Projektowanie i budowa maszyn na zamówienie – od problemu technologicznego do kompletnej maszyny

Nie każdą maszynę można kupić z katalogu. W wielu zakładach produkcyjnych istnieją procesy, które przez lata wykonywane są ręcznie lub półautomatycznie, ponieważ na rynku nie ma urządzenia odpowiadającego konkretnej technologii produkcji.

Właśnie z takim problemem zwrócił się do SINTIA klient z branży poligraficznej, zajmujący się produkcją między innymi bloków rysunkowych, zeszytów, książek oraz innych artykułów papierniczych.

Klient przedstawił nam proces wklejania wkładów do okładek bloków rysunkowych, który dotychczas realizowany był ręcznie, i postawił przed nami zasadnicze pytanie: czy jesteśmy w stanie zaprojektować i zbudować maszynę, która zautomatyzuje ten proces?

Gotowego urządzenia realizującego dokładnie taki proces nie można było po prostu kupić. Należało więc najpierw zrozumieć technologię klienta, następnie opracować koncepcję, a ostatecznie zaprojektować i zbudować od podstaw dedykowaną maszynę.

Najpierw proces, później maszyna

Punktem wyjścia była obserwacja procesu wykonywanego dotychczas ręcznie. Pracownik pobierał przygotowaną okładkę, układał ją na stanowisku, nanosił klej, pozycjonował wkład bloku rysunkowego, a następnie zamykał odpowiednią część okładki, tworząc gotowy produkt.

Dla człowieka są to stosunkowo proste czynności. Operator widzi arkusz, potrafi go chwycić, skorygować jego położenie, zauważyć pobranie dwóch arkuszy, właściwie ustawić wkład oraz ocenić rezultat klejenia.

W przypadku maszyny każda z tych czynności musi zostać opisana i zamieniona na konkretną operację technologiczną: ruch mechanizmu, pracę napędu, sygnał czujnika, warunek logiczny programu PLC oraz odpowiednie miejsce w całej sekwencji pracy.

Właśnie w tym momencie rozpoczyna się właściwe projektowanie maszyny specjalnej.

Od ręcznej operacji do koncepcji automatyzacji

Po przeanalizowaniu technologii podzieliliśmy proces na kolejne operacje i odpowiadające im moduły przyszłej maszyny.

Pierwszym zadaniem było automatyczne podawanie okładek. Zaprojektowaliśmy windę podającą stos arkuszy oraz system wykorzystujący chwytaki podciśnieniowe i mechanizmy transportowe. Jednym z istotnych problemów konstrukcyjnych było wyeliminowanie możliwości jednoczesnego pobrania dwóch arkuszy. Wykorzystaliśmy tutaj rozwiązania i doświadczenia znane z profesjonalnych systemów podawania papieru stosowanych w maszynach poligraficznych.

Kolejnym etapem procesu jest precyzyjne pozycjonowanie okładki. Arkusz musi zostać wprowadzony do dalszej części maszyny w powtarzalnym i ściśle określonym położeniu. Nawet niewielkie przekoszenie na początku procesu mogłoby później wpłynąć na położenie bigu, miejsce klejenia oraz pozycję wkładu.

Następnie okładka trafia do modułu bigowania wzdłużnego. W tym przypadku wykorzystaliśmy nasze doświadczenie zdobyte przy budowie i modernizacji maszyn kopertowych. Odpowiednio zaprojektowany układ narzędzi krążkowych wykonuje kontrolowany big, przygotowując papier do późniejszego zagięcia.

Kolejny mechanizm podnosi przygotowaną boczną klapkę okładki i przekazuje arkusz do końcowej części procesu.

W ostatnim stanowisku operator umieszcza przygotowany wkład bloku. Po jego prawidłowym spozycjonowaniu i spełnieniu warunków bezpieczeństwa uruchamiany jest cykl roboczy. Głowica klejowa wykonuje zaprogramowany przejazd, nanosząc odpowiednią ilość kleju, po czym następuje zamknięcie przygotowanej wcześniej części okładki. Gotowy produkt opuszcza stanowisko i trafia do strefy odbiorczej.

W ten sposób ręcznie wykonywany proces został zamieniony na kontrolowaną sekwencję technologiczną.

