Första nyckelfärdiga leveransen av robotiserade monteringslinjer för bilmotorer och cylinderhuvuden De robotiserade monteringslinjerna för cylinderhuvuden och motorer vid Opelfabriken i tyska Kaiserslautern är de mest avancerade i sitt slag i världen. Monteringslinjerna har konstruerats och levererats nyckelfärdiga av ABB. Projektet har satt nya standarder för logistik, golvytekrav, ekonomi och produktivitet. Nollfelsproduktion hade maximal prioritet under planering och genomförande av monteringslinjeprojektet. Målen nåddes genom att kombinera robotceller, specialmaskiner och manuella arbetsstationer för att optimera anläggningskonfigurationen och få god ekonomi i systemet. I slutet av 1996 driftsatte Opel världens mest avancerade monteringslinjer för motorer och cylinderhuvuden vid sin fabrik i Kaiserslautern. De båda högt automatiserade produktionslinjerna täcker en total golvyta på 7000 m 2 och är utrustade med 32 ABB-robotar. Här monteras motorblock och cylinderhuvuden för 16-ventils Ecotec-dieselmotorer med en takt av en motor per 48 sekunder 1. Ungefär 270 000 enheter lämnar de precisionsstyrda monteringslinjerna varje år. ABB är världens första leverantör som har kunnat åstadkomma en så komplex monteringslinje för en biltillverkare i form av ett nyckelfärdigt projekt. Totalt sett har planering och byggnad av monteringslinjerna tagit två år. Anläggningen har utvecklats och byggts av ABB Flexible Powertrain Assembly GmbH i tyska Langenfeld. Före- Dr. Walter Kimmelmann Friedrich Wolbring ABB Flexible Powertrain Assembly GmbH taget har specialistkunskap på monteringsautomation inom ABB-koncernen och inriktar sig bland annat på flexibla robotbaserade produktionslinjer för montering av drivlinekomponenter till bilar. Hittills har företagets ingenjörer byggt mer än 60 monteringslinjer med totalt över 400 robotar. De automatiserade monteringslinjerna är ritade för de enskilda biltillverkarnas specifika krav och produktionsstrategier. Även om standardiserade komponenter används baseras nästan varje projekt på ett nytt kundkoncept. Med hjälp av avancerade konstruktionsverktyg och testinstallationer och genom att samarbeta med kunderna hittar utvecklingsgruppen lösningar som optimerar produktiviteten och ekonomin i varje enskilt projekt. Nytt anläggningskoncept Den nya fabriken för cylinderhuvuden och motorer vid Opel-anläggningen i Kaiserslautern har en skräddarsydd monteringslinje. Anläggningen bygger på ett fullständigt nytt koncept som kallas Daisy Plus. Alla de automatiserade stationerna ligger längs en huvudmonteringslinje från vilken så kallade lagslingor grenas ut. På dessa slingor ligger stationerna för manuell montering, vilka bemannas av lag på 6 8 montörer. Transportörerna för slutmonteringen av motorblock och cylinderhuvuden är utförda som slutna slingor. För att spara energi och driftskostnader förekommer inga hydrauliska system i konceptet. Avancerat monteringskoncept De avancerade monteringsmetoderna håller den totala systemstorleken vid Kaiserslautern nere och reducerar drifts- och underhållskostnaderna betydligt. Huvudfördelarna är följande: Manuellt och automatiskt monteringsarbete hålls isär. Montörerna arbetar i lag istället för individuellt längs linjerna. Huvudmonteringslinjen är helautomatisk. Komponenterna levereras till stationer vid sidan om monteringslinjerna. Följden av den fjärde punkten på listan är att transportavstånden och transporttiderna minskar och mängden komponenter under transport minimeras. De betydligt kortare leveransvägarna för komponenterna minskar också kapitalkostnaderna. 24 ABB Tidning 3/1999
Monteringslinjer för motorer och cylinderhuvuden vid Opels fabrik i tyska Kaiserslautern. Anläggningen bygger på ett helt nytt automationskoncept från ABB och är en av de mest avancerade i sitt slag. 1 Robotar som prime movers Huvudkomponenterna i monteringslinjerna är 32 sexaxliga ABB-robotar av typerna IRB 3400 och IRB 6000. Samtliga robotar är utrustade med styrsystem av typ ABB S4. Styrsystemen garanterar snabb och precis rörelse, exakt banföljning, enkel drift och utmärkt anpassningsförmåga till produktionskraven. Dessutom finns 47 automatiska stationer som monterar komponenter på motorblocken och cylinderhuvudena. Ytterligare sju slingor med totalt 37 manuella arbetsstationer arbetar oberoende av de automatiska processerna, liksom vissa logistikområden. Andra viktiga detaljer är inspektions- och teststationerna, ett ergonomiskt optimerat transportsystem för arbetsstycken samt styrsystemet. Servicevänlig nollfelsproduktion Nollfelsproduktion var ett av huvudmålen som gällde för anläggningen. Precisionsarbete är en absolut nödvändighet i sammanhanget. T.ex. monterar roboten vevaxeln med en noggrannhet på 5/100 mm 2. Det eliminerar nästan helt behovet av reparations- och standby-platser. Säkerhet och servicevänlighet har hög prioritet i varje steg av monteringsprocessen. De automatiska stationerna avskärmas av höghållfasta transparenta skärmar som medger överblick över arbetet utifrån 3. Detta koncept med öppna stationer tillåter snabbt och enkelt underhåll av robotarna. Motormontering I den första stationen på motormonteringslinjen tar en robot motorblocken från komponentproduktionsområdet och fixerar dem på speciella paletter. Medan roboten arbetar med det har en centraldator redan börjat ladda motsvarande data som specificerar de följande stegen i den två timmar långa produktionsprocessen för varje motorblock. All tillverkningsinformation kodas och överförs via en läs-/skrivenhet till en elektronisk databärare som sitter på varje transportpalett. Slutförda moment i monteringsprocessen lagras också i databäraren. Informationen överförs till monteringslinjen för cylinderhuvuden så att dessa kommer i rätt ordning till huvudmonteringslinjen. ABB Tidning 3/1999 25
ABB:s industrirobotar är de centrala komponenterna i de två nya monteringslinjerna. Den höga precisionen gör dem till idealiska system för motormontering, exempelvis för placering av vevaxeln, vilket kräver en noggrannhet på 5/100 mm. 2 Konceptet med öppna stationer i anläggningen tillåter underhåll, felsökning och reparation utan att produktionen behöver avbrytas. Flyttbara transparenta skyddsskärmar skyddar montörerna från robotarna. 3 Lagslingor Lagslingor användes för första gången på motormonteringslinjerna i Kaiserslautern. Inom varje sådan slinga monterar 6 8 personer olika komponenter på motorerna vid totalt 37 manuella arbetsstationer 4. Samtliga lagslingor är direkt anslutna till huvudmonteringslinjen via överföringsstationen. I överföringsstationerna placeras transportpaletterna från huvudlinjen på speciella paletter som sedan transporteras förbi de olika arbetsstationera på en ergonomiskt optimal höjd mellan 300 och 800 mm och med en konstant hastighet mellan 1 och 3 m/min 5. Risken för monteringsfel har prak- tiskt taget eliminerats från lagslingorna genom en kombination av mycket kompetent personal och höggradigt standardiserade arbetsmoment. För att montörerna ska ta rätt komponenter från hyllorna används fotoceller. Ett visuellt och akustiskt larm utlöses om någon skulle ta fel komponent. En typisk operation är montering av huvudlagerskålarna. Motorblocket och vevaxeln tillverkas med viss tolerans, vilket kompenseras med hjälp av lagerskålar av varierande dimension. Rätt lagerskåldimension för ett visst motorblock markeras på transportpaletten och läses in av processtyrsystemet när enheten går in i gruppslingan. Ljussignaler i slingan talar om för montörerna vilka lagerskålar som ska användas, och en fotocellanordning övervakar att montören tar rätt lagerskål från hyllan. Robotar monterar bränslepumpen Två ABB-robotar i samma tillverkningscell ansvarar för att montera bränslepumpen på motorn 6. Den ena roboten ger pumpen till den andra roboten som skruvar fast den på motorblocket. Även metoden för att sätta in de 16 inoch utloppspinnskruvarna är speciell: mutterspindlarna sätts in med hjälp av robotar som positionerar ett matnings- 26 ABB Tidning 3/1999
De manuella arbetsstationerna ligger inom så kallade lagslingor, vilka fungerar oberoende av huvudmonteringslinjen. Kontrollanordningar hjälper montörerna i de standardiserade arbetsrutinerna. 4 Kopplingsstationer överför de delvis monterade enheterna till lagslingorna på speciella paletter. Stationerna är konstruerade enligt gällande ergonomiska principer. 5 huvud, varefter skruvarna blåses in i sina respektive chuckar. Genom att använda ett enda matningshuvud för blåsoperation minskar monterings- (och demonterings-) kostnaderna kraftigt. Svänghjul och kopplingar monteras också helautomatiskt 7. Montering av cylinderhuvud Den helautomatiska monteringen av cylinderhuvudet sker i 21 stationer. Komplexa operationer, som montering av kamaxel och insprutningsmunstycken eller placering av ventiler och ventillyftarna, utförs också av robotar 8. Hela monteringslinjen övervakas endast av tre montörer. De har till uppgift att fylla plockställen med komponenter och sköta de fyra reparationsplatserna. Monteringsområdet för cylinderhuvuden är det enda i hela systemet där det finns reparationsplatser och temporära buffertar. Exempelvis finns en reparationsplats efter monteringen av ventillåsen, och en slinga med plats för fem paletter med defekta arbetsstycken är Två robotar monterar insprutningspumparna en spektakulär robotcell vid Opel-anläggningen i Kaiserslautern. 6 Helautomatisk station som svänghjulet är monterat i 7 ABB Tidning 3/1999 27
ABB Flexible Powertrain GmbH i tyska Langenfeld har patenterat flera komplexa automatiska operationer, bland annat monteringen av ventillås. 8 Robotar parar motorblocken och cylinderhuvudena som anländer från sina respektive monteringslinjer. 9 placerad efter testning av läckaget. En temporär buffert har lagts till, med plats för upp till 30 arbetsstycken (fem olika typer av cylinderhuvuden kan för närvarande monteras). Dessa arbetsstycken kan vid behov hämtas från bufferten och sättas in där de behövs för att garantera korrekt monteringssekvens för motorerna. De färdigmonterade cylinderhuvudena transporteras därefter till en station där robotar parar dem med motsvarande motorblock 9. Synkroniserad drift av monteringslinjerna De olika produktvarianterna och den synkroniserade sekventiella monteringen av motorblocken och cylinderhuvudena ställer höga krav på processtyrningen. Styrsystemet som synkroniserar och styr samtliga monteringsoperationer är i stort sett standardiserat och bygger på ett decentraliserat modulärt koncept. Detta garanterar hög grad av användarvänlighet och flexibilitet i systemet. Andra bidragande faktorer är de standardiserade manöverpanelerna i de automatiska stationerna 10 och det modulära transportsystemet i golvnivå 11. Kvalitetssäkring Högsta kvalitet garanteras dels av de extremt precisa robotcellerna, dels av teststationer utrustade med lasersystem som är integrerade i monteringslinjerna. Exempelvis finns en datorstyrd teststation som kontrollerar om motorernas olje- eller kylvattensystem läcker. Vid en annan station varvas enheterna upp till 1000 r/min och driften kontrolleras noggrant. Detta kalltest avslöjar felaktiga enheter och märker dem för borttagning från monteringslinjen för reparation. Dessutom måste varje färdigmonterad enhet genomgå ett 8 minuter långt inkörningsprov. Egenskaper för avancerade automationskoncept inom