WireSense w praktyce Magna Steyr korzysta z technologii WireSense firmy Fronius

Jeśli chodzi o konstrukcję nadwozia, dla światowego koncernu motoryzacyjnego Magna nie ma kompromisów – liczą się tylko najwyższe standardy jakości. Wprawdzie w austriackim Grazu produkowane są drogie pojazdy na indywidualne zamówienie, jednak podobnie jak wszyscy dostawcy i firmy OEM, także Magna musi radzić sobie z tolerancjami wykonawczymi. Wraz z uruchomieniem nowej linii produkcyjnej w listopadzie 2018 r. pojawiły się trudne wyzwania związane ze spawaniem zrobotyzowanym. Aby uniknąć wadliwych połączeń cienkich blach, należało zapewnić najwyższą precyzję technologii łączenia. Rozwiązaniem okazał się system WireSense firmy Fronius.

Uruchomienie nowej linii produkcyjnej wymagało dużej kreatywności od specjalistów ds. technologii łączenia firmy Magna: zanim można było rozpocząć produkcję seryjną, zatrudnieni z zewnątrz integratorzy systemów otrzymali zadanie dostarczenia spawanych elementów do wstępnie zaprogramowanej pozycji spawania przy użyciu nowoczesnych, zautomatyzowanych urządzeń. Jednak osiągnięcie dokładnego położenia krawędzi blachy wymaganej do spawania było nadal wyzwaniem w produkcji przedseryjnej. Oczywiście odpowiedzialne osoby z firmy Magna nie miały wątpliwości: stuprocentowa precyzja łączenia jest warunkiem podstawowym, co szczególnie dotyczy blach cienkich. Zatem zanim z taśmy mogły zjechać pierwsze pojazdy dla klientów, należało zapewnić idealne połączenie pomiędzy blachami tworzącymi zewnętrzne poszycie nadwozia a pozostałymi, niewidocznymi z zewnątrz blachami.

Tolerancje wykonawcze

„Pracujemy tu między innymi z systemami robotów »On The Fly«”, wyjaśnia Sonja Schober, kierowniczka zespołu ds. technologii łączenia działu Business Unit Painted Body w Magna Steyr. Cały tył pojazdu nie jest więc umieszczany w stanowisku spawalniczym tak jak zwykle. Jeden robot, tzw. geochwytak, chwyta element od tyłu w przeznaczonych do tego miejscach i przemieszcza go do wyznaczonych pozycji. Drugi robot prowadzi natomiast palnik spawalniczy do odpowiednich pozycji spawania. Jednak dokładnie w tym miejscu trzeba zagwarantować, że będą precyzyjnie zachowane przewidziane wymiary: „Jeśli chodzi o dokładne położenie elementu, dopuszcza się różne tolerancje. Jednak stosowane roboty też mają swoje specyficzne zakresy tolerancji — w przypadku robota spawalniczego mówi się np. o tolerancji osi. A zatem, jeżeli skumulują się najgorsze warunki, tzn. tolerancja elementu i tolerancja robota osiągną wartość graniczną na plus lub minus, może to spowodować problemy”, kontynuuje Schober. „W niekorzystnych okolicznościach łączona krawędź znajduje się aż o milimetr przed lub za pozycją wolnego wylotu drutu spawalniczego. W następstwie mogą pojawić się wady łączenia, takie jak niedostateczne wtopienie lub niewystarczające połączenie blachy zewnętrznej i wewnętrznej”. Werner Karner, kierownik centrum technologii łączenia w Magna Steyr dodaje: „W konstrukcji samochodu najczęściej stosuje się blachy cienkie. Jeżeli spoina znajdzie się nie tam gdzie trzeba, szybko dojdzie do przepalenia. Zanim więc mogliśmy przejść do produkcji seryjnej, musieliśmy zoptymalizować nasze systemy pod tym względem”.

