DOMENIUL INGINERIE ȘI MANAGEMENT PROGRAMUL DE STUDIU INGINERIE ECONOMICĂ ȘI MANAGEMENT PENTRU AFACERI FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: Învățământ cu frecvență… [307864]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ

DOMENIUL INGINERIE ȘI MANAGEMENT

PROGRAMUL DE STUDIU INGINERIE ECONOMICĂ ȘI MANAGEMENT PENTRU AFACERI

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: Învățământ cu frecvență

EVALUAREA PERFORMANȚELOR UNEI CELULE DE SUDURĂ ROBOTIZATE PRIN MODELARE ȘI SIMULARE REȚELE PETRI

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

PROF. DR. ING. [anonimizat]. POPA COSMIN ADRIAN

SC VALIANT TMS RO SRL

ABSOLVENT: [anonimizat]

2020

REZUMAT

Lucrarea își propune să prezinte o celulă de sudură robotizată alcătuită dintr-o [anonimizat].

În primul capitol se prezintă modul de asamblare a caroseriilor auto într-o [anonimizat], [anonimizat].

Capitolul 2 este dedicat studiului de caz de la firma Valiant TMS, o [anonimizat]-un proiect de Volkswagen Passat B8 din anul 2014, urmând ca în următorul capitol să se prezinte ciclograma de funcționare a acestei celule.

În ultimul capitol se prezintă evaluarea performanțelor celulei de sudură robotizate prin modelare și simulare cu ajutorul rețelelor Petri.

În final sunt prezentate câteva concluzii.

[anonimizat] a caroseriilor auto fiind în continuă dezvoltare.

[anonimizat] (Fig.1.1), cum ar fi: [anonimizat], [anonimizat], uși și capote. Pe lângă piesele din tablă ambutisată caroseria cuprinde și organe de asamblare (piulițe , șuruburi) fixate prin sudură cu niște pistoale speciale pentru sudura electrică cu încărcare automată a organelor de asamblare care urmează a fi sudate.

De regulă pentru procesul de sudură a tablelor se folosește sudura în puncte fără material de adaos sau sudura continuă cu material de adaos prin procedeul cu electrod fuzibil în mediu de gaz inert protector (MIG). [anonimizat] (Fig.1.2). Scopul folosirii acestor roboți este de a [anonimizat] a [anonimizat], forță de muncă și de a scade semnificativ timpul de producție.

Acești roboți sunt echipați cu clești de sudură mobili (Fig.1.3, Fig.1.4 și Fig.1.5), numit în limba engleză ,,weld guns”. Cleștii de sudură mobili sunt manipulați împreună cu dispozitivul de acționare al acestora de către robot. Pot fi de 3 tipuri și anume:

Tip C – execută o [anonimizat];

Tip X – [anonimizat] o mișcare de rotație

Tip D – execută o mișcare de translație și este folosit pentru suduri verticale

Stația de sudură robotizată

Prin stație de sudură se înțelege un grup de dispozitive așezate pe un suport comun (denumit de regulă BASE) cu ajutorul cărora se realizează o anumită operație sau succesiune de operații în vederea realizării unui subansamblu. Prin construirea mai multor stații cu operații specifice fiecăreia, practic se realizează construirea produsului final prin trecerea diferitelor subansamble prin aceste stații.

În general o stație de sudară robotizată include:

Un robot echipat cu pistol de sudură, numit și ,,weld gun”;

Sistem de control pentru robot;

Echipament de sudare cu senzori;

Dispozitive de strângere (de fixare) care permite ca piesa să fie ținută în poziția dorită în ciuda deformațiilor termice.

Stație de manipulare

O stație de manipulare poate fi definită ca o componentă care poate muta, aranja, acționa sau controla un alt element într-o manieră bună. Aceste dispozitive, denumite și grippere, se împart în trei categorii:

Grippere de manipulare

Prin manipulare se înțelege funcția unui gripper care preia elemententul de caroserie din una sau mai multe stații și îl depozitează în stația următoare, neavând nici un rol de poziționare precisă a elementului de caroserie.

Grippere de Geometrie.

