Większa precyzja i szybsza konfiguracja maszyn szlifierskich

Zwiększenie produkcji wymagało od Rexam – jednego z głównych światowych producentów puszek – inwestycji w nowy system obrabiarek CNC, serwonapędów, silników i odpowiednich interfejsów. W efekcie produkcja odbywa się nie tylko szybciej, ale także prościej i dokładniej.  

Przy produkcji puszek niezwykle istotna jest jakość stempla, który ją formuje i tym samym bezpośrednio wpływa na jakość produktu oraz zdolności wytwórcze fabryki. Za pomocą stempla, który wykonano z bardzo dużą dokładnością, można wyprodukować więcej produktów przy jednoczesnym obniżeniu liczby odrzutów.
Zdarzają się one w wyniku rozerwania puszki w trakcie formowania. Produkcji precyzyjnych i trwałych stempli podjęła się firma Pride Engineering. To jeden z głównych dostawców wyposażenia, w tym łożyskowanych powietrznie szlifierek, dla producentów dwuczęściowych puszek. Maszyny tej firmy pracują w wielu fabrykach na całym świecie.
Precyzja, która przygniata
Pride Engineering opracowała Air Bearing Grinder Model 30 – pięcioosiową szlifierkę suportową z łożyskowaniem powietrznym. Urządzenie ustanowiło nowe standardy: dokładności obróbki, prostoty użytkowania, wydajnej konfiguracji i przezbrajania. Model 30, wyposażony w system CNC Bosch Rexroth IndraMotion MTX CNC, jest jednym z najbardziej zaawansowanych produktów Pride Engineering. I nic dziwnego. Powstał na potrzeby produkcji puszek, w której moce przerobowe maszyn i narzędzi wykorzystywane są w 100%.
W tym procesie aluminiowe lub stalowe „puszki” są wycinane z blachy. Następnie „prasuje” się je do uzyskania ostatecznego kształtu poprzez poddanie ogromnemu ciśnieniu wywieranemu przez stempel wykonany z węglików wolframu.
Standardowa wielkość produkcji wynosi 400-600 puszek na minutę. Drobna niedoskonałość w owalu stempla, jego wymiarach lub innych parametrach może spowodować nadmierne tarcie oraz nierówne zużycie. A te z kolei mogą powodować zniekształcenie puszki lub wykonanie jej z przekroczeniem tolerancji. Stemple mogą pracować przez 24 godziny przez 4-5 dni, po czym muszą być ponownie szlifowane.
Poprzednie wersje maszyn szlifierskich były konfigurowane i przezbrajane ręcznie. Operator musiał bardzo ostrożnie wycentrować stempel i znaleźć „zero”, zanim można było rozpocząć szlifowanie. Podczas projektowania Modelu 30 inżynierowie z Pride doszli do wniosku, że potrzebują nowego systemu CNC, aby osiągnąć zamierzone przez nich poziomy dokładności, niezawodności i prostoty użycia. Pride zdecydował się zastosować system napędowy Rexroth IndaMotion MTX. Ten system CNC przystosowany jest do użycia w maszynach szlifierskich i formujących. Zawiera wszystkie niezbędne elementy: silniki, sterowniki, interfejs operatora i zestaw narzędzi programistycznych wspomagający automatyzację maszyn. 

Sterownik może kontrolować do 64 osi w dwunastu niezależnych kanałach CNC. Poprawia wydajność obrabiarki ze względu na krótkie czasy cyklu CNC oraz zadań PLC. Tym samym pomaga twórcom urządzenia w osiągnięciu odpowiedniej szybkości przy zachowaniu niezawodności maszyny oraz skróceniu czasów przestoju/przezbrojenia.
Dodatkowo system ma otwartą architekturę, która bazuje na standardowych interfejsach komunikacyjnych, takich jak: Profibus, SERCOS oraz Ethernet.
Wyprodukowany przez Pride Model 30 wykorzystuje także inteligentne napędy z rodziny IndraDrive. Oferują one precyzyjne funkcje regulacji i kompensacji oraz opcjonalne elementy, jak na przykład określoną w normie IEC 61131-3 integrację logiki PLC oraz ruchu.

