Förderung der Legosteine und Rücktransport in den Vibrationswendelförderer
Hauptartikel:Automatische Legostein-Montieranlage
Autoren: Rene Joswig, Michael Grüber
Betreuer: Prof. Dr. M. Göbel
Einleitung
Im Rahmen des Praktikum Produktionstechnik im 7. Semester GPLE war es unsere Aufgabe eine automatische Legostein Montieranlage mit Hilfe des Baukasten Automatisierung zu konstruieren. Näheres dazu entnehmen Sie bitte dem Hauptartikel Automatische Legostein-Montieranlage. Ziel ist es, dass die fertige Anlage autonom das Logo der Hochschule Hamm-Lippstadt zusammensetzt, nachdem zu Beginn eine unbestimmte Menge verschieden farbiger Legosteine eingefüllt wird. In diesem Artikel soll es genauer um die Aufgaben der Gruppe zwei gehen, die sich mit dem Weitertransport der Legosteine aus dem Vibrationswendelförderer zu den Rutschen beschäftigt hat. Verantwortlich für dieses Teilprojekt sind Michael Grüber und Rene Joswig.
Aufgabenstellung
Unsere Aufgabe ist es, wie nebenstehend im Funktionsplan erkennbar wird, die Legosteine in unsortierter aber geordneter Form vom Wendelförderer aufzunehmen und bis zu einem definierten Punkt zu transportieren. An diesem Punkt soll die Farbe erkannt werden, worauf eine Entscheidung folgt, ob der Stein weiter transportiert, zurückgeführt oder als Ausschuss definiert und entfernt wird. Für den ersten Fall wird der Stein auf dem Förderband weiter transportiert und an die Gruppe Sortierung/Pufferung der Legosteine und Übergabe an den Roboter in geordneter und vorsortierter Form übergeben. Für den Fall, dass der Stein noch nicht weiter gefördert werden kann, weil diese Farbe beispielsweise aktuell nicht gebraucht wird und in der weiteren Anlage zu einem Rückstau führen würde, soll der Stein aufgenommen und in den Fördertopf zurück gebracht werden. Dafür steht der Zwei-Achs-Greifer Pic Alpha der Firma Festo zur Verfügung. Im Fall, dass es sich um Ausschussteile handelt, wirft der Greifer die Steine über einer Rutsche ab, die zu einem Abfallcontainer führt.
Zu erwähnen ist noch, dass die Aufgabenstellung so formuliert ist, dass das Ziel nicht eine möglichst effektive Anlage ist, sondern möglichst viele verschiedene Arbeitsschritte beinhalten soll.
Benötigte Teile
Die von der Gruppe benötigten Teile, die bestellt werden mussten, werden in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Nr. | Bauteil | Beschreibung |
|---|---|---|
| 1 | Panasonic Farbsensor LX101PZ 12-24V/DC | Der Farbsensor wird benötigt, um die Farben der Legosteine zu detektieren |
| 2 | PUN-H-3x0,5-BL Kunststoffschlauch 3 mm | 3 mm Kunststoffschlauch zum Verbinden der Pneumatikanschlüsse am Greifer |
| 3 | PUN-H-4x0,75-BL Kunststoffschlauch 4 mm | 4 mm Kunststoffschlauch zum Verbinden der Pneumatikanschlüsse am Greifer |
| 4 | Farbsensor Yeeco TCS230 TCS3200D | Alternativer Farbsensor |
Verbaute Komponenten
Pic Alfa Modul
Beim Modul_PicAlfa,_elektrisch der Firma Festo handelt es sich um ein fertiges Modul zum bewegen kleiner Lasten. Das Modul stand von Beginn an zur Verfügung und war bereits komplett montiert, sodass wir noch die elektrische und pneumatische Versorgung einrichten mussten. Das Modul besteht aus einer waagerechten Zahnriemenachse, die durch einen Elektromotor bewegt wird. Für die vertikale Achse ist an dem Schlitten ein Greifer befestigt, der sich pneumatisch hoch und runter bewegt, beziehungsweise geöffnet und geschlossen wird. Für die Positionierung des Greifers können induktive Näherungssensoren an der Zahnriemenachse angebracht werden.
Förderband
Das Förderband stand ebenfalls schon zum Praktikumsbeginn zur Verfügung. Es handelt sich um eine von der Firma Festo fertig montierte Baugruppe, an dem standardmäßig eine Vereinzelungsanlage montiert war. Diese wurde durch unsere Gruppe jedoch demontiert um mehr Freiraum zu schaffen. Zur einfachen Montage von Sensoren sind an beiden Seiten Leitplanken angebracht, in denen Nutensteine befestigt werden können.
