Система маркировки краской для автомобильного производства
Основной способ обеспечить прослеживаемость изделий на производстве — маркировка изделий (наиболее удобным способом, исходя из условий производства и параметров самих изделий) кодом, в котором содержатся основные характеристики изделия и признаки его однозначной идентификации. Для производств, занимающихся металлообработкой, наиболее распространенными способами маркировки являются лазерная гравировка, бирки, маркировка краской и иглоударная.
В большинстве случаев системы нанесения маркировки функционируют не как отдельные участки цеха, а как ячейки производственного конвейера, которые не только непосредственно выполняют функцию маркировки, но и обеспечивают связь с оборудованием конвейера и АСУ ТП и передачу необходимых данных.
По сути, к данному моменту системы маркировки постепенно превратились в программно-аппаратные комплексы, которые способны решать не только задачи нанесения маркировки по данным, поступившим от внешних систем, но и гораздо более сложные технологически задачи.
Рассмотрим решение для цеха производства автомобильных рам по нанесению технологической маркировки (определяющей однозначное расположение и точки крепления навесного оборудования) на лонжероны.
Условия и требования
Актуальность задачи обусловлена оптимизацией времени разработки и производства лонжеронов. Если раньше под каждую модель и тип автомобиля разрабатывался свой лонжерон с уникальными отверстиями под установку навесного оборудования, то теперь уникальной остается только геометрия лонжерона, отверстия нанесены равномерно по всей длине, а места крепления навесного оборудования (рис. 1) помечаются графически либо вручную, либо с помощью предлагаемого решения.
Основная задача решения — нанести разметку согласно загруженной схеме на поверхность лонжерона с учетом его геометрических отклонений.
Машина должна маркировать лонжероны длиной до 14 м различной геометрии. Машина интегрируется как компонент в производственную линию таким образом, чтобы они работали как одно целое.
Пример наносимой маркировки показан на рис. 2.
Лонжерон имеет следующие характеристики:
- длина: 5–14 м;
- окрашенный, толщина покрытия — 40 мкм;
- ширина: 200–300 мм;
- в сечении — швеллер;
- имеет изгиб по длине, разница высот — 60–90 мм;
- лежа на опорах, лонжерон представляет собой криволинейную поверхность; расстояние от плоскости нахождения ПГ по поверхности будет переменным (в среднем 49–79 мм).
Управление процессом нанесения контуров деталей должно осуществляться системой управления принтером. Маркировочная машина работает на основании файла с контурами деталей, полученного от АСУ линии. Также должен быть предусмотрен обмен сигналами обеспечения безопасности.
Файл разметки формируется в системе из полученной от АСУ ТП трехмерной модели лонжерона, передаваемой в формате NХ либо Step214. Система должна быть оформлена в виде трехмерной модели с возможностью интеграции в файл обстановки, предоставленный заказчиком.
Такт нанесения разметки на один лонжерон — не более 60 с на 1 шт. За один такт должны маркироваться два лонжерона (левый и правый), как показано на рис. 3. Со временем количество лонжеронов должно вырасти до четырех.
Последнее требование и необходимость сохранения покрытия практически не оставляют возможности выбора способа маркировки — только краской.
Решение
Для решения задачи была предложена машина семейства IntelMark AT-LM. Данные машины функционируют в полностью автоматическом режиме и требуют вмешательства оператора только для выполнения операций технического обслуживания. Основным преимуществом решения является высокая скорость нанесения маркировки — до 450 м/мин.
IntelMark AT-LM оснащена маркировочной головкой IT SK16 (рис. 4), которая разработана специально для применения в жестких условиях производства и предназначена для нанесения маркировки на металл.
Корпус маркировочной головки выполнен из стали с никелированием гальваническим путем, благодаря чему ее можно использовать в высокотемпературных средах.
Маркировочная головка IT SK16 имеет 16 сопел для распыления краски. Управление открытием сопел осуществляется с помощью электромагнитных клапанов, что обеспечивает высокую скорость реакции системы управления соплами на команды управляющего контроллера.
Для движения маркировочной головки с учетом профиля на каретке устанавливается лазерный профилометр, формирующий при движении каретки карту глубины, передающей сигналы на сервопривод каретки.
Модель наносимой разметки загружается в систему управления IROS. IROS поддерживает большинство форматов таких моделей, в том числе Solid Works, AutoCAD, NX и т. д.
Модели преобразуются в растровые изображения и транслируются во время движения каретки в маркировочную головку.
Схема устройства IntelMark AT-LM показана на рис. 5. Машина состоит из рамы для направляющих (7), по которой перемещается каретка (5). Внешний вид каретки представлен на рис. 6. Рама обеспечивает жесткость конструкции и крепится на двутавр (8), закрепленный под переходными мостками. Внешний вид ячейки с IntelMark AT-LM представлен на рис. 7.
На основной раме (1) установлена каретка (5). На каретке смонтирована пантографная конструкция, позволяющая перемещать маркировочное устройство (2) по горизонтали и вертикали.
