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Jul 12, 2023

La automatización impulsa el ensamblaje de motores para vehículos eléctricos

Los estatores de los motores eléctricos de GROB (derecha) contienen varios anillos de enrollamiento formados por horquillas individuales (izquierda). Foto cortesía de GROB-Werke GmbH & Co. KG El panel de control multitáctil CP3918, junto con un

Los estatores de los motores eléctricos de GROB (derecha) contienen varios anillos de enrollamiento formados por horquillas individuales (izquierda). Foto cortesía de GROB-Werke GmbH & Co. KG

El panel de control multitáctil CP3918, junto con una extensión de botón pulsador específica de la aplicación y una interfaz de usuario creada con TwinCAT HMI, permite un uso óptimo de todas las funcionalidades de la máquina GROB. Foto cortesía de Beckhoff Automatización

Un PC industrial ultracompacto C6030 proporciona una potencia informática óptima para el control central de todas las secuencias del proceso. Foto cortesía de Beckhoff Automatización

Una mirada al interior de la máquina da una idea de la complejidad y variedad de las secuencias de movimiento. En primer plano se encuentra el sistema de transporte con motor lineal XTS. Foto cortesía de Beckhoff Automatización

Los servovariadores AX5000 se utilizan principalmente para controlar los servomotores AM8000. La tecnología One Cable de Beckhoff minimiza el espacio de instalación y el esfuerzo de cableado. Foto cortesía de Beckhoff Automatización

GROB-Werke GmbH & Co. KG crea sistemas de producción de gran volumen para el mercado de vehículos eléctricos (EV). El fabricante de máquinas herramienta con sede en Mindelheim (Alemania) completó recientemente un sofisticado sistema para fabricar horquillas que forman los bordes del devanado del estator de los motores eléctricos. La complejidad de este sistema, que fue construido para un fabricante de vehículos eléctricos con sede en EE. UU., ilustra las ventajas de un sistema de automatización totalmente integrado y óptimamente escalable.

GROB, una empresa familiar que opera a nivel mundial, lleva más de 95 años desarrollando equipos de producción y máquinas herramienta para fabricantes de equipos originales (OEM) de automoción y sus proveedores. La cartera de la empresa incluye centros de mecanizado, sistemas de producción, estaciones de montaje manuales y líneas de montaje totalmente automatizadas. También incluye sistemas de producción de motores eléctricos, baterías y pilas de combustible.

"Cubrimos toda la cadena de producción y ofrecemos sistemas específicos para cada cliente para todo el sistema de propulsión de vehículos eléctricos", afirma Fabian Glöckler, jefe del departamento de tecnología de control de la unidad de negocio de electromovilidad de GROB.

Las características distintivas de las aplicaciones de vehículos eléctricos de GROB, incluida la máquina de horquilla, son tiempos de ciclo mínimos y secuencias de proceso rápidas. La empresa cumple estos requisitos con una variedad de tecnologías de Beckhoff Automation, incluidos controles basados ​​en PC, tecnología de bus de campo EtherCAT, accionamientos y el eXtended Transport System (XTS), un sistema de transporte por motor lineal rápido y flexible.

La fabricación de motores para vehículos eléctricos es muy diferente a la producción de motores de combustión interna, según Daniel Gugenberger, líder del grupo de diseño eléctrico en la unidad de negocios de electromovilidad de GROB.

"Los procesos de montaje clásicos, como el atornillado, el ajuste a presión y el montaje manual, están en gran medida automatizados y no podrían ser realizados por un operador de máquina con la calidad, precisión y velocidad requeridas", afirma.

Aquí es donde el control basado en PC de Beckhoff ha demostrado su eficacia, ya que, debido al alto rendimiento del sistema, los datos detallados de la máquina y del proceso son de vital importancia.

"Cuando un proceso de fabricación completo se ejecuta en dos segundos, el seguimiento de la producción y el análisis de errores sólo son posibles con herramientas de análisis y cámaras de alta velocidad", afirma. "Para ello utilizamos muy a menudo el osciloscopio de software TwinCAT Scope View".

Para construir un devanado de estator se necesitan alrededor de 200 horquillas en aproximadamente 50 diseños diferentes. Estos se fabrican uno tras otro en el orden necesario para su colocación en el nido de preinserción. Por tanto, la detección de errores en línea es importante.

"En caso de un error de material o de geometría, hay que volver a fabricar la horquilla correspondiente e insertarla en el sistema mediante avance automático para que pueda insertarse en la posición correcta", explica Glöckler. "Con la gran cantidad de ejes de movimiento y variantes de horquilla, esto significa una tarea de gestión enorme para la tecnología de control, ya que es necesario calcular una gran variedad de parámetros, ángulos de flexión y placas de levas justo a tiempo".

Según Martin Ellenrieder, director del grupo de desarrollo de funciones en la unidad de negocios de electromovilidad de GROB, la producción de componentes para vehículos eléctricos ha planteado nuevas exigencias a la tecnología de control.

"En comparación con los sistemas para motores de combustión interna, los sistemas [para motores de vehículos eléctricos] se caracterizan por estaciones más sofisticadas, tiempos de ciclo de PLC reducidos, una mayor proporción de tecnología de accionamiento en el ensamblaje y movimientos acoplados sofisticados".

Esto también se puede ver en la máquina de horquillas, que está completamente equipada con la técnica de control y accionamiento de Beckhoff. Además de cuatro husillos GROB, el sistema incluye 57 ejes controlados numéricamente: 40 ejes reales, cinco ejes virtuales y 12 motores XYS que funcionan como servoejes individuales. Además, hay una gran cantidad de E/S, compuestas por terminales o módulos de caja EtherCAT y TwinSAFE, con 270 entradas digitales y 150 salidas digitales.

