Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Kleben (Station 2)
Autoren: Frederik Baune, Matthias Hernzel
Dozent: Prof. Dr. Mirek Göbel
Wintersemester: 2021/2022
Fachsemester: 7
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Einleitung
Dieses Projekt wurde in dem Praktikum „Produktionstechnik“ des Schwerpunkt-Moduls „Global Production Engineering III“ durchgeführt. Es ist Teil des 7. Semesters des Studiengangs „Mechatronik“ an der Hochschule Hamm-Lippstadt. Die Aufgabe dieses Praktikums ist der Aufbau eines automatisierten Systems mit Hilfe einer Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) des Unternehmens Siemens. Als Programmier-Software wird das Siemens spezifische Programm „TIA-Portal“ verwendet.
Gesamtkonzept
Die Gesamtaufgabe dieser Anlage ist die Produktion von HSHL-Getränkeuntersetzern, 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 vier Stationen aufteilbar sein
- Getränkeuntersetzer sollen individualisierbar sein
- Nutzung des vorhandenen Förderbands der MPS-Anlage als gemeinsame Schnittstelle
In Folge dieser Anforderungen wurde das System in vier unterschiedliche Stationen aufgeteilt. Die erste Station „Kommissionierung" befasst sich mit der Bestückung des Warenträgers. Station drei „Montage“ fügt die vier einzelnen Komponenten zusammen. Die letzte Station „Verpackung“ umhüllt den fertigen Getränkeuntersetzer mit einer eigens kreierten Verpackung.
Fertigungsaufgabe
Speziell die Station „Kleben“ ist für das Auftragen eines Klebers verantwortlich. Dieser wird mittels Klebepunkte über sechs Klebedüsen in die Einkerbungen der Grundplatte gesetzt. Der Kleber sorgt für einen festen Halt der anschließend eingesetzten Einzelteile.
Umsetzung des Klebekonzepts
Aufbau der Station
Um den Klebeprozess innerhalb der MPS-Anlage möglichst einfach und effizient umzusetzten sollte nun ein Konzept ausgearbeitet werden, was den Klebstoff auf den kommissionierten Warenträger aufträgt. Das Konzept wurde zunächst in mehrere verschiedene kleinere Systeme runtergebrochen:
1) Die Klebedosage
Um den Klebstoff in einem präzisen und wiederholbaren Art und Weise durchzuführen wurde ein entsprechendes Konzept ausgearbeitet. Um dies zu gewährleisten wurde ein Pneumatikzylinder mit der Hubstange einer Spritze verbunden (siehe Abbildung xxx). Am Ende der Spritz wurde ein Schlauchanschluss befestigt, an welchem ein einfacher pneumatik Schlauch weiter bis zur Bandanlage mit den zu klebenden Bauteilen führte. Somit kann der Kleber mittels pneumatischer Beaufschlagung des Zylinders aus der Spritze zum Zielort gedrückt werden. Die stärke bzw. Geschwindigkeit des Klebstoffstrom kann hierbei über die Drosselrückschagventile des Zylinders justiert werden.
2) Die Klebevorrichtung
Die Klebevorrichtung soll als eine Art Verteilstation fungieren (siehe Abbildung xxx). Der Kleber kommt von der zuvor beschiebenen Klebedosage und gelangt an der oberen Seite in die Klebevorrichtung. Der Klebstoffstrom teilt sich hierbei auf und an der Unterseite treten dann an mehreren Stellen der Klebstoff aus Düsen aus. Somit soll eine bessere HAftung der einzelnen Bauteile des HSHL-Untersetzters gegeben sein.
3) Der Transport des Klebers & Klebevorrichtung
Mittels dem zu Verfügung gestellten PickAlpha wird die Klebevorrichtung und respektive der geförderte Kleber von der Station bis über das Förderband bewegt. Anschließend soll diese dann auf das Band präzise abgelassen werden. Dieses Konzept wird deshalb verfolgt, da so keine aufwendiger Transprot des Werkstückträger vom Förderband zur Station mehr gegeben ist, sondern der ganze Klebevorgang auf das Förderband verlagert wird. Somit sollte der Aufbau einfacher und der Ablauf zuverlässiger werden.
