Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Montage (Station 3)

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Autoren:
M.Anas Habbaba (Diskussion) 11:30, 18. Januar. 2022 (CET)
Timo Wortmann (Diskussion) 11:30, 18. Januar. 2022 (CET)
Dozenten:
Prof. Dr. Mirek Göbel
Herr Ebmeyer

Einführung

In dem Modul "Global Production Engineering III"(GPE3) ist ein Praktikum in dem Bereich Produkionstechnik zu absolvieren. Der Hauptgedanke dieses Praktikums besteht darin, eigenständig mit einer systematischen Vorgehensweise praxisnahe Projekte umzusetzen. Zusätzlich wird der Umgang mit einer Speicherprogrammierbare Steuerung(SPS) sowie die Ansteuerung von Sensorik und Pneumatik gelehrt.

Gesamtkonzept
Zusammen mit 3 weiteren Zweiergruppen haben wir uns mit dem Projekt "mechatronisches Produktionssystem(MPS) neu denken" befasst. Gemeinsam haben wir uns auf das Thema "Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers" geeinigt. Es geht bei dem Thema darum, einen Getränkeuntersetzer aus verschiedenen Einzelteilen zusammenzufügen und zu verpacken. Anschließend haben wir dieses Konzept in folgende Teilaufgaben aufgeteilt: Kommissionierung, Kleben, Montage und Verpacken. In diesem Artikel wird auf die Montage eingegangen. Als gemeinsame Schnittstellen der einzelnen Stationen dienen ein Förderband, welches mit induktiven Sensoren und Druckluftzylindern ausgestattet ist, und die Speicherprogrammierbare Steuerung MPS500.

Die Station Montage
Die Station Montage stellt die dritte Station des Gesamtkonzeptes, nach den Stationen Kommissionierung und Kleben, dar. In dieser Station werden die Einzelteile des HSHL-Untersetzers mit dem Parallelroboter Quattro 650 (H/HS) von dem Warenträger entnommen und in die Grundplatte des Untersetzers eingefügt. Auf der linken Seite der Abbildung 1 sind die einzelnen Bauteile des Untersezters vor der Montage zu sehen, welche durch die Montage zusammengefügt werden. Das fertige Endprodukt ist auf der rechten Seite zu betrachten.

Abbildung 1: Zusammenfügen der Einzelteile zu einem Untersetzer

Vorgehensweise nach V-Modell

Abbildung 2: Projektstand des V-Modells

Bei der Durchführung unseres Projektes sind wir systematisch nach dem V-Modell vorgegangen, welches wir in Abbildung 2 sehen können. Die Vorgehensweise nach dem V-Modell bietet den Vorteil, dass dadurch strukturierter und übersichtlicher gearbeitet werden kann.

Zusätzlich haben wir in dem V-Modell unseren aktuellen Projektstand grafisch dargestellt. Zuerst haben wir die Entwicklungsphasen absolviert. Bei jedem Schritt, der im V-Modell durchlaufen wird, ist eine anschließende Validierung der vorherigen Schritte notwendig. Es muss überprüft werden, ob die Ergebnisse der vorherigeren Schritte zum aktuell erreichten Projektstand umsetzbar sind. Die Entwicklungsphase ist sehr Zeitaufwendig. In dieser haben wir die Hardware miteinander verkabelt und Programme im TIA-Portal, zum ansteuern der Siemens ET200SP, und in ACE, zum Ansteuern des Roboters, erstellt. Zusätzlich musste die Siemens ET 200SP komplett neu aufgesetzt werden.
Die Testphasen konnten wir leider nicht vollständig durchlaufen. Dies hat den Grund, dass mangels Zeit die Programmierung und Einbindung der MPS 500 sowie die Einbindung der Kameraüberwachung nicht vervollständigt werden werden konnte.

Anforderungen

Für das Pflichtenheft wurden folgende Anforderungen erstellt. Diese sind in den Abbildungen 3 und 4 zu sehen.
Die Anforderungen-Bereiche sind nach Kapiteln gegliedert. Jede Anforderung hat eine eigene ID-Nummer. Die Pflichte werden als Typ "I" für Informationen bzw. Typ "A" für Anforderungen bezeichnet.

