Välj din plats:

Land

Ett säkert grepp även om flexibla och böjbara komponenter: KR CYBERTECH automatiserar montering av batteripack

Att producera batterier till elfordon är en process som innehåller riskfyllda moment. Orsaken till detta är den mycket höga spänning som råder när batterimodulerna ansluts elektriskt. Liebherr-Verzahntechnik GmbH har tillsammans med KOSTAL Kontakt Systeme GmbH och KUKA utvecklat en teknisk lösning med två robotar från KR CYBERTECH nano-serien för säker och effektiv hopkoppling av högvoltsbatterimoduler.


Automation ger elektromobilitet vind i ryggen

De är tysta, förbrukar i allt högre grad el från förnybara energikällor, orsakar mindre CO2-utsläpp och är billigare att reparera och serva: Elfordon tillhör framtiden. Enligt uppskattningar finns det idag mer än 27 miljoner plug-in-hybrider och elfordon globalt. Mellan 2030 och 2035 kommer en lång rad större länder införa förbud mot förbränningsmotorer och då lär denna siffra öka markant. KUKA insåg tidigt potentialen med eldrivna fordon. Sedan 2014 optimerar automationsspecialisten från Augsburg sin produktportfölj för att kunna uppfylla de särskilda krav som tillverkning av elektronikkomponenter till fordonsindustrin måste uppfylla. Även Liebherr-Verzahntechnik GmbH i Kempten drar nu nytta av detta. Detta företag har med hjälp av robotar utvecklat en applikation som förbättrar säkerheten och ökar produktiviteten för tillverkare av elfordon inklusive deras underleverantörer. För vad vore en elbil utan dess viktigaste komponent, batteriet?
Två KR CYBERTECH nano ARC HW kopplar ihop högvoltsbatterimoduler och tar säkerhet och effektivitet vid batteriproduktionen till en ny nivå.

Robotbaserad montering förbättrar säkerheten vid tillverkning av högvoltsbatterier

Högvoltsbatteriet innehåller en mycket stor mängd energi och är avgörande för fordonets räckvidd och laddningstid. Högvoltsbatteriet består av ett antal moduler som ansluts till varandra elektriskt och sedan kopplas ihop till ett batteripack. Efter den elektriska hopkopplingen når dessa batterisystem utgångslikspänningar på mellan 400 och 800 volt. Många tillverkare använder anslutningar med strömskenor, så kallade ”bus bars”. Dessa utgör dock en säkerhetsrisk för medarbetarna på grund av de friliggande kontaktytorna. 
De synkroniserade robotarna kör ner de instickbara modulanslutningarna till batterimodulerna.
Ett alternativ är att använda instickbara modulanslutningar. Företaget i Allgäu har i samarbete med KOSTAL Kontakt Systeme GmbH och med hjälp av robotar utvecklat en innovativ process för automatiserad montering av instickbara modulanslutningar med flexibla ledningar. Instickbara, isolerade och flexibla modulanslutningar från KOSTAL förhindrar oavsiktlig kontakt med strömförande delar och kan anslutas automatiskt trots sin höga elasticitet. Samtidigt ger modulanslutningarna den flexibilitet och cykeltid som krävs under produktionen.

Automation är helt avgörande när högvoltsbatterier ska produceras i stora kvantiteter på ett lönsamt sätt.

Viktor Bayrhof, produktchef för automationssystem hos Liebherr-Verzahntechnik GmbH

Elektromobilitet – här krävdes en innovation med hålaxelrobotar och särskild programvara

Själva stickanslutningen utförs av två KR CYBERTECH nano ARC HW i varje cell. Dessa robotar av hålaxeltyp används annars framför allt vid bågsvetsning. Deras kompakta konstruktion och stora räckvidd, liksom det faktum att kablar kan dras genom robotens handaxel, gjorde dem till ett optimalt val även till denna applikation. Teamet hos Liebherr-Verzahntechnik GmbH valde att kombinera roboten med programvarupaketet KUKA.RoboTeam. Nu kunde ett synkroniserat samarbete mellan två eller flera robotar realiseras. Programmet och robotens rörelser jämförs med varandra i realtid, vilket t.ex. möjliggör komplexa processer som fogning av böjliga komponenter. En viktig innovation för framtidens elektromobilitet.
Hopkopplingen av de elektroniska anslutningarna sker i en cell med två robotar av typen KR CYBERTECH nano ARC HW.
Två robotarmar arbetar synkront vid produktionen av högvoltsbatterier och styrs av programvarupaketet KUKA.RoboTeam.

Brist på kvalificerad personal driver på automation

Redan idag utförs de flesta processteg inom batteriproduktion helt automatiserat för att uppfylla fordonsindustrins höga krav på t.ex. cykeltider, kvantiteter, kvalitet och produktionskostnader. Bristen på kvalificerad arbetskraft driver dessutom på den starka automationstrenden. Antalet kvalificerade yrkespersoner som är beredda att utföra monotona, fysiskt ansträngande och samtidigt krävande uppgifter har minskat. KOSTAL Kontakt Systeme GmbH från Lüdenscheid, som sedan 1938 producerar och säljer stickanslutningar till fordonsindustrin, upptäckte en marknadslucka. Företaget utvecklade därför en stickanslutning som lämpar sig både för manuell anslutning och automation. Martin Wolter, utvecklingsgruppchef hos KOSTAL, berättar: ”Säkerhet spelar en mycket viktig roll här. Eftersom det rör sig om högvoltskontakter måste dessa vara beröringsskyddade. Jämför med ett eluttag – även de kontakterna är skyddade mot oavsiktlig kontakt med fingrarna. Skillnaden är att stickanslutningar i fordon utsätts för vibrationer och både höga och låga temperaturer.”

Vårt system är mycket robust och överför ström på ett tillförlitligt sätt trots växlande belastning under hela produktens livslängd.

Martin Wolter, utvecklingsgruppchef hos KOSTAL Kontakt Systeme GmbH
Tack vare KR CYBERTECH nano ARC HW-robotens smala design får två robotar plats i en kompakt cell.

Milstolpe inom elektromobilitet – montering av batteripack

I nästa steg började KOSTAL leta efter en automationsspecialist som kunde hjälpa till att ta den nya produkten till serieproduktion. I Kempten hittade KOSTAL rätt samarbetspartner: Liebherr-Zahntechnik GmbH. Företaget från Allgäu har sedan 1969 levererat innovativa lösningar till en lång rad fordonstillverkare och underleverantörer, men även till kunder inom anläggningsbyggnad, byggmaskiner samt flyg- och rymdindustrin. 
Viktor Bayrhof står framför den innovativa cellen som företaget kunde presentera på Battery Show redan efter ett och ett halvt år.
Viktor Bayrhof, produktchef för automationssystem, berättar: ”Det var en win-win-situation. Som en relativt ny aktör inom batterimontering hade vi hittat en Unique Selling Point, och företaget KOSTAL någon som kunde automatisera deras produkt.” Företaget i Allgäu har i över ett decennium haft ett nära samarbete med KUKA. De tre företagen gjorde gemensam sak och redan efter ett och ett halvt år kunde den nya robotcellen presenteras på Battery Show i Stuttgart.

Montering: Roboten ansluter flexibla ledningar

Uppmärksamhet blev stor. De instickbara modulanslutningarna med flexibla ledningar erbjuder ytterligare fördelar jämfört med skruvförband med ”bus bars”: De är enklare att montera eftersom endast stickkontakten och hondelen behöver kopplas ihop och de kompenserar vibrationer när fordonet kör, vilket gör att den elektriska kontakten förloras mer sällan p.g.a. slitage. Deras uppbyggnad ger fördelar även när batterimodulerna måste bytas ut, t.ex. för second life-användning eller återvinning av batteripackets moduler. Den enda haken: De är böjliga och deformeras därför redan vid låga kraft- och momentbelastningar.
Och anslutningen sitter säkert – ett mycket viktigt steg i utbyggnaden av elektromobilitet.

Hantering av flexibla och böjbara delar kräver smarta lösningar

Att hantera böjliga delar med maskiner är fortfarande en stor utmaning i monteringen: Till exempel är elastiska ledningar, som ofrivilligt tvinnas i godtycklig riktning, svåra för robotar att gripa tag i. Baserat på roboten KR CYBERTECH nano ARC HW har företaget i Kempten utvecklat en specialgripper som kan ta ut ledningar ur en blisterförpackning. Eftersom ledningen som ligger i blisterförpackningen inte är tillräckligt exakt förpositionerad används en 2D-kamera: Den hjälper till att identifiera de exakta grippositionerna på de böjbara, flexibla ledningarna samt positionera modulanslutningen i ledningens ände exakt ovanför stickkontaktens hondel.
Tack vare 2D-kameran kan robotarna gripa tag i och ansluta högvoltsbatteriets flexibla och böjbara delar med hög precision.