4) Die Steuerung der Anlage
Um die Dosierung des Klebers, die Steuerung des Pickalpha's sowie jedliche anderen Aktoren des Systems zu steueren und ab auch die Sensordaten auszuwerten wird die Anlage mittels Siemens SPS gesteuert.Dabei empfängt diese 7 Eingange und gibt SIgnale an 6 AUsgänge wieder aus. Welche diese sind ist in der Anschlusstabelle (Abbildung xxx) zu sehen.
Vorgehensweise nach V-Modell
Das V-Modell 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
Innerhalb der Anforderungsdefinition werden die Aufgaben des Projekts festgelegt und anhand von festgelegten Anforderungen spezifiziert. Bei der Anforderungsdefinition wurden unter anderem folgende Aspekte definiert:
- Geometrie & Gewicht der Station und der einzelnen Komponenten
- Aufbau der Station
- Verwendete Software und Werkzeuge
- Sicherheit und wie diese gewährleistet wird
Funktionaler Systementwurf
Im funktionalen Systementwurf werden die zu erfüllenden Funktionen der Anlage in einem Programmablaufplan (PAP) gegliedert. Hierfür wurde das Programm "PAP-Designer genutzt. Bei der Erstellung wurde bewusst auf Unterprogramme verzichtet, um alle Funktionen auf einer Ebene sichtbar zu halten. Der Klebevorgang begindet für jeden neuen Untersetzter wieder von Beginn, sodass der hier dargestellt Ablauf einen Durchgang darsetllt. Der Ablauf wird also immer wieder zyklisch durchlaufen sobald ein neuer Werkstückträger an die Station kommt.
Nachfolgend ist der (zyklisch) funktionale Ablauf vereinfacht dargestellt:
1) Der Werkstückträger kommt an die Station Kleben und gibt das Signal den Vorgang zu starten
2) Der Pickalpha fährt zunächst (falls nicht schon gegeben) in Grundstellung. Dann hebt er die Klebevorrichtung über das Förderband.
3) Die Klebevorrichtung wird mittels Zylinder abgesenkt bis sie kurz über dem Untersetzer schwebt.
4) Der Dosierzylinder drückt den Klebstoff durch den Schlauch auf den Untersetzer.
5) Anschlißend fährt die Klebevorrichtung wieder hoch und der Pickalpha fährt wieder in DIe Grundstellung zurück.
6) Es wird ein Signal an die BAndanlage ausgegeben, dass der Werkstückträger weiterbefördert werden kann.
Hinweis: Falls der Klebstoff in der Spritze leer werden sollte kann der aktuelle Klebevorgang noch beendet werden und anschließend wird die Steuerung ausgesetzt und es wird eine Störung ausgegeben.
Auf der Basis dieses PAPs erfolgt die Programmierung der SPS (siehe Abschnitt "Programmierung"). Mittels der SPS werden alle Funktionen der Station verwaltet.
Technischer Systementwurf
Der technische Systementwurf spezifiziert die Funktionen des Systems weiter und legt die Schnittstellen der einzelnen Stationen fest. Dabei wurde für den Entwurf der Station „Kleben“ zwischen allgemeinen und stationsabhängigen Schnittstellen unterschieden. Zusätzlich wurden die einzelnen Signale und Befehle zwischen der jeweiligen Station und der SPS festgelegt. Diese wurden in der folgenden Komponentenspezifikation weiterbearbeitet.
Komponentenspezifikation
Nachdem die Schnittstellen und zu verwendenden Komponenten festgelegt wurden, müssen diese in der Komponentenspezifikation detaillierter betrachtet werden. Für die Schnittstelle Station und SPS wurden die einzelnen Ein- und Ausgänge definiert. Zusätzlich wurden die Spannungen und Ströme ermittelt. Diese erleichtern die spätere Verdrahtung der SPS, indem die Anschlussklemmen bereits vordefiniert werden.
Die Komponentenspezifikation wurde dabei auf die drei Stationen Transfer, Transport und Kleben aufgeteilt, wobei die benötigten Komponenten jeder Station festgelegt wurden. Des Weiteren wurde die SPS und die Versorgungseinheiten als zusätzliche Komponenten aufgenommen und durch sämtliche Ein-, Ausgänge und Bauteile definiert.
