Tự động hóa trong sản xuất lò sưởi 4.0: Bản sao kỹ thuật số cho rô-bốt hàn

Hàn tự động các lò sưởi thô và đồng thời bao phủ danh mục sản phẩm rộng lớn – đây là mục tiêu của công ty TNHH HASE Kaminofenbau đến từ thành phố Trier. Nhà sản xuất lò sưởi cải tiến đến từ vùng tây nam nước Đức này mỗi năm đều tung ra thị trường một hoặc hai mẫu lò sưởi mới. Nhờ sự tương tác tối ưu giữa bản sao kỹ thuật số và rô-bốt hàn từ KUKA, HASE hiện có thể dễ dàng đáp ứng những nhu cầu đang ngày càng tăng lên.

Tự động hóa đảm bảo sự thoải mái: Lò sưởi hiện đại đang là xu hướng

Sự ấm áp dễ chịu, tiếng gỗ nổ lách tách, ngọn lửa rực cháy: Đối với ngày càng nhiều người, lò sưởi tượng trưng cho sự ấm cúng thuần khiết và là một phần không thể thiếu trong phòng khách. Đó là lý do tại sao nhu cầu đối với nhà sản xuất bếp lò HASE đến từ thành phố Trier đang không ngừng tăng lên. Doanh nghiệp gia đình này được thành lập vào năm 1979, hiện sản xuất tới 15.000 chiếc lò sưởi mỗi năm – và nhờ vào việc tự động hóa, quy trình sản xuất đã trở nên nhanh và hiệu quả hơn trước. Điặc biệt là khi: Tất cả các loại lò sưởi của HASE đều được sản xuất 100% tại cơ sở của công ty ở bang Rheinland-Pfalz, nơi có khoảng 200 nhân viên làm việc. Ngoài "Made in Germany", chuyên gia về bếp này còn tập trung vào các giải pháp kỹ thuật tiên tiến – có thể là thông qua các mẫu bếp mới mỗi năm, phần mềm iQ thông minh để tạo ra ngọn lửa sạch hoặc tự động hóa sản xuất thông qua rô-bốt và nhờ đó có quy trình hiệu quả hơn. Trong bối cảnh này, giao diện giữa máy móc vật lý và ứng dụng kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng.

Do chúng tôi ngày càng thiếu hụt các thợ hàn có tay nghề nên chúng tôi chỉ có thể tận dụng cơ hội thị trường đang bùng nổ bằng cách tự động hóa sản xuất.

Florian Fischer, Trưởng phòng Phát triển sản xuất tại HASE

Đáp ứng nhu cầu cao thông qua sản xuất tự động

Nhu cầu ngày càng tăng về lò sưởi hiện đại và sạch sẽ cũng đặt ra cho công ty sản xuất trong khu vực một số thách thức. "Một chiếc lò sưởi sẽ có vô số mối hàn – việc hàn tất cả bằng tay sẽ mất rất nhiều thời gian", Florian Fischer, Trưởng phòng Phát triển sản xuất tại HASE cho biết. "Do chúng tôi ngày càng thiếu hụt các thợ hàn có tay nghề và cơ sở vật chất của chúng tôi đã cũ nên chúng tôi chỉ có thể tận dụng cơ hội thị trường đang bùng nổ bằng cách tự động hóa sản xuất." Bằng cách để rô-bốt đảm nhiệm công việc hàn phức tạp trên lò sưởi thô, đồng thời cũng do điều kiện nhiệt độ tăng cao, các đồng nghiệp có thể tập trung vào công việc của mình. Ví dụ, điều này bao gồm việc hàn cửa lò sưởi, nơi mà khu vực làm việc vốn đã quá hẹp đối với rô-bốt hàn.

Bản sao kỹ thuật số là trái tim của hệ thống hàn

Mục tiêu của nhà sản xuất này rất rõ ràng: Sử dụng rô-bốt hàn để tăng năng suất, đảm bảo chất lượng và đồng thời giảm bớt khối lượng công việc cho nhân viên. Nhưng HASE sẽ không phải là HASE nếu nhà sản xuất lò sưởi cải tiến này không có tư duy hướng tới tương lai. Fischer giải thích: "Chúng tôi muốn xây dựng một hệ thống rô-bốt linh hoạt, hiện đại có thể xử lý các mô hình tương lai còn chưa tồn tại mà không cần các nhà thiết kế phải giới hạn công việc hoặc khiến quá trình sản xuất bị đình trệ". "Đó là lý do tại sao bản sao kỹ thuật số cũng đóng vai trò quan trọng."

Tại doanh nghiệp HASE Kaminofenbau ở thành phố Trier, nghề thủ công truyền thống kết hợp với tự động hóa tiên tiến.