Od koncepcji do projektu CAD

Dopiero po zdefiniowaniu technologii można rozpocząć właściwy proces projektowania. Realizacja maszyny specjalnej nie zaczyna się bowiem na hali montażowej. Zanim zostanie wykonany pierwszy element konstrukcji, konieczne jest przejście przez pełny proces inżynierski obejmujący opracowanie koncepcji, projekt mechaniczny CAD, dobór technologii wykonania konstrukcji, obliczenia i dobór napędów, zaprojektowanie architektury sterowania i instalacji elektrycznej, opracowanie systemu bezpieczeństwa oraz stworzenie programu sterownika PLC i interfejsu operatorskiego HMI.

W naszym przypadku projekt CAD obejmował konstrukcję nośną maszyny, rozmieszczenie poszczególnych modułów technologicznych, układy transportowe, mechanizmy podawania i pozycjonowania arkuszy, zespół bigowania, mechanizm podnoszenia klapki, stanowisko aplikacji kleju oraz sekcję odbiorczą.

Na etapie projektowania analizowaliśmy również zakresy ruchów, możliwe kolizje, dostęp serwisowy, możliwości regulacji, rozmieszczenie napędów, czujników i elementów wykonawczych oraz możliwość późniejszej modernizacji urządzenia.

Konstrukcja mieszana – stal, aluminium i blacha

Przy budowie maszyn specjalnych nie zakładamy, że cała konstrukcja powinna być wykonana w jednej technologii. Materiał dobieramy w zależności od funkcji konkretnego zespołu.

W miejscach wymagających dużej sztywności wykorzystujemy konstrukcje i korpusy stalowe. Sprawdzają się one szczególnie tam, gdzie występują obciążenia dynamiczne, drgania oraz konieczność zachowania stabilnej geometrii mechanizmu. Odpowiednio zaprojektowany korpus stalowy pozwala ograniczyć podatność konstrukcji na odkształcenia i drgania oraz zachować sztywność podczas wielokrotnie powtarzanych cykli pracy.

W sekcjach transportowych i konstrukcjach pomocniczych wykorzystaliśmy natomiast przemysłowe profile aluminiowe item. System profilowy bardzo dobrze sprawdza się przy budowie transporterów i mechanizmów prowadzących materiał, a jednocześnie umożliwia stosunkowo łatwą regulację i późniejszą modyfikację konstrukcji.

W wybranych miejscach zastosowaliśmy również odpowiednio zaprojektowane elementy z blachy, które pełnią zarówno funkcję konstrukcyjną, jak i dodatkowo usztywniają poszczególne zespoły.

W efekcie powstała konstrukcja mieszana, w której stal, profile aluminiowe i elementy blaszane zastosowano dokładnie tam, gdzie ich właściwości najlepiej odpowiadają wymaganiom danego modułu.

Obliczenia i dobór napędów

Kolejnym etapem był dobór układów napędowych. Napędu maszyny nie dobiera się wyłącznie na podstawie mocy silnika. Dla poszczególnych osi i mechanizmów określiliśmy wymagane prędkości, momenty obrotowe, przełożenia, dynamikę ruchu, charakter obciążenia oraz wymagane przyspieszenia i hamowania.

Na tej podstawie zastosowaliśmy odpowiednio dobrane motoreduktory SEW oraz rozwiązania serwonapędowe B&R w osiach wymagających dokładnej kontroli pozycji i profilu ruchu.

Serwonapęd pozwala nie tylko precyzyjnie kontrolować pozycję mechanizmu, lecz również programować jego prędkość, przyspieszenie i hamowanie oraz synchronizować ruch z pozostałymi elementami procesu.

Ma to szczególne znaczenie w maszynach poligraficznych, gdzie transportowany materiał jest stosunkowo lekki, ale musi być przemieszczany szybko, płynnie i z dużą powtarzalnością.

Projekt architektury sterowania

Równolegle z konstrukcją mechaniczną powstawała koncepcja automatyki. Określiliśmy wszystkie sygnały wejściowe i wyjściowe, czujniki obecności i położenia produktu, elementy wykonawcze, napędy, funkcje operatorskie oraz zależności pomiędzy poszczególnymi modułami.