Programmierung
Die Programmierung der Siemens-SPS erfolgte über das Programm "TIA-Portal". Gewählt wurde die Programmiersprache "FUP".
Wie ein Projekt im TIA-Portal angelegt werden kann und wie anschließend die Programmerstellung mit der Programmiersprache "FUP" erfolgen kann, wird in einem Tutorial anhand eines Beispiels erklärt. Dieses Tutorial befindet sich in dem SVN-Ordner der Station Kleben: Tutorium-Handout_SPS Programmierung TIA Portal.
Als Basis für die Erstellung des Programms für die Station Kleben wurde der zuvor beschriebene PAP genutzt. Zu unterscheiden sind die Bausteine für die Ansteuerung der vier Aktoren:
- Ansteuerung des "Aufnahme-Zylinders"
- Ansteuerung des "Käfig-Zylinders"
- Ansteuerung des "Förderers" (siehe hierzu: Ansteuerung einer Schrittmotorachse mit SPS und HMI)
- Ansteuerung der "Meldeleuchte"
Für diese vier Aktoren wurden Bausteine in der Programmieroberfläche erzeugt und in dem Hauptprogramm "main" zusammengeführt. Erstellt wurden die logischen Verkettungen innerhalb der Bausteine nach den Ausführungen in dem oben genannten Tutorial. Die Abbildung 13 zeigt Beispielhaft ein Netzwerk des Bausteins zur Ansteuerung des Aktors "Aufnahme-Zylinder".
Komponententest
Innerhalb des Vorgangsschritts „Komponententest“ sollen die verwendeten Komponenten auf ihre Funktionsfähigkeit untersucht werden. Aufgrund fehlender Komponenten (durch Lieferungsverzug) konnte dieser Schritt in der Projektbearbeitung nicht mehr realisiert werden. Nachfolgend wird eine beispielhafte Testung eines Pneumatikzylinders beschrieben.
Testung eines Pneumatikzylinders:
- Befestigung des Zylinders an einer steifen, unnachgiebigen Oberfläche
- Verschlusskappen der Zylindereingänge entfernen
- Ventilanschlüsse einschrauben
- Drosseln der Ventilanschlüsse auf einen geringen Durchgangsfluss einstellen
- Druckluftschläuche in die Ventilanschlüsse einführen
- Druckluftschläuche in die Versorgungseinheit einführen → Versorgungseinheit vorher auf Sperrstellung stellen
- Sperrstellung der Versorgungseinheit langsam drehen, um Luftzufuhr zu generieren
- Verfahrrichtung der Kolbenstange kontrollieren
- Verfahrgeschwindigkeit und -verhalten der Kolbenstange kontrollieren
Die Testung gilt als erfolgreich, sobald die Kolbenstange der vorhergehenden Schaltung entspricht und die Stange ruckelfrei und ohne Geräuschentwicklung verfährt.
Komponente | Status | Datum | getestet von |
Induktiver Sensor am Förderband | nicht getestet | ||
Doppeltwirkender Druckluftzylinder 200mm | nicht getestet | ||
Doppeltwirkender Druckluftzylinder 150mm | nicht getestet | ||
Reedkontakte | nicht getestet | ||
Drosselrückschlagventile | nicht getestet | ||
Druckminderer mit Manometer | nicht getestet | ||
SPS-Netzteil | nicht getestet | ||
Schrittmotorachse | nicht getestet |
Integrationstest
Durch den Integrationstest sollen mehrere Komponenten im Zusammenspiel miteinander getestet werden. Dadurch können Fehler des Schaltungsaufbaus oder in der Programmierung des SPS-Programms identifiziert werden. Aufgrund der Tatsache, dass einige Komponenten nicht zeitgemäß eingetroffen sind, konnte dieser Projektschritt nicht realisiert werden. Im Genauen sind zwei 3D-Druckteile und drei bestellte Komponenten nicht zeitgemäß eingetroffen. Die fehlenden 3D-Druckteile sind die Traverse (siehe Stückliste) und die Führungssäule (siehe Stückliste). Aufgrund der Maße dieser Komponenten konnten beide nicht durch den Filament-Drucker der Hochschule erzeugt werden. Des Weiteren befand sich der 3D-Drucker mit größerer Druckfläche im Störmodus. Die bestellten Komponenten setzen sich aus den vier Drosselrückschlagventilen, einem Druckregelventil und vier Näherungsschaltern (Abbildungen dieser Komponenten befinden sich in der Stückliste) des Herstellers FESTO zusammen. Der Schutzkäfig konnte trotz der fehlenden Komponenten zusammengebaut werden. Ein Aufbau der Druckluftversorgung war aufgrund der fehlenden Komponenten noch nicht sinnvoll. Sobald die Komponenten eingetroffen sind kann dieser Aufbau erfolgen.
Funktion | Status | Datum | getestet von |
Einwandfreie Bewegung des Zylinders mit Schutzkäfig | nicht getestet | ||
Einwandfreie Bewegung des Zylinders auf dem Förderschlitten | nicht getestet | ||
Korrekte Ansteuerung der Zylinder durch die Ventile auf der Ventilinsel (durch Handbetätigung) | nicht getestet | ||
Korrekte Positionierung der Reedkontakte auf den Zylindern | nicht getestet | ||
Überlappung der Greifernase und dem ankommenden Objektträger | nicht getestet | ||
Korrekter Ablauf der Funktionsschritte durch das SPS-Programm | nicht getestet | ||
Korrekte Haltepositionen des Schrittmotors | nicht getestet | ||
Korrekte Ansteuerung der Zylinder durch die Ventile auf der Ventilinsel (durch SPS-Programm) | nicht getestet |
Ergebnis
Zum Ende des diesjährigen Praktikums wurde bereits eine nahezu vollständig funktionierende Anlage konstruiert. Vollständig in Betrieb sind somit schon die Klebstoffdosierung, die Ablaufsteuerung, die Ansteuerung des PickAlpha's sowie die Ansteuerung der Zylinder mittels Ventilinsel sowie die Einbindung aller Sensoren. Das System kann bereits eine reibungslosen "Trockenlauf" absolvieren in dem der Durchgang eines Zyklus bis auf die tatsächliche Ausgabe des Klebers erfolgt.
Einzig kleinere Ergänzungen wie der eiBau von DÜsen in die Klebervorrichtung, sowie ein Testdurchlauf mit echtem Kleber sind noch durchzuführen. Alle für diese AUfgaben benötigten Teile wurden größtenteils bereits bestellt wurden jedoch noch nicht geliefert. Ebenso ist im SVN eine Anweisung erstellt in der genau beschrieben ist, welche Arbeiten noch zu erledigen sind, sobald alle Bauteile vorhanden sind, um die Anlage gänzlich fertig zu stellen.
Ausblick
Die noch anstehenden Aufgaben für eine gesamte Umsetzung des Klebekonzepts wurde bereits in den vorherigen Abschnitten erläutert. Zusätzlich ergeben sich jedoch weitere Ansätze und Modifizierungsmöglichkeiten dieses Klebekonzepts für nachfolgende Semester. Diese definieren sich wie folgt:
- Realisierung des Klebekonzepts durch die Verwendung von echten Klebedüsen und -schläuchen
- Integration einer Sirene zur akustischen Warnung der Durchführung eines Klebekonzepts
- Programmierung und Integrierung eines Not-Aus-Knopfs zur sofortigen Abschaltung bei etwaigen Problemen → Erhöhung der Sicherheit der Station
- Einbindung eines Mechanismus zur Entfernung des übrigen Klebers der Klebedüsen
Verwendete Software
- Solid Works: Konstruktion der 3D-Druckteile und Erstellung benötigter Zeichnungen
- MS PowerPoint: Aufstellung des Konzepts, Erstellung des technischen Systementwurfs
- MS Excel: Erstellung der Anforderungsdefinition, Komponentenspezifikation
- PapDesigner: Erstellung des funktionalen Systementwurfs
- Siemens TIA-Portal V15.1: Erstellung des SPS-Programms
- TinyCAD: Erstellung der Schaltpläne
Verwendete Hardware
