Servopress 101:een basishandleiding

Industriële automatisering kan magie lijken, vooral wanneer het wordt gebruikt bij assemblagewerkzaamheden. Leer wat u moet weten over de basisprincipes om u te helpen bij uw volgende automatiseringsproject.

Servomechanismen vormen de kern van de automatisering van de 21e eeuw. De basiselementen zijn een servomotor; een apparaat om roterende beweging om te zetten in lineaire beweging; een reeks sensoren om de vereiste feedback te geven; een controller om feedbackgegevens om te zetten in commandosignalen; en inschakelen van software. Dit is de "magie" van snelle, nauwkeurige montagewerkzaamheden. Met de vooruitgang van de 21e eeuw in hun basiscomponenten, zijn servopersen een baanbrekende technologie.

Ze zijn niet alleen snel en nauwkeurig, ze zijn ook groot geworden. In de metaalvorm- en stempelindustrie zijn servopersen beschikbaar met capaciteiten tot 5.000 ton (4.536 metrische ton) en grotere eenheden zijn in ontwikkeling. Deze persen veranderen de manier waarop gebruikers het procesontwerp benaderen door ingenieurs nauwkeurige controle te geven over kracht, snelheid en positie in realtime gedurende een hele slag van een proces.

Dertig jaar geleden combineerden pioniers in de industrie een precisie-kogelomloopspindel met een servomotor, roterende encoder en load cell om de eerste Electro-Mechanical Assembly Press (EMAP) te produceren die speciaal is ontworpen voor assemblagewerkzaamheden.

Succesvolle early adopters

Early adopters ontdekten dat de mogelijkheid om procesparameters te meten tijdens de montage hen in staat stelde om letterlijk producten te "klonen" door de kracht/positie "handtekening" van elke bewerking te vergelijken met die van een bekende goede cyclus en de persparameters in realtime aan te passen om deze te dupliceren. Dat basisconcept is gebruikt in honderden verschillende assemblagetoepassingen, van eenvoudig klinken tot installatie van hoogwaardige elektronica. Hier zijn een paar voorbeelden.
Universele verbinding:Een cardan-type kruiskoppeling heeft een middenkruis of "spin" die is bevestigd aan een paar U-vormige armen door een lagerkom door een gat in de arm te drukken om een ​​machinaal bewerkt journaal op de "spin" vast te leggen. Eenmaal gemonteerd, worden de lagercups aan de arm vastgezet om ze op hun plaats te houden.

De uitdaging is om de spin gecentreerd in de arm te houden terwijl de lagercups worden ingedrukt en uitgezet. Dit wordt bereikt met een paar EMAP's die zijn gesynchroniseerd om dezelfde kracht uit te oefenen op elke lagerkom terwijl deze wordt ingebracht. Zodra de cups op hun plaats zitten, wordt de spin precies gecentreerd en voeren de EMAP's tegelijkertijd de uitzetbewerking uit. Omdat er gelijke kracht wordt uitgeoefend op de tegenoverliggende poten van de spin, blijft deze gecentreerd en is het resultaat elke keer een goede montage.

Deze applicatie werkt omdat de EMAP's tijdens de operatie worden bewaakt en realtime door de besturing worden aangepast op kracht en positie. Gegevens van het hele proces kunnen worden vastgelegd en opgeslagen voor kwaliteitsborging, waardoor elke assemblage 100 procent traceerbaar is. Die gegevens zijn ook nuttig voor het identificeren en corrigeren van afwijkingen in de onderdelen die worden geassembleerd, wat de kwaliteit van de hele supply chain en het assemblageproces verbetert.

Medische katheterassemblage:De kritieke operatie is een krimpproces waarbij een metalen buis met een kleine diameter wordt bevestigd aan een grotere buis die aan het flexibele deel van de katheter is bevestigd. Als de krimp niet perfect is, zal hij ofwel uit elkaar vallen als er aan wordt getrokken of hij zal de buis volledig afsluiten, waardoor de katheter onbruikbaar wordt. Het consequent krimpen van een kleine metalen buis tot een die maar iets groter is, bleek een enorme uitdaging te zijn.

De sleutel tot het behoud van een constante kwaliteit bij het krimpen van de katheter was het gelijktijdig bewaken van zowel de hoeveelheid kracht die werd uitgeoefend als de exacte positie van het krimpgereedschap. Nadat beide parameters van een bekende goede operatie waren vastgelegd, werd de 'handtekening' van de kracht/positie gebruikt als maatstaf om daaropvolgende operaties te meten.