Устройство горизонтального смещения (9) обеспечивает позиционирование маркировочного устройства над маркируемым лонжероном. Вертикальное позиционирование помогает располагать маркировочное устройство на расстоянии 10 мм от поверхности лонжерона.
На пантографе смонтирована каретка (10) на плавающем основании, обеспечивающая отклонение маркировочного устройства от вертикали для повторения контуров лонжерона.
Передвижение каретки по раме выполняет шаговый двигатель (9) на рейке. За счет использования шагового двигателя выполняется точное позиционирование.
Управление маркировочной машиной выполняется с пульта (1) со встроенным человеко-машинным интерфейсом. Пульт управления предназначен для обеспечения системы электропитанием и размещения программируемых логических контроллеров, модулей интеграции и прочей электрической аппаратуры. Пульт (1) расположен в непосредственной близости от машины и представляет собой отдельную стойку для осуществления операций по управлению машиной.
Пневматический цилиндр вертикального подъема пантографной конструкции каретки обеспечивает подъем каретки в позицию транспортировки.
Маркировочное устройство предназначено для нанесения точечной разметки 16 форсунками. Оно рассчитано на нанесение растрового изображения шириной 150 мм.
Шкаф подачи краски (4) обеспечивает непрерывную циркуляцию краски от бака до маркировочного устройства и совмещен с системой очистки. Система очистки предназначена для промывки системы подачи от остаточной краски и обеспечивает готовность системы к дальнейшей работе. Шкаф располагается непосредственно на каретке, поскольку стационарная установка шкафа могла привести к снижению надежности системы из-за использования длинных и постоянно перемещающихся шлангов подачи краски.
Шкаф подачи краски содержит насос циркуляции чернил и растворителя, бак чернил, бак растворителя, а также шаровые краны с пневматическим управлением для переключения контуров циркуляции краски и контуров промывки форсунки растворителем. Эти компоненты соединяются между собой с помощью труб.
Пневмоостров (11) располагается на консоли каретки.
Коммуникационный шкаф (12) помещен непосредственно на каретке. В нем находятся колодки системы сбора датчиков.
Сменный бак краски предназначен для подачи краски в контур циркуляции краски и слива возвратной краски. Он оборудован датчиком уровня краски, сигнализирующим о достижении минимального уровня краски в баке.
Сменный бак растворителя предназначен для подачи растворителя в форсунку промыва. Растворитель не возвращается по обратному контуру, а вытекает из форсунки в специальный выдвижной поддон. Бак растворителя оборудован датчиком уровня растворителя, сигнализирующим о достижении минимального уровня растворителя в баке.
Для взаимодействия с контроллером управления транспортом в IntelMark AT-LM предусмотрен SIMATIC DP, DP/DP Coupler, смонтированный в шкафу управления.
Для подключения оборудования к сети Ethernet в пульте управления (U1) предусмотрен отдельный RJ45-порт, изолированный от локальной сети маркировочной машины.
Обмен данными между маркировочной машиной и цеховой системой второго уровня осуществляется по протоколу TCP/IP путем обмена телеграммами, в котором система управления маркировочной машины выступает в качестве сервера, а цеховая система — в качестве клиента.
Результат
Был реализован следующий алгоритм работы:
- Лонжероны (правый и левый) выдаются со склада. Кран-штабелер укладывает их на опоры для нанесения контуров деталей. На складе лонжероны ориентированы передней частью в сторону, противоположную направлению сборочного конвейера. Все лонжероны позиционированы по переднему торцу независимо от длины. Таким образом, на опорах у любого типа лонжерона будет общий ноль.
- Каретка направляется в нулевую точку (это «ноль» лонжерона), и система управления принтером подает сигнал о готовности к работе в АСУ линии. На основании сигнала АСУ линии передает в АСУ принтера файл в формате NX (или аналогичном).
- По получении информации АСУ принтера запускает процесс нанесения маркировки. Принтер перемещается вдоль лонжерона, нанося часть контура, старт начала и окончания печати определяется фотодатчиком, затем рама смещается на величину, равную ширине ПГ, и идет обратно, нанося следующую часть маркировки. Так происходит до тех пор, пока рисунок не будет нанесен на всю ширину лонжерона.
- Каретка перемещается поперек конвейера сборки для нанесения контуров на второй лонжерон. Для этого она становится в «ноль» второго лонжерона. Нанесение контуров проходит аналогично, за исключением того, что второй лонжерон изготовлен по отношению к первому «зеркально» — соответственно, и маркировка на него наносится «зеркально».
- После полного нанесения маркировки каретка становится в «ноль», в АСУ линии передается сигнал о завершении работы. Далее линия производит транспортировку лонжеронов на следующий участок конвейера.
В итоге, несмотря на множество проблем, вызванных уникальностью задачи и новизной способа ее решения, была реализована, по сути, полностью автоматизированная ячейка автомобильного конвейера с заданными характеристиками. Заложенный технологический запас и предусмотренная гибкость настройки позволяют использовать это решение в практически любом производстве подобного типа.