Tebulo Industrial Robotics: Nieuwe robotoplossing verhoogt veiligheid in staalsector
“Ontwikkel een gerobotiseerde oplossing voor het nog steeds manueel bediende reparatiestation voor onze 30 ton wegende staalrollen met een diameter tot 2 meter en een breedte tot 1,85 meter”, zo luidde de opdracht van een vooraanstaande Franse staalproducent aan Tebulo Industrial Robotics.
Elke werkgever in de staalindustrie heeft wettelijk de plicht om zijn/haar medewerkers een veilige werkplek te bieden. In het bijzonder bij het hierboven genoemde reparatiestation was de veiligheid voor de operators al geruime tijd in het geding. Zo moesten de operators van dit station tot voor kort bij elke rol staal die onbeschadigd moest worden afgeleverd aan een klant 5 tot 15 meter afrollen en wegsnijden met behulp van een manueel bediende plasmasnijder. Om er aan alle kanten goed bij te kunnen, stapten ze regelmatig over de baan heen. Een onwenselijke situatie. Tebulo Industrial Robotics ging de uitdaging aan en ontwikkelde een gerobotiseerd reparatiestation met plasmasnijder voor alle materiaalkwaliteiten en –diktes. Tevens is een voorziening meegenomen voor aparte afvoer van speciale materialen en een verwerking voor keurplaten. Een wereldprimeur.
Het gebeitste staal dat van de warmbandwals komt, wordt toegevoerd aan de koudwals om het dunner te walsen en de eigenschappen te verbeteren. Door middel van een 5-tal walsen wordt het staal vervolgens uitgewalst tot de gewenste plaatdiktes, variërend van 0,35 tot 4 mm en in uitzonderlijke gevallen zelfs 6 mm. Vervolgens wordt het materiaal opgerold op een rol van maximaal 30 ton, van de doorn gehaald en via een zogeheten ‘walking beam’ verplaatst naar het reparatiestation om te controleren of de laatste wikkels onbeschadigd zijn. Met beschadigingen/onevenheden moet worden gedacht aan breedteverschil, dikteverschil, het feit dat twee platen van verschillende diktes met elkaar verbonden zijn, een overgang van dunnere naar dikkere plaat of de aanwezigheid van een pinchhole voor lasdetectie. In alle gevallen moet de operator van het reparatiestation zo’n 5 tot 15 meter van de staalplaat wegsnijden en verschrotten. Daarna is de rol klaar om teruggewikkeld te worden en getransporteerd naar de volgende positie met de strappers voor het aanbrengen van bindbanden.
Handmatig
In de meeste staalfabrieken worden bovengenoemde beschadigingen vaak nog door mensen handmatig hersteld, eenvoudigweg met een manueel bediende plasmasnijder of een schaar. Wat dit werk gevaarlijk maakt is dat elke rol staal andere staalkwaliteiten en -eigenschappen heeft en zich daardoor steeds anders gedraagt. Zo gaat dun plaatmateriaal kreukelen en rolt hogesterktestaal zichzelf in razend tempo op als gevolg van de interne spanning in het materiaal. Daarnaast moet de operator oppassen voor snijgevaar. Een combinatie van factoren dus die het werk niet alleen onaangenaam maken, maar ook onveilig, saai en vies.
Uitgangspunten
Voor de Franse onderneming was dit dan ook de reden om na al die jaren op zoek te gaan naar een gedegen, geautomatiseerde oplossing voor een grote diversiteit aan staalplaten (van zacht materiaal met een dikte van 0,35 mm tot hogesterktestaal met een dikte van 4 mm). Behalve de snijlijn en de afvoer van het te recyclen materiaal, moest ook de afrolinrichting met aandrukrollen en plaatscheidingsmechanisme volledig in de nieuwe oplossing worden geïntegreerd zodat er geen gevaarlijk werk in de buurt van dit reparatiestation meer nodig was, anders dan automatisering op afstand.
