Die Digitalisierung der Vakuumerzeugung ermöglicht die vorausschauende Wartung von Roboterhandlingsystemen

Piab hat sein Vorzeigeprodukt - die piCOMPACT®-Vakuum-Ejektorserie – erweitert, um so Industrie 4.0-Funktionalität zu unterstützen. Durch die Befähigung von Konnektivität zwischen Geräten über einen IO-Link und das Einbauen von Sensoren, um wertvolle Prozessinformationen zu sammeln und diese durch integrierte Intelligenz zu analysieren, wird das Vakuumhandling nicht nur smarter, sondern auch sicherer. Dies ermöglicht vorausschauenden Wartung, was ein wesentlicher Treiber für diese Entwicklung war, da sie die Verfügbarkeit und Lebensdauer der Maschine erhöht, den Wartungsprozess beschleunigt und die Kosten senkt.

Vorausschauende Wartung wird normalerweise als Überwachung der Leistung und des Zustands von Geräten während des normalen Betriebs definiert. Dies impliziert, dass es nicht mehr ausreicht, nur einen hocheffizienten, zuverlässigen und kleinen Vakuum-Ejektoren zu integrieren. Vakuumejektoren, die Robotergreifsysteme wie Saugnäpfe, Schaumgreifer usw. für Bestückungsanwendungen antreiben, z.B. in automobilen Presswerken, sind die Verbindung zwischen Greifeinheit und Roboter und können Einblicke in beide Seiten gewähren. So ermöglichen sie eine reibungslose Funktion des Systems. Bei der Digitalisierung ihres Vorzeigeprodukts zu einer intelligenten Version legte das Piab-Forschungs- und Entwicklungsteam daher großen Wert darauf, die Anforderungen der vorausschauenden Wartung zu unterstützen, um die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Kunden zu steigern. Der piCOMPACT®23 SMART Ejecktor kombiniert modernste Technologie, um die Systeme auf dem höchstmöglichen Niveau in Betrieb zu halten.

Konnektivität ermöglicht die Kommunikation mit anderen Geräten und der Cloud über einen IO-Link. IO-Link bietet Feldbusunabhängigkeit und ist eine Weiterentwicklung der bewährten Anschlusstechnik für Sensoren und Aktoren. Es bietet eine automatisierte Parametereinstellung und ermöglicht dem Bediener, Parameter für verschiedene Funktionen auch während des Betriebs abzulesen und zu schreiben. Ein solcher Grad an Prozessübersicht in Echtzeit bedeutet, dass viele potenzielle Probleme behoben werden können, bevor sie sich tatsächlich auf die Produktion auswirken. Durch die Möglichkeit zur Systemdiagnose können Probleme einfacher und schneller identifiziert und behoben werden. Dies kann zu einer erheblichen Produktivitätsverbesserung führen. Einer der Schlüsselfaktoren für diese Diagnosefähigkeit ist, dass IO-Link im Gegensatz zur herkömmlichen Technologie eine Datenspeicherfunktion bietet. Auf diese Weise kann der Bediener schnell feststellen, ob und warum ein Gerät möglicherweise während eines Betriebs über Nacht ausgefallen ist. Es erlaubt die Identifizierung der Fehlerursache. Vielleicht muss ein defektes Gerät ausgetauscht werden, oder der Schuldige könnte einfach ein falscher elektrischer Anschluss sein. Wenn ein neues, identisches Ersatzgerät angeschlossen wird, werden die Parameter des vorherigen Geräts automatisch übertragen, was kostbare Installationszeit spart.

Die Big-Data-Analyse erfordert Messungen verschiedener Merkmale, um die Informationen zu generieren, die analysiert und zur Systemoptimierung verwendet werden können. Mithilfe von Sensoren können Informationen gesammelt werden, mit denen die Produktivität verbessert und Ausfallzeiten reduziert werden können. Dies erleichtert die Zustandsüberwachung und die vorausschauende Wartung. Aus diesem Grund wurden dem System mehrere Sensoren hinzugefügt, die die direkten Betriebseigenschaften des Vakuum-Ejektors messen, um potenzielle Betriebsprobleme wie Leckagen im System schnell zu erkennen, um eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen. Benutzer können Triggerpunkte festlegen. Wenn Daten von einem solchen Triggerpunkt abweichen und diesen überschreiten, ist dies ein Hinweis darauf, dass bald eine Wartung erforderlich ist. Dies ermöglicht die Vorbereitung der Wartung, den Austausch von nur wenigen Teilen und vermeidet unvorhergesehene Produktionsstillstände.

Aus diesem Grund hat das Forschungs- und Entwicklungsteam von Piab beschlossen, piCOMPACT®23 SMART direkt mit mehreren Diagnosesensoren auszustatten, die die vorausschauende Messung von Systemtemperaturstrom, Systemspannung, Beschleunigung, Zykluszähler und einen System-Selbsttest unterstützen. Änderungen der entsprechenden Werte können darauf hinweisen, dass in der Roboterzelle oder -anlage etwas anderes defekt ist. Somit hilft piCOMPACT®23 SMART, das gesamte Automatisierungssystem zu überwachen und Probleme mit angeschlossenen oder umgebenden Geräten zu vermeiden. Außerdem wird das Verständnis für den Betrieb des Ejektors verbessert.