Model 30 może obrabiać stemple z dokładnością TIR 0,38 mm. Podczas szlifowania stempel trzymany jest w chwytaku, który może być obracany w trzech osiach, przy precyzyjnie dobranych prędkościach względem oddzielnych głowic szlifierskich. Odpowiedni obrót chwytaka powoduje szlifowanie pod różnymi kątami. Efektem jest dokładne spełnienie wymagań. Chwytak musi być pozycjonowany z dokładnością na poziomie mikrometrów w stosunku do głowic szlifierskich, aby zapewnić odpowiedni kontur obróbki. 
Szybciej, prościej, dokładniej 
Ponieważ średnica lub inne parametry stempla ulegają zmianie, system MTX automatycznie repozycjonuje punkty obrotu, aby uzyskać odpowiednią krawędź cięcia. Automatyczny posuw stempla może być wykonany ze skokiem rzędu jednego mikrometra. Interfejs skraca czas przejścia w obu kierunkach. Platforma zapewnia szybki, zautomatyzowany proces konfiguracji maszyny przy użyciu menu od momentu jej włączenia do wymiany stempla. W ten sposób zwalnia operatora z konieczności ciągłej kontroli procesu. 
Wykorzystując 12-calowy panel wizualizacyjny HMI operator określa parametry obróbki oraz specyficzne parametry, związane na przykład z kulą pomiarową. Pride opracowało własne ekrany HMI – wykorzystując w tym celu oprogramowanie WinStudio, dostarczone przez Rexroth. Następnie operator umieszcza stempel w maszynie i przyciska guzik „start”, co powoduje rozpoczęcie obróbki. Sterownik automatycznie przesuwa osie x i y do odpowiedniej pozycji, aby zapewnić precyzyjny punkt obrotu w czasie szlifowania stempla.
W starszych maszynach prawidłowe ustawienie stempla oraz znalezienie „zera” zajmowało zwykle dwie do trzech minut. Funkcja „Pride Touch”, bazująca na rozproszonej architekturze, automatycznie znajduje zero i rozpoczyna cykl szlifowania w czasie około 15 sekund. Oś z przesuwa koło szlifujące szybciej, dopóki nie zetknie się ono ze stemplem. W ten sposób minimalizuje czas pracy bez obróbki. Kiedy to nastąpi, poprzez szybkie wejścia przekazywany jest do sterownika sygnał do rozpoczęcia cyklu obróbki. Kontroler, który jest specjalnym sterownikiem PLC pracującym w trybie obsługi napędów, zapewnia krótsze czasy skanu. Te z kolei pozwalają na bardziej precyzyjny pomiar momentu koła szlifierskiego. 
Cykl obróbki wykonywany jest w pełnym trybie automatycznym. Dlatego operator nie musi kontrolować zużycia narzędzia. Kiedy proces jest skończony, migające światło informuje operatora o konieczności podejścia do maszyny. 
– Maszyna szlifierska przynosi dochody tylko wtedy, kiedy szlifuje, a nie kiedy jest pozycjonowana – mówi jeden z przedstawicieli Pride Engineering.  
Poprawione wykonywanie krzywizn 
Platforma napędowa Air Bearing Grinder Model 30 zawiera w liniowych osiach x, y, z silniki Rexroth IndraDyn S MSK oraz przekładnie śrubowo-kulowe, aby zapewnić płynny, precyzyjny i ściśle kontrolowany ruch. Dodatkowo, oś napędzająca narzędzie ma silnik o wysokim momencie, aby kontrolować promień szlifowania. Silnik ten napędza oś obrotową bezpośrednio, bez przekładni, sprzęgieł czy przegubów. Brak elementów mechanicznych pomaga zapewnić niezwykle płynną, kontrolowaną rotację. 
– Kontrola krzywizn szlifowanych na stemplu ma kluczowe znaczenie – mówi jeden z inżynierów Pride. – Silnik momentowy pozwala zapewnić najbardziej odpowiednią krzywiznę, z dokładnością na poziomie +/- 0,077 arkusza na sekundę.
Rexam wyposażył w Model 30 system szlifowania stempli w swojej fabryce w Northfield (Wielka Brytania). Zakład ma trzy linie produkcji puszek aluminiowych, które produkują w sumie ponad 5 milionów sztuk dziennie. Przy takim poziomie produkcji park maszynowy musi szlifować średnio 20 stempli dziennie. Model 30 pozwolił zwiększyć produktywność, a także jakość oraz żywotność stempli, co potwierdza operator Keith Berryman. Obecnie fabryka Northfield produkuje rekordową liczbę puszek przy mniejszym zużyciu narzędzi.
– Wcześniej musieliśmy szlifować nawet trzydzieści lub więcej stempli dziennie – mówi Berryman. – Teraz zeszliśmy poniżej dwudziestu na dzień. W przeszłości musiałem szlifować dwa lub trzy stemple, aby uzyskać jeden dobry. Dzięki nowej maszynie wiem, że praca będzie wykonana z takimi parametrami, jakie jej zadam.
Zanim Rexam zaczął używać Air Bearing Grinder Model 30, szlifowanie stempli w Northfield wykonywane było w trybie ręcznym. Kiedy operator musiał odejść od maszyny, aby wykonać inne czynności, szlifowanie było wstrzymywane do czasu jego powrotu. Teraz, w trakcie automatycznego szlifowania, Berryman może wykonywać inne zadania. 
– Warto podkreślić, że Model 30 to obrabiarka z łożyskowaniem powietrznym, która ma system autokalibracji – mówi operator Rexam. – Nie ma potrzeby ustawiania i obciągania ściernic przed rozpoczęciem obróbki. Co więcej, stempel szlifowany jest automatycznie w około 6 minut. To jest znacząca poprawa w stosunku do tego, do czego byliśmy przyzwyczajeni. 
Od czasu, kiedy szlifowanie jest w pełni zautomatyzowane, Berryman nie musi przebywać przy maszynie i może zająć się wykonywaniem innych zadań. Bez szkody dla procesu szlifowania. 
Karl Rapp, menadżer ds. obrabiarek w dziale napędów elektrycznych i sterowania Bosch Rexroth 
Artykuł pod redakcją inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Instytucie Automatyki Przemysłowej Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego