ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2011/04-SE
Examensarbete 15 hp Mars 2011
Robotiserad produktionsanpassad magnetmontering för vågkraftverk
Dana Salar
Förord
På Uppsala universitetet undersöks om det är möjligt och lönsamt att tillverka generatorer med industriella robotar alltså robotautomation. Mitt examensarbete går ut på att undersöka en cell av projektet som har uppgiften att magnetisera translatorn. Ansvarig institution vid Uppsala universitet är Institutionen för teknikvetenskaper. Examinator är Nora Masszi vid Avdelningen för Signaler och System, ämnesgranskare är Mats Lejon vid Avdelningen för Elektricitetslära och handledaren är Erik Hultman vid Avdelningen för Elektricitetslära.
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536 751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Abstract
Robotiserad produktionsanpassad magnetmontering för vågkraftverk
Robotic production custom magnetic assembly for wave power
Dana Salar
This thesis work includes studies and simulation how magnetization of the translator in a linear generator for wave power can be automated. The translator is the moving component in the generator that is "dressed" with permanent magnets. The translator is magnetized with rectangle-shaped permanent magnets that are today's strongest permanent magnet type of neodymium-iron-boron (NdFeB).
Eight equivalent metal sheets are mounted around the translator. The plates have milled tracks where 106 permanent magnets per sheet are mounted. Today the assembling of the magnets is done by hand, which is a very tedious and time-consuming work.
This project presents investigations about the automation of the translator magnetization theoretically and simulation results are preformed in ABB's robot simulation software RobotStudio. Even robot-held tool was designed that enables the robot to be able to magnetize the translator in a simple manner.
The investment cost is roughly 1.5 million SEK. With an economic life-time of five years, the investment costs are estimated to 24000 SEK / month.
According to the calculations, this project is very motivated to implement, as it provides savings up to 17 000 SEK per translator which is 10.2 million SEK assuming that the robot cell is operating at full speed the whole year.
According to this thesis work the result is a 4x9 meter cell with two industrial robots of the type ABB IRB6650S.
The cycle time to magnetize one translator was calculated to about 10 hours.
This prototype of project can possibly be implemented in a full-scale production line and performed according to the calculations and simulations presented in the report. Further work is suggested to improve the tool.
Tryckt av: Uppsala Universitet ISRN UTH-INGUTB-EX-E-2011/04-SE Examinator: Nora Masszi
Ämnesgranskare: Mats Lejon Handledare: Erik Hultman
2
Abstract
This thesis work includes studies and simulation how magnetization of the translator in a linear generator for wave power can be automated. The translator is the moving component in the generator that is "dressed" with permanent magnets. The translator is magnetized with rectangle-shaped permanent magnets that are today's strongest permanent magnet type of neodymium-iron-boron (NdFeB).
Eight equivalent metal sheets are mounted around the translator. The plates have milled tracks where 106 permanent magnets per sheet are mounted. Today the assembling of the magnets is done by hand, which is
a very tedious and time-consuming work.
This project presents investigations about the automation of the translator magnetization theoretically and simulation results are preformed in ABB's robot simulation software RobotStudio. Even robot-held tool was designed that enables the robot to be able to magnetize the translator in a
simple manner.
The investment cost is roughly 1.5 million SEK. With an economic life- time of five years, the investment costs are estimated to 24000 SEK / month.
According to the calculations, this project is very motivated to implement, as it provides savings up to 17 000 SEK per translator which is 10.2 million SEK assuming that the robot cell is operating at full speed the whole year.
According to this thesis work the result is a 4x9 meter cell with two industrial robots of the type ABB IRB6650S.
The cycle time to magnetize one translator was calculated to about 10 hours.
This prototype of project can possibly be implemented in a full-scale production line and performed according to the calculations and simulations presented in the report. Further work is suggested to improve the tool.
3
Sammanfattning
I detta examensarbete undersöks och simuleras hur magnetisering av translatorn i en linjärgenerator för vågkraftverk kan automatiseras.
Translatorn är den rörliga delen i generatorn som är ”klädd” med permanentmagneter. I detta projekt är translatorn ca tre meter lång och väger 1 – 8 ton. Translatorn magnetiseras med rektangelformade permanentmagneter som är dagens starkaste permanentmagneter av typ neodym-järn-bor(NdFeB). Åtta lika långa plåtplattor sitter runt translatorn. Plattorna har spår för 106 permanentmagneter per platta.
Idag sker magnetmonteringen för hand, vilket är mycket enformig och tidskrävande arbete som bör automatiseras i framtiden.
I detta projekt undersöks automationen av translatormagnetiseringen teoretiskt och simulerat det i ABB:s robot program RobotStudio. Ett verktyg har tagits som gör det möjligt för roboten att kunna magnetisera translator på ett enkelt sätt.
Investeringskostnader som är på 1,5 miljoner kronor har tagit fram med enkla beräkningar. Den ekonomiska livslängden beräknas till 5 år så investerings kostnaderna blir 24000 kronor/månad.
Enligt beräkningarna detta projekt är mycket värd att utföra, det ger besparing upp till 17 000 kronor per translator som ger 10,2 miljoner kronor per år.