Ontwikkeling
De ontwikkeling van het nieuwe reparatiestation was een uitdaging op zich. Zo moest rekening worden gehouden met een grote diversiteit aan paramaters, en was een eis van de klant dat uiteindelijke cyclustijd voor het verwerken van 15 meter staal per staalrol moest liggen tussen de 120 en 160 seconden. Langer mocht de productie niet worden tegengehouden. De hoofdfunctie van het reparatiestation is het verwerken van de beschadigde buitenwikkels van de rollen staal en een aanvullende eis was het detecteren van de binnenflap. Voorafgaand aan het project is Tebulo Industrial Robotics eerst nagegaan of alle gestelde eisen haalbaar waren. Zo werd ondermeer onderzocht of bespaard kon worden op cyclustijd door drie dunne platen na het snijden in één keer op de pakken en af te voeren. Op basis hiervan is vervolgens de scope van het project bepaald en kon Tebulo Industrial Robotics van start.
Nieuw reparatiestation
Het nieuwe station is zo ontworpen dat de rollen staal (van gewoon staal of hogesterktestaal) met een breedte variërend van 700 tot 1.850 mm en een diameter van circa 2 meter een voor een worden aangevoerd. Een binnenkomende rol wordt door de ‘walking beam’ opgepakt en geplaatst op de met rubber omwikkelde wiegrollen van het station. Alvorens gestart wordt met het afrollen van de staalrol, worden twee aandrukrollen en een afschraapmes, omhoog bewogen met behulp van twee hydraulisch aangedreven cilinders, met een slaglengte van elk 800 mm. Zodra de aandrukrollen tegen de rol staal drukken, zoekt de robot het begin van de te bewerken plaat op, pakt het vast en pelt deze af terwijl de aandrukrollen helpen het materiaal naar de tafel toe te drukken. Bij alle materiaalsoorten wordt in eerste instantie circa 1,5 meter materiaal afgerold, tot er een stukje materiaal van zo’n 30 cm onder de tweede aandrukrol uitschuift op een speciaal ontworpen hydraulische aangedreven heftafel. Terwijl de aandrukrollen het materiaal op de tafel klemmen, bepaalt de robot met behulp van lasertechnologie de exacte positie van de buiten- en binnenflap van de staalrol. Deze data in combinatie met de vaste positie waar de plasmasnijder later in het proces gaat snijden zijn voldoende voor de robot om exact te berekenen hoeveel materiaal er nog moet worden afgewikkeld om uiteindelijk de gewenste 1 tot 5 meter te bereiken. De heftafel met de hoogteverstelling van circa 100 mm is bedoeld voor het over elkaar heenleggen van meerdere staalplaten. Zodra een volgende plaat over de vorige moet worden heengelegd, dan wordt de bovenste plaat met behulp van de hydraulische heftafel licht opgetild, zodat de platen niet gaan stuiken. Een risico dat zeker bij de dunnere plaatmaterialen aanwezig is. 
Afschraapmes
Het hierboven genoemde afschraapmes, dat met de aandrukrollen omhoog gaat, blijft bij alle materiaalkwaliteiten voor de staalrol stil staan om geen krassen op het materiaal te veroorzaken. Alleen bij hogesterktestaal heeft dit mes een functie. Door de interne spanning van het hogesterktestaal rolt dit materiaal namelijk meteen weer mee in de richting van de staalrol. Als dat gebeurt, wordt het met behulp van het afschraapmes als het ware ‘afgeschraapt’ en kunnen de aandrukrollen het hogesterktestaal terugdrukken op de tafel. De exact af te rollen lengte is klantspecifiek instelbaar. Wel is de maximale lengte begrensd op 5 meter voor normale staalsoorten en op 1,5 meter voor hogesterktestaal. De grens van 5 meter wordt ingegeven door het feit dat de afvalcontainers een standaard lengte hebben van 5.40 meter. Bij hogesterktestaal is gekozen voor stukken van 1,5 meter, omdat die eenvoudiger te handlen zijn door de robot.
