Batteriepacks intelligent konfektioniert – Wiederaufbereiter Dorman steigert dank Robotik seinen Durchsatz um 300 Prozent

Batteriepacks intelligent konfektioniert – Wiederaufbereiter Dorman steigert dank Robotik seinen Durchsatz um 300 Prozent

Weltweit boomt die Nachfrage nach Elektro- und Hybridfahrzeugen. Dabei setzt der US-amerikanische Wiederaufbereiter Dorman auf robotergestützte Automatisierung und intelligente Softwarelösungen, um die komplexe Konfiguration von Batteriekomponenten zu meistern.

Das Projekt bei Dorman Products Inc., einem US-amerikanischen Wiederaufbereiter von Hybridbatterien, zeigt besonders eindrucksvoll, wie agil und leistungsfähig die Programmiersoftware RobotStudio von ABB ist – gerade, wenn es um die Modellierung automatisierter Fertigungslösungen mit komplexen Anforderungen geht.

  • Beim US-Wiederaufbereiter Dorman kommt eine robotergestützte Automatisierungsanlage zum Einsatz, die für Batterien für Hybridfahrzeuge die passenden Module zusammenstellt.
  • Um einen sechsachsigen ABB-Industrieroboter IRB 4600 sind zehn Regalstapel mit bis zu 5.000 Modulen angeordnet. Der Roboter ist in der Lage, die Module zu identifizieren und aus jedem Regalfach in einem Winkel von 360 Grad sicher zu entnehmen.
  • Mit Hilfe des robotergestützten Systems konnte Dorman die Zeit für die Batterieherstellung um 66 Prozent verkürzen, was sich in einer 300-prozentigen Steigerung des täglichen Produktionsvolumens an fertigen Batteriepacks im Werk niederschlägt.
  • In seinem Werk in Sanford im US-Bundestaat North Carolina setzt Dorman den Schwerpunkt auf die Wiederaufbereitung von Batteriepacks für den hybridbetriebenen Toyota Prius.

Für die Zusammenstellung von Batteriepacks entnimmt ein ABB-Roboter Batteriemodule aus mehr als 5.000 verschiedenen Lagerplätzen. Mit Hilfe des robotergestützten Systems konnte Dorman die Zeit für die Batteriefertigung um 66 Prozent verkürzen, was sich in einer 300-prozentigen Steigerung des täglichen Produktionsvolumens an fertigen Batteriepacks im Werk niederschlägt. Garantierückläufer sind um 27 Prozent gesunken.

Mühsames, manuelles Ausschlussverfahren für die Zusammenstellung der Batteriepacks

In seinem Werk in Sanford im US-Bundestaat North Carolina setzt Dorman den Schwerpunkt auf die Wiederaufbereitung von Batteriepacks für den hybridbetriebenen Toyota Prius. Keine leichte Aufgabe, schließlich gilt es, 28 unterschiedliche Module zu identifizieren, die nur in der richtigen Konfiguration die optimale Ersatzbatterie ergeben. Dieser Prozess wurde in der Vergangenheit manuell umgesetzt, was für die Mitarbeitenden besonders mühsam war. Im Ausschlussverfahren mussten sie bis zu 100 aufgearbeitete Module aufeinander abstimmen, um die beste Zusammenstellung für ein bestimmtes Batteriepack zu ermitteln.

„Unsere Kunden verfügten nicht über ausreichend Erfahrung mit dem Produkt, die Bearbeitung der Bestellungen dauerte zu lange, und es gab zu viele Rücksendungen“, betont Michael Menta, Vice President Engineering bei Dorman. „Wir mussten daher einen Schritt zurückgehen, den gesamten Prozess von Anfang bis Ende unter die Lupe nehmen und herausfinden, wo die Fehler auftraten.“

Modellierung mit RobotStudio liefert optimale Lösung

Eine Teilautomatisierung des Prozesses – mit Fokus auf ein Front-End-Klassifizierungssystem für eingehende Module – konnte den Engpass beim Modulabgleich nicht beheben. Weder war die Geschwindigkeit der Auftragsabwicklung noch die Qualität der gefertigten Batteriepacks gestiegen.

Michael Menta und sein Team wandten sich im nächsten Schritt an den Integrator Production Systems Automation (PSA) aus Pennsylvania, um infrage kommende, individuelle Automatisierungslösungen auszuloten. „Wir hatten keine konkrete Vorstellung darüber, wie ein automatisiertes System für die Modulzusammenstellung aussehen kann, oder ob dies überhaupt möglich ist“, sagt Menta. Zur Lösungsfindung nutzte PSA-Projektingenieur Chris Lesnefsky die ABB-Simulationssoftware RobotStudio, da es keine vergleichbaren Anwendungsbeispiele gab, auf denen eine Lösung hätte aufsetzen können.