• 

  Abbildung 3: Anforderungsliste der Station Montage - Kapitel 1 bis 3
  

• 

  Abbildung 4: Anforderungsliste der Station Montage - Kapitel 4 bis 6
  

funktionaler Systementwurf

Abbildung 5: Funktionaler Systementwurf Station Montage

Die Abbildung 5 zeigt den funktionalen Systementwurf unserer Station Montage. Mit dem funktionalen Systementwurf wird der grobe Ablauf des Montagevorgangs deutlich. Rot gezeichnete Kästchen beschreiben die Ein- und Ausgänge der Station. Grüne Kästchen sind ein Symbol von einem Vorgang, z.B. Schlitten positionieren. Beide gelbe Kästchen bilden den Rahmen einer Schleife, in der die Einzelteile in Reihenfolge montiert werden. Die gelbe Raute ist eine Verzweigung für die Qualitätsüberwachung, ob die Einzelteile auf der Grundplatte richtig montiert sind.

Von der zweiten Station, der Station Kleben, wird der Warenträger mit den Einzelteilen und der Grundplatte mit aufgetragenem Klebstoff übergeben. Der Schlitten, auf dem der Warenträger transportiert wird, kommt an der Station Montage an und wird dort in einer bestimmten Lage positioniert. Anschließend werden die Einzelteile A,B und C (A=HSHL-Schriftzug, B=HSHL-Logo-Links, C=HSHL-Logo-Rechts) nacheinander montiert. Nach der Montage wird mit einer Kamera überprüft, ob die Einzelteile richtig auf der Grundplatte plaziert wurden. Ist dies der Fall, dann wird der Schlitten mit dem fertigen Untersetzer an die Station Verpackung übergeben. Sind die Einzelteile allerdings nicht richtig platziert, so wird der Untersetzer in einer, neben dem Förderband stehende, Kiste aussortiert.

technischer Systementwurf

Mit Hilfe des technischen Systementwurfes wird der Ablauf des Montagevorgangs detailliert beschrieben. Unser technische Systementwurf besteht aus einem Hauptprogramm und zwei Unterprogrammen.
Das Hauptprogramm wird in der Abbildung 6 gezeigt.
Für die Ausführung des Montagevorgangs vom Roboter wird das Unterprogramm "Fügen_Montieren_des_Untersetzers_mit_Ansaugroboter" aufgerufen. Dies sieht man in der Abbildung 7.
Bei Fehlererfassung nach der Montage wird das Unterprogramm "Sortieren" augerufen. Die Abbildung 8 zeigt dieses unterprogramm. Hiermit werden fehlerhaft montierte Untersetzer aussortiert.

• 

  Abbildung 6: Hauptprogramm - Technischer Systementwurf

• 

  Abbildung 7: Unterprogramm - Fügen Montieren des Untersetzers mit Ansaugroboter

• 

  Abbildung 8: Unterprogramm - Aussortieren der Station Montage

Abbildung 9 führt zum besseren Verständnis des Systementwurfes.

Abbildung 9: Versuchsaufbau der Station Montage

Komponentenspezifikation

Nach dem Erstellen der Systementwürfe ist es wichtig herauszufinden, welche Komponenten für die Umsetzung des Projektes am besten geeignet sind. Die technischen Daten der jeweiligen Komponenten müssen die Anforderungen vollständig erfüllen. Zum Realisieren unseres Projektes haben wir folgende Komponenten verwendet:

Hardware-Komponenten:

• Siemens ET 200SP
• MPS 500
• CX SmartController
• 4-Achsen Parallel-Roboter Quattro 650 (H/HS)
• induktive Sensoren
• Druckluftzylinder

Software-Komponenten:

• TIA Portal
• ACE

Die detailierten technischen Daten zu den einzelnen Komponenten finden Sie über diesen Link: "Komponentenspezifikation"

Entwicklung

Hardware

Abbildung 10: Verkabelung des XDIO-Anschlusses

Der Anschluss XDIO ist einer von mehreren Peripheriemodulen, welche der SmartController CX aufweist. Über diesen Anschluss kann der CX SmartController 12 digitale Eingänge lesen und 8 digitale Ausgänge steuern. Die Ein- und Ausgänge werden in unserer Station für die Kommunikationen zwischen dem Roboter und Siemens ET 200SP benötigt. Die Abbildung 10 zeigt, wie der Anschluss mit den gelöteten und geschilderten Drähten aussieht. Wichtig zu beachten, dass alle Geräte eine gemeinsame Masse haben müssen.

