TKI_Main

=Smart manufactoring (TKI-FONTYS)=

toc Bedrijven in de maakindustrie staan voor grote uitdagingen. Grote en kleine (MKB) bedrijven in deze sector ervaren: (1) een steeds grilliger, vaak onvoorspelbare marktvraag (volumeflexibiliteit), (2) een grotere productvariatie en klantspecifieke producten (mixflexibiliteit) en kleinere seriegroottes (low volume, high mix) (3) een afnemende time-to-market en daardoor meer druk op o.a. assemblage activiteiten en (4) toenemende complexiteit in (ICT) technologie in producten en processen, (5) met daarbij een constant hoge druk op kosten en kwaliteitseisen (in-één-keer-goed, zero defects).

Daarnaast is er sprake van toenemende krapte op de arbeidsmarkt. Met name is er bij bedrijven behoefte aan medewerkers die goed en flexibel inzetbaar zijn in het voortraject (engineering, werkvoorbereiding, planning) als ook in productie. Bij bedrijven is de behoefte om ook bredere doelgroepen (jongere onervaren, flexkrachten, ouderen) te kunnen inzetten in het werkproces. Dergelijke trends stellen hoge eisen aan een nieuwe flexibele inrichting van het bedrijfsproces en in het bijzonder de inrichting van het assemblage proces, aan ondersteunende ICT systemen (proces control) en aan hun medewerkers. Om concurrerend te kunnen blijven produceren en aantrekkelijke banen in de regio te behouden zijn innovatieve oplossingen noodzakelijk.

Dit project beoogt kennis & systeem ontwikkeling en realisatie van een autonome/zelflerende en zelfconfigurerende assemblagecel met optimale ondersteuning van en interactie met operators gericht op foutloos, flexibel en productief assembleren van enkelstuks/kleine series. Een dergelijk systeem is er niet in de industrie. Er bestaand weliswaar systemen als MES, maar die zijn met name gericht op geautomatiseerde processen en grote series. Er is nieuwe kennis nodig om een dergelijk systeem te ontwikkelen dat geschikt is voor: Enkelstuks en/of kleine series combinaties van manuele en geautomatiseerde processen in assemblage optimaliseren, autonoom configureren en met zelflerend vermogen.

Doelstelling
Doelstelling van dit project is de ontwikkeling en realisatie van een autonome/zelflerende/ zelfoptimaliserende en zelfconfigurerende assemblagecel waarin meerdere kleinere orders tot unieke enkelstuks producten (semi automatisch) kunnen worden geproduceerd met optimale ondersteuning van en interactie met operators.

Kenmerken zijn:

Een hoge mate van flexibiliteit, kwaliteit en productiviteit op 3 niveaus : 1. Continu (automatisch) meten en analyseren van data en genereren van feedback binnen een productie order waardoor het proces real-time aangepast kan worden. Zelflerend vermogen door metingen en data analyse. 2. Een snelle en foutloze overgang tussen verschillende productie orders met minimale omsteltijden. Het proces (assemblage cel) herkent het product van de volgende order en past zich aan, qua (test)instellingen, tooling, werkplek indeling, materiaallocaties, routing, werkinstructies etc 3. Toekomstig: een snelle en foutloze overgang naar een nieuw product type A* die een variant is van producttype A. Het proces (assemblage cel) ‘leest’ de nieuwe productvariant en past zich aan, qua (test)instellingen, tooling, werkplek indeling, materiaallocaties, routing, werkinstructies etc.


 * [[image:TKI_con1.PNG width="291" height="199" align="center"]] || [[image:TKI_con2.PNG width="306" height="226" align="center"]] ||
 * Level 1 || Level 2 ||  ||

Bij deze drie niveaus spelen een optimale taakverdeling en interacties (data verkeer) tussen machinesmedewerkers –ICT systeem een cruciale rol voor de uiteindelijke performance (kwaliteit en productiviteit). Een dergelijk, zelflerend en zelfconfigurerend systeem is nog niet beschikbaar in de industrie. Dit project is opgezet om met de deelnemers Omron, Bronkhorst en TE Connectivity -ondersteund door TNO en Fontys- nieuwe kennis te ontwikkelen, nieuwe systemen te ontwikkelen, deeltesten uit te voeren en uiteindelijk een generieke demonstratie assemblagecel te ontwikkelen, en te valideren die voldoende representatief is voor de ‘eigen’ processen en producten binnen de bedrijven.