Ein Sensor zeigt die tatsächliche Betriebstemperatur an, um schnell zu erkennen, falls die Temperatur den zugelassen Bereich übersteigt. Das kann auf Probleme in der näheren Umgebung des Ejektors hinweisen. Diese Funktion wurde zum einen integriert, um die Lebensdauer des Ejektors zu verlängern und seinen optimalen Betrieb zu gewährleisten, aber auch als einfach zu erkennendes Warnsignal, dass bei anderen Systemgeräten Probleme auftreten können, die zu einem Temperaturanstieg führen. Ein Spannungssensor steuert die Leistungsaufnahme und ermittelt den Betriebszustand. Diese Funktion wurde ergänzt, um Benutzer dabei zu unterstützen, Systemschäden durch zu geringe Stromspannung zu vermeiden und die Gesamtlebensdauer des Systems zu verlängern. Bei niedriger Leistungsspannung werden entsprechende Warnungen ausgegeben.

Ein wichtiger Parameter zur Vorhersage der Wartung von vakuumbasierten Robotergreifern besteht darin, sie sauber zu halten. Besonders bei staubigen Anwendungen, bei denen Vakuumfilter mit der Zeit verschmutzen, was zu unerwünschten Vakuumdruckabfällen führt, die den Prozess verlangsamen oder sogar falsche Signale auslösen. Eine Möglichkeit, dies zu überwachen, besteht darin, den eingebauten Druckabfall des Vakuumsystems oder den im piCOMPACT®23 SMART angegebenen Wert zu überwachen: das freilaufende Vakuumniveau (FVL). Wann und wenn der FVL beginnt, von seinem Ausgangszustand abzuweichen, dem Frischfreilauf-Unterdruckpegel (FFVL) beginnt das Systems zu verstopfen.

Eine andere Möglichkeit, die Wartung vorauszuplanen ist, von Anfang an auf ein Leck in einem Vakuumsystem, z. B. beschädigte Schläuche, Gewinde oder ein defekter Saugnapf zu achten, indem, die Evakuierungszeit auf ein bestimmtes Vakuumniveau nachverfolgt wird. Bei der piCOMPACT®23 SMART bezieht sich dies auf die Funktion First Time To Hit (FTTH) in einem voll funktionsfähigen Vakuumsystem, das die schnellste Evakuierungszeit ab dem Frischfreilauf-Vakuumniveau (FFVL) und weiter unten im Tiefvakuum bei -15 kPa misst. Wenn und ob spätere Zyklen längere Zeit benötigen, um auf dasselbe Niveau (-15 kPa) zu evakuieren, das als Time To Hit (TTH) überwacht und protokolliert wird, hat das System höchstwahrscheinlich Leckagen und muss gewartet werden.

Mit Blick auf die Automobilindustrie mit ihrem hohen Grad an Automatisierung und Handhabung großer und schwerer Teile spielt die Betriebssicherheit eine wichtige Rolle, sowohl bei laufenden Maschinen als auch bei Wartungsarbeiten. Dies führte zur Entwicklung separater Leistungsbereiche für Aktoren und Sensoren. Solche Systeme ermöglichen eine separate Aktivierung der Sensorleistung durch den Bediener zur Wartung oder zur Fehlersuche in der Roboterzelle, während die Aktuatoren von der Stromversorgung getrennt bleiben, so dass der Bediener nicht durch bewegliche Teile gefährdet wird, z. B. während eines Kurzschlusses. Der Vorteil der separaten Leistungsbereiche besteht darin, dass Ejektoren in kompakter Bauweise ohne separate Ventilstationen verwendet werden können. Dies reduziert die Installationskosten - ebenso wie die Tatsache, dass normalerweise keine teuren Workarounds oder Zusatzmodule für kompakte Ejektoren erforderlich sind.

Ein zweites Sicherheitsmerkmal ist ein komplementäres Bit oder PDO (Process Data Output). Dies muss zusätzlich zum normalen Vakuum- oder Abblassignal aktiviert werden, um Vakuum oder das Abblasen zu aktivieren. Es vermeidet auch ein „zu schnelles“ Vakuum-auf-Signal, was zu einer riskanten Situation führen könnte, wenn der Rest des Programms noch nicht wieder vollständig am laufen ist bzw. die Kommunikation zwischen den Geräten noch nicht wieder in Betrieb ist.

PiCOMPACT®23 SMART macht vorausschauende Wartung möglich und gewährleistet hohe Maschinenverfügbarkeit nicht nur für das Vakuumsystem selbst, sondern für das gesamte Automatisierungssystem, da es eine Vielzahl von Umgebungsbedingungen überwacht, die die Systemleistung beeinflussen.