Na tej podstawie powstała architektura systemu sterowania oraz algorytm pracy maszyny.

Sterowanie zostało oparte na rozwiązaniach B&R. Sterownik programowalny PLC odpowiada za realizację sekwencji technologicznej, komunikację z napędami, analizę sygnałów procesowych, obsługę stanów maszyny, diagnostykę oraz odpowiednią reakcję w sytuacjach nieprawidłowych.

Panel operatorski HMI umożliwia natomiast obsłudze dostęp do parametrów procesu, nastaw technologicznych, funkcji ręcznych i serwisowych, diagnostyki oraz informacji o aktualnym stanie urządzenia.

Projekt instalacji elektrycznej

Budowa kompletnej maszyny wymagała również opracowania dokumentacji elektrycznej. Projekt obejmował układ zasilania i zabezpieczeń, obwody sterowania, obwody napędowe, wejścia i wyjścia sterownika, czujniki, elementy wykonawcze, komunikację przemysłową oraz obwody związane z bezpieczeństwem.

Dokumentacja elektryczna jest istotna nie tylko podczas budowy urządzenia. Stanowi później podstawę jego diagnostyki, serwisowania oraz dalszej modernizacji.

W przypadku urządzenia prototypowego ma to szczególne znaczenie, ponieważ zmiany konstrukcyjne wprowadzane podczas uruchomienia muszą zostać uwzględnione również w dokumentacji powykonawczej.

Program PLC – maszyna otrzymuje swoją logikę

Kolejnym etapem było stworzenie oprogramowania sterownika PLC. Program odpowiada za koordynację wszystkich operacji technologicznych. Każdy ruch wykonywany jest dopiero po spełnieniu określonych warunków logicznych i otrzymaniu odpowiednich potwierdzeń z czujników oraz napędów.

Maszyna musi wiedzieć nie tylko, co ma zrobić, ale również kiedy może bezpiecznie rozpocząć kolejną operację.

Następny etap może zostać rozpoczęty dopiero po potwierdzeniu prawidłowego zakończenia poprzedniej operacji. Jeżeli czujnik nie potwierdzi obecności produktu, mechanizm nie osiągnie wymaganej pozycji albo nie zostaną spełnione określone warunki bezpieczeństwa, sterownik odpowiednio reaguje i nie pozwala na niekontrolowane kontynuowanie cyklu.

Program obejmuje również diagnostykę umożliwiającą identyfikację nieprawidłowego stanu urządzenia.

W praktyce maszyna nie jest więc jedynie zbiorem mechanizmów wykonujących kolejne ruchy. Jest kompletnym systemem mechatronicznym, w którym mechanika, elektryka, napędy, sensoryka i oprogramowanie muszą funkcjonować jako jedna całość.

Technologia klejenia – mechanika to nie wszystko

Jednym z ciekawszych zagadnień projektu okazała się technologia klejenia. Sama głowica aplikacyjna nie rozwiązuje problemu. Przy zakładanej wydajności maszyny klej musi zapewnić bardzo szybki chwyt początkowy, a jednocześnie trwałe połączenie materiałów papierniczych.

Przeprowadziliśmy szereg prób z produktami różnych producentów i dostawców, analizując sposób nanoszenia, czas wiązania oraz jakość uzyskanego połączenia.

Ostatecznie dobraliśmy klej umożliwiający uzyskanie stabilnego połączenia papier–papier w czasie krótszym niż jedna sekunda.

Pokazuje to bardzo dobrze specyfikę budowy maszyn specjalnych. O wydajności procesu nie zawsze decyduje moc silnika czy szybkość sterownika. Ograniczeniem mogą być również właściwości papieru, kleju lub samego procesu technologicznego.

Projektant musi więc patrzeć nie tylko na maszynę, lecz na całą technologię produkcji.

Bezpieczeństwo jako integralna część projektu

Jednym z najważniejszych zagadnień od początku projektu było bezpieczeństwo operatora.

Systemu bezpieczeństwa nie traktujemy jako dodatku instalowanego dopiero po zbudowaniu maszyny. Wymagania bezpieczeństwa wpływają już na konstrukcję mechaniczną, rozmieszczenie osłon, sposób dostępu do stref roboczych, układ elektryczny oraz architekturę sterowania.

