Analýza trhu - Priemysel 4.0
Praktický sprievodca priemyselnou robotikou

Kalibrácia kladky z pôvodných štyroch hodín na tri minúty

Spoločnosť Bekaert Hlohovec, a.s. možno nie je pre mnohých ľudí mimo regiónu veľmi známa, no je to vlastník bývalej Drôtovne Hlohovec a vyrába rôzne typy oceľových kordov a oceľových drôtov na rôzne použitie. Nadnárodná spoločnosť Bekaert s hlavným sídlom v Belgicku zamestnáva na celom svete viac ako 30 000 pracovníkov. Na Slovensku prevádzkuje dva závody v Hlohovci a Sládkovičove, v ktorých spolu zamestnáva približne 2300 zamestnancov.
Kalibrácia kladky z pôvodných štyroch hodín na tri minúty

Bekaert na Slovensku

Výrobný závod v Hlohovci je najkomplexnejší závod Bekaert vo svete. Výrobné portfólio je veľmi široké a výrobky sú určené na najrozličnejšie aplikácie do mnohých priemyslov (napr. automobilový, ťažobný, stavebný,…). Divízia Drôty vyrába nielen drôty pre jednoduché aplikácie, ale najmä špeciálne výrobky s vysokou pridanou hodnotou určené napríklad na výstuže podmorských káblov, upevnenie ropných plošín, výrobu lán na žeriavy, lanovky, a mnohé iné. Vyrába tiež laná (i poplastované) na vystuženie alebo upevnenie mostov, betónových konštrukcií, veterných turbín a pod. Na divízii Kordy sa vyrábajú najmä špeciálne priemyselné kordy pre rôzne účely, napríklad vystuženie dopravníkových pásov pre ťažobný priemysel, vystuženie vysokotlakových hadíc, atď.

Výrobný závod v Sládkovičove je najmä špecialista na kordy do pneumatík pre osobné aj nákladné automobily pre veľkých významných výrobcov pneumatík ako sú Pirelli, Continental, Bridgestone, Michelin a iní.

Metrologické laboratórium v Hlohovci

Jeho hlavnou činnosťou je kalibrácia rôznych druhov meradiel. Patria medzi ne dĺžkové meradlá, napr. meracie kladky, mikrometre či posuvné meradlá. Druhá časť laboratória je zameraná na teplotu a elektrické veličiny. Kalibrujú sa tu napr. termoelektrické či odporové snímače teploty, ktoré sa používajú na meranie vysokej teploty v peciach (rádovo okolo 1 100 °C) aj nižšej teploty rôznych emulzií a kúpeľov, do ktorých sa výrobky namáčajú.

V rámci našej reportáže sme sa zamerali na kalibráciu meracích kladiek pomocou nového moderného jednoúčelového zariadenia, ktoré významným spôsobom pomohlo skrátiť čas samotnej kalibrácie v porovnaní s predchádzajúcim riešením. „Kalibrácia na pôvodnom, resp. spomínanom novom zariadení predstavuje len prvú časť kalibrácie, druhým krokom je kalibrácia priamo vo výrobnej prevádzke na konkrétnom zariadení, s ktorým sa konkrétna kladka spáruje,“ informuje na úvod nášho stretnutia Jozef Rigo, metrológ a vedúci metrologického laboratória Bekaert Slovensko. Na kladku sa nalepia reflexné body a optickým snímačom sa meria počet otočení kladky pri ovinutom drôte. Na základe známych údajov, ako je obvod kladky v styčnom bode s drôtom a priemer drôtu, možno určiť dĺžku drôtu, ktorý sa navinul. Následne sa porovnajú vypočítané hodnoty s hodnotami z počítadla umiestneného na stroji. Kladky sa po istom čase používania a opotrebenia recyklujú a po strojnom opracovaní sa znovu ich obvod nakalibruje. Z ekonomického hľadiska je to podstatne efektívnejšie, ako sa snažiť vyrábať stále nové kladky s presne definovanými rozmermi.

Požiadavka na nové zariadenie

Zvyšujúca sa kapacita výroby drôtov a kordov, ako aj prísnejšie požiadavky na presnosť kalibrácie kladiek boli hlavným dôvodom začatia projektu nasadenia nového kalibračného zariadenia. „Pôvodne som zamýšľal použiť laser s Dopplerovým efektom, avšak po viacerých testoch sa táto metóda ukázala ako úplne nevhodná,“ spomína na prvé kroky projektu J. Rigo. Nasledovali ďalšie testy s mechanickými úpravami pôvodného zariadenia, avšak z hľadiska nákladov to vychádzalo takmer rovnako ako vývoj kompletne nového zariadenia.