Gescheiden afvalinzameling
Zodra de plaat op de juiste wijze op de tafel is gepositioneerd kan de plasmasnijder in actie komen. De plasmatorch is geïntegreerd in de kop van de robot. De robot snijdt met de plasmaunit de plaat door boven een speciale opening in de tafel. De robot die samen met de plasmaunit op één carrier staat, pakt het afgesneden materiaal vervolgens op en voert het af naar de speciaal hiervoor opgestelde containers voor recyling. Uiteindelijk komen er in totaal drie containers te staan. Eén voor de afvoer van standaard materiaal, één voor dure legeringselementen en één voor de 70 cm lange monsterplaten die naar het laboratorium gaan voor monstername. Monsternames worden met name voor de automotive uitgevoerd. De 1,5 meter lange stukken hogesterktestaal worden door de lucht vervoerd naar een speciaal hiervoor geplaatste container. De staalrol wordt vervolgens weer opgewikkeld en daarna getransporteerd naar de bindmachines (omtrek en haspelgat) en de markeermachine.
Speciaal voor de haspelgat-bindmachine is de haspelgatdetectie uitgevoerd, om de exacte positie van de binnenflap te kunnen bepalen, zodat deze met een haspelgat bindband geborgd kan worden.
Rails
De carrier met robot en plasmaunit rijdt over een lengte van 10 meter heen en weer, over speciaal hiervoor aangelegde robot track (7e as). Vanuit de plasmaunit loopt een slangenpakket over en door de robot met een voedingskabel, een communicatiekabel en een persluchtslang naar de plasmatorch, die gelimiteerd is op een maximale afstand van 20 meter.
In het ontwerp is hiervoor bewust gekozen, omdat dit eenvoudiger is dan voordurend het hele slangenpakket van 11 meter mee te nemen als de robot zich verplaatst. De benodigde perslucht voor de plasmasnijder wordt vanuit een centraal opgestelde voorziening aangeleverd. Tijdens het rijden haalt de robot gemiddeld een snelheid van 1,6 meter per seconde bij het afvoeren van de afgesneden plaat. Afhankelijk van de dikte van de plaat varieert de snelheid van het plasma snijden van 250 mm/s bij de dunste plaat tot 80 mm/s bij een 6 mm dikke plaat. Een gegeven dat in een later stadium verder geoptimaliseerd kan worden.
Veiligheid
Heeft de robot een staalplaat vast dan wordt vanuit het oogpunt van veiligheid gewerkt met een kleinere vrijheidsgraad in de draaibewegingen en, afhankelijk van het gewicht van de te vervoeren plaat, een ietwat lagere snelheid. Keert de robot terug van de afvalcontainer, zonder staalplaat, dan gebeurt dit met hoge snelheid zodat weer cyclustijd kan worden teruggewonnen. Om te allen tijde de veiligheid te kunnen garanderen is de robot uitgerust met een zogeheten ‘safe move’ ofwel een veiligheidsprogramma, dat als een soort ‘schil’ over het standaardprogramma heen ligt. Alle bewegingen van de robot die maar enigszins resulteren in een onveilige beweging leiden ertoe dat installatie wordt stilgelegd. Het veiligheidscircuit ‘overruled’ in zo’n geval de normale PLC-besturing.
Automatisering
Eén van grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van deze installatie was het automatiseren van de zoekfuncties. Gewerkt wordt immers met diverse materiaaldiktes en –eigenschappen. Per plaat moest dus van tevoren worden nagegaan hoe de robot deze verschillende platen uiteindelijk kan detecteren, pakken en begeleiden en/of het gewicht van de betreffende plaat hanteerbaar is voor de robot. Op basis van deze informatie, heeft Tebulo Industrial Robotics vervolgens geheel in eigen beheer automatiseringssoftware geschreven voor de robotapplicatie. Het repareren van de rol, het verschrotten, het herpositioneren van de binnenflap en de monstername zijn hierin meegenomen. Ook is al rekening gehouden met het feit dat de robot op termijn zijn afval zal verdelen over drie containers. In het beginsel staat namelijk alleen de standaard afvalbak opgesteld. Pas in later stadium worden de andere twee afvalbakken erbij geplaatst. Verder heeft Tebulo besturingssoftware geschreven voor de plasmasnijder. Deze laatstgenoemde besturing is in drie hoofdprogramma’s onderverdeeld, op basis van de verschillende materiaalkwaliteiten en -diktes die aangeboden zullen worden. Zodra bekend is welke materiaalkwaliteit bewerkt dient te worden, dan wordt volautomatisch het juiste hoofdprogramma geselecteerd. De beide besturingen communiceren met de standaard PLC-besturing en de speciale PLC voor de lasertechnologie. Als de installatie te zijner tijd op locatie is geïnstalleerd, dan zal bekeken worden of dit besturingsprogramma nog verder geoptimaliseerd dient te worden. De aansturing van de plasmatool is volledig geïntegreerd in de besturing van de robot. 