„Die Simulationen, die sich in RobotStudio erstellen lassen, sind unglaublich realistisch und praktisch identisch damit, wie sich ein Konzept und seine verschiedenen Bestandteile in der Fabrikhalle darstellen“, sagt Chris Lesnefsky. „Ich experimentierte mit verschiedenen Konzepten und erhielt stets genaue Messwerte zu Reichweite, Geschwindigkeit, Entfernung und Förderbandposition. So konnten wir das Layout und die Roboterpfade entsprechend optimieren, um die besten Zykluszeiten zu erzielen. RobotStudio ist ein erstaunliches Werkzeug, wenn es um das Systemdesign, den Proof-of-Concept und schließlich die Programmierung von Robotern geht.“

Intelligente Kombination aus Robotik und Software

Die von PSA erarbeitete Lösung bot den besten Kompromiss zwischen dem Platzbedarf im Werk und der erforderlichen Kapazität. Um einen sechsachsigen ABB-Industrieroboter IRB 4600 sind zehn Regalstapel mit bis zu 5.000 Modulen in einem „Zehneck“ angeordnet. Der Roboter mit einer Traglast von 40 Kilogramm und einer Reichweite von 2,55 Metern ist in der Lage, die Module zu identifizieren und aus jedem Regalfach in einem Winkel von 360 Grad zu entnehmen. Ein Linearschieber am Roboterarm sorgt dafür, dass er jede Position in den Regalen erreichen kann. Um eine sanfte und kollisionsfreie Handhabung zu gewährleisten, kommen ein Schunk-Greifer sowie Sensoren zum Einsatz. Denn jedes Modul, das einem Stoß ausgesetzt ist, muss aussortiert werden.

An einer Seite der Zelle befindet sich eine Öffnung für ein zweigeteiltes, servogetriebenes Förderband. Ein Band bringt die Module in die „Bibliothek“, während das andere diejenigen Module abtransportiert, die als beste Kombination für ein bestimmtes Batteriepack ausgewählt wurden. Der Roboter kann alle acht Sekunden ein Modul ein- oder auslagern. Das System läuft in der Regel 104 Stunden pro Woche – unterteilt in Zeiträume, in denen die Module eingelagert werden, und andere Zeiträume, in denen die Zielmodule ausgelagert werden.

Mindestens genauso wichtig wie die physische Handhabung ist der „denkende“ Teil der Dorman-Anlage – bestehend aus der Robotersteuerung IRC5 von ABB. Sie ist über eine SPS mit einem LabVIEW-Softwareprogramm verbunden. Sobald Module in den Lagerbereich gelangen, scannt eine SICK-Kamera den jeweiligen QR-Code, um das Eingangsdatum und die Modulklassifizierung mit dem Lagerort zu verknüpfen. Das LabVIEW-Programm speichert diese Daten. Es enthält eine Funktion, die potenziell gute Kombinationen für jedes Batteriepack, das stets aus 28 Modulen besteht, identifiziert. Die QR-Codes werden auch beim Verlassen des Bereichs gescannt. „Wenn der Roboter mit dem Abgleich beginnt, weist ihn das LabVIEW-Programm an, welche Module er in welcher Reihenfolge entnehmen soll – basierend auf den Spezifikationen des jeweiligen Auftrags“, fasst Michael Menta von Dorman zusammen.

Zwei Module bilden zusammen ein Paar. Vierzehn Paare bilden ein Batteriepack. Jedes Modul und alle Paare müssen perfekt zum Gegenstück bzw. zueinander passen. Die Software bietet einen weiteren wertvollen Vorteil für Dorman in Bezug auf die Lagerverwaltung: Sie überwacht diejenigen Module, die mehrere Monate lang ungenutzt waren oder bei wiederholten Abgleichversuchen für Batteriepacks fehlgeschlagen sind – und entnimmt sie aus dem Lagerbereich.

PSA konnte mit Hilfe von RobotStudio nicht nur die optimale Systemkonfiguration für die Automatisierung des Ablaufs ermitteln, sondern war auch maßgeblich an der Identifizierung der erforderlichen Systemkomponenten beteiligt. Zudem stellte der Integrator sicher, dass die Kommunikation innerhalb des Systems vollständig und nahtlos verläuft.

„Die Robotersteuerung IRC5 von ABB, die mit der SPS und dem LabVIEW-Softwareprogramm verbunden ist, bildet das zentrale Gehirn des Systems“, ergänzt Michael Menta. „Der kreisförmige Roboter-Lagerturm hat unser Geschäft mit wiederaufbereiteten Hybrid-Batteriepacks enorm verbessert. Wir sind von einem äußerst langwierigen manuellen Verfahren, bei dem wir endlos Module aus Behältern entnehmen mussten, um genaue Übereinstimmungen zu finden, zu einem automatisierten Prozess übergegangen, der für unsere Mitarbeiter so viel einfacher ist.“

Auch in punkto Effizienz und Wirtschaftlichkeit profitiert das Unternehmen. Denn die Nachfrage nach Elektro- und Hybridfahrzeugen wird auch in Zukunft weiter steigen. So wird dies aller Wahrscheinlichkeit nach nicht das letzte automatisierte Zuordnungssystem für Batteriemodule seiner Art sein.

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