Po porovnaní riešení viacerých výrobcov a dodávateľov riešení na optické meranie sa misky váh priklonili k laserovému skeneru od spoločnosti Micro-Epsilon. Celkový návrh, vývoj, výrobu a dodávku nového kalibračného zariadenia realizovala spoločnosť unIQsys, s. r. o., z Bratislavy, ktorá sa špecializuje práve na výrobu unikátnych jednoúčelových kontrolných a meracích zariadení určených primárne pre presný strojárenský priemysel. Tím ľudí vnútri spoločnosti má viac ako 13-ročné skúsenosti z oblasti metrológie a skúšobníctva, rovnako ako skúsenosti s vývojom vlastných softvérov a algoritmov. To v kombinácii so snímačmi od popredných svetových výrobcov senzorovej a automatizačnej technicky umožňuje spoločnosti unIQsys stavať sofistikované a unikátne stroje či celé linky. „So spoločnosťou unIQsys sa nám spolupracovalo veľmi dobre, technici boli mimoriadne kreatívni a bez problémov dokázali zapracovať všetky naše pripomienky už vo fáze vývoja zariadenia,“ konštatuje J. Rigo.

„Máme mnohoročné skúsenosti s laserovým snímaním a mnohé špecifiká máme zvládnuté. Napriek tomu sme aj pri tomto projekte ocenili možnosť otestovať laserový vysokorýchlostný snímač na túto konkrétnu úlohu. Prostredníctvom obchodného zástupcu spoločnosti Micro-Epsilon na Slovensku J. Devečku nám bol zapožičaný špičkový laserový snímač, ktorý sme si vyšpecifikovali a mohli sme ho testovať priamo v našej firme,“ dopĺňa Ing. Matej Sámel zodpovedný za predaj v spoločnosti unIQsys, s. r. o.

Výzvy pre výrobcu zariadenia

Nakoľko Bekaert je nielen výrobcom, ale aj predajcom svojich výrobkov, potrebuje v prípade drôtových produktov veľmi presne poznať ich dĺžku. Na ich meranie slúžia meracie kladky umiestnené na konci výrobného procesu. Presnosť obvodu kladky, ktorou sa meria dĺžka drôtu, je mimoriadne dôležitá a pohybuje sa rádovo v stotinách milimetra. Dôvodom je skutočnosť, že pri vysokom počte otočení kladky rádovo v desiatkach miliónov by zle nakalibrovaný obvod spôsoboval nepresnosti pri dodávanom množstve odberateľom. Pri väčších odoberaných množstvách by to mohlo dosiahnuť aj stovky metrov. Kalibrácia jednej kladky pomocou pôvodného zariadenia trvala pri 2 – 3 opakovaných meraniach cca štyri hodiny, aby sa získali štatisticky relevantné výsledky. Navyše pre široké spektrum kladiek treba mať k dispozícii aj veľký počet referenčných drôtov, ktoré sa pri takomto spôsobe používajú.

Preto bolo rozhodnuté zakúpiť úplne nové zariadenia, ktoré by zrýchlilo a zjednodušilo celý proces kalibrácie. Nešlo o triviálnu úlohu, ale o kombináciu znalosti merania, automatizácie, bezpečnosti či vývoja softvéru. Zložitosť úlohy kalibrácie je v tom, že zariadenie musí zvládnuť pracovať s veľkým množstvom rôznych typov kladiek – či už z hľadiska ich tvaru, rozmeru, hmotnosti, alebo povrchovej úpravy. Existujú tri základné typy meracích kladiek – s plochou drážkou, na ktorú sa natočí drôt v niekoľkých závitoch, drážkou v tvare U, pri ktorej drôt dosadne na jej úplné dno, a drážkou v tvare V, kde drôt dosadne na dva body. Práve posledný spomínaný typ kladky predstavoval problém pre pôvodnú, mechanickú kalibráciu. Ďalšie parametre kladiek sa pohybujú v rozsahu 150 až 360 mm z hľadiska priemeru a 200 g až 35 kg z hľadiska hmotnosti. Kladky sú z hliníka alebo ocele s opracovaným veľmi lesklým povrchom alebo z procesu výroby ošúchané, zamazané a pod. „Najťažšie na tejto úlohe teda bolo správne nájsť a vyhodnotiť styčný bod dotyku drôtu s kladkou,“ vysvetľuje M. Sámel. Podmienkou bolo dodať kompaktné zariadenie rozmerovo podobné pôvodnému, ktoré by bolo minimálne ovplyvňované teplotnými zmenami a rôznymi vibráciami.

Presnosť, bezpečnosť a intuitívnosť – hlavné tromfy

Stroj je zakrytovaný z dôvodu bezpečnosti, aj aby sa zabránilo vniknutiu prachu a aby sa udržala vlastná mikroklíma v kalibračnom priestore. Ako snímací prvok bol použitý jeden laserový čiarový triangulačný skener s modrým svetlom a hardvérovým vypínaním lasera Micro-Epsilon scanCONTROL 2950 – 25/BL SI. „Jeho výber bol stanovený na základe opakovaných testov, dobrej dlhodobej spolupráce s touto spoločnosťou s profesionálnou podporu a pružnosťou a jednoducho preto, lebo si myslíme, že sú v tomto segmente najlepší,“ konštatuje M. Sámel. Modrý laser bol zvolený práve kvôli veľmi lesklému povrchu niektorých kladiek, pretože vlnová dĺžka modrého svetla zabezpečuje tenšiu čiaru snímania a je menej náchylná na rôzne šumy v podobe odleskov. Povrch snímaného objektu ovplyvňuje dĺžku expozície, vznik viacnásobných odleskov a pod. Snímač sám o sebe dokáže čiastočne vyfiltrovať relevantné údaje od šumu, avšak unIQsys stavil na vlastné softvérové algo­ritmy spracovania, filtrovania a vyhodnocovania nasnímaných údajov v hlavnom počítači. „V tomto je naše hlavné know-how,“ hovorí s hrdosťou M. Sámel. Okrem užitočných údajov prichádza približne rovnaké množstvo údajov nerelevantných, ktoré sú dôsledkom viacnásobných odleskov a šumov. Nájsť v dátach skutočný styčný bod drôtu s povrchom kladky preto nebolo jednoduché. Na vývoj softvérovej aplikácie bol použitý nástroj LabVIEW od National Instruments hlavne preto, že dokáže zvládnuť aj výpočtovo náročné úlohy, má výborné funkcie na analýzu údajov a disponuje grafikou príjemnou pre používateľa. Nevýhodou bolo v tomto prípade pomalé spracovanie údajov prichádzajúcich v reálnom čase z laserového snímača, kde už bolo potrebné príslušné algoritmy naprogramovať v jazyku C.

Merací rozsah laserového snímača je 25 mm na výšku aj na hĺbku, pričom snímacia čiara sa skladá z 1 280 bodov. Pri plochých kladkách treba snímať väčšiu oblasť, pri drážkach V alebo U netreba snímať celý profil drážky, ale len relevantnú oblasť v okolí styčného bodu kladky s drôtom. Výpočet obvodu kladky sa realizuje ako integrálna funkcia polomerov. Pomocou invarového pravítka, ktoré slúži ako základ pre lineárny snímač polohy (Renishaw) s neistotou merania menšou ako 1 mikrometer a rozlíšením 0,1 mikrometra možno presne zistiť polohu laserového snímača vzhľadom na os rotácie. Druhý dôležitý údaj posiela samotný laserový snímač a udáva jeho vzdialenosť od kladky. Dôležité je správne zosnímanie jednej celej otáčky, pretože pri otočení väčšom ako 360° dochádza k nasnímaniu ďalších údajov, čo už skresľuje celé meranie. Snímanie jednej otáčky zabezpečuje rotačný enkodér pracujúci s presnosťou 12 000 krokov na jednu otáčku. Laserový snímač je triggerovaný hardvérovo. Vďaka tomuto princípu je eliminovaný vplyv mechanických a geometrických nedokonalostí, ako je hádzavosť dielu či rotačného stola, sústrednosť pri centrovaní a podobne. Pri kalibrácii na novom zariadení stačí na zistenie presného obvodu kladky vykonať len tri otáčky. Pohon otočného mechanizmu zabezpečuje servomotor s prevodovkou. Na riadenie sa používajú dve riadiace jednotky. PLC od spoločnosti Beckhoff zabezpečuje riadenie všetkých procesov bežiacich v reálnom čase. Obsahuje V/V karty, do ktorých sú pripojené snímače. Priamo do nadradeného počítača je okrem PLC pripojený aj výstup z laserového snímača, nakoľko spracovanie a vyhodnotenie údajov potrebuje vysoký výpočtový výkon. Komunikáciu laserového snímača s nadradeným PC zabezpečuje zbernica na báze GigE ethernetu.

Podstatná súčasť riešenia je kompenzácia vplyvu okolia na kalibráciu. Napriek vyhotoveniu na mramorovom základe s odpružením na silentblokoch ovplyvňuje proces kalibrácie teplota okolia. Tá spôsobuje zmenu vzdialenosti polohy skenera od osi rotácie kladky a tiež teplotný drift jednotlivých snímačov. Na meranie teploty vnútorného prostredia bol nasadený veľmi presný odporový teplomer.

Bezpečnosť zariadenia bola riešená v súlade s platnou legislatívou, pričom hlavné bezpečnostné prvky – bezpečnostné relé, elektromagnetický zámok krytu a pod. – sa realizovali z komponentov spoločnosti Sick.

Automatizovaný proces kalibrácie

Operátor má presne predpísaný postup kalibrácie kladky, ktorá sa pred meraním očistí, zosníma sa QR kód, ktorý je na nej umiestnený, a upevní sa do skľučovadla. Ak sa začína zo stavu, že bolo kalibračné zariadenie vypnuté alebo sa výrazne zmenila teplota okolia, ako prvý sa do skľučovadla upevní etalón, na základe ktorého sa stroj nastaví, a až následne kladka, ktorá sa má kalibrovať. Ak sa kalibrujú kladky s najväčšími rozmermi a najväčšou hmotnosťou, ich zakladanie a vykladanie do zariadenia musia robiť dvaja pracovníci. Na uľahčenie tohto procesu je kalibračné zariadenie vybavené pomocným „výťahom“, ktorý jednak zabraňuje pádu kladky do zariadenia, jednak odbremeňuje obsluhu od namáhavého vkladania kladky do zariadenia.

Ak by obsluha zabudla v kalibračnom priestore nejaký predmet, momentová spojka zabezpečí bezpečné zastavenie rotácie. Podľa údajov o kladke, medzi ktoré patrí jej sériové číslo, z akého materiálu je vyrobená, výška náboja kvôli správnemu výberu podložiek do skľučovadla a funkčný priemer, aby sa laserový snímač aspoň približne nastavil vzhľadom na stred rotácie, si systém automaticky nastaví priebeh kalibrácie. Na operátorskom monitore zariadenia sa v textovej aj animovanej podobe zobrazujú postupne jednotlivé kroky, ktoré má operátor vykonať. Proces kalibrácie je úplne automatický, operátor nemá dosah na jeho priebeh. Ak sa napr. zmení rozsah teploty v priestore kalibrácie o viac, ako je prípustné, stroj vykoná opakované meranie. Po úspešnej kalibrácii umožňuje aplikácia vygenerovať kalibračný protokol a uložiť ho v elektronickej forme aj ho priamo vytlačiť na tlačiarni. Spárovanie protokolu s kladkou je na základe jej sériového čísla.

Výnimočné zrýchlenie

Dodanie zariadenia bolo zrealizované koncom januára tohto roku, pričom finalizácia jeho funkčnosti prebiehala už priamo na mieste v metrologickom laboratóriu, pretože sa stále vyskytli nové typy kladiek, ktoré nebolo možné pred odovzdaním odskúšať. Z hľadiska kapacitných možností zariadenie prekonalo očakávania zadávateľa, nakoľko pri súčasnom objeme kalibrácie má stále ešte dostatočnú rezervu, ktorú Bekaert môže v budúcnosti využiť aj v iných závodoch. Súčasťou dodávky zariadenia bolo aj zaškolenie obsluhy. Medzi najdôležitejšie prínosy patrí zvýšenie presnosti kalibrácie a tiež jej niekoľkonásobné zrýchlenie, čo umožňuje pracovníkom laboratória venovať čas ďalším činnostiam. Aby bola zaručená stopercentná istota, že nové zariadenie poskytuje tie správne výsledky, bolo do konca júla paralelne v prevádzke spolu s pôvodným zariadením.

Po nasadení nového zariadenia sa proces kalibrácie jednej meracej kladky skrátil z pôvodných štyroch hodín na približne tri minúty vrátane vkladania a vykladania kladky. Vďaka tomu dokáže metrologické laboratórium kapacitne pokryť nielen kalibráciu kladiek z Hlohovca, ale aj zo závodu v Sládkovičove.

Ďakujeme spoločnosti Bekaert Hlohovec, a. s., za možnosť realizácie reportáže a Jozefovi Rigovi a Matejovi Sámelovi za poskytnuté technické informácie.