Abbildung 11: Pin-Belegung des XDIO-Anschlusses .

Die Abbildung 11 zeigt die Pin-Nummern von SmartController-Seite.

• Verkabelung der SPS

Software

• Software ACE beschreiben + link zum Lernbrief
• Software TIA Portal beschreiben

ACE

.PROGRAM rob.main()

        GLOBAL REAL run.rob
        CALL rob.init()
        CALL err.init()
        CALL rob.move.safe()


        ;Endlosschleife
        WHILE (rob.run) DO

            ;es wird gewartet bis ein digitales Eingangssignal von der SPS gesendet wird
            WHILE NOT SIG(1001) DO
                WAIT
            END

            ;Warten bis der Zylinderkolben ausgefahren ist 
            TIMER (1) = 0
            WAIT TIMER(1) > 2

            ;die Montage wird durchgeführt
            CALL rob.picka()
            CALL rob.placea()
            CALL rob.pickb()
            CALL rob.placeb()
            CALL rob.pickc()
            CALL rob.placec()

            CALL rob.move.safe()

            ;ein digitales Signal wird am Ausgang 2 ausgegeben
            ;es wird 5 Sekunden lang gesendet, sodass der Schlitten genug Zeit hat, die Station zu verlassen
            SIGNAL 2
            TIMER (1) = 0
            WAIT TIMER(1) > 5
            SIGNAL -2

        END

        RETURN
.END

Location	X	Y	Z
pickA	-178,938	-492,468	-846,6
pickB	-196,467	-443,493	-846,6
pickC	-208,034	-395,489	-846,6
placeA	-119,521	-390,902	-842
placeB	-101,953	-435,128	-842
placeC	-148,054	-435,128	-842

TIA-Portal

Abbildung xy: Programm im TIA Portal zur Montage des HSHL-Untersetzers

Komponententest

Um die in der Entwicklung erstellte Programmierung anwenden zu können, ist es wichtig, dass alle benötigten Komponenten einwandfrei funktionieren.

Komponente	Status	Datum	getestet von
Software ACE	betriebsbereit	28.10.2022	Habbaba, Wortmann
Software TIA	betriebsbereit	04.11.2022	Habbaba, Wortmann
4-Achsen Parallel-Roboter Quattro 650 (H/HS)	betriebsbereit	28.10.2021	Habbaba, Wortmann
Siemens ET 200SP	betriebsbereit	02.12.2022	Habbaba, Wortmann
CX SmartController	betriebsbereit	09.12.2022	Habbaba, Wortmann
Druckluftzylinder	betriebsbereit	13.01.2022	Habbaba, Wortmann
induktive Sensoren	betriebsbereit	13.01.2022	Habbaba, Wortmann
Basler Kamera	nicht getestet	---	---
MPS 500

Integrationstest

Zum Testen der Integration zwischen der Siemens ET 200SP und dem Parallel-Roboter haben wir ein Programm mit der Software ACE und ein Programm mit der Software TIA Portal erstellt. In diesem Programm sollen die beiden genannten Komponenten miteinander interagieren. Das Zusammenspiel der beiden dafür erstellten Programme, welche wir in Abbildung 100 und dem darauf folgendem Programmcode in ACE sehen, kann wie folgt beschrieben werden:

Das ACE-Programm schickt ein Signal über den digitalen Ausgang 2 des CX SmartControllers an die SPS, nachdem die Montage vollständig durchgeführt wurde. Dieses Signal wird von dem digitalen Eingang der SPS mit der Eingangsadresse 8.1 entgegengenommen. Nun läuft das Programm der Software TIA-Portal. Dort wird durch den FUP-Baustein "TON" eine Einschaltverzögerung aktiviert. Diese Verzögerung zählt von 3 Sekunden runter. Wenn diese 3 Sekunden abgelaufen sind, wird ein Signal über den digitalen Ausgang Q4.1 an den digitalen Eingang 1001 des SmartController geschickt. Sobald dieses Eingangssignal registriert wird, läuft das ACE-Programm wieder weiter und der Montageablauf erfolgt erneut.
Link zum TIA-Programm:
Link zum ACE-Programm:

Abbildung100: TIA-Programm - Integrationstest zwischen Siemens ET200SP und dem CX SmartController

.PROGRAM rob.main()

        GLOBAL REAL run.rob
        CALL rob.init()
        CALL err.init()
        CALL rob.move.safe()


        ;Endlosschleife
        WHILE (rob.run) DO

            ;die Montage wird durchgeführt
            CALL rob.picka()
            CALL rob.placea()
            CALL rob.pickb()
            CALL rob.placeb()
            CALL rob.pickc()
            CALL rob.placec()

            CALL rob.move.safe()

            ;ein digitales Signal wird am Ausgang 2 ausgegeben
            SIGNAL 2
            TIMER (1) = 0
            WAIT TIMER(1) > 0.1
            SIGNAL -2

            ;es wird gewartet bis ein digitales Eingangssignal von der SPS gesendet wird
            WHILE NOT SIG(1001) DO
                WAIT
            END


        END

        RETURN
.END

Systemtest

Video: Systemtest zum Montieren des HSHL-Untersetzers.

In dem Video, welches Sie auf der rechten Seite sehen, wird der Montagevorgang des HSHL-Untersetzers durchlaufen.

Zuerst fährt der Roboter die Sicherheitsposition (safe.loc). Anschließend beginnt der Montagevorgang bei dem die Einzelteile entnommen und auf der Grundplatte platziert werden. Zum Abschluss der Montage fährt der Roboter wieder in die Sicherheitsposition.

Allerdings ist die Interaktion mit dem induktiven Sensor und dem Druckluftzylinder über die MPS 500

Abnahmetest

Ein Abnahmetest konnte aufgrund der fehlenden Ansteuerung des Druckluftzylinders mit der MPS 500 nicht durchgeführt werden.

Fazit

- Unsere Herausforderungen

• Verbindung zwischen TIA Portal und SPS
  Am Anfang konnten wir keine Verbindung herstellen, weil wir eine falsche IP-Adresse eingegeben haben. Danach haben wir erkannt, dass jeder Anschluss in der SPS eine eigene IP-Adresse hat. Zudem muss die IP-Adresse in dem Computer angepasst werden. Die Informationen darüber befinden sich hier.

• Initialisierung der Peripheriemodule
  Nach Initialisierung der Peripherienmodulen muss man auf den Button "Übersetzen" in TIA-Portal drücken, um die Informationen vom Computer auf die SPS zu übertragen.

• Peripheriemodule wurden vom TIA Portal nicht erkannt

• XDIO-Anschluss

• Automatisches Startprogramm vom Roboter

• Mit der SPS-Zentrale kommunizieren

- Was haben wir gelernt?

• Verinnerlichung des V-Modells
• Umgang mit einer SPS sowie dessen Programmierung
• Ansteuern eines OMRON Parallel-Roboters

- Welche erfolge hatten wir?

Projektstand

• Kommunikation zwischen Siemens ET200SP, MPS 500 und ACE konnte hergestellt werden.
• Roboter hat auf induktien Sensor reagiert und den Montagevorgang vollständig vollzogen.
• Programmierung des Roboter sowie der Siemens ET500SP für die Montage vollständig abgeschlossen.
• Programmierung der MPS 500 muss noch angepasst werden.

mögliche Optimierungen

• Kameraüberwachung: Kamera zur Verbesserung der Präzision des Roboters über ACE einbinden (Lichtblenden notwendig, sodass die Kamera die Konturen und Farben erkennen kann)
  

Durch das ruckartige Stoppen des Schlittens auf dem Förderband verschieben sich die Teile des Untersetzers innerhalb der vorgesehenen Plätze.

• Anpassen der Konturen des Untersetzers
  
• Anpassen der Toleranzen zwischen Grundplatte des Untersetzers, der Einzelteile und des Warenträger