bilindustrin Bilindustrin började relativt tidigt installera robotar i karosseri- och målningsverkstäderna. Trots detta förutseende användes länge dyrbara specialbyggda maskiner för motormontering. Det var inte förrän marknadsförhållandena började förändras och det blev hög tid att sänka kostnaderna som biltillverkarna också började använda robotar för slutmontering. Fördelarna med avseende på kostnad, kvalitet och flexibilitet uppväger mer än väl de initialt högre anläggningskostnaderna. Idag investerar bilindustrin varje år ungefär USD 300 miljoner i automatiska monteringslinjer för drivlinor. Denna attitydförändring drivs på av marknaden. Industrin kommer ut med nya bilmodeller med allt kortare intervall samtidigt som stora resurser satsas på att minska såväl kapital- som produktionskostnader. För närvarande producerar Opel omkring 60 motorvarianter i sin produktmix. Det förekommer serier så korta som 1 st. Inom överskådlig tid förväntas produktbredden öka till 150 varianter. Mot denna bakgrund är fördelarna med datorstyrda maskiner uppenbara. Dessa maskiner kan lätt anpassas till nya krav och de ökar också livslängden och tillgängligheten för anläggningens övriga utrustning. Precisionsmontering Flexibel produktion med hög precision och effektiva monteringsprocesser är nyckelfaktorer vid tillverkning av moderna motorer. Driftsekonomin måste balanseras mot miljökraven. Opels nyutvecklade Ecotec-motor, som förenar 4- ventilstekniken med direktinsprutning och turboladdning är ett typiskt exem- 28 ABB Tidning 3/1999
pel. 2-liters och 2,2-litersversioner med 82, 100 eller 120 hästkrafter finns tillgängliga. Bland egenskaperna för dessa nyutvecklade motorer kan nämnas optimerad bränsleförbrukning, renare avgaser och en ny typ av ventilstyrning som bygger på en enda kamaxel. Istället för att öppna bara en ventil, som i konventionella konstruktioner, öppnar varje kam två ventiler (insugnings- eller utblåsningsventiler) med hjälp av en brygga. Detta minskar friktionen i ventilmekanismen med ca 30 %, vilket i sin tur ger en bränslebesparing på upp till 17 %. Avgasutsläppet är också ca 20 % lägre än de värden som anges i gällande EU-standard. Sett till flexibiliteten är industrirobotar mycket effektivare än de specialiserade och nästan fullständigt inflexibla automatiska produktionsmaskiner som installerades på 1980-talet. Denna överlägsna förmåga beror främst på den snabba utvecklingen inom robottekniken under de senaste decennierna. Under de senaste 10 åren har datorstyrda robotsystem utvecklats till högkvalitativa och relativt billiga standardapparater för monteringstillämpningar. Flexibla och ekonomiska robotsystem Moderna robotar är inte bara snabbare än sina föregångare. Deras lasthanteringskapacitet på upp till 180 kg är också betydligt högre än hos sina föregångare och räckvidden har ökat från 4 till 5 meter. Nya styrsystem har drastiskt förbättrat arbetsprecisionen. Monteringsoperationer som kräver noggrannhet på en tiondels millimeter och mindre vid hastigheter på 2 m/s kan idag utföras utan svårighet. Ekonomin för industrirobotar har förbättrats betydligt och tillgängligheten ligger idag på nästan 100 %. Priserna har halverats under de senaste 10 åren. Dessutom kan robotiserade automationssystem på ett enkelt sätt byggas ut och anpassas till nya krav. Det enda som behöver göras när det är dags för en ny modellvariant är omprogrammering av mjukvaran. Integration av modulära automationskomponenter Tillkommande automationskomponenter, som programmerbara styrenheter, produktionsstyrsystem, modulära transportsystem för arbetsstycken och det senaste inom drivsystemteknik, mätteknik och testteknik kan också integreras. Det går att bygga innovativa skräddarsydda system med bättre kvalitet, tillgänglighet, produktivitet och