→ siehe Stückliste
Verwendete Komponenten der Station Kleben:
Funktion | Bezeichnung | Material | Hersteller | Anzahl | Preis | Beschreibung | Bild |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Mechanik | - | Kunststoff | Eigenherstellung | 1 | - | Deckenplatte-Schutzkäfig | |
Mechanik | - | Plexiglas | Eigenherstellung | 4 | - | Seitenscheiben - Schutzkäfig | |
Mechanik | 3D-Druckteil | 3D-Druck-PLA Filament | Eigenherstellung | 4 | - | Käfigsäulen - Schutzkäfig | |
Mechanik | Bosch-Profil | - | Bosch | 2 | - | 45x45mm 4Kant-Boschprofil | |
Mechanik | 3D-Druckteil | 3D-Druck-PLA Filament | Eigenherstellung | 6 | - | Klebedüsen - Schutzkäfig | |
Mechanik | 3D-Druckteil | 3D-Druck-PLA Filament | Eigenherstellung | 1 | - | Traverse - Schutzkäfig | |
Mechanik | 3D-Druckteil | 3D-Druck-PLA Filament | Eigenherstellung | 1 | - | Förderer - Adapterplatte | |
Mechanik | 3D-Druckteil | 3D-Druck-PLA-Filament | Eigenherstellung | 4 | - | Führungssäule | |
Pneumatik | Normzylinder DSBC-Q-32-200-D3-PPVA-N3 | - | Festo | 1 | - | Doppeltwirkender Zylinder-32mm Kolben M6 Außengewinde, 200mm Hub-verdrehsicher | |
Pneumatik | Normzylinder DSBC-Q-32-150-D3-PPVA-N3 | - | Festo | 1 | - | Doppeltwirkender Zylinder-32mm Kolben M6 Außengewinde, 150mm Hub-verdrehsicher | |
Pneumatik | Ventilinsel VP10-VI | - | Festo | 1 | 347,98€ | 10P-10-2E-IC-N-A-GG+H2D | |
Pneumatik | Drossel-Rückschlagventil GRLA-1/8-QS-6-D | - | Festo | 4 | - | Abluft-Drossel-Rückschlagfunktion-einschraubbar-185l/min-0,2-10bar | |
Pneumatik | Druckregelventil LR-1/4-DB-7-MINI | - | Festo | 1 | - | Mini-44mm-Drehknopf mit Arretierung-Sekundärlüftung-mit Manometer | |
Elektrik | SPS | - | SIEMENS | 1 | - | 6EP7133-6AE00-0BN0 | |
Elektrik | Näherungsschalter SMT-8M-A-PS-24V-E-2,5-OE | - | Festo | 4 | - | T-Nut-magnetoresistiv-Schließer-Positionsmessung | |
Elektrik | Förderer | - | Igus | 1 | - | Schrittmotorachse |
Literaturverzeichnis
- ↑ https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Ampel-Demonstrator/ V-Modell Projekt Ampeldemonstrator
- ↑ https://catch.app/itm/v1%7C124881444190%7C425961454533
- ↑ https://www.festo.com/de/de/a/1463250/?q=1463250~:festoSortOrderScored&identCode1=DSBC-Q-32-200-D3-PPVA-N3
- ↑ https://www.festo.com/de/de/a/1463250/?q=1463250~:festoSortOrderScored&identCode1=DSBC-Q-32-200-D3-PPVA-N3
- ↑ https://www.festo.com/de/de/a/18200/?q=18200~:festoSortOrderScored&identCode1=10P-10-2E-IC-N-A-GG%2BH2D
- ↑ https://www.festo.com/de/de/a/193144/
- ↑ https://www.festo.com/de/de/a/539682/?q=539682~:festoSortOrderScored
- ↑ https://www.elektromax24.de/Siemens-Stromversorgung-SIMATIC-ET-200SP-PS-1phasig-DC-24V-5A?gclid=EAIaIQobChMI6fz8jbjh9QIVyO5RCh2WQwYGEAQYFiABEgKfZ_D_BwE
- ↑ https://www.festo.com/de/de/a/574335/
- ↑ https://www.igus-cad.com/default.aspx
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