Projektowanie maszyny prowadziliśmy z uwzględnieniem właściwych wymagań prawnych i norm dotyczących bezpieczeństwa maszyn. Proces obejmuje identyfikację zagrożeń, ocenę ryzyka oraz dobór odpowiednich środków jego redukcji. Dotyczy to między innymi konstrukcji osłon, dostępu do elementów ruchomych, zatrzymania awaryjnego oraz funkcji bezpieczeństwa związanych z pracą operatora.

W końcowym stanowisku operator uczestniczy bezpośrednio w procesie poprzez umieszczenie wkładu bloku w przygotowanej okładce. Dlatego rozpoczęcie odpowiedniej części cyklu roboczego zostało rozwiązane z wykorzystaniem sterowania oburęcznego.

Bezpieczeństwo jest zatem integralną częścią projektu – podobnie jak konstrukcja mechaniczna, napędy, instalacja elektryczna czy program PLC.

Budowa, uruchomienie i próby technologiczne

Po zakończeniu zasadniczych prac projektowych można było przejść do fizycznej budowy maszyny. Po wykonaniu konstrukcji, montażu mechaniki, napędów, instalacji elektrycznej oraz systemu sterowania rozpoczął się etap uruchomienia.

Poszczególne moduły były najpierw testowane niezależnie, a następnie integrowane w jeden proces technologiczny.

Sprawdzaliśmy separowanie pojedynczych okładek, powtarzalność pozycjonowania, prowadzenie arkusza, jakość bigowania, pracę mechanizmu przygotowującego klapkę, pozycjonowanie wkładu, aplikację kleju, zamknięcie okładki, transport gotowego produktu oraz synchronizację wszystkich mechanizmów.

To właśnie podczas uruchomienia spotykają się wszystkie wcześniejsze etapy projektu: CAD, konstrukcja mechaniczna, napędy, elektryka, automatyka, program PLC i technologia produkcji.

Prototyp jako początek dalszego rozwoju

Maszyna realizuje założony proces technologiczny i została przygotowana do przekazania klientowi.

Jednocześnie prezentacja działającego urządzenia doprowadziła do kolejnego pytania: czy proces można jeszcze przyspieszyć?

Z technicznego punktu widzenia istnieją możliwości dalszego zwiększenia wydajności, między innymi poprzez zastąpienie części klasycznych układów napędowych kolejnymi osiami serwo oraz dalszą optymalizację sekwencji pracy.

I właśnie to jest naturalną częścią procesu tworzenia maszyny prototypowej.

Pierwszy egzemplarz pozwala zweryfikować przyjęte założenia w rzeczywistych warunkach, zmierzyć czasy poszczególnych operacji, zidentyfikować wąskie gardła i zdecydować, które elementy mechaniki, napędów lub sterowania warto zmodyfikować w kolejnej iteracji.

W taki sposób prototyp stopniowo staje się dojrzałą maszyną produkcyjną.

SINTIA Innovations – kiedy potrzebnej maszyny nie ma w katalogu

Projekt maszyny do wklejania okładek dobrze pokazuje, czym w praktyce zajmujemy się w SINTIA Innovations.

W tym przypadku klient nie przyszedł do nas z gotowym projektem urządzenia. Przyszedł z problemem technologicznym i pokazał nam proces wykonywany ręcznie.

Naszym zadaniem było przeanalizowanie tego procesu i znalezienie odpowiedzi na pytanie, czy można go zautomatyzować.

Od tego momentu rozpoczął się pełny proces inżynierski: analiza technologii, opracowanie koncepcji, podział procesu na moduły, projekt mechaniczny CAD, dobór technologii wykonania konstrukcji, obliczenia i dobór napędów, projekt automatyki, dokumentacja elektryczna, analiza bezpieczeństwa, programowanie PLC i HMI, budowa, integracja, uruchomienie oraz próby technologiczne.

W efekcie z ręcznie wykonywanej operacji powstała kompletna maszyna przemysłowa.

To właśnie jest obszar, w którym specjalizuje się SINTIA Innovations: projektujemy i budujemy maszyny do procesów, dla których gotowego rozwiązania nie można po prostu kupić z katalogu.

Wróć do listy