Výroba baterií pro elektromobily je nebezpečná záležitost. Důvodem je vysoké napětí při elektrickém propojování kontaktů bateriových modulů. Společnost Liebherr-Verzahntechnik GmbH nyní společně s firmami KOSTAL Kontakt Systeme GmbH a KUKA vyvinula technologii se dvěma roboty z řady KR CYBERTECH nano, se kterými lze bezpečně a efektivně propojovat vysokonapěťové bateriové moduly.
Automatizace popohání e-mobilitu
Jsou tiché, stále častěji využívají obnovitelné zdroje energie, způsobují méně emisí CO2 a mají za následek nižší náklady na opravy a údržbu: Budoucnost patří elektromobilům. Podle odhadů aktuálně jezdí po světě více než 27 milionů plug-in hybridů a elektromobilů. A pokud četné velké státy v letech 2030 až 2035 zpomalí schvalování spalovacích motorů, toto číslo výrazně vzroste. Společnost KUKA brzy rozpoznala potenciál e-mobility. Tento specialista na automatizaci z Augsburgu od roku 2014 optimalizuje své produktové portfolio tak, aby splňovalo speciální požadavky, které je třeba splnit při výrobě elektronických součástek pro automobilový průmysl. Z toho nyní těží i společnost Liebherr-Verzahntechnik GmbH v Kemptenu. Tam s pomocí robotů vznikla aplikace, která může výrobcům elektromobilů a jejich dodavatelům nabídnout větší bezpečnost a vyšší produktivitu. Vždyť co by to bylo za elektromobil bez jeho srdce, tj. baterie?
Dva roboty KR CYBERTECH nano ARC HW spojují moduly vysokonapěťové baterie a povyšují bezpečnost a efektivitu výroby baterií na zcela novou úroveň.
Robotická montáž zajišťuje větší bezpečnost při výrobě vysokonapěťových baterií
Vysokonapěťová baterie obsahuje obrovské množství energie a je rozhodující pro dojezd a dobu nabíjení vozidla. Vysokonapěťová baterie se skládá z několika modulů, které jsou vzájemně elektricky propojeny a spojeny do bateriového bloku. Po propojení kontaktů dosahují tyto bateriové systémy výstupního napětí mezi 400 a 800 V DC. K tomu účelu často používané přípojnice, tzv. busbary, však představují bezpečnostní riziko pro zaměstnance kvůli exponovaným kontaktním plochám.
Současně se roboty se zásuvnými modulovými konektory přesouvají dolů k bateriovým modulům.
Alternativou je použití zásuvných modulových konektorů. Společně s firmou KOSTAL Kontakt Systeme GmbH a s pomocí robotů vyvinula společnost z Algavy inovativní proces pro automatizovanou montáž zásuvných modulových konektorů s ohebnými kabely. Zásuvné, izolované a pružné modulové konektory od společnosti KOSTAL zabraňují neúmyslnému kontaktu s částmi pod napětím a i přes svou vysokou elasticitu je lze zasunout automatizovaným způsobem - a to s požadovanou pružností a požadovanou dobou cyklu.
Automatizace hraje klíčovou roli v hospodárné výrobě vysokonapěťových baterií ve velkém množství.
E-mobilita: skutečná inovace s roboty s dutou hřídelí a speciálním softwarem
Za samotný proces připojení jsou zodpovědné dva roboty KR CYBERTECH nano ARC HW v každé buňce. Tyto roboty s dutou hřídelí se jinak používají hlavně pro svařování v ochranné atmosféře. Kompaktní konstrukce a velký dosah a také možnost vedení kabelu osou zápěstí z nich však také udělaly ideální volbu pro tuto aplikaci. Kromě toho si tým Liebherr-Verzahntechnik GmbH vybral softwarový balíček KUKA.RoboTeam. Umožňuje synchronizovanou spolupráci dvou a více robotů. Program a pohyb jsou vzájemně harmonizovány v reálném čase, takže i složité procesy – jako je spojování ohebných dílů – jsou nadmíru úspěšné. Skutečná inovace v oblasti elektromobility.
Dva roboty KR CYBERTECH nano ARC HW v jedné buňce zapojují elektronická spojení.
Obě ramena robota spolupracují synchronně při výrobě vysokonapěťových baterií, které řídí softwarový balíček KUKA.RoboTeam.
