Europas första robotiserade monteringsbana för cylinderhuvuden av multiventiltyp Bilindustrin har alltid varit en föregångare då det gäller processautomation. Detta visar sig även inom monteringsområdet. ABB Flexible Automation GmbH i tyska Butzbach har utvecklat ett avancerat system för montering av komplexa bildelar. Armtyprobotar spelar en avgörande roll i sammanhanget. Som ett konkret exempel kan nämnas den anläggning som ABB har byggt för Audi i ungerska Györ-Europas första robotiserade monteringsbana för cylinderhuvuden av multiventiltyp. F öränderliga krav från marknaden tvingar biltillverkarna att lansera nya modeller med allt kortare mellanrum. Bilfabrikerna måste bli allt snabbare och allt mer flexibla. Samtidigt är det nödvändigt att minska investerings- och produktionskostnaderna, liksom att höja produkternas kvalitet och anläggningarnas tillgänglighet. Allt detta mynnar ut i högt ställda krav på anläggningsleverantören. ABB Flexible Automation GmbH möter utmaningen med avancerade koncept för montering av komplexa bildelar som motorer, cylinderhuvuden och axlar. Den huvudsakliga skillnaden gentemot tidigare lösningar är den omfattande användningen av robotar i monteringsarbetet. Hittills har robotar vanligen ansetts mindre lämpade för uppgifter av denna typ. De har inte heller erbjudit några entydiga fördelar vad produktionskostnaderna beträffar. De anläggningar som ABB nu levererat bevisar emellertid med all önskad tydlighet att så inte behöver vara fallet. Men hemligheten bakom framgångarna är inte bara användningen av robotar. Ökad robotanvändning och integration av andra moderna automationskomponenter, som programmerbara styrsystem, tillverkningsstyrsystem, modulära transportsystem för arbetsstycken och mikroprocessorstyrda drivsystem, liksom det allra senaste inom mätning och provning har medfört helt nya systemlösningar. De förstärker de fördelar som robotar i sig själva erbjuder, nämligen högre kapacitet och flexibilitet i kombination med lägre kostnader. Robotteknikens utveckling Att använda robotar för automatisk montering har blivit möjligt tack vare den snabba utvecklingen på robotområdet under senare år. Dagens robotar är inte bara ca Gerhard Simonis ABB Flexible Automation GmbH 40% snabbare än sina föregångare. De har samtidigt fått ökad lastkapacitet (+50%) och större räckvidd (+20%, tabell 1). Vidare har noggrannheten förbättrats på ett avgörande sätt, till den grad som gör det realistiskt att utnyttja robotar även vid montering. Faktum är att robotanvändning i dag förespråkas med just kvalitetsargument. Robotarnas tillgänglighet har förbättrats under årens lopp och ligger i dag nära 100%. Detta förhållande ger anläggningen som helhet hög tillgänglighet-en avgörande konkurrensfaktor tex för tillverkare med treskiftsdrift. Förutom den tekniska utvecklingen är det framför allt priserna på robotar, vilka har minskat med över 50% sedan 1985, som har möjliggjort teknikens genombrott på monteringsområdet. Bakom de lägre priserna ligger minskat antal komponenter, effektivare processer hos robottillverkarna och stordriftfördelar. Den robotiserade monteringsbanan för cylinderhuvuden hos Audi i Györ ABB Flexible Automation GmbH i tyska Langenfeld har byggt Europas första robotiserade monteringsbana för cylinderhuvuden av multiventiltyp. Kund är Audi Hungaria Kft i Györ. Tiden från projektering till driftsättning av den flexibla anläggningen uppgick inte till mer än ett halvår. På den nya monteringsbanan, som togs i drift 1994, tillverkar Audi cylinderhuvuden av multiventiltyp i en mängd varianter 1 för såväl raka 4-cylindriga motorer som för V6:or. Motorerna används i Audis modeller A4 och A6 (tabell 2). Inom ramen för en given motorfamilj kan monteringsbanan på ett enkelt sätt anpassas till nya varianter. Monteringsbanan har projekterats som ett Simultaneous Engineering -projekt i nära samarbete med kunden. Moderna projekteringsverktyg har utnyttjats, som simuleringsprogram och försöksinstallationer. Redan under projekteringen an- 28 ABB Tidning 8/1996