De kennis die binnen het project wordt toegepast moet binnen de onderwijs omgeving gebruikt kunnen worden voor vervolgprojecten die binnen de smart industry plaatsvinden. Om dit te realiseren wordt er gewerkt aan een omgeving die binnen de hogeschool gebruikt kan worden voor het uitvoeren van een aantal smart industry processen. De voorwaarden die aan deze omgeving worden gesteld is dat het flexibel produceren binnen de omgeving mogelijk is door het gebruik maken van verschillende apparaten die voor meerdere taken gebruikt kunnen worden. Processen die binnen de industrie veel gebruikt worden zijn, het oppakken en plaatsen van spullen, inspectie en logistieke handelingen. Binnen de omgeving zijn dit de minimale processen die uitgevoerd moeten kunnen worden. Voor het oppakken en plaatsen van objecten wordt er op dit moment gebruik gemaakt van twee type robots, de UR5 robot en de delta-robot met drie vrijheidsgraden. In de toekomst worden het aantal robots en de variatie van robots uitgebreid. Een globaal overzicht van de toekomstige 'smart manufactoring omgeving' is te zien in onderstaande figuur.



=Robotica= Bij de deelnemende bedrijven is er geïnventariseerd welke productieprocessen binnen het bedrijf in aanmerking komen voor te robotiseren. Processen binnen de maakindustrie worden in een batch en met een recept gemaakt. Met de bedrijven is gekeken naar eenvoudige processen en complexe processen binnen de maak industrie om deze te robotiseren. Eenvoudige processen, zoals het oppakken en plaatsen van onderdelen is eenvoudig te robotiseren. De robot zal daarmee het werk van een medewerker kunnen overnemen, waardoor de medewerker tijd krijgt om zich te bezig houden met andere werkzaamheden. Om een reeks van mogelijke oplossingen te realiseren, is er binnen het lectoraat een UR5 demo cell ontwikkelt. Deze UR5 demo cell bestaat uit een robot met grijpmechanisme en enkele camerasystemen.

EtherCAT
De communicatie tussen de verschillende modules wordt gedaan met behulp van het EtherCAT protocol. Om tussen de verschillende modules te kunnen communiceren wordt er gebruik gemaakt van een master industriële PC van Beckhoff. De master PC zorgt ervoor dat informatie wordt uitgewisseld met de verschillende modules binnen het netwerk. De master kan ingezet worden om status informatie uit te wisselen met bijvoorbeeld de UR5-controller door middel van een TCP-IP over EtherCAT verbinding.



UR5-demo cell
De UR5 democell is een slimme en flexibele demo cell die gebruikt kan worden voor verschillende toepassingen. De demo-cell is opgezet om universele taken uit te kunnen voeren. De oppervlakte van de werkblad is 1.20 x1.20m. In het werkblad zijn inerts verwerkt die het mogelijk maakt om modulairbaar te werken. Om dit te demo cell flexible te maken, wordt er gebruik gemaakt van slimme apparatuur. De UR5-demo cell bestaat uit:
 * UR5 robot ([|UR5-robot])
 * Pick-it Camera ([|Pickit camera])
 * Robotiq Gripper ([|Robotiq gripper])
 * USB-camera
 * Belichting



Video
media type="youtube" key="JuIYqoSj_uc" width="560" height="315" align="center"

Feederstation
//Gemaakt door expogroep 3:// Het toevoegen is bedoeld om voorwerpen geconditioneerd aan te leveren aan de demo-cel. Het concept is het automatisch leveren van de producten aan de robots. Men heeft als oplossing hiervoor een “Feederstation” bedacht. Het Feederstation moet de onderdelen van de producten goed kunnen positioneren voor de robots. De positie van de onderdelen, die in het Feederstation gaan, mag geen probleem opleveren voor het positioneren. Daarom kan de gebruiker onoplettend meerdere onderdelen tegelijkertijd in het Feederstation plaatsen.

Realisatie van de ontvangst van voorwerpen
In dit hoofdstuk worden de belangrijkste eigenschappen van het definitieve ontwerp van de ontvangst van voorwerpen besproken en verklaard. Dit wordt gedaan aan de hand van het mechanisch- en elektrisch ontwerp en de besturing. Veel onderdelen van het ontwerp worden uitgelegd aan de hand van specifieke module requirements, die aangegeven worden met MR.#.