Vì HASE đã tin tưởng vào hiệu suất của rô-bốt KUKA trong 20 năm qua nên nhà cung cấp công nghệ rô-bốt thông minh hàng đầu đã được chọn cho dự án mới nhất này. Điều đặc biệt hấp dẫn về sự hợp tác này không chỉ là khả năng sử dụng phần cứng KUKA dưới dạng hai KUKA KR CYBERTECH nano ARC HW, KUKA KL250-3 đơn vị tuyến tính và bộ định vị. Chính sự tương tác với phần mềm KUKA.Sim và Bản sao kỹ thuật số đã tạo nên bước ngoặt cho HASE. Phần mềm mô phỏng giúp các ứng dụng rô-bốt trở nên sống động – thậm chí trước cả khi hệ thống được đưa vào vận hành. Các chuỗi chuyển động của rô-bốt theo lập trình ngoại tuyến được tái lập theo thời gian thực và thời gian chu kỳ của chúng được phân tích và tối ưu hóa. Ngoài ra, KUKA.Sim ArcWelding AddOn còn mô phỏng các ứng dụng hàn tự động. Ví dụ, nó có thể xác định các vị trí tiếp cận hoặc hướng tối ưu của rô-bốt cho quá trình hàn.

Lập trình các mô hình lò sưởi ngoại tuyến nhanh hơn

Martin Altmeier, lập trình viên của HASE cho biết: "Chúng tôi mô phỏng tất cả các bước hàn và quy trình chuyển động của hai rô-bốt trên bộ phận tuyến tính trước bằng KUKA.Sim, hoàn toàn tách biệt với hệ thống thực tế". "Khi lập trình ngoại tuyến, chúng tôi có thể sử dụng bản sao kỹ thuật số để lập trình chương trình lò sưởi trong vòng hai giờ. Nếu thực hiện điều này trực tuyến, chúng tôi sẽ phải ngừng hoạt động hệ thống trong hai tuần. Điều này cho thấy: Nếu không có tùy chọn lập trình ngoại tuyến thông qua phần mềm mô phỏng, việc sản xuất và phát triển các mô hình mới của chúng tôi sẽ không thể thực hiện nhanh chóng và dễ dàng như vậy."

Hai rô-bốt hàn KR CYBERTECH nano ARC có thể hàn các đường nối của các thành phần trên thanh ray tuyến tính.

Ý tưởng của các nhà thiết kế về mẫu lò sưởi mới cũng có thể được so sánh với thực tế ngay từ rất sớm trong giai đoạn tạo mẫu thông qua KUKA.Sim. Với sự trợ giúp của bản sao kỹ thuật số, Hase có thể mô phỏng các quy trình hàn một cách trực tiếp và các nhà thiết kế sẽ nhận được hình ảnh giống hệt nhau về quy trình sản xuất tiếp theo. HASE có thể sử dụng bản sao kỹ thuật số để thử nghiệm quy trình hàn cho lò sưởi mới và cuối cùng tạo ra chương trình hàn tương ứng cho ô rô-bốt trên cơ sở này.

Tự động hóa đáp ứng tính linh hoạt

Sau khi chương trình cho mô hình lò sưởi hoàn tất, rô-bốt có thể bắt đầu hoạt động ngay lập tức. Người vận hành máy đặt lò sưởi vào hệ thống bằng thiết bị nâng, khởi động chương trình và bộ định vị sẽ nâng lò sưởi thô đã được gắn sẵn, nặng từ 20 đến 100 kg tùy theo mẫu, vào vị trí mong muốn. Trên thanh ray tuyến tính, hai rô-bốt hàn KR CYBERTECH nano ARC – được kết nối với hai nguồn điện TPS 500i Fronius – sau đó tự động hàn các đường nối của các thành phần theo trình tự đã chỉ định. "Trước đó, chúng tôi đã sử dụng phần mềm mô phỏng để xác định chính xác thời điểm mỗi rô-bốt sẽ thực hiện tốt nhất mỗi mối hàn", lập trình viên Altmeier giải thích, "để không có bất kỳ sự chậm trễ nào, các mối hàn được khít chặt và chúng tôi đạt được thời gian chu kỳ tối ưu."

Nhờ có bản sao kỹ thuật số, các nhà thiết kế nhận được hình ảnh giống hệt nhau về quy trình sản xuất ngay từ giai đoạn tạo mẫu.

Rủi ro lỗi được giảm thiểu đến mức tối thiểu

Một ưu điểm tiếp theo: Bằng cách sử dụng các cấp độ người dùng khác nhau với cấu hình vai trò rõ ràng như vai trò của người vận hành, HASE đã giảm rủi ro lỗi do lỗi vận hành xuống gần như bằng không. Ngoài ra, tất cả các chương trình hiện tại đều được sao lưu trong phần mềm KUKA – do đó, ngay cả khi xảy ra lỗi, mọi dữ liệu đều có thể được khôi phục ngay lập tức. Bernd von der Bank từ đối tác hệ thống lâu năm của KUKA là công ty TNHH Paul von der Bank cho biết khi mô tả ý định của mình đối với dự án: "Chúng tôi muốn kết nối tối ưu thế giới ảo với thế giới thực". "Không quan trọng là tôi có thay đổi điều gì đó trong hệ thống hay trong mô phỏng hay không, vì điều tương tự đều xảy ra trong cả hai hệ thống. Việc thế giới trực tuyến và thế giới thực hòa hợp với nhau tốt như vậy là điều độc đáo trên thị trường."