Przy w pełni zautomatyzowanych technologiach łączenia problemy pojawiają się z reguły całkiem nieoczekiwanie. Dlatego dla zapewnienia jakości konieczne jest dokładne kontrolowanie produkcji na każdym kroku: „Zazwyczaj uczymy robota spawania konkretnego elementu i wtedy wszystko działa jak należy. Mimo tego może znikąd pojawić się spoina, która będzie wymagała poprawek. W takim wypadku musimy przeanalizować, jaka jest tego przyczyna”, obrazowo wyjaśnia Marco Miersch, mechanik ds. utrzymania sprawności technicznej w Magna Steyr. „Oczywiście w każdym procesie produkcji zdarzają się różne przyczyny wywołujące minimalne odchylenia, dlatego konieczne jest zaplanowanie z góry tolerancji wykonawczych: chodzi tu zatem o celowe, a tym samym wkalkulowane marginesy – mówimy także o »żywym« wyrównywaniu tolerancji”, uzupełnia Schober. „Nie da się zaprojektować konstrukcji z zerową tolerancją! Dlatego jesteśmy zdani na to, by niezawodnie znaleźć krawędź blachy albo wykryć ewentualne wymiary szczeliny. W ten sposób można zapobiec wadom w technologii łączenia”.

W codziennej pracy na produkcji wygląda to następująco: „Oglądamy wszystkie elementy, porównujemy je ze sobą, w razie wątpliwości na nowo uczymy robota kolejności spoin i dopasowujemy parametry źródeł spawalniczych”, tłumaczy Miersch metodę postępowania. „Jesteśmy przygotowani na dodatkowe nakłady pracy oraz ewentualne dodatkowe koszty materiałowe, by zapewnić absolutną precyzję. Taka forma pozbawionej luk kontroli jakości jest dla nas jako producenta klasy premium najwyższym priorytetem”.

Kontrola elementów przez optyczne systemy pomiarowe

Chcąc uniknąć nieustannej pracy dodatkowej – czy to w formie oględzin sztuka po sztuce, czy ręcznego spawania korygującego – oraz wybrakowanych elementów, trzeba jeszcze przed rozpoczęciem spawania zapewnić prawidłowe położenie materiałów spawanych. Odpowiedzi na to szczególne wyzwanie przy spawaniu zrobotyzowanym mogą być różne. Jednak jak rozwiązać ten problem przy dużych ilościach jednostkowych na produkcji, która jest w przeważającej części zautomatyzowana? Jeśli chodzi o rozmaite systemy kamer, mające sprawić, że robot będzie „widział” pozycję, Karner uważa: „Po pierwsze palniki spawalnicze są bardzo długie. Jeżeli z tyłu jest jeszcze usytuowana kamera, to nie widzi ona wystarczająco daleko do przodu. Poza tym wszyscy producenci nadwozi borykają się z tym samym wyzwaniem: przestrzenie są coraz ciaśniejsze i coraz bardziej kręte! Zatem dostępność staje się coraz bardziej ograniczona, a optyczne pomoce pomiarowe w dosłownym tego słowa znaczeniu docierają do swoich granic”.

Jednak Magna nie tylko dąży do spełnienia jak najwyższych wymogów jakościowych. Chodzi także o najnowocześniejsze standardy produkcji w przemyśle motoryzacyjnym. Od momentu uruchomienia nowej linii produkcyjnej w 2018 roku Karner poszukiwał nowych dróg: „Było dla mnie jasne, że branża samochodowa potrzebuje na dłuższą metę rozwiązania, które wesprze roboty w wyszukiwaniu krawędzi. Z uwagi na naszą wieloletnią i znakomitą współpracę z działem technologii i rozwoju firmy Fronius, rzuciłem pytanie, czy może oni mieliby jakiś gotowy sposób. Odpowiedź przyszła natychmiast: Może by coś się znalazło...”.

Rozwiązanie firmy Fronius: WireSense

Dział technologii spawania firmy Fronius mógł rzeczywiście służyć pomocą: „Nasza osoba kontaktowa oczywiście wiedziała, że inteligentne źródło spawalnicze TPS/i umożliwia użycie drutu elektrodowego jako czujnika pomiarowego. Wiedzieliśmy także, że w przeszłości dział badań i rozwoju firmy Fronius przeprowadzał już zakończone sukcesem próby. Ponadto źródła spawalnicze są już u nas skonfigurowane na potrzeby procesu CMT – istniały zatem dogodne uwarunkowania do przeprowadzenia »testu w terenie«”, opowiada Miersch o konstruktywnej i nastawionej na szukanie rozwiązań współpracy.

„Fronius widocznie od jakiegoś czasu trzymał ten wynalazek w szufladzie, jednak aż do tamtej chwili nie został on zaprezentowany”, tłumaczy Karner. „Dzięki naszej wieloletniej, opartej na wzajemnym zaufaniu współpracy, obie strony zgodziły się na zainstalowanie prototypu na naszej produkcji”, co ostatecznie pomogło zaistnieć na rynku tej nowej technologii czujników pomiarowych.

