden.
Dazu muss zunächst eine Verbindung zwischen dem Roboter um dem Programm geschaffen werden. Steht diese kann der Roboter über die Kennung RV-2AJ gefunden werden.
Ist der Roboter eingebunden, kann über die Software falls gewünscht eine Simulation gebaut werden.
Durch das Laden des Programmes über die Bedienfelder der Software, kann die Positionsliste geladen werden.
Zu sehen ist beides in Abbildung 10 und 11.
Komponententest
Schweißen
Nachfolgend ersichtlich ist eine Tabelle die als Versuchsgrundlage dient und über die Schweißparameter Auskunft gibt. Variiert wurde die Parameter der Temperatur[°C] sowie die Füllrate des 3D-Druck Bauteils [%].
Dabei ist die Füllrate für das 3D Druck Bauteil ausschlaggebend hinsichtlich der Druckzeit sowie die Festigkeit.
Je höher die Füllrate ausfällt desto intensiver findet der Druck statt und benötigt umso mehr Zeit.
Jeder erfolgreich geschweißter Untersetzer wurde auf der Rückseite mittig der Einlegebauteile entsprechend mit Bohrungen versehen um die Festigkeit ermitteln zu können.
Für die beiden Bewertung Kriterien Optik und Wasserdicht wurde der Untersetzer zum einen optisch auf Verbrennungen oder ähnliches begutachtet und zum anderen wurde, da es sich um einen Untersetzer handelt mit einem Glas Wasser verschüttet um zu schauen ob es durch topft.
| Temp. [°C] | Füllrate [%] | Festigkeit [%] | Optik | Wasserdicht |
|---|---|---|---|---|
| 200 | 20 | 40 | ok | n.ok |
| 200 | 40 | 64 | ok | n.ok |
| 200 | 60 | 87 | ok | ok |
| 220 | 20 | 52 | n.ok | n.ok |
| 220 | 40 | 78 | ok | ok |
| 220 | 60 | 101 | ok | ok |
| 250 | 20 | 70 | n.ok | n.ok |
| 250 | 40 | 91 | n.ok | n.ok |
| 250 | 60 | 115 | n.ok | n.ok |
resultierende Parameter: Temp.: 220 °C; Füllrate: 40%
Erkenntnis:
- Die Heißluftlötstation erbringt die erforderte Wärme und der Lötkolben fördert die richtige Menge an warmer Luft.
- Bei einer geringen Füllrate neigt der Kunststoff dazu sich zusammenzuziehen und nicht sich stoffschlüssig zu verbinden
- Bei zu hohen Temperaturen bspw. 250 °C verbrennt der Kunststoff eher
- eine zu geringe Füllrate oder eine zu hohe Temperatur hat zur Folge, dass das Bauteil in den Aspekten Optik und Wasserdicht durch den Test durchfällt.
Testung des Roboters:
Bei dem Programmieren des Roboters kann die Position angefahren und getestet werden ob die Gefahr oder Kollision besteht oder ob Achsen sich in Singularität verfahren.
Bedeutung Singularität: Eine Singularität ist dadurch gekennzeichnet und erkennbar, dass zwei Achsen des Roboters kollinear (fluchtend) sind.
Das hat eine Fehlermeldung zur Folge und das Programm ist nicht nutzbar.
Ermittlung der Festigkeit
Um die Festigkeit einer Schweißung zu Untersuchen, bedarf es einem Druck - oder Zugtest. Diese Test werden in der Regel durch eine Zugprüfanlage der Firma Zwick/Roell durchgeführt. Gerade bei Schweißungen aller Art, kommt es auf die Festigkeit an. Somit ist die Festigkeit ein wichtiges Gütekriterium einer Schweißnaht.
In dem Falle des HSHL-Untersetzer wurden zum Ausdrücken der Einlegebauteile jeweils eine Bohrung hinter das zu testende Bauteile gebohrt, sodass ein Stempel die nötige Kraft auf das Bauteil ausüben kann. Eingespannt in einen Schraubstock hat das Einlegebauteil die Möglichkeit nach unten wegzufallen.