Cylinderhuvud av multiventiltyp under montering på den robotiserade monteringsbanan i ungerska Györ 1 passades cylinderhuvudenas komponenter för montering med hög automationsgrad. Resultatet är en monteringsbana som är optimalt anpassad till modern cylinderhuvudteknik 2. Genom en kombination av konventionella, manuella och robotiserade monteringsstationer kan kundernas höga kvalitetskrav uppfyllas. Anläggningskonceptet tillåter vidare korta planerings-, genomförande- och driftsättningstider, utan att därmed inkräkta på flexibilitet och tillgänglighet. Cylinderhuvudfabriken i Györ räknas i dag till en av de modernaste i världen. I det första utbyggnadsstadiet är den dimensionerad för tillverkning av 320 000 enheter per år, med en cykeltid på 40 s. Möjlighet finns att öka kapaciteten till 500 000 cylinderhuvuden med en cykeltid på 23 s. En sådan expansion skulle inte medföra några stora kostnader för användaren eftersom den innefattades vid den ursprungliga planeringen. Den 50 m långa och 10 m breda monteringsbanan kan byggas om till högre kapacitet utan att något ytterligare utrymme behöver tas i anspråk. Tabell 1: Robotteknikens utveckling från 1985 till 1995 Bärförmåga + 50 % Hastighet + 40 % Räckvidd + 20 % Pris mer än 50% lägre Minskning av komponentantal från 100 till 35 st Tillgänglighet från 5000 till 40 000 h MTBF *) *) Mean Time Between Failures (medeltid mellan fel) Tabell 2: Data om cylinderhuvuden Motorkonstruktion Slagvolym Motortyp Ventilantal Rak 4-cylindrig 1,8 l Självsugande 20 Turboladdad V6-cylinder 2,8 l Självsugande Vänster och höger cylinderhuvud med vardera 15 ventiler Universell användning av robotar I fabriken i Györ används för närvarande sex robotstationer för olika monteringsuppgifter med höga kvalitetskrav. Vissa av robotarna används för flera monteringsoperationer. Bland de robotiserade operationerna kan nämnas förslutning av kylkanaler samt montering av ventilskafttätningar, ventiler och ventillås i cylinderhuvudena. Även monteringen av ventiltryckare och axeltätningar är robotiserad. Robotar används dessutom för andra moment än den egentliga monteringen, som t ex kontroll av förslutningarnas täthet, kontroll av att ventillås och tätningsfjädrar är korrekt monterade liksom att de hydrauliska ventiltryckarna är fyllda med olja. Icke godkända enheter sorteras ut av robotarna ( 3 till 8 ). ABB Tidning 8/1996 29
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 A 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 Uppbyggnad av den robotiserade högflexibla monteringsbanan för cylinderhuvuden av multiventiltyp 2 Grön Manuella arbetsplatser 8 Vändning 180 av cylinderhuvudet Röd Montering med ABB-robotar och konventionella 9 Montering av toppbrickor och ventilfjädrar automater 10 Identisk med station 11, för utbyggnad av anläggningen A In- och utmatning till en cykeltid på 23 s 11 Montering av ventillås, laserkontroll Arbetsförlopp 12 Kontrollstation, inoljning av hål för ventiltryckare 1 Montering av förslutningar, borrning, applicering av tätningsmedel 13 Montering av ventiltryckare inpressning av förslutningar, täthetsprovning 14 Identisk med station 13, för utbyggnad av anläggningen 2 Lossning av lagerkåpor och placering på hållaren till en cykeltid på 23 s 3 Inoljning av ventilskafttätningar, 15 Montering av kamaxel kontroll och montering 16 Applicering av tätningsmedel, inoljning av lagerytor 4 Identisk med station 3, för utbyggnad av anläggningen 17 Montering och fixering av lagerkåpor till kamaxel till en cykeltid på 23 s (vridmoment/vridningsvinkel) 5 Vändning 180 av cylinderhuvudet 18 Vridning av kamaxel till övre dödläge 6 Identisk med station 7, för utbyggnad av anläggningen 19 Montering av tätningsring och förslutning till en cykeltid på 23 s 20 Montering av hallgivare 7 Ventilmontering 21 Kontroll och avlyftning av cylinderhuvud Automatiserad montering av förslutningar 3 En ABB-robot hanterar kylkanalförslutningen och monterar den i cylinderhuvudet. Det av roboten doserade tätningsmedlet sprutas in i cylinderhuvudets hål. Därefter pressas förslutningens hydro-pneumatiska cylinder in samtidigt som trycket övervakas. Slutligen kontrollerar roboten förslutningens täthet. Montering av ventilskafttätningar I fem cykler monterar en robot fyra ventilskafttätningar i taget i cylinderhuvudet. Varje detaljdorn på robotverktyget är utrustat med begränsare för minimal och maximal inpressningskraft. Samtidigt med monteringen kontrollerar roboten att tätningsfjädern sitter på plats. 4 30 ABB Tidning 8/1996
Ventilmontering En robot monterar fyra ventiler i taget. Två palettmagasin matar fram de olika in- och utloppsventilerna. Roboten lyfter ventilerna från magasinet, riktar upp dem till exakt position och för in dem i sina styrningar som har ett spel på endast åtta 5 Montering av ventillås Efter att ventilfjädrar och toppbrickor har monterats vid en manuell station tar en robot över och monterar fyra ventillåspar (knaster) i taget. Roboten är utrustad med cylindrar som trycker samman hundradels millimeter. Ett kamerasystem kontrollerar att rätt typ av ventil har monterats. ventilfjädern för varje ventillåspar. Samtidigt kontrolleras att ventillåsen sitter på plats. 6 Förutom robotstationerna använder Audi sex konventionella automatstationer i monteringsbanan. Dessa sköter en mängd olika uppgifter, som t ex att lossa kamaxlarnas lagerkåpor, vända cylinderhuvudena, kontrollera komponenter från underleverantörer och skruva fast lagerkåpor 9. Det är här frågan om mycket omfattande operationer som det är mera Montering av ventiltryckare De skilda diametrarna hos ventillyftarna för in- och utloppsventilerna utgör inget problem för roboten. Ett speciellt rörelseschema för roboten gör det möjligt att samtidigt montera fyra ventiltryckare i respektive hål med ett spel på endast sex hundradels millimeter. 7 Montering av axeltätningsringar En robot monterar två axeltätningsringar och en förslutning på olika platser i cylinderhuvudet. Felaktiga komponenter sorteras samtidigt ut. 8 ABB Tidning 8/1996 31
kostnadseffektivt att lösa med konventionell teknik än med robotar. Vid realiseringen av anläggningen var siktet inställt på en ändamålsenlig kombination av robotiserade stationer, konventionella stationer och manuella stationer, i syfte att göra monteringsarbetet som helhet så ekonomiskt som möjligt. Vissa operationer har inte automatiserats. Bland dessa kan nämnas av- och pålyftning av cylinderhuvudena, montering av ventilfjädrar och toppbrickor, iläggning av kamaxlar, montering av hallgivare samt kontroll av kamaxlarnas friktionsmoment. Dessa moment utförs för närvarande effektivare manuellt 10, men kan naturligtvis automatiseras i ett senare skede. Speciella aspekter på monteringsbanan Anläggningen är konstruerad med flexibilitet som ett av huvudkraven och kan på ett enkelt sätt anpassas till andra krav. Monteringsbanan kan enkelt byggas ut med fler funktioner och kännetecknas dessutom av en rad speciella egenska- per: användaren kan utan tidsödande omställningar tillverka tre eller fyra varianter av cylinderhuvuden, med seriestorlek ner till 1 st. ABB har valt den slanka linjen, dvs avstått från omfattande och ofta onödiga funktioner för att slussa ut produkter till justering. Monteringsprocessen kontrolleras direkt on line, och icke godkända produkter och felaktigheter rapporteras och elimineras omgående. Anläggningen som helhet styrs av två programmerbara styrsystem med var sin centralt placerad manöverterminal. Härifrån kan anläggningen övervakas och påverkas. Det ena av de båda styrsystemen administrerar även tillverkningsuppdragen, håller reda på antalet produkter i arbete liksom för statistik över godkända/icke godkända produkter. Den centrala styrningen innebär att skrymmande elektronikskåp ute vid monteringsbanan har eliminerats. Dataöverföringen sköts av en systembuss av typ Phoenix Interbus-S, varför kabeldragningen mellan anläggningens olika delar inskränker sig till