WireSense i czasy taktowania

„Odkąd stosujemy WireSense, robot niezawodnie odnajduje krawędź blachy i ze stuprocentową dokładnością dopasowuje tor spawania do danego przypadku”, mówi Schober z zachwytem. „Dlatego teraz mamy znakomitą, utrzymaną zawsze na tym samym poziomie stabilność wtopienia i stale udaje się nam osiągać idealne połączenie blach zewnętrznych i wewnętrznych”, potwierdza Miersch. Mimo to do tej pory na wspomnianej linii produkcyjnej z roku 2018 Magna stosuje WireSense tylko na jednym elemencie, tzn. na belce chroniącej przed skutkami dachowania: „Tu mieliśmy najwięcej przestrzeni, dlatego była okazja aby przetestować tę metodę. Technologia WireSense wymaga dodatkowego czasu na wyszukiwanie krawędzi przed rozpoczęciem spawania. Ponieważ przy tym elemencie mamy pewien zapas czasu, ewentualne opóźnienia w taktowaniu nie mają wpływu na ogólną produkcję”.

Zastosowanie technologii WireSense na wszystkich spoinach wymagałoby zupełnie innego zaplanowania nowych linii produkcyjnych jeszcze przed ich uruchomieniem: „Do tej pory nie mieliśmy możliwości rozszerzenia tej rewolucyjnej funkcji na całą produkcję. W gotowej, kompletnie skonfigurowanej produkcji czasy taktowania poszczególnych stacji są ściśle obliczone – wprowadzenie całościowo nowego rozwiązania zburzyłoby cały system. Na przykład zaplanowany czas na wykonanie tego elementu tyłu nadwozia wynosi pięć minut. Każdy robot ma przy tym określony obszar wykrywania kolizji. Jeżeli jeden z robotów pracuje akurat z WireSense i potrzebuje z tego powodu więcej czasu, inny też nie może dalej pracować. Automatycznie całość się wydłuża i w efekcie końcowym potrzeba około dziesięciu minut zamiast pięciu”.

Do tego przy ustawieniach technologii WireSense konieczna była optymalizacja – na początek możliwa do przeprowadzenia na elemencie testowym, czyli belce chroniącej przed skutkami dachowania: „Gdy dowiedzieliśmy się o opcji WireSense, czas wyszukiwania szacowano na około trzy sekundy – ostatecznie trwał on jednak osiem sekund”, wyjaśnia Schober. Technicy serwisowi Fronius nie pozostawili tej kwestii bez odzewu i przyjrzeli się bliżej problemowi. Ostatecznie trzeba było udoskonalić programowanie robotów. W tej dziedzinie warunkiem podstawowym jest ugruntowana wiedza, która pozwala w pełnym zakresie wykorzystać ogromne zalety drutu jako czujnika. Chodziło o to, by dokładnie ustalić prędkość robotów podczas wyszukiwania na poszczególnych torach. „Dzięki zmianom oprogramowania niektóre ruchy uległy niekiedy ogromnemu przyspieszeniu. W efekcie doprowadziło to do osiągnięcia tych zaplanowanych trzech sekund”, potwierdza Schober.

Znaczne oszczędności czasu mimo większych nakładów

„Mimo wszelkich optymalizacji obowiązuje zasada: jeden system wstrzymuje inny”, zapewnia Karner. „W samej tylnej części nadwozia mamy ponad sto spoin. Trzy sekundy wyszukiwania na każdej spoinie – to robi oczywiście wielką różnicę”. Zaś Miersch dodaje: „By móc z powodzeniem zastosować technologię WireSense na całej produkcji, należałoby na wstępie zbadać poszczególne spoiny, aby z jednej strony uniknąć błędów, a z drugiej -– pracy przy poprawkach. Poza tym mówimy tu przecież o spoinach, które z uwagi na wymogi bezpieczeństwa mogą być uznawane za krytyczne”.

„Jeżeli z rozwagą dokonamy wyboru spoin, wówczas WireSense – mimo początkowo większych nakładów – przyniesie znaczną oszczędność czasu, a także kosztów. Wprawdzie poszczególne takty ulegają wydłużeniu z powodu wyszukiwania, ale generalnie rzecz biorąc znacznie zwiększa się dostępność urządzeń. Wynika to głównie z niemal stuprocentowego wyeliminowania drogich poprawek”, zapewnia kierownik centrum technologii łączenia Karner.