Een op EMAP gebaseerd krimpstation, compleet met externe positietransducers, wordt gebruikt om de krimpbewerking op de katheters uit te voeren. De EMAP biedt herhaalbare krimpkracht en de transducers bewaken het gereedschap om ervoor te zorgen dat de krimp niet te ondiep of te diep is. Het resultaat is een 100 procent inspanningstestcertificering voor elke geproduceerde katheter en de virtuele eliminatie van krimpfouten in het veld.

Geklonken kogelgewrichtconstructie:kogelgewrichtconstructies voor auto's zijn veiligheidskritieke componenten die doorgaans met klinknagels aan de bovenste en onderste draagarmen worden bevestigd. Er zijn drie mogelijke faalwijzen:1) een klinknagel kan te lang of te kort zijn, 2) een klinknagel kan te hard of te zacht zijn en 3) een klinknagel kan geheel ontbreken. Omdat de montage van cruciaal belang is voor de veiligheid, wordt traditioneel een 100% inspectie na het klinken uitgevoerd.

Het gebruik van een op EMAP gebaseerd systeem in plaats van een traditionele hydraulische pers elimineert de 100 procent inspectievereiste door het proces te bewaken terwijl het wordt uitgevoerd en de "handtekening" te vergelijken met een bekende goede bewerking. Drie individuele loadcellen zijn in het gereedschap gemonteerd om onafhankelijk de kracht te meten die op elke klinknagel wordt uitgeoefend, terwijl een transducer met één positie de reisafstand van de ram meet. Klinknagels die te hard of zacht zijn, of te kort of lang, zullen een duidelijke verandering in de signatuur veroorzaken, evenals details die buiten de tolerantie vallen, zoals gatdiameters.

Het systeem biedt:lange, korte, harde, zachte en/of ontbrekende klinknageldetectie; 100 procent certificering van elke assemblage; ingebouwde data-acquisitie; en een record van kracht- en positiegegevens voor elk geproduceerd onderdeel - allemaal in realtime tijdens de procescyclus. De resultaten zijn consistent, nauwkeurig en traceerbaar, wat betekent dat inspecties na het proces van elk onderdeel niet langer nodig zijn om de kwaliteit te waarborgen.

Verder gaan dan de basis

Het duurde niet lang voordat de early adopters zich realiseerden dat de gedetailleerde procesgegevens die door een op EMAP gebaseerd systeem werden gegenereerd, veel meer hadden dan alleen het vergelijken van 'handtekeningen' en 'klonen'-assembly's. EMAP-leveranciers waren ook bezig met het verbeteren van zowel hardware- als softwaremogelijkheden om meer geavanceerde applicaties te ondersteunen.

Een van de eerste toepassingen die van deze vooruitgang profiteerden, was de assemblage van regelarmen voor auto's, een product dat geometrische precisie vereist om een ​​goede functie te bereiken, maar dat toch is gemaakt van componenten die niet economisch kunnen worden geproduceerd met zeer nauwe toleranties. De draagarm is gemaakt van zwaar gestanst of gegoten met rubber omhulde bussen die op hun plaats zijn gedrukt - duidelijk geen kandidaat voor extreme dimensionale precisie.

Wat auto-ingenieurs doorgaans doen, is de geometrie definiëren die nodig is voor de assemblage en het gedeelte "hoe te bereiken" aan de leverancier overlaten. Leveranciers noemen dit een "fantoom"-dimensie, en het is vrij gebruikelijk in verschillende industrieën.

De conventionele benadering om aan de specificatie voor een "fantoom"-dimensie te voldoen, is om nauwkeurige gereedschappen en opspanningen te bouwen en deze vervolgens continu aan te passen om te kunnen omgaan met constante, onvoorspelbare variaties in de onderdelen. Andere leveranciers kiezen ervoor om te "persen en hopen", vervolgens "meten en sorteren" en accepteren de kosten voor schroot en herbewerking. Om deze uitdaging aan te gaan met een op EMAP gebaseerd systeem, is geavanceerde software nodig om extra sensoren te verwerken buiten de loadcellen die in de pers zijn geïntegreerd. De montage gebeurt met twee EMAP's en twee digitale sondes. Deze sondes zijn nodig omdat de veerkrachtige bussen tijdens de installatie buigen, waardoor het moeilijk is om hun exacte locatie te weten. De sondes compenseren ook de doorbuiging van de machine en de loadcel.

Om de bedieningsarm te monteren, worden de bussen naar een beginpositie gedrukt, wordt de kracht verwijderd en wordt de locatie gemeten door de digitale sondes. Eén bus wordt geperst tot een afmeting die relatief is ten opzichte van het kogelgewricht. De sonde meet de positie en stuurt de informatie terug naar de controller, die de pers vertelt hoeveel verder moet worden ingedrukt. Deze volgorde wordt herhaald totdat de bus op zijn plaats zit. De andere bus gebruikt dezelfde installatievolgorde maar wordt op een afmeting geperst ten opzichte van de eerste bus. Dit is de "fantoom"-dimensie en het systeem kan deze efficiënt en herhaalbaar bereiken, ongeacht variaties in de bedieningsarm en/of bussen.

Het zojuist beschreven systeem verbetert de functionele kwaliteit van de bedieningsarm die het assembleert aanzienlijk zonder verandering in de dimensionale specificaties van de onderdelen. Het is zelfs heel goed mogelijk dat de toleranties op die onderdelen kunnen worden versoepeld om de productiekosten te verlagen zonder dat dit gevolgen heeft voor de functionele kwaliteit van het eindproduct. Functie is de maatstaf voor kwaliteit van de consument, en met het soort intelligente assemblage die door het controlearmsysteem is ontwikkeld, kan dit ook die van de fabrikant zijn.

Een volwassen technologie

Naarmate intelligente assemblagetoepassingen zich vermenigvuldigen, nemen ook de hardware- en softwaresystemen toe die nodig zijn om ze mogelijk te maken. Tegenwoordig zijn EMAP's verkrijgbaar met krachtuitgangen van 0,2 kN tot 500 kN en kunnen ze worden uitgerust met een breed scala aan integrale en externe sensoren. Ze zijn beschikbaar als losse componenten voor systeembouwers, H-frame persen en flexibele stand-alone werkstations voor eindgebruikers.

Innovatieve ingenieurs hebben EMAP's licht genoeg gemaakt om te worden gebruikt als robot-eindeffectoren en er zijn zelfs handmatige modellen beschikbaar. Beide producten zijn bedoeld voor toepassingen waarbij de pers naar het onderdeel wordt gebracht, waardoor de reactiekracht van de pershandeling niet kan worden overgedragen op de robot of menselijke operator.

Een door Promess ontwikkelde oplossing voor robottoepassingen is de Robot Press, die een geïntegreerde achteraanslag bevat. Tijdens bedrijf wordt de pers door de robot op het onderdeel gepositioneerd en wordt de tooling ingeschakeld. De robot gaat dan in free float op twee assen om de positie vast te houden terwijl hij in de derde as beweegt om de beweging van de pers mogelijk te maken totdat de pers de geïntegreerde achteraanslag bereikt. Persbewegingen zijn volledig programmeerbaar en de persen kunnen worden uitgerust met kracht- en positiesensoren om intelligente montagehandelingen te ondersteunen.

Lineaire EMAP/Rotary Actuator Combo

Een andere trend is de combinatie van een lineaire EMAP met een roterende actuator om het functioneel testen tijdens de montage te vergemakkelijken. Een motorkapvergrendeling wordt bijvoorbeeld geassembleerd met een klinknagel met behulp van een EMAP. Terwijl de klinknagel wordt gehamerd, wordt de grendel bediend en wordt de vereiste kracht continu gemeten totdat deze een bepaald niveau bereikt, waarna het proces wordt gestopt. Het proces produceert grendels met uniforme bedieningskracht, ongeacht variaties in klinknagels of stempels. Vergelijkbare systemen worden gebruikt om autostoelvergrendelingen, tangen te monteren en zelfs om de speling van de versnellingen onder belasting in differentiëlen van auto's te controleren.

Al deze toepassingen zijn afhankelijk van geavanceerde controllers en software om meerdere gegevensinvoer in realtime te verwerken en te integreren en de nodige servocommando's te genereren. Er zijn nu bedieningselementen beschikbaar met de mogelijkheid om meerdere EMAP's te synchroniseren die de hoeken van een degelpers aandrijven, zodat elk de kracht genereert die nodig is om de degels parallel te houden, ook al is de belasting niet uniform.

Besturingssoftware is samen met hardware geëvolueerd en de systemen van vandaag zijn veel gemakkelijker te programmeren dan hun voorgangers van zelfs maar een paar jaar geleden. Leveranciers hebben veel tijd en talent geïnvesteerd in systemen die het proces vereenvoudigen tot het punt waarop professionele regeltechnici vaak niet nodig zijn.

Naarmate de EMAP-technologie volwassen is geworden, zijn de concepten van intelligente assemblage en assemblage naar een functionele specificatie in plaats van een dimensionale, steeds praktischer geworden in een breed scala van industrieën. Volwassenheid betekent echter geen stagnatie. De technologie blijft groeien door echt innovatieve oplossingen mogelijk te maken voor uitdagingen waar fabrikanten al tientallen jaren en in sommige gevallen eeuwen mee te kampen hebben.