kostnadseffektivitet än konventionella automationskoncept. Systemspecialister tar sig i ökande grad an uppgiften att planera och konstruera sådana produktionslinjer. Med sin omfattande kunskap och erfarenhet har robottillverkare utvecklats till fullfjädrade leverantörer av kompletta system för automation av monteringslinjer. ABB Flexible Powertrain Assembly GmbH levererar nyckelfärdiga system och samarbetar nära med sina kunder vid planering, utveckling och installation av robotiserade monteringslinjer över hela världen. Effektiv kombination av manuella arbetsstationer och robotceller Grundläggande för ABB:s monteringskoncept är att komplicerade specialmaskiner ersätts av moduluppbyggda flexibla automatiska stationer i form av standardmaskiner. Ytterligare egenskaper är oberoende automatiska stationer, funktionell uppdelning av transportsystemet och de automatiska stationerna samt ett modulärt decentraliserat styrsystem. Företaget har re- Standardiserade manöverpaneler bidrar till nollfelsproduktion med en likformig samverkan mellan operatör och maskin. 10 Det modulära transportsystemet på golvnivå är 11 typiskt för det nya användarvänliga och flexibla monteringslinjekonceptet som är känt som Daisy Plus. ABB Tidning 3/1999 29
7 14 13 7 12 11 10 9 8 15 16 18 19 20 21 22 7 7 7 17 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 22 14 15 16 17 18 19 20 21 24 23 30 ABB Tidning 3/1999
7 5 6 4 3 2 1 Översikt över motormonteringslinjen vid Opelfabriken 12 23 Översikt över Opels monteringslinje för cylinderhuvuden med 16 ABB- 13 robotar och 21 automatiska stationer 1 Start 2 Cylinderhuvud monteras på palett 3 Fjäderplattor monteras 4 Ventilskafttätningar monteras 5 Cylinderhuvudet vänds, ventilstyrningarna smörjs 6 Utblåsningsventilerna monteras 7 Insugningsventilerna monteras 8 Läckagetest 9 Ventilfjädrar monteras 10 Fjäderplattor monteras 11 Ventillås monteras 12 Laserkontroll av ventillåsen 13 Enheten skakas för att avlägsna lösa delar 14 Ventillyftarna monteras 15 Insprutningsmunstyckena monteras 16 Tvärstången monteras 17 Läckagetest 18 Inlopps/utloppsanslutningar monteras 19 Ventilbryggor monteras 20 Kamaxlar monteras 21 Värmepluggar monteras 22 Paletten rengörs 23 Cylinderhuvudet placeras i förråd 24 Slut 7 24 25 26 gistrerat flera patent på särskilt komplexa operationer, som automatisk montering av ventiler och ventillyftare. Syftet är alltid att få en så effektiv kombination av automatiska och manuella arbetsstationer som möjligt 12, 13. 1 Buffertområde för provning 2 Tvättade paletter 3 Motorblocket monteras på paletten 4 Cylinderfodren pressas in 5 Lageröverfallsskruvarna tas bort och placeras tillsammans med lageröverfallen på paletten 6 Insprutningspumpen monteras 7 Lagslinga: paletter transporteras med konstant hastighet, medan montörerna sätter komponenterna på de rörliga arbetsstyckena 8 Vevaxeln placeras 9 Lageröverfallsskruvarna dras åt 10 Lageröverfallsskruvarna för vevstakarna dras åt 11 Mätning av kolv 12 Nållager och radiella axeltätningar monteras 13 Ändlocken skruvas fast 14 Svänghjulet monteras och skruvas fast 15 Oljetråget skruvas fast 16 Motorn vänds och cylinderhuvudpackningen monteras 17 Cylinderhuvud och skruvar monteras 18 Cylinderhuvudet skruvas fast 19 Tidsstyrfunktionen kalibreras och mittskruven sätts i 20 Underdelen av insuget skruvas fast 21 Överdelen av insuget och ventilkåpan skruvas fast 22 Läckagetest 23 Motorn fylls med olja 24 Slutligt funktionsprov 25 Kopplingen monteras 26 Transport från monteringslinje till provningsområde Författarnas adress Dr. Walter Kimmelmann Friedrich Wolbring ABB Flexible Powertrain Assembly GmbH P.O. Box 1105 D-40736 Langenfeld Fax: +49 2173 987 546 E-mail: walter.kimmelmann-dr@defpa.mail. abb.com friedrich.wolbring@defpa.mail.abb.com ABB Tidning 3/1999 31