Utilizando un PC industrial (IPC) ultracompacto C6030 o C6032 y el software de automatización TwinCAT 3 como núcleo de control, la máquina logra una alta tasa de producción basada en un tiempo de ciclo de solo 2,3 segundos por horquilla. Esto es aún más impresionante debido a la complejidad del proceso de mecanizado y la cantidad de tareas de control involucradas, como la alimentación del alambre, el doblado, el pelado y el posicionamiento. Las tareas de control incluyen:

Ya en 2004, GROB empezó a implementar la tecnología Beckhoff en sus máquinas, por ejemplo en bancos de pruebas. Luego, en 2017, la empresa automatizó su primera línea de montaje con control basado en PC. "Las razones principales para [utilizar la tecnología de Beckhoff fueron las exigencias de] tiempos de ciclo de control cortos y una alta flexibilidad del sistema para futuras aplicaciones", afirma Ellenrieder. “[Además, necesitábamos] numerosas interfaces para diferentes sistemas de bus, amplias funciones de movimiento y capacidades de diagnóstico profundas.

"TwinCAT ofrece como ventaja una apertura especial, por ejemplo con la integración de Matlab, que ayudó especialmente en el proceso de desarrollo de los sistemas", añade. “De este modo, los ingenieros de procesos podrían integrar fácilmente simulaciones en las instalaciones de prueba. Otras ventajas incluyen la generación automática de códigos desde el sistema CAD hasta la HMI; la sencilla integración de bloques de software de control de movimiento desarrollados internamente; y la integración de control de versiones, seguimiento de errores y pruebas de software. Además, la flexibilidad de TwinCAT nos facilita mucho la estandarización en el desarrollo de software”.

El PC industrial ultracompacto de Beckhoff, el C6030 (o el C6032, si se requieren más interfaces), se utiliza en combinación con un panel de control multitáctil CP3918 con extensiones de pulsadores específicas del cliente. "El PC proporciona suficiente potencia informática para alcanzar de forma fiable nuestro objetivo de un tiempo de ciclo de PLC de 4 milisegundos", afirma Glöckler. "Como beneficio adicional, tiene un diseño compacto y opciones de montaje variables".

Para un funcionamiento cómodo y sin errores de la máquina, Grob confía en el TwinCAT HMI de Beckhoff. “Al principio era importante una estrecha colaboración con Beckhoff para implementar un proyecto HMI de tal envergadura”, afirma Glöckler. “Esto funcionó muy bien, por ejemplo, con el acoplamiento automático entre HMI y PLC y la implementación de múltiples lenguajes. El resultado fue una HMI adaptada a nuestros requisitos con un enfoque en la usabilidad intuitiva, una visualización clara de los parámetros y una profundidad de diagnóstico excepcional. El resultado es un concepto operativo uniforme e innovador para todos nuestros sistemas”.

Los numerosos ejes giratorios se implementan con servoaccionamientos AX5000, accionamientos compactos EL72xx y EP72xx y servomotores AM8000. Ellenrieder ve una ventaja especial en motores y accionamientos con la tecnología One Cable Technology (OCT) de Beckhoff.

"La OCT supone un esfuerzo de cableado significativamente menor y minimiza las fuentes potenciales de errores", afirma. "Otros factores importantes al utilizar el AX5000 son las interfaces de codificador cubiertas y las funciones de movimiento seguro de la tarjeta opcional AX5805 TwinSAFE".

A Ellenrieder también le gusta el rico conjunto de funciones de TwinCAT, como TwinCAT NC punto a punto, NC leva y NC sierra volante.

Los ejes de movimiento giratorio se complementan con un sistema de transporte con motor lineal XTS. Un sistema de carriles ovalado de 3 metros de largo con 12 motores transfiere las horquillas individuales a un portal lineal para el proceso de inserción final. Según Gugenberger, el XTS ofrece ventajas de aplicación, especialmente flexibilidad para añadir nuevas funciones.

“Además de las tareas de transporte clásicas, utilizamos el XTS para un posicionamiento flexible en diferentes pasos del procesamiento, como en las estaciones de plegado y cámara. Nos beneficiamos del diseño compacto del sistema, así como de su modularidad, lo que facilita la integración de diferentes estaciones”, explica. “El sistema de transporte ofrece otras ventajas gracias al control flexible de la distancia según el estado del componente (sin componente, primera curva, segunda curva); la reducción de los tiempos de ciclo; y el desacoplamiento de procesos individuales para que, por ejemplo, los diferentes tiempos de proceso no afecten directamente a la máquina en su conjunto”.

Según Ellenrieder, TwinSAFE también ha demostrado su eficacia como tecnología de seguridad y ofrece un alto grado de flexibilidad en aplicaciones de seguridad. Además de la tecnología de seguridad basada en variadores, el módulo EL6910 TwinSAFE Logic proporciona un controlador de seguridad dedicado en un formato de terminal de E/S. En líneas de producción completas, los dispositivos de seguridad distribuidos de máquinas e instalaciones individuales se comunican entre sí a través del protocolo de automatización EtherCAT (EAP).

"Esta comunicación de seguridad a través de los límites del sistema de control es un aspecto muy importante de la seguridad de nuestras máquinas", afirma Ellenrieder. "Los clientes de GROB utilizan una gran cantidad de sistemas interconectados".

Para obtener más información sobre los sistemas de producción de vehículos eléctricos, visite www.grobgroup.com.

Para obtener más información sobre la tecnología de automatización para sistemas de producción y montaje de automóviles, visite www.beckhoff.com/automotive.

Tilman Plaß // Director global de la industria automovilística // Beckhoff Automation // Verl, Alemania