//**Definitief ontwerp van de ontvangst van de onderdelen.**//
Het mechanisch ontwerp van de ontvangst van voorwerpen bestaat uit twee delen: de sleuven en hellingen en de transportband met zijgeleiding en een borstel. Voor het ontvangen van de voorwerpen moet er aan een aantal eisen voldaan worden:

MR.2 De objecten moeten kunnen worden ontvangen wanneer geen modulair onderzetstuk onder het Feederstation zit evenals er wel een modulair onderzetstuk onder het Feederstation zit. MR.3 Er mogen geen objecten uit het Feederstation vallen bij het ontvangen van de voorwerpen. MR.7 De objecten mogen niet beschadigd worden.

Vanwege bovenstaande eisen is ervoor gekozen om in de zijkant van het Feederstation 2 sleuven te maken die 300mm boven elkaar zitten (de hoogte van het modulair onderzetstuk). Doordat er 2 smallere sleuven boven elkaar hangen is er een lagere kans dat er objecten uit het Feederstation vallen.

Beide sleuven in het Feederstation zijn 400mm breed en 100mm hoog. In bovenstaande figuur zijn de sleuven in de zijkant van het Feederstation te zien. Zodra de voorwerpen via de sleuven het Feederstation in komen belanden deze op een aantal hellingen die de voorwerpen omlaag leiden naar een transportband. De hellingen, gemaakt van gebogen plaatstaal, hebben een aantal functies. Ten eerste wordt er met behulp van de hellingen voor gezorgd dat de voorwerpen op het goede punt (bij de transportband) aankomen. Ten tweede zorgen de hellingen er ook voor dat de voorwerpen niet beschadigen bij de ontvangst, iets wat wel zou kunnen gebeuren als de voorwerpen omlaag zouden vallen zodra ze door de sleuven naar binnen komen. Ten derde zorgt de oplopende zijkant van de helling ervoor dat de transportband minder breed hoeft te zijn wat kostenbesparend werkt.

//**Ontwerp transportband:**//
In onderstaande figuur is het definitieve ontwerp van de transportband te zien zonder band, borstelwals, zijgeleiding en aandrijving.

De transportband wordt via de aandrijfwals aangedreven door een motor. De motor zit met een askoppeling aan de aandrijfwals bevestigd en is verbonden met de rest van de transportband d.m.v. een constructie van plaatstaal.



Er is gekozen voor het gebruik van een NEMA 17 stappenmotor als aandrijving. Een stappenmotor heeft als voordeel ten opzichte van andere motoren dat deze een hoog koppel hebben en dat deze in stappen (van 1.8o) wordt aangestuurd. Om die reden hoeft de transportband niet de hele tijd te draaien maar kan het aantal rotaties worden ingesteld.

//**Ontwerp zijgeleiding:**//
Eisen aan de zijgeleiding van de transport zijn: MR.3 Er mogen geen voorwerpen uit het Feederstation vallen bij het ontvangen van de voorwerpen. MR.4 De voorwerpen moeten in een rij worden aangeboden bij de ‘barrière’ (het mechanisme dat ervoor zorgt dat de voorwerpen 1 voor 1 georiënteerd kunnen worden)



Om aan de bovenstaande eisen te voldoen zijn de eigenschappen van de verschillende voorwerpen bekeken. Uit analyse blijkt dat de onderdelen minimaal 3,0 mm en maximaal 16,6 mm hoog zijn. De zijgeleiding is zo ontworpen dat het 2 mm boven de band hangt en een hoogte heeft van 35 mm, zodat de voorwerpen er niet onder- of bovenlangs kunnen en er voldaan wordt aan MR.3. De extra hoogte van de zijgeleiding zorgt ervoor dat voorwerpen die op elkaar gestapeld zijn, ook niet uit de ontvangst van voorwerpen kunnen vallen.



Met MR.4 is de output van de ontvangstmodule gedefinieerd. Aangezien het systeem geschikt moet zijn voor verschillende voorwerpen met verschillende afmetingen, moet deze output ook variabel zijn. Dit is gedaan met een verstel-mechanisme dat bestaat uit een male- en female-onderdeel. De lange versmalling van het male-voorwerp gaat door het gat van het female-onderdeel. Door een boutje wordt het female-onderdeel aan het male-onderdeel vastgezet. De minimale breedte van de uitgang is 10 mm en de maximale breedte is 50 mm. Lengte van dit verstelmechanisme is 10 mm, dit is de grootste lengtemaat van de onderdelen. Deze afmetingen zijn gebaseerd op de maximale lengte, maximale breedte en minimale breedte van de voorwerpen.Het verstellen van de uitgang van de zijgeleiding heeft ook gevolgen voor het toelopende deel van de zijgeleiding, dit moet namelijk ook variabel zijn. Dit is gedaan door meerdere gaten toe te voegen aan de bevestiging aan de transportband. Deze bevestiging is gedaan door middel van een blokje dat vast zit aan de zijgeleiding en via een asje in een montagesteun zit.

//**Ontwerp borstelwals**//
De borstelwals voorziet de transportband en dus ook de ontvangstmodule van de volgende functie:

MR.8 De objecten moeten op de juiste hoogte worden geselecteerd, plat gelegd worden. MR.9 De hoogte waarop objecten worden geselecteerd (zie R.8) moet variabel zijn.

De borstelwals wordt in tegengestelde richting van de bewegingsrichting van de voorwerpen op de transportband gedraaid. Dit wordt gedaan door de as van de borstelwals aan de zijkanten van de transportband te bevestigen in lagers. Aan één uiteinde van de as van de borstelwals wordt een motor bevestigd die ervoor zorgt dat de borstelwals draait. De bevestiging gebeurt met een as-koppeling.



De borstelwals bestaat uit een KARCHER-borstelwals die normaal gesproken wordt toegepast in schoonmaakmachines. Aan het uiteinde van deze borstelwals worden twee bevestigingsstukken gezet die ervoor zorgen dat de borstelwals in de lagers past en aan de motor kan worden gekoppeld. Deze as komt in een montagesteun, waardoor de hoogte van de borstelwals handmatig kan worden gevarieerd. De borstelwals wordt aangedreven met een dc-motor. Er is gekozen voor een dc-motor aangezien de borstelwals niet op een specifiek of nauwkeurig moment rond moet draaien. De borstelwals hoeft namelijk alleen te draaien als er onderdelen op de transportband liggen en moet dan gedurende een langere tijd draaien. Bij het selecteren van de motor is gekeken naar het koppel dat geleverd moet worden.

Delta Robot (3DOF)
De delta robot is een robot die in staat om in drie vrijheidsgraden te bewegen. De delta robot is een robot die vaak wordt gebruikt in industriële omgevingen voor het oppakken en plaatsen van componenten. De delta robot kenmerkt zich door een hoge bewegingssnelheden en een nauwkeurige positionering. De delta robot wordt aangestuurd door een EtherCAT netwerk. De configuratie en programma's worden aangestuurd met behulp van een EtherCAT master waarop TwinCAT3 software van Beckhoff draait.

Mechanische beschrijving
De 3DOF robot bestaat uit 3 assen. De drie assen worden met behulp van een stappenmotor aangestuurd waardoor de end-effector naar een bepaald stand toe gaat. In de onderstaande figuren staat model van een 3DOF systeem.


 * [[image:delta_a.PNG align="center"]] || [[image:delta_b.PNG align="center"]] ||
 * a) delta robot || b) ||

Controls
De delta robot is wordt aangestuurd met behulp van stappenmotoren. Voor de aansturing wordt er gebruik gemaakt van de toolbox (TF5110) binnen TwinCAT3 om de delta robot aan te sturen. Een schematische weergave van de aansturing is te zien in onderstaande figuur.





Controls
=AutomationML= The AutomationML data format, developed by AutomationML e.V., standardised in IEC 62714, is an open, neutral, XML-based, and free data exchange format which enables a domain and company spanning transfer of engineering data of production systems in a heterogeneous engineering tool landscape. The goal of AutomationML is to interconnect engineering tools in their different disciplines, e.g. plant planning, mechanical engineering, electrical engineering, process engineering, process control engineering, HMI development, PLC programming, robot programming. ([|https://opcfoundation.org/markets-collaboration/automation-ml]/)

=Video's= media type="youtube" key="SdspOIMfhnc" width="560" height="315" align="center"

= =