Các chuyên gia về bếp từ HASE, các chuyên gia tự động hóa của KUKA và công ty TNHH Paul von der Bank với tư cách là đối tác hệ thống đã làm việc chặt chẽ với nhau.

Các ứng dụng KUKA cung cấp khả năng kiểm soát thực và ảo nhất quán

Cho đến khi KUKA.Sim và rô-bốt hàn hoạt động cùng nhau một cách tối ưu, HASE, đơn vị tích hợp công ty TNHH Paul von der Bank và bộ phận chăm sóc khách hàng KUKA đã cùng hợp tác để phát triển thêm phần mềm và lập trình một giải pháp phù hợp. Chuyên môn của HASE đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong kết quả thành công cuối cùng. "Thách thức trong việc hàn điện là thế giới ảo không tồn tại dung sai nào cả", von der Bank cho biết. "Tuy nhiên, công nghệ ghép nối thực sự thì có – và không hề ít."

Giải pháp tự động hóa được tùy chỉnh riêng cho HASE giúp doanh nghiệp có thể sản xuất nhiều loại mô hình lò sưởi khác nhau.

Kiến trúc sản phẩm mô-đun của phần mềm giúp đáp ứng được mong muốn của khách hàng

Để đảm bảo rằng việc mô phỏng các mối hàn và các thông số hàn phù hợp tối ưu với hoạt động của bộ điều khiển rô-bốt và "chi phí sau đào tạo" là tối thiểu nhất có thể, tất cả những người liên quan đã cùng nhau làm việc để sửa đổi KUKA.Sim theo nhu cầu của HASE – kiến trúc sản phẩm mô-đun của phần mềm giúp điều đó trở nên khả thi! Một lợi thế quan trọng: Dữ liệu nhất quán 100% đảm bảo cho việc điều khiển ảo và thực hoạt động với cùng một dữ liệu giống nhau. Theo cách này, KUKA.Sim tạo ra cơ sở cho việc đưa vào vận hành ảo.

Nhờ có kiến trúc sản phẩm theo dạng mô-đun, phần mềm được thiết kế riêng theo yêu cầu của HASE.

Tăng năng suất nhờ hệ thống rô-bốt cao cấp

Nhờ sự tương tác tuyệt vời giữa bản sao kỹ thuật số và rô-bốt, HASE đã có thể giảm thời gian hàn cho mỗi lò sưởi từ 45 phút xuống còn 15 phút. Nhờ có trải nghiệm tích cực với hệ thống này, HASE hiện đã xây dựng hệ thống thứ hai hoàn toàn giống hệt hệ thống đầu tiên. Điều này có nghĩa rằng chi phí vận hành cho việc lập trình và kiểm soát là thấp. Hai hệ thống mới thay thế năm hệ thống cũ – mở rộng đáng kể không gian sản xuất!

Chính xác và hiệu quả: Nhờ sự tương tác tuyệt vời giữa bản sao kỹ thuật số và rô-bốt, thời gian hàn cho mỗi lò sưởi đã giảm từ 45 xuống còn 15 phút.

Khi lập trình ngoại tuyến, chúng tôi có thể lập trình chương trình lò sưởi trong vòng hai giờ bằng bản sao kỹ thuật số – nếu thực hiện điều này trực tuyến, chúng tôi sẽ phải ngừng hoạt động hệ thống trong hai tuần.

Martin Altmeier, lập trình viên tại công ty TNHH HASE Kaminofenbau

Nhà sản xuất bếp hiện có thể sản xuất lên tới 25.000 lò sưởi mỗi năm, so với mức tối đa trước đây là 15.000 lò sưởi. "Đối với chúng tôi, hai hệ thống rô-bốt cao cấp này là cải tiến lớn nhất trong quy trình hàn mà chúng tôi từng có," Fischer tổng kết lại. "Điều khó khăn nhất về tự động hóa là tìm ra cách để có thể đồng thời bao phủ toàn bộ danh mục sản phẩm. Chúng tôi đã giải quyết thành công thách thức này cùng với KUKA và công ty TNHH Paul von der Bank." Bí quyết thành công của dự án nằm ở sự hợp tác: KUKA đã cung cấp cho HASE một gói toàn diện và phát triển một giải pháp phù hợp cùng với khách hàng và đối tác hệ thống tại địa phương.

Tự động hóa như một cơ hội

Trước tình trạng thiếu hụt lao động lành nghề ngày càng gia tăng, các nhân viên tại HASE không coi giải pháp tự động hóa là mối đe dọa đến công việc của họ mà là sự đảm bảo sinh kế cho chủ lao động. HASE luôn hướng tới mục tiêu theo đuổi sự giao thoa giữa nghề thủ công thực tế và tự động hóa sáng tạo và hiện đang hợp tác với KUKA về các khái niệm về gia công và sơn tự động cũng như hàn các cụm lắp ráp. Để có nhiều lò sưởi hiện đại, sạch sẽ hơn – và thậm chí còn ấm cúng hơn trong phòng khách.