Für die Ansteuerung des Motors gilt zu beachten, dass eventuell eine Relaisschaltung aufgebaut werden muss, um die SPS zu entlasten.
Farbsensor
Die Farbsensoren standen zum Praktikumsbeginn nicht zur Verfügung und mussten von uns bestellt werden. Nachdem die bestellten Sensoren angekommen sind, wurde die Farberkennung mit dem Panasonic LX101PZ getestet. Dieser kann jedoch nur eine Farbe erkennen und deshalb musste die Farberkennung mit dem alternativen Farbsensor Yeeco TCS230 TCS3200D getestet werden. Mit dem alternativen Farbsensor ist die Erkennung mehrerer Farben möglich.
Anschlüsse und Sensoren
Wie bereits erwähnt wird der Greifer des Pia Alfa Moduls über induktive Näherungssensoren positioniert. In unserem Fall haben wir also 3 Sensoren auf der Linearachse verbaut um die Positionen Aufnahme, Ausschuss und Fördertopf anfahren zu können. Um zu erkennen, ob und wann auf dem Förderband Legosteine ankommen, haben wir am Ende eine Lichtschranke positioniert. Diese gibt ein Signal, sobald ein ankommender Legostein die Lichtschranke unterbricht. So kann das Förderband gestoppt werden, wenn der Legostein direkt unter der Aufnahmeposition des Greifers liegt. Die Sensoren des Moduls werden alle an den Verteiler angeschlossen. Dieser wird an einen Sub-D Stecker direkt an die SPS angeschlossen. Auf diesem Weg werden die Sensoren auch mit 0V und 24V versorgt.
Die Druckluftversorgung wird für das gesamte Modul über eine zentrale Einheit gesteuert. Diese besteht aus einzelnen elektromagnetisch gesteuerten Ventilen. Über ein Signal von der SPS können die Ventile einzeln geöffnet und geschlossen werden.
Die Belegung der Sensoren sind in nebenstehenden Grafiken aufgeführt.
| Sensor | Verteiler | Anschlusspunkt | SUB-D (15 Polig) | Kabelfarbe |
|---|---|---|---|---|
| Aufnahme | MPV-E A08-M8 | 0 | 1 | weiß |
| Abwurf Wendelförderer | MPV-E A08-M8 | 1 | 2 | braun |
| Abwurf Ausschuss | MPV-E A08-M8 | 2 | 3 | grün |
| Anschlag Greifer oben | MPV-E A08-M8 | 3 | 4 | gelb |
| Anschlag Greifer unten | MPV-E A08-M8 | 4 | 5 | grau |
| Lichtschranke Aufnahme | MPV-E A08-M8 | 5 | 6 | pink |
| Versorgung | ||||
| 24V | MPV-E A08-M8 | 13 | weiß-grün | |
| 0V | MPV-E A08-M8 | 14 oder 15 | braun-grün |
Die Belegung der Druckluft sind in nebenstehenden Grafiken aufgeführt.
| Sensor | Ventilinsel | Ventil | SUB-D (15 Polig) | Kabelfarbe |
|---|---|---|---|---|
| Greifer hoch/runter | CPV-MP-SC-VI | 0 | 1 | weiß |
| Greifer auf/zu | CPV-MP-SC-VI | 1 | 2 | braun |
| Versorgung | ||||
| 24V | entfällt | |||
| 0V | 14 oder 15 | braun-grün |
| Nr. | Bauteil |
|---|---|
| 1 | Zahnriemenachse |
| 1.1 | Antriebsmotor der Zahnriemenachse |
| 2 | Greifer |
| 2.1 | neu konstruierte Greiferbacken |
| 3 | Förderband |
| 3.1 | Antriebsmotor des Förderbands |
| 4 | provisorische Schikane |
| 4.1 | Lichtschranke in der Aufnahmeposition |
| 4.2 | Rückstausensor der Gruppe 1, Optoelektronischer_Sensor_CY-100 |
Herausforderungen und Lösungen
Greifer
Erste Tests zeigten schnell, dass der Verfahrweg des Greifers am Pic Alpha Modul nicht ausreicht um einen Legostein sicher zu greifen. Aus diesem Grund mussten neue Backen kostruiert werden. Dazu haben wir die Form der originalen Greifer weitestgehend übernommen und nur in der Größe angepasst.
Die neuen Teile haben wir mit dem 3D Druck Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren war für unseren Fall gut geeignet, da es schnell und kostengünstig ist. Da die Hochschule über eigene 3D Drucker verfügt, konnten wir sehr schnell ein Testexemplar bekommen. Außerdem bieten Teile aus dem weichen Druckmaterial den Vorteil, dass man sie hinterher sehr einfach nachbearbeiten kann, beispielsweise um Befestigungslöcher zu bohren.