Integrationstest
Um die Schweißstation in die Förderbandanlage einzubinden bedarf es einer Input/Output-Box, die die Signale des Förderbandes und der angebrachten Sensoren verarbeitet.
Wie in Abbildung 13 dargestellt, befindet sich diese Box mit in dem aufgebauten System.
Damit die Input/Output Box eingebunden werden kann, gibt es zwei Wege.
- Die Input / Output Box kann über das Teaching Tool eingebunden werden, indem die einkommende Signale so abgefragt werden, dass man im Menü des Teaching Tools die dazugehörigen Bits gesetzt werden. Über die Signale die dann über den Output gehen kann der Warenträger auf dem Förderband wieder freigegeben werden.
- Die andere Möglichkeit ist über eine IF Abfrage in der Software in das Programm implementiert wird. Hierbei muss auf die richtige Syntax und die richtige Angabe des Slots an dem der Input und der Output anliegt geachtet werden. Die Syntax sieht wie folgt aus und dient als Beispiel : IF M_IN(x)=1 THEN M_OUT(X)=X
Stand des Projektes
- Die Produktionsanlange wurde so umgebaut, dass der Roboter mit in die Förderbandanlage eingepflegt werden kann.
- Der Roboter und der Lötkolben sind über die Halterung verbunden.
- Die Parameter für die Schweißung wurden erfolgreich ausfindig gemacht.
- Die Position der Schweißkontur wurden in den Roboter geteached.
- Die Mov - Befehle für den Roboter wurden einprogrammiert.
- Der Roboter kann die Schweißkontur im Automatikbetrieb fehlerfrei abfahren.
Folgende Dinge sind nach Beendigung des Praktikums noch offen:
- Das Einbinden der Input/Output Box
Die Input / Output Box sorgt wie oben beschrieben für die Abfrage der Signale die die SPS des Förderbandes übermittelt. Solange diese Einbindung nicht erfolgt ist, läuft die Anlage nicht automatisiert.
- Software Kompilierung
Auch wenn die Positionspunkte geladen und abgefahren werden können. Taucht bei der Kompilierung des Programmes über die Software eine Fehlermeldung auf.
Diese Fehlermeldung nimmt keinen Einfluss auf die Funktionsweise des Programmes oder des Roboters.
-> bei laufenden System müsste zu guter Letzt noch eine Optimierung der Parameter erfolgen, damit Taktzeit und Qualität des Produktes übereinstimmen.
Tutorial Roboter Teaching
Aufgabenstellung: Die Studenten sollen jeweils eine Seite des HSHL - Logos in den Untersetzer einschweißen.
Dazu soll mit dem Heißluftlötkolben entlang der Kontur verfahren. Die einzelnen Eckpunkte die in dem Handout beschrieben sind, dienen Ihnen dabei als Orientierung. Das dazugehörige Handout ist in Abbildung 14 ersichtlich.
Präsentation zum Download:Datei:Abschlusspräsentation Station Schweißen.pptx
Ziele des Tutorial:
• Vermittlung von Wissen im Themengebiet Robotik
• Teachen eines Roboters via Hand Bedienung
• Verständnis für die notwendigen Schritte zum Teachen des Roboters
• Kennenlernen der Bestandteile der Station
Lessons Learned
Wissen aus den folgenden Themen wurden vermittelt:
- Umgang mit Automatisierungssystemen
- Robotik und Sensorik
- vertiefter Umgang mit SolidWorks
- Grundwissen in den Umgang mit dem Melfa RV-2AJ
- Arbeiten in einem Projektumfeld
- Kommunikation im Team
- Wichtigkeit des Aspektes Zeit in einem Projekt
- Vorgehen bei Problemstellungen und Ungewissem
- ↑ https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Ampel-Demonstrator/ V-Modell Projekt Ampeldemonstrator