Nedostatek kvalifikovaných pracovníků je hnací silou automatizace
Většina procesních kroků při výrobě baterií je již plně automatizována, aby byly splněny požadavky automobilového průmyslu, například z hlediska doby cyklu, množství, kvality a výrobních nákladů. Nedostatek kvalifikovaných pracovníků je další hybnou silou směrem k automatizaci. Odborných pracovníků, kteří jsou ochotni podstoupit tak monotónní, fyzicky náročný a zároveň náročný úkol, je stále méně. Firma KOSTAL Kontakt Systeme GmbH z Lüdenscheidu, která vyrábí a prodává konektory pro automobilový průmysl již od roku 1938, zde objevila mezeru na trhu. Vyvinula konektor, který je vhodný jak pro ruční zapojování, tak pro automatizaci. Martin Wolter, vedoucí skupiny pro vývoj ve firmě KOSTAL, uvádí: „Velmi důležitou roli zde hraje bezpečnost – jelikož jsou kontakty vysokonapěťové, musí být chráněny proti náhodnému dotyku. To je srovnatelné se zásuvkou, kde jsou kontakty také chráněny proti nechtěnému dotyku prsty. Rozdíl je v tom, že konektor ve vozidle je vystaven vibracím a vysokým i nízkým teplotám.“
Náš systém je velmi robustní a spolehlivě přenáší elektřinu při měnícím se zatížení po celou dobu své životnosti.
Štíhlá konstrukce robota KR CYBERTECH nano ARC HW umožňuje, aby se do jedné kompaktní buňky vešly dva roboty.
Milník pro elektromobilitu v rámci montáže bateriových bloků
Firma KOSTAL poté hledala specialistu na automatizaci, aby byl nový produkt vhodný pro sériovou výrobu. Firma KOSTAL našla, co hledala, ve společnosti Liebherr-Verzahntechnik GmbH v Kemptenu. Společnost z Algavy již od roku 1969 dodává inovativní řešení mnoha výrobcům a dodavatelům automobilů, ale také zákazníkům z oblasti strojírenství, letectví a stavebních strojů.
Viktor Bayrhof před inovativní buňkou, která byla představena na Battery Show již po roce a půl.
Viktor Bayrhof, produktový manažer pro automatizační systémy, říká: „Byla to situace win-win. Coby relativně nový hráč na poli montáže baterií jsme našli unikátní prodejní místo a firma KOSTAL našla někoho, kdo jejich produkt zautomatizuje.“ Společnost se sídlem v Algavě úzce spolupracuje se společností KUKA více než deset let. Tyto tři společnosti se daly dohromady a již po roce a půl mohla být nová robotická buňka vystavena na Battery Show ve Stuttgartu.
Montáž: Roboty zapojují ohebné kabely
Tam vzbudili velkou pozornost. Zásuvné modulové konektory s ohebnými kabely totiž nabízejí ještě více výhod oproti šroubovým spojům s přípojnicemi: Jejich montáž je snazší, protože k sobě musí být připojeny pouze zástrčka a protikus a mohou kompenzovat vibrace během provozu vozidla, takže dochází k méně častým ztrátám elektrického kontaktu v důsledku opotřebení. Jejich konstrukce také nabízí výhody při pozdější výměně bateriových modulů, například pro aplikace druhé životnosti nebo recyklaci modulů v bateriovém bloku. Jediný háček: Jsou ohebné a tím se deformují i při malém silovém a momentovém zatížení.
A takové zapojení je stabilní a pevné – což je nesmírně důležitý krok v rozšiřování e-mobility.
Zpracování ohebných dílů vyžaduje optimální řešení
Manipulace strojů s ohebnými díly je dodnes velkou výzvou při montáži: Například elastické kabely, které se mohou kroutit libovolným směrem, jsou pro roboty obtížně uchopitelné. Na základě robota KR CYBERTECH nano ARC HW společnost z Kemptenu vyvinula speciální chapadlo, které odebírá kabely z blistru. Používá se 2D kamera, protože kabel uvnitř blistru není předem umístěn s dostatečnou přesností: Kamera pomáhá určit přesné polohy uchopení na ohebném, pružném kabelu a umístit konektor modulu na konci kabelu přesně nad protikus zástrčky.
Pomocí 2D kamery mohou roboty přesně uchopovat a vkládat ohebné díly vysokonapěťové baterie.
S pomocí pružinových sad k přesnému použití síly
Vzhledem k tomu, že se zástrčkou je třeba zacházet opatrně, byl proces zapojování oddělen, aby byl zajištěn hladký chod. Pružinová sada kontroluje sílu přenášenou na konektor a uzamykací pojistku konektoru (také nazývanou Connector Position Assurance nebo CPA). Pneumatický válec následně zatlačí konektor do protikusu konektoru. Tato pružinová sada se vychyluje, dokud není dosaženo momentu síly 70 Newtonmetrů a dojde ke spuštění snímače koncové polohy. Pružinový pojistný kolík současně tlačí CPA dolů. Tím se CPA uzamkne, konektor je bezpečně zasunutý a chapadlo se může opět posunout nahoru. Na rozdíl od jiných odborníků na automatizaci společnost Liebherr záměrně nevyužívá k řešení procesu zapojování ohebných kabelů procesy typu Trial-and-Error. Každý pohyb musí sedět. Důvod: Technologie má být vhodná pro sériovou výrobu a musí být schopna dodržet striktně požadované doby cyklu. A to fungovalo více než dobře: Místo předepsaných 17 sekund systém dosáhl doby cyklu jedenácti sekund.
Optimální výkon díky správné kombinaci robota a softwaru
V procesu automatizace se používá robot KR CYBERTECH nano ARC HW. Flexibilní, cenově výhodný průmyslový robot se specializuje na práci s malými součástkami a dokáže se dostat i do těžko přístupných zásuvných pozic. Díky ochraně proti nekontrolovanému elektrostatickému nabíjení nebo vybíjení (ESD) je ideální pro manipulaci s citlivými elektronickými součástkami. Aby mohl být použit také v kompaktních robotických buňkách, dokáže tento štíhlý robot optimálně využít malé prostory.
Každý krok ve výrobě baterií lze sledovat a ovládat pomocí ruční ovládací jednotky KUKA smartPAD.
Software KUKA.RoboTeam umožňuje společnosti Liebherr nechat obě chapadla pracovat společně v provozu Master-Slave, což znamená optimální napodobení lidských rukou. Tímto způsobem mohou roboty zpracovávat různé délky kabelů a polohy zástrček a kompenzovat polohové tolerance. Integrované rozpoznávání obrazu pomáhá určit skutečnou polohu slotů. Koneckonců, toto řešení lze použít nejen pro elektrické propojování kontaktů, ale také pro další elastické komponenty při výrobě baterií - například v automatizovaném procesu zapojování datových kabelů mezi systémem Battery Management System (BMS) a ovladačem Cell Management Controller (CMC).
Vysoké standardy kvality: plná připravenost na elektromobilitu
Podle Martina Klause, Global Business Development Manager Electronics ve společnosti KUKA, si mnoho společností v automobilovém průmyslu bude moci v budoucnu udržet konkurenceschopnost pouze s pomocí automatizace. „Vzhledem k trendu směrem k bateriovým elektromobilům a zvyšujícímu se technickému pokroku ve vozidlech výrazně roste počet a rozmanitost složitých elektronických součástek v automobilech,“ zdůrazňuje Klaus, který je zodpovědný za divizi Automotive Electronics. Tyto komponenty, včetně invertorů, elektromotorů, displejů, kamer a řídicích jednotek, lze podle Klause „vyrábět pouze s vysokým stupněm automatizace v požadované kvalitě a množství“.
Díky souhře hardwaru a softwaru se jednotlivé komponenty velmi snadno ovládají.
Velké množství procesů požadovaných ve výrobě elektroniky lze implementovat pomocí robotiky.
Nové partnerství v oblasti montáže bateriových bloků
Specialista na roboty z Augsburgu je na to připraven a má ve svém portfoliu roboty chráněné proti ESD a také roboty certifikované pro čisté a suché prostory. Viktor Bayrhof ze společnosti Liebherr má podobný názor. „Systémy vysokonapěťových baterií jsou nejdražší součástí elektromobilu,“ vysvětluje Bayrhof. „Aby bylo možné tyto baterie vyrábět hospodárně ve velkém množství, hraje klíčovou roli automatizace." Řešení vyvinuté zúčastněnými společnostmi může zajistit konkurenceschopnost společností i v turbulentních časech. Svou výrobu máte trvale pod kontrolou – včetně ohebných dílů.