Prin funcție de Geometrie se înțelege funcția unui gripper care preia elementul de caroserie din una sau mai multe stații și devine el însuși dispozitivul de orientare și fixare pentru asamblarea elementelor de caroserie.

Grippere de Process

Prin funcție de Process se înțelege funcția unui gripper care preia elementul de caroserie din una sau mai multe stații și îl depozitează precis poziționat pe o stație după care robotul efectuează o operație de sudură sau ,,sealing” (aplicare mastic). La sfârșit gripper-ul preia elementul de caroserie și îl depozitează în stația următoare care de asemenea va fi una de geometrie (asamblare de precizie prin punctele de sudură primare).

Celula de sudură robotizată

Celulă de sudură robotizată poate conține o stație geometrică în care se face asamblarea prin punctele de sudură și, după caz, o stație de respot în care se va face asamblarea prin acele puncte de sudură care nu s-au putut face în stația de geometrie.

Fig.1.6 prezintă schema procesului de lucru într-o astfel de celulă. În stația geometrică, elementele de caroserie sunt mai întâi poziționate în dizpozitive și apoi fixate cu ajutorul clampilor pneumatici pentru a menține piesele în poziție. Următorul pas este sudarea în punctele de geometrie după care subansamblul este eliberat de către clampi și pini. După aceea, subansablul poate fi gestionat de un dispozitiv de prindere care să fie preluat din stația geometrică și să îl țină până va dura faza de respot. În stația de respot, punctele de sudură rămase, numite și puncte respot vor fi sudate și ele.

Asamblarea elementelor de caroserie auto poate fi împărțit în mai mulți pași:

Poziționarea – elementele de caroserie sunt încărcate de către un gripper sau manual de către un operator în dispozitvele de poziționare;

Fixarea – când clampii sunt închiși, elementele de caroserie sunt ținute pe poziție, iar elementele de caroserie pot fi îndoite sau deformate de către dispozitiv;

Sudarea – elementele de caroserie sunt sudate laolaltă, dacă există distanță între elemente atunci aceștia sunt strânse de către cleștii de sudură;

Eliberarea – elementele sunt eliberate de către clampi și pini;

Manipularea –subansamblul este luat din stația geometrică de către gripper. Gripper-ul va ține subansamblul pe parcursul următorului proces. Setul anterior de puncte ar trebui să asigure rigiditatea ansamblului pentru a rezista forțelor de la manipulare atunci când ansablul este preluat de către gripper.

Procesul de respot – ansamblul este ținut de către gripper iar punctele de respot sunt sudate.

Eliberarea din gripper – ansamblul este eliberat din gripper și gestionat la procesele următoare.

STUDIU DE CAZ LA FIRMA VALIANT TMS

Descrierea ansamblului de caroserie

În această lucrare este prezentată o celulă de sudură robotizată care gestionează un ansamblu de table al unui carosabil din planșeul inferior central (Fig.2.1.) dintr-un proiect de Volkswagen Passat B8 din anul 2014 din cadrul firmei Valiant TMS Ro.

Acest ansamblu este alcătuit din 3 părți de tablă (Fig.2.1.) care vor fi asamblate într-o stație de sudură.

Fig.2.1. Ansamblu al planșeului inferior central

Descrierea celulei de sudură

Zona de lucru este alcătuită din stația de încărcare și sudură, stația de manipulare numit Gripper și robotul de sudură industrial echipat, cleștii de sudură și operatorul uman.

Celula de sudură automatizată este de tip om-robot și funcționează secvențial, adică mai întâi, operatorul încarcă elementele de tablă care urmează să fie sudate după care robotul execută operația de sudură.

Elementele de caroserie sunt planificate să fie asamblate într-o stație de sudură automatizată, unde punctele de sudură sunt bine stabilite, în timp ce elementele de caroserie sunt orientate de către pini și fixate cu ajutorul clampilor pneumatici în stația de sudură geometrică, iar sudarea să fie realizată cu ajutorul cleștilor de sudură. Elementele de caroserie sunt cunoscute iar secvența de asamblare este cunoscută. Geometria acestora poate fi vizualizat având un model CAD 3D, iar locațiile punctelor de sudură pe elementele de carosarie sunt definite.

În fig.2.4. este prezentată planul de amplasament al celulei în hala de producție.

Prezentarea tehnologiei de asamblare

Poziționarea și ergonomia postului de lucru

Cele 3 părți de tablă sunt încărcate de către operatorul uman pe stație în ordinea: tabla 1 (Fig.2.5.), semifabricatul (Fig.2.6.) și tabla 2 (Fig.2.8.). În vederea orientării corecte a tablelor operatorul le poziționează cu ajutorul pinilor.

Având în vedere că semifabricatul este prea greu pentru ca operatorul să se deplaseze manual se folosește un dispozitiv de manipulare a elementelor de caroserie (Fig.2.7.). Un manipulator este un dispozitiv cu un braț de manipulare rigid din oțel, care permite înclinări și rotații pneumatice complexe – chiar și atunci când semifabricatul în mișcare este manipulat în afara centrului de masă al acestuia. Un operator uman controlează dizpozitivul, permițând mișcarea ușoară și precisă a manipulatorului pentru a ridica, coborî și transporta un element de caroserie.

În Fig.2.9. este prezentată ergonomia postului de lucru: înălțimea optimă a zonei de lucru trebuie să fie între 900 – 1100 mm față de podea, iar distanța maximă a zonei de lucru a mâinilor să nu depășească 700 mm.

Fixarea

După ce tablele au fost încărcate fixarea acestora se va face prin închiderea simultană a clampilor pneumatici (Fig.2.10.).

Sudarea

Toate punctele de sudură definite pe elementele de caroserie sunt accesibile de către cleștii de sudură astfel încât nu va mai fi nevoie de puncte de respot. Sudarea unui punct durează 4 sec.

Sudarea se face succesiv, doar un singur punct de sudură la fiecare pas până când toate punctele de sudură vor fi executate. Robotul începe sudarea în puncte cu ajutorul cleștilor de tip X (Fig.2.12.), iar apoi cu cele de tip C (Fig.2.13.).

Eliberarea din stație

Când procesul de sudură s-a sfârșit se deschid simultan clampii pneumatici și apoi se retrag cilindrii de pini.

Manipularea ansamblului

Cu ajutorul gripper-ului de manipulare (Fig.2.14.) ansamblul de table sudate este preluat din stația de sudură și mutat în următoarea stație de sudură robotizată.

CICLOGRAMA DE FUNCȚIONARE A CELULEI

Ciclograma se folosește ca instrument pentru a măsura productivitatea fiecărei post de lucru. Stația de lucru care are cel mai lung timp al ciclului va fi procesul critic deoarece aceasta decide numărul minim de produse care pot fi produse. Astfel este indicat ca linia de producție să fie echilibrată, adică volumul de muncă atribuit fiecărei stații de lucru să fie aproximativ idendic.

Ciclograma din Fig.3.2. prezintă etapele procesului de asamblare a ansamblului de caroserie, format din operații care se execută simultan sau succesiv.

În prima fază operatorul uman încarcă succesiv cele 3 părți de caroserie, având la dispoziție aprox. 65-70 sec. Apoi clampii pneumatici se închid simultan – 3 sec. Robotul se întoarce la 90° către stația de încărcare și sudură – 1,7 sec după care începe sudarea în puncte cu cleștii de sudură de tip X – 48 sec. Robotul se întoarce la 180° și lasă cleștele de sudură de tip X pe un suport, apoi ridică cleștele de sudură de tip C – 15 sec. Robotul se întoarce înapoi cu 180° către stația de încărcare și sudură – 2,7 sec după care începe sudarea în puncte cu cleștii de sudură de tip C – 40 sec. Sudarea s-a terminat, se deschid simultan clampii pneumatici – 3 sec și se retrag pinii – 2 sec. Robotul se întoarce la 180° – 2,8 apoi lasă cleștele de sudură de tip C pe un suport și ridică gripper-ul de manipulare – 15 sec. Robotul se întoarce înapoi cu 180° 2,7 sec și descarcă semifabricatul mare de pe stația geo – 8 sec urmând ca în ultima fază să se ridică pinii – 2 sec.

Cicle time al liniei = 612 sec

Durata ciclului stației = 215 sec

Numarul punctelor de sudură = 22

MODELAREA CELULEI CU REȚELE PETRI

Definirea elementelor modelului. Varianta 1.

Analiza rețelei Petri poate să furnizeze informații importante despre structura și comportamentul dinamic al sistemului modelat, putând fi folosită pentru a evolua sistemul modelat și pentru a sugera îmbunătățiri sau schimbări. Pentru modelarea rețelei Petri am folosit aplicația Visual Object Net.

În tabelul 4.1. sunt prezentate elementele modelului: pozițiile, tranzițiile, seminificația acestora și caracteristicile. Pentru poziții sunt prezentate marcajele inițiale și pentru tranziții temporizările. De menționat faptul că temporizările sunt de fapt timpii corespunzători operațiilor pe care le modelează tranzițiile.

De asemenea tabelul 4.1. pune în evidență caracteristicile pozițiilor și tranzițiilor pentru fiecare din cele 3 variante de model.

Tabelul 4.1. Semnificația nodurilor rețelei Petri care modelează celula

În Fig.4.3. se poate observa că operațiile care durează cel mai mult sunt sudarea cu robotul și anume sudarea celor 12 puncte de sudură cu cleștii de tip X corespunzătoare temporizării T7 de 48 sec și sudarea celor 10 puncte de sudură cu cleștii de tip C corespunzătoare temporizării T11 de 40 sec.

După simularea funcționării stației de 8h se constată că au fost sudate 133 de ansamble de tablă.

Reducerea duratei ciclului. Varianta 2

Durata ciclului depinde de mulți factori, inclusiv dispozitivele de prindere, poziționare și manipulare, timpul de încărcare a tablelor, de sudură, de cleștii de sudură, roboți și operatori.

La cerințele clientului timpul de sudură în această celulă trebuie să fie redusă. Prin urmare, s-au redus numărul punctelor de sudură de la 22 la 14 și totodată timpul de sudură cu robotul. Astfel sudarea celor 8 puncte de sudură cu cleștii de tip X corespunzătoare temporizării T7 este de 32 sec , iar sudarea celor 6 puncte de sudură cu cleștii de tip C corespunzătoare temporizării T11 este de 24 sec.

După simularea funcționării stației de 8h se constată că au fost sudate 157 de ansamble de tablă.

Noua ciclogramă a stației este prezentată în Fig.4.6. în care se poate observa că durata ciclului stației a scăzut de la 215 la 183 sec.

Cicle time al liniei = 612 sec

Durata ciclului stației = 183 sec

Numărul punctelor de sudură = 14

Aprovizionarea stocului și timpul real al stație. Varianta 3

În varianta 3 se ia in considerare și aprovizionarea stocului celulei. La începutul schimbului operatorul are pe stoc toate tablele 1 și 2 necesare, dar datorită faptului că semifabricatul are dimensiuni mari și din lipsă de spațiu, operatorul doar 2 bucății are pe stoc. Pozițiile P26, P28 și P30 sunt contoare pentru fiecare tablă încărcată în stație. La fiecare 50 de bucăți se execută tranzițiile T20, T22, iar la fiecare 2 bucăți se execută tranziția T21. Pozițiile P27, P29 și P31 reprezintă numărul de reîncărcări a stocului.

De menționat este faptul că, operatorul este responsabil de încărcarea tablelor pentru toată linia de asamblare a planșeului inferior central.

Programul Visual Odject Net oferă posibilitatea de a crea grafice asociate pozițiilor. Se poate observa că pe diagrama poziției P26 numărul de table încărcate crește, iar pe poziția P2 scade stocul de table. Poziția P32 reprezintă confirmarea finalizării sudării unui ansamblu de caroserie.

Datorită faptului că stația este intergrată într-o linie de fabricație care conține mai multe stații, fluxul real de producție presupune un cicle time al stației de 612 sec. În consecință modelul cu rețele petri se completează cu o poziție P32 și o tranziție T23. Tranziția T23 va avea temporizarea 429 sec, aceasta fiind diferența dintre cicle time-ul real al stație și cicle time-ul ideal care este de 183 sec. În consecință după simularea funcționării stației de 8h se constată că au fost sudate 47 de părți de carosabil.

Pe diagrama din Fig.4.10. se poate observa evoluția performanțelor celulei la toate cele 3 variante.

CONCLUZII

Timpul ciclului depinde de mulți factori: dispozitivele de prindere, poziționare și manipulare, timpul de încărcare a tablelor, de sudură, de cleștii de sudură, roboți și operatori.

În prima variantă numărul punctelor de sudură a fost de 22, având durata ciclului celulei de 215 sec, iar după simularea funcționării stației de 8h s-a constatat că au fost sudate 133 ansamble de tablă. Datorită faptului că această stație este integrată într-o linie de fabricație unde asamblarea părților de carosabil se face secvențial, timpul de sudură cu robotul în această celulă s-a redus semnificativ. Prin urmare, s-au redus numărul punctelor de sudură de la 22 la 14, iar durata ciclului a scăzut la 183 sec, adică cu 32 de sec. După simularea funcționării stației de 8h s-a constatat că au fost sudate 157 ansamble de tablă.

Datorită faptului că stația este intergrată într-o linie de fabricație care conține mai multe stații, fluxul real de producție presupune un cicle time al stației de 612 sec. Acesta presupune că după fiecare ansamblu sudat stația are un timp de așteptare de 429 sec ceea ce duce la concluzia că doar 47 de ansamble de tablă sunt necesare în cele 8 ore de lucru al operatorului.

Prin urmare, analiza rețelei Petri furnizează informații importante despre structura și comportamentul dinamic al sistemului modelat, poate fi folosită pentru a evolua sistemul modelat și pentru a sugera îmbunătățiri sau schimbări.

BIBLIOGRAFIE

Abrudan, I., Sisteme flexibile de fabricație. Concepte de proiectare și management, Ed. Dacia, Cluj- Napoca, 1996;

Blaga Florin, Modelarea și simularea sistemelor tehnice. Rețele Petri. Rețele de șiruri de așteptare, (Ediția a II-a), Ed. Univ. din Oradea, 2009;

Blaga Florin, Pop Alin, Modelarea și simularea sistemelor tehnice. Îndrumar. Aplicații, (Ediția a II-a), Ed. Univ. din Oradea, 2009;

David, R., Alla, H., Du grafcet aux réseaux de Petri, Ed. Hermes, Paris, 1992;

Diaz Michel, Petri Nets: Fundamental Models, Verification and Applications, ISTE Publishing Company, 2013;

Florin Blaga, Iulian Stănășel, Alin Pop, Voichița Hule and Anamaria Karczis, The use of modeling and simulation methods to improve the performance of manufacture lines, ModTech 2018, IOP Publishing, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 400, 2018;

Florin-Sandu Blaga, Tiberiu Vesselenyi, Mircea-Petru Ursu, Voichita Hule & Iulian Stănase, Evaluation of the performance of an automated metalographic samples analysis system by means of Petri nets modeling, ModTech International Conference, Modern Technologies in Industrial Engineering June 19th-22nd, Iași, România, 2019;

Kovacs, Fr., Radulescu, C., Grigorescu S., Sisteme de fabricație flexibilă robotizate, vol. I și II, Centrul de multiplicare al I. P. Traian Vuia, Timișoara, 1994;

Kovacs, Fr., Țarcă, R., Blaga, F., Tripe, V., Sisteme de fabricație flexibilă, Ed. Univ. Oradea, 1999;

Valiant TMS, Oradea;

https://varuosad.alvadi.ee/en/car/volkswagen/2263/manufacturer, accesat septembrie 2019;

https://www.yaskawaindia.in/produts/spot-welding-robots/, accesat septembrie 2019;

https://www.wpitaiwan.com/product-spot-welding-machine.html, accesat octombrie 2019.