Kop van de robot
Voor deze in eigen beheer ontwikkelde robotconfiguratie is een ABB robot met een maximaal toegestane last van 300 kg (lees: Pay-load) in een versterkte uitvoering gecombineerd met een volledig in eigen huis ontwikkelde robottool met in totaal vijf functies. Zo is het ventielblok voor de hydraulische gripperfunctie aangebracht op de robotarm, om de hoeveelheid hydrauliekslangen op en over de robot tot een minimum te beperken. Verder zijn op de robottool twee hydraulische cilinders gemonteerd, een voor het open en dicht sturen van de gripper en een voor het ‘floatingen’ of fixeren van het draaipunt (lees: de polsbeweging). Dankzij de ingebouwde polsfunctionaliteit kan de klap worden opgevangen die ontstaat als de robot de afgesneden staalplaten afvoert naar de daarvoor bestemde containers. Op deze manier worden de koppels die hierbij ontstaan geëlimineerd ter bescherming van de robotpols.
Naast de hydraulische gripperfunctie bevat de robottool een plasmatorch, een tweetal sensoren voor de laserdetectie van de binnenflap en een sensor voor detectie van het begin van de plaat. De robottool is gemonteerd op de robotpols en is zo ontwikkeld dat met minimale verdraaiingen de diverse functies in stelling kunnen gebracht. In de uitgangspositie staan de plasmatorch en de scanner omhoog. De hydrauliek wordt, evenals de perslucht, centraal aangeleverd door de klant. Een belangrijk uitgangspunt bij het ontwerp van deze configuratie was om de robot zo min mogelijk te laten bewegen, zodat de kabels en slangen zo minimaal mogelijk belast hoeven te worden. Speciaal voor de handling van het hogesterktestaal is verder een voorziening getroffen op de vaste wereld in de vorm van de aandrukrollen en een schraapplaat.
Snijmethoden
Omdat bij het manueel bediende reparatiestation voorheen al gewerkt werd met plasma snijden, is ook bij deze gerobotiseerde oplossing gekozen voor deze snijmethode. De klant had hier immers al ervaring mee en wist dat het snijvlak voldeed aan de kwaliteitseisen en dat er geen braamvorming ontstond. Met name dit laatstgenoemde aspect is belangrijk voor het stuk materiaal dat weer teruggerold moet worden op de staalrol. Dit mag immers het onderliggende staal op de rol niet beschadigen. Het grote voordeel van plasmasnijden is dat de dikte en de materiaalsoort niets uitmaken en dat het geschikt is voor het hele spectrum aan plaatdiktes. In sommige gevallen moeten de parameters iets worden aangepast en dient te worden gewerkt met een ander type gas om een nog beter resultaat te krijgen. Deze flexibele methode werkt uitstekend en is qua kosten aanmerkelijk voordeliger dan knippen of lasersnijden.
Tot slot
De opbouw van de nieuwe configuratie ter plaatse geschiedt medio augustus in twee fasen. In de eerste week wordt het achterste gedeelte geplaatst terwijl de productie volledig draait en in de daaropvolgende week, tijdens de stopweek, wordt de robottrack en de rest van de installatie geplaatst. Einde van die week kan het nieuwe reparatiestation dan in bedrijf worden genomen. Niet alleen kan vanaf dat moment veel veiliger en efficiënter gewerkt worden, ook hoeven geen concessies meer te worden gedaan aan de kwaliteit. Bij de ontwikkeling van de nieuwe robotconfiguratie is gestreefd naar zoveel mogelijk uniformiteit en standaardisatie. Niet alleen kan dan gunstiger worden ingekocht, ook heeft dit een positief effect op de uiteindelijke verkoopprijs. De nieuwe robotconfiguratie is probleemloos te plaatsen in bestaande productie-omgevingen. Een investering die in circa 2 jaar volledig is terug te verdienen.