ett minimum. Detta minskar samtidigt både tiden och kostnaden för installationsarbetet. Effektivt transportsystem från ABB Transporten av de 15 kg tunga cylinderhuvudena från station till station sköts av ett robust modulärt transportsystem från ABB 11. Systemet har kapacitet att transportera paletter inklusive cylinderhuvuden med totalvikt upp till 30 kg. Transportsystemet är konstruerat utifrån moderna ergonomiska principer för manuella insatser, vilket bland annat innebär att alla komponenter sitter lätt tillgängliga och kan monteras och demonteras ovanifrån. Transportsystemet utmärks vidare av följande egenskaper: Hög tillgänglighet God ergonomi och hög säkerhet Bra pris-/prestandaförhållande Säker transport av palett för arbetsstycken Litet behov av reservdelshållning Lågt underhållsbehov Låg ljudnivå Varje palett för cylinderhuvuden är utrustad med en mobil databärare som förutom produktionsdata innehåller information om det aktuella cylinderhuvudet Positionering och fixering av lagerkåpor Vid en konventionell automatstation lyfter en griparplatta kamaxelns lagerkåpa och positionerar den över kamaxeln. Därefter skruvas lagerkåpan fast samtidigt som kamaxeln trycks ner. 9 Manuell montering av gängade pinnar 10 32 ABB Tidning 8/1996
Modulärt uppbyggt transportsystem för de 15 kg tunga cylinderhuvudena 11 a Tvärsnitt genom transportsystemet b Transportsystem med hållare för arbetsstycken och om monteringsförloppet. Läsarna av dessa databärare är integrerade i transportörens stativ. Samtliga stationer är lätt åtkomliga för underhåll och reparation. Inklädningen av transparent slagtålig karbonatplast ger samtidigt fri sikt över alla viktiga anläggningsdelar och över monteringsprocessen. Enkelt underhåll I stället för vanliga skyddsgaller används ett nytt patenterat personskyddskoncept: de rörliga delarna är skyddade med transparent slagtålig karbonatplast som ger fri sikt över anläggningdelarna och tillåter operatörerna att följa monteringsarbetet i detalj. Skydden kan lätt avlägsnas vid behov. Även robotarnas arbetsytor har mobila transparenta skyddsanordningar. Såväl automat- som robotstationer är lätt åtkomliga för reparation och underhåll 12. Anläggningens allt inom bilindustrin. Robotarna lämpar öppna koncept tillåter snabbt och enkelt sig väl i komplexa automationssystem i underhåll. Reparationer och service kan sammanhang då utrymmet för projekteringstid är litet. Bland fördelarna är alltså utföras under pågående produktion. Eventuella problem i monteringsprocessen kan lösas direkt på plats eftersom för driftpersonalen och kort installations- enkel projektering, lågt utbildningsbehov alla maskiner är åtkomliga via skjut- och och driftsättningstid. ABBs industrirobotar svängdörrar. Om en station måste stoppas för reparation under längre tid kan som är till stor hjälp i Simultaneous Engi- är påfallande anpassbara, ett förhållande cylinderhuvudena slussas över till en neering -projekt, eftersom ändrade produktionskrav kan beaktas sent i projekte- stand-by-arbetsplats. ringsarbetet. Vanligtvis fordras inga mekaniska ombyggnader utan bara ändringar i Fördelar med industrirobotar robotarnas styrprogram. Roboten som Under senare år har ABBs sexaxliga multifunktionsrobotar slagit igenom som det visar i dag en tillgänglighet på nära 100%. standardiserat automationsverktyg upp- idealiska automationsverktyget framför Detta innebär också hög tillgänglighet för anläggningen som helhet. Ytterligare fördelar med flexibla hanteringsautomater är 12 den låga kostnaden för service och underhåll, liksom det ringa behovet av reservdelshållning. I de flesta fall är det billigare att välja en industrirobot än att konstruera en speciallösning. Med ca 50 000 installerade enheter är ABB världens ledande leverantör av industrirobotar. Bara under 1995 installerade ABB ca 7200 robotar över hela världen. Författarens adress Gerhard Simonis ABB Flexible Automation GmbH Postfach 1105 D-40736 Langenfeld Fax: +49 (0) 2173 7901 199 ABB Tidning 8/1996 33