Für die Erstellung der STL Dateien, mit denen der 3D Drucker gefüttert wird, haben wir die Software Solid Works von Dassault Systems verwendet.
Farberkennung
Die Farberkennung mit dem Panasonic LX101PZ war nur bedingt möglich, da durch Tests aufgefallen ist, das dieser nur eine Farbe erkennen kann. Dadurch wurde dieser Farbsensor für uns unbrauchbar. Weitere Tests mit dem alternativen Farbsensor Yeeco TCS230 TCS3200D haben ergeben, dass dieser besser geeignet ist, da dieser mehrere Farben erkennen kann. Jedoch stellte sich die Herausforderung, wie der Sensor an die SPS angeschlossen werden kann. Durch gemeinsame Überlegung mit Gruppe fünf sind wir zu dem Entschluss gekommen, den alternativen Sensor über einen Arduino Mega anzusteuern, der die Daten über 4 Mosfets , für jede Farbe einen, an die SPS sendet.
Vibration des Förderbandes
Nachdem das Förderband komplett montiert und mit dem Wendelfördertopf ausgerichtet war, fiel auf, dass sich die Vibrationen stark auf das Förderband übertragen. Dies führte dazu, dass die Steine nicht mehr sauber unter der Aufnahmeposition von dem Greifer lagen. Um dem entgegen zu wirken wurden provisorische Schikanen aus Blech gebogen. Diese haben den Vorteil, dass sie sehr flexibel sind und leicht auf eventuelle Veränderungen angepasst werden können, falls sich noch einmal die Position ändern sollte. Allerdings handelt es sich dabei wirklich nur um eine Übergangslösung für Testzwecke. Im weiteren Verlauf müssen die Schikanen durch feste Elemente ersetzt werden. Hierzu eignet sich das 3D-Druck Verfahren.
Fazit
In dem Produktionstechnikpraktikum konnten neue Kenntnisse erworben, sowie bestehende Kenntnisse vertieft werden. Neu erworben haben wir Kenntnisse über das 3D-Druck Verfahren und die Vielseitigkeit 3D-gedruckter Teile, sowie die Funktionsweise des Förderbands und des 2-Achs-Greiferportals. Außerdem konnten wir neue Erfahrungen im verschalten und anschließen der einzelnen Komponenten sammeln. Zu den bestehenden Kenntnissen die wir vertiefen konnten gehören die Teamarbeit, sowie die eigenverantwortliche Kommunikation zwischen den Gruppen, da alles was getan wurde mit den anderen Teams be- und abgesprochen werden musste.
Rückblickend müssen wir erkennen, dass die Einbindung des Farbsensors leider nicht wie geplant verlaufen ist. Für folgende Projekte sollten wir darauf achten solche Probleme frühzeitiger zu erkennen und zielgerichteter zu lösen.
Ausblick
Auch nach Ende des Praktikums bleiben noch einige Aufgaben offen, die wir an der Anlage noch verbessern würden. Wichtig wäre es, die provisorisch angebrachten Schikanen auf dem Förderband gegen feste Exemplare auszutauschen, da diese relativ instabil sind und außerdem noch scharfe Kanten haben könnten. Neue Schikanen könnten ebenfalls mit dem 3D-Druck Verfahren hergestellt und an den Leitplanken befestigt werden.
Außerdem gibt es noch Möglichkeiten die gesamte Anlage etwas "aufzuräumen" und beispielsweise Kabel und Pneumatikleitungen besser zu bündeln oder zu verstecken.
Schnittstellen zu anderen Gruppen
Zuführung der Legosteine mittels Vibrationswendelförderer
Sortierung/Pufferung der Legosteine und Übergabe an den Roboter
Mit diesen Gruppen musste vor allem die Positionierung und Ausrichtung der Komponenten abgestimmt werden, um zu gewährleisten, dass die Werkstücke sauber vom Fördertopf an das Förderband und von dort an die Rutschen übergeben werden können.
Steuerung der automatischen Legostein-Montieranlage
Außerdem musste mit der Steuerungsgruppe und der Gruppe Zuführung der Legosteine mittels Vibrationswendelförderer zusammen die Tacktung der Werkstückzufuhr abgestimmt werden, um Rückstau in der Anlage zu vermeiden.
Literaturverzeichnis
Die technischen Informationen zu den Modulen von Festo haben wir den Handbüchern entnommen. Diese wurde uns mit den Modulen ausgehändigt. Die aktuellen Handbücher können, mit Hilfe der Produktnummer auf den Bauteilen, unter folgender Adresse eingesehen werden: