A lassú anyagmozgatási folyamat kiküszöbölése lineáris szállítórendszerrel

Akkumulátorcellák gyártása PC-alapú vezérlésre épülő XTS-rendszerrel

Az elektromos járművek tömeggyártásához kulcsfontosságúak az olcsó lítiumionos akkumulátor­cellák (LIB), bár előállításuk mindig is költségnövelő tényező volt – egészen mostanáig. A Berlini Műszaki Egyetem (TU Berlin) kutatói az eddig alkalmazott hagyományos anyagmozgatási megoldást folyamatos Z-tengelyű hajtogatással váltják ki az akkumulátorcellák gyártásának gyorsítása érdekében. A projektben kulcsszerepet játszott a Beckhoff XTS lineáris szállítórendszere.

A LIB-cellák gyártásánál a legnagyobb probléma, hogy a sok egymást követő elektróda- és elválasztóréteg kialakítása rendkívül lassú. Az elektromos járművekbe szánt, Z-tengelyű hajtogatással kialakított struktúrák létrehozásához szükséges számos felhelyezési műveletet robotokkal vagy speciális kinematikával végeznek. Ez időigényes folyamat, mivel minden egyes elektródát külön felhelyezési művelettel kell a helyére illeszteni, és egyetlen 50 Ah kapacitású lítiumionos akkumulátornak akár 53 különálló, 300 × 125 mm méretű elektródája is lehet.
„A problémát nyilvánvalóan a sok felhelyezési mozgás okozza” – világított rá Dr. Arne Glodde, a Berlini Műszaki Egyetem Gépi Szerszámok és Gyárüzemeltetési Intézetének (IWF) Anyagkezelési- és Szereléstechnikai Tanszékén dolgozó vezető kutatómérnöke. Mint kifejtette, a kezelési és összeszerelési idők nem csökkenthetők egyszerűen az ipari robotok gyorsabb fékezésével, illetve gyorsításával. „Ez rontaná a pozicionálási pontosságot az elektródák felhelyezésénél” – magyarázta Dr. Arne Glodde. Ez pedig rontaná a cellasor illeszkedési pontosságát, ami az akkumulátorok kapacitásának és élettartamának romlásához vezet, sőt, akár rövidzárlatot is okozhat. „A korábbi folyamatsor gyakorlatilag elérte termelékenységi határát” – mutatott rá Dr. Arne Glodde a lítiumion akkumulátorok új gyártási eljárását motiváló okra.

Az XTS lineáris szállítórendszeren és PC-alapú vezérlésen alapuló folyamatos Z-tengelyű hajtogatással csökkenthető az elektromos járművekhez gyártott lítiumionos akkumulátorok gyártási ideje és költsége (Fotó: Beckhoff)

150%-kal gyorsabb cellakötegelés

A Berlini Műszaki Egyetem kutatói az anyagmozgatási folyamatot az elektródák és az elválasztóréteg elemeinek folyamatos továbbításával váltották ki. „A jelenlegi legkorszerűbb folyamathoz képest így több mint 150%-kal tudtuk növelni a termelést” – vázolta Dr. Arne Glodde a legfontosabb újítást. A megnövelt átbocsátás eredményeként a jelenleg száz cella gyártásához szükséges idő alatt a jövőben 250 cellát fognak tudni előállítani. A folyamat legfontosabb innovációja a szabadalmaztatott Z-tengelyű hajtogatási technika, ami az XTS lineáris szállítórendszeren és annak forgó megfogóin alapul. Két ilyen, összesen tíz mozgatót tartalmazó rendszer folyamatos hajtogatás mellett pontosan pozicionálja az elektródákat a kötegen belül.

A csapat ismerteti a Z-tengelyű hajtogatást (balról jobbra): Guido Sieder, értékesítési mérnök; Dr. Arne Glodde, a Berlini Műszaki Egyetem Gépi Szerszámok és Gyárüzemeltetési Intézetének (IWF) Anyagkezelési- és Szereléstechnikai Tanszékén dolgozó vezető kutatómérnök; Mathias Arndt, a Beckhoff alkalmazástechnikai mérnöke (Fotó: Beckhoff)

 
Az elektródák különálló lapok alkotta kötegek formájában érkeznek a gyártás helyszínére, az elválasztó szigetelő pedig szalagtekercsként. A hajlékony elektródákat egy-egy vákuumtechnikai görgő külön-külön fogja meg és gyorsítja fel a szigetelőtekercsével megegyező sebességre. Szállítás közben a rendszer észleli az elektródák és a szigetelőlapok egymáshoz viszonyított helyzetét, és pontosan egymáshoz igazítja őket, majd az elektródákat felváltva hozzárögzíti a folyamatosan továbbított elválasztóréteg megfelelő oldalaihoz.
A fentieket követi a Z-tengelyű hajtogatás: a rendszer két vezetőgörgővel felülről a hajtogatóba vezeti az elválasztószalagot, amelyre már rögzítve vannak az elektródák. Ehhez két terelőgörgő kitéríti a szalagot, speciális, hátoldali megfogókkal történő váltott oldali megfogást téve lehetővé. Ezek a megfogók a két összekapcsolt XTS-rendszer mozgatóira vannak szerelve, és a hajtogatandó szalagot a hajtogató asztal gyűjtőpontjára vezetik, ahol egy leszorító­rendszer rögzíti az egymás feletti rétegeket. Az XTS-szállító­rend­szerek rezgésmentes szerkezetben kaptak helyet, amely beépíthető bármely egyedi akkumulátorgyártó elrendezésbe.

A folyamatos Z-tengelyű hajtogatáshoz a kivágott elektródákat rögzíteni kell az elválasztó fóliához. Ezt követően a két XTS-rendszerrel és a forgó megfogókkal gyorsan és pontosan lehet hajtogatni a cellákat (Fotó: Beckhoff)

Innovációk előtt nyit utat az XTS

„A Beckhoff lineáris szállítórendszere nélkül nem tudtuk volna megfelelően kialakítani ezt a folytonos Z-tengelyű hajtogatást, sem elérni ezeket a jelentősen rövidebb feldolgozási időket” – jelentette ki Dr. Arne Glodde. – „A nagy méretű, Z-irányban hajtogatott elektródaelválasztó anyag hajtásonként egy másodperces folyamatidejét 0,7 másodpercre csökkentettük, és az eljárás még messze nem érte el lehetőségeinek határát. A jövőben hajtásonként 0,35 s-os műveleti idő is elérhető lesz.”
Egy hajtogatási művelet 0,7 másodperc alatti elvégzéséhez a mozgatóknak mintegy 600 mm/s sebességgel kell haladniuk. A célul kitűzött 0,35 s/hajtogatás eléréséhez ezt a sebességet körülbelül 1000 mm/s értékre kell növelni. „XTS rendszerünk akár 4 m/s-os sebességgel is képes mozogni, tehát elegendő tartalékkal rendelkezik a folyamat további gyorsításához” – jelentette ki Guido Sieder, a Beckhoff berlini irodájának értékesítési mérnöke. „A korlátot hosszú távon valószínűleg mindig az elektródaszigetelő anyag mechanikai tulajdonságai és a tehetetlenségi nyomatékok fogják jelenteni” – erősítette meg Dr. Arne Glodde.
A jelenlegi ugrásszerű javulást az XTS lineáris szállítórendszer és a PC-alapú vezérlés speciális képességei tették lehetővé. Dr. Arne Glodde így folytatta: „Szigorú követelményeknek megfelelő mozgatássorozatunkat az XTS-rendszer szabadon vezérelhető mozgatói révén lehetett megvalósítani.” Az anyag megfelelő szalagfeszítéssel és a megengedett belső feszültség betartásával történő hajtogatásához ugyanis a fogókat mozgatni kell egymáshoz képest. Bár ez talán egyszerűnek hangzik, kifinomult, ugyanakkor rugalmas automatizálási technológiát követel meg:

• a TwinCAT alkalmazásnak pontosan és valós időben ki kell számítania, hogy egy adott mozgató hol van a többihez képest;
• a görgők legrövidebb távolságon belüli pontos szinkronizálása nagy dinamikát igényel;
• a folyamat során az aktívan beavatkozó mozgatók számát dinamikusan kell tudni változtatni;
• nagyfokú megismételhetőség kell ahhoz, hogy az elválasztószalag mentén időben és pontosan történjen a pozicionálás;
• a terhelésingadozások miatt mélyreható minőség-ellenőrzés szükséges.

A pozíciók pontos és valós idejű kiszámítása az XFC-rendszer időbélyegeinek és a megfelelő EtherCAT-terminálok segítségével történik (Fotó: Beckhoff)

„Az összes mozgás valós idejű kiszámításához és vezérléséhez biztosítanunk kellett, hogy az XTS lineáris szállítórendszer szervo­tengelyei azonnal át tudjanak váltani NC (pont–pont) üzemmódról interpoláló üzemmódra” – magyarázta Mathias Arndt, a Beckhoff berlini irodájának applikációs mérnöke. Dr. Arne Glodde projektfelelős szerint a megvalósításnál nagyon sokat segített az is, hogy a TwinCAT multitasking képességeinek köszönhetően a vezérléseket modulonként lehetett programozni és szinkronizálni.
Az összes tengely pályájának tervezése a végrehajtott kinematikai számítások alapján közvetlenül a vezérlőben történik. A többi modul szekvenciáinak összeszinkronizálása virtuális tengelyeken keresztül, korrigálásuk pedig a folyamat többi eleméhez képesti szuperpozíciós mozgásokkal történik. Dr. Arne Glodde szerint az elrendezés további előnye, hogy a hajtogatott elektródacsomagokat kiadó hattengelyes robot kinematikáját egyszerű integrálni és szinkronizálni.
A tárgyak helyének lehető leggyorsabb és legpontosabb ész­lelése a pontosság és megismételhetőség előfeltétele. Ennek biz­tosítására a berlini kutatók az XFC-technológiát vetették be. Dr. Arne Glodde erről a következőket nyilatkozta: „A pozíciókat a rendkívül gyors vezérlést biztosító XFC technológia időbélyegei alapján számítjuk ki, ezáltal függetlenítettük a jelbefogást a PLC-ciklustól.” Ez azzal az előnnyel jár, hogy a pozícióészlelés korlátja többé nem a vezérléstechnika, hanem a szenzortechnika, ami jelenleg 62,5  kHz-es mintavételezéssel szabja meg a felső korlátot.

A különféle adagolóegységekben összesen 15 szervohajtás (AX8206, AX5125 és AX5206) és további EL7211 szervomotor-terminálok vezérlik a két XTS-rendszert kiegészítő, AM8000 típusú szervomotorok pozícióit. A Berlini Műszaki Egyetem kutatói a kezelőfelületet is egy Beckhoff vezérlőpanellel valósították meg (Fotó: Beckhoff)

További gyorsítás a fogók aktív szabályozásával

Dr. Arne Glodde és csapata természetesen még kijjebb kívánja tolni a Z-tengelyű hajtogatás korlátait. „Azt tapasztaljuk, hogy nagyobb sebességeknél a rezgések és tehetetlenségi erők miatt csökken a pontosság, ezt a hatást azonban még merevebb vezetősínekkel vagy aktív fogókkal kompenzálhatnánk.” A Beckhoff mindkét problémára kínál megoldást: az XTS lineáris szállítórendszer „V” alakú vezetőrendszere, valamint a mozgatók vezeték nélküli adat- és energiaellátását biztosító NCT-technológia teret nyit a további optimalizáláshoz, még gyorsabb és rugalmasabb hajtogatási folyamatokat lehetővé téve.
„Konkrétan a megfogóink továbbfejlesztésén dolgozunk, és az NCT segítségével a mechanikai kényszerpályákat a fogók aktív vezérlésével szeretnénk kiváltani” – részletezte Dr. Arne Glodde. Ez fokozza a berendezés rugalmasságát az elektródaméretek tekintetében, és lehetővé teszi az adagolási hibák dinamikus kompenzálását. „A továbbiakban egy gépi látáson alapuló minőségbiztosítási rendszert is szeretnénk beépíteni a teljes rendszerbe” – vázolta Dr. Arne Glodde a távlati bővítési terveket.

www.tu.berlin/iwf
www.beckhoff.com/automotive
www.beckhoff.com/xts

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest
Táblás utca 36-38. G épület 2. emelet
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.com