Exakt rätt kraft med hjälp av fjäderpaket

Eftersom stickkontakten måste hanteras försiktigt har själva instickningen frikopplats för en så smidig process som möjligt. Ett fjäderpaket kontrollerar den kraft som överförs till stickkontakten och dess låsning (även kallad Connector Position Assurance eller CPA). I nästa steg trycker en pneumatisk cylinder in stickkontakten i dess hondel. Fjäderpaketet trycks ihop tills ett kraftmoment på 70 newtonmeter har nåtts och ändlägessensorn aktiveras. Samtidigt trycks CPA ner av det fjäderlagrade låsstiftet. CPA är nu låst och stickkontakten ansluten på ett processäkert sätt och grippern kan åter röra sig uppåt. Till skillnad från andra automationsexperter har Liebherr medvetet avstått från att lösa anslutningen av de böjliga ledningarna med trial-and-error-processer. Varje fastgripning och anslutning måste lyckas. Orsaken till detta: Tekniken ska kunna användas vid serieproduktion och kunna hantera de mycket korta cykeltider som krävs för detta. Och målet uppfylldes med bred marginal: Istället för de specade 17 sekunderna nådde anläggningen en cykeltid på 11 sekunder.

Optimal prestanda tack vare rätt kombination av robot och programvara

Automationsprocessen kunde realiseras tack vare roboten KR CYBERTECH nano ARC HW. Vår flexibla och prisvärda industrirobot är specialiserad på att arbeta med små komponenter och når även svåråtkomliga anslutningspositioner. Tack vare det inbyggda skyddet mot okontrollerad elektrostatisk upp- eller urladdning (ESD) lämpar den sig perfekt för hantering av känsliga elektronikkomponenter. Roboten har en slimmad och platsbesparande design, vilket gör den perfekt för kompakta robotceller där små utrymmen måste utnyttjas maximalt. 
På KUKA:s bärbara manöverenhet smartPAD kan operatören följa och styra varje steg i batteriproduktionen.
Programvaran KUKA.RoboTeam gjorde det möjligt för Liebherr att låta bägge grippers samarbeta i master-slave-drift och imitiera mänskliga armar. Robotarna kan därför hantera olika ledningslängder och anslutningspositioner och även utjämna positionstoleranser. Den integrerade bildanalysen hjälper till att identifiera anslutningarnas faktiska positioner. Lösningen är inte bara användbar vid anslutning av elektriska komponenter, utan även för andra elastiska komponenter i batteriproduktionen – till exempel vid automatiserad anslutning av datakablar mellan BMS (Battery Management System) och CMC (Cell Management Controller).

Höga kvalitetsstandarder: rustad för elektromobilitetens utbyggnad

Enligt Martin Klaus, Global Business Development Manager Electronics hos KUKA, kommer många företag inom fordonsindustrin att kunna förbli konkurrenskraftiga endast genom att automatisera. ”Trenden med batteridrivna elbilar och mer avancerad teknik i bilarna gör att mängden och variationen av komplexa elektronikkomponenter i bilen kommer att öka”, berättar Martin Klaus, ansvarig för Automotive Electronics. Dessa komponenter, bland annat växelriktare, elmotorer, displayer, kameror och styrenheter, kan enligt Klaus ”endast tillverkas i erforderlig kvalitet och mängd om automationsgraden är hög”.
Samspelet mellan hård- och programvara gör att de enskilda komponenterna kan styras optimalt.

Många av de processer som behövs inom elektronikproduktion kan realiseras med hjälp av robotar.

Martin Klaus, Global Business Development Manager Electronics hos KUKA

Nytt samarbete för montering av batteripack – konkurrenskraftig lösning

Robotspecialisten från Augsburg har länge förberett sig för detta och erbjuder idag såväl ESD-skyddade robotar som robotar certifierade för renrum och torrum. Viktor Bayrhof från Liebherr har samma synsätt. ”Högvoltsbatterisystem är den dyraste komponenten i ett elfordon”, menar Bayrhof. ”För att batterierna ska kunna produceras i stora kvantiteter på ett lönsamt sätt blir automation helt avgörande.” Lösningen som utvecklades i detta samarbete kommer kunna hjälpa företag att förbli konkurrenskraftiga även i turbulenta tider. De får kontroll över sin produktion på lång sikt – inklusive den utmanande hanteringen av flexibla och böjbara komponenter.

KUKA systempartner finns över hela världen

Här hittar du rätt partner för din bransch eller ditt problem.

Här kan du läsa mer om batteriproduktion med KUKA