Förslaget blev en väl fungerande 4x9 meter cell med två industriella robotar av typ ABB IRB6650S. Cykeltiden för att magnetisera en hel translator blev ca 10 timmar.
Detta projekt är fullt möjligt att utföra enligt i rapporten presenterade beräkningar och simuleringar, men föreslås ytterligare arbete för att förbättra verktyget i projektet och försöka även lösa vissa problem med exakt positionering av translatorn ska komma in i cellen och garanterar man att den hamnar exakt som den ska.
4
Innehållsförteckning
Förord... 1
Abstract ... 2
Sammanfattning ... 3
1. Inledning ... 6
1.1 Bakgrund ... 6
1.2 Vågkraft... 7
1.3 Magnetisering idag ... 8
2. Problemställning ... 9
2.1 Syfte ... 9
3. Teori ... 10
3.1 Förstudier ... 10
3.2 Industrirobot ... 10
3.3 För- och nackdelar med industriell robot ... 11
3.3.1 Fördelar ... 12
3.3.2 Nackdelar ... 12
3.4 Permanentmagneten ... 13
4. Utförande ... 14
4.1 Första och andra verktygsprototyp ... 15
4.2 Tredje verktyget ... 18
4.3 Fjärde verktyg ... 20
6. Resultat... 22
6.1 Resulterande Verktyg ... 22
5
6.1.1 Skjutkraft beräkning ... 24
6.2 Magnet placering... 26
6.3 Cellen ... 28
6.4 Ekonomisk analys ... 31
7. Slutsats ... 35
8. Fortsatta arbeten ... 35
8.1 Translatorplacering ... 35
8.2 Verktyg ... 36
8.3 Material... 37
8.4 Ekonomi analys... 37
Källförtäckning ... 38
Bilagor ... 40
6
1. Inledning
Undersökning gjordes för att automatiskt med hjälp av robotar magnetisera translatorer. Det är ett nytt område att automatisera magnetiseringen av translatorn som inte har genomförts förr. Denna uppgift är mycket intressant och har utmanande problem bland annat som de stora magnetiska krafterna mellan magneterna och magnetiska kraften mot translator plattan som magneten ska monteras på. Denna uppgift/undersökning är även intressant för andra forskningsområden vid Avdelningen för Elektricitetslära så som vertikalaxlad vindkraft och undervattenströmkraftverk. I detta projekt används för det mesta ABB robotar och deras programvara för programmeringen.
1.1 Bakgrund
Vågkraften har kommit ganska långt, just nu har ett tiotals prototyper byggts färdigt och testas i ett forskningsområde utanför Lysekil på västkusten. På Avdelningen för Elektricitetsläran på Uppsala universitet försöker de utveckla denna teknik ännu mera och de vill hitta en bättre produktions sätt för att göra produktionen av generatorerna snabbare och billigare till exempel genom att magnetisera translatorn med hjälp av robotar. Just nu är det fler personer som arbetar kring produktionen och robottekniken och utbildas för mer avancerade produktion.
Syftet är att komma fram till en godtycklig bra produktionslina (där man kan tillverka generatorer från grunden del för del ) med enklare komponent och materialflöde. I forskningen används kunskaper av olika områden så som elektronik, mekanik, fysik, programmering[1].
7
1.2 Vågkraft
Den teknik som används för vågkraft vid Avdelningen för Elektricitetslära på Uppsala universitet koncentrerar sig på permanentmagnetiserade kabellindade linjärgeneratorer som placeras på havsbotten. Denna teknik har använts förr i andra fall i mycket mindre skala så som i tillverkningen av ficklampor. Här används det på annat sätt där man får en bättre utnyttjande av tekniken. Figur 1 och 2 visar generatorn placeras på havs botten där linjärgeneratorn består av en rörlig del (translator se figur 1) som är klädd av permanentmagneter och en fast del (stator se figur 1).
Translatorn är kopplat till en boj på havsytan med en lina, med vågrörelsen rör bojen upp och ner vilket medför rörelse i linjärgeneratorn alltså translatorn rör sig upp och ner och med denna rörelse utsätts statorn till växlande magnetiska fält från translatorn. Detta magnetiska fält (elektriska energin) samlas och likriktas i undervattenställverk för att sedan växelriktas, sedan transformeras och faskompenseras så att den producerade elektriska energin kan föras vidare ut till elnätet[2].
Figur 1; vågkraft generator[2] Figur 2 vågkraft generator[3]
8
1.3 Magnetisering idag
Idag magnetiseringen sker för hand. Två personer sätter magneterna på en 3 meters lång translator med 8 sidoplattor som ni ser här nere i figur 3, varje sida får plats med 106 magneter.
Med hjälp av en triangel formad plast kil (figur 4) och ett gummi hammare sätter de magneterna på plats.
Magneten läggs på verktyget och tas fram till plattan, sedan skjuts fram in till början av där magneten ska sitta för hand sedan hamras magneten in med en gummi hammare. Med en sådan teknik för två personer tar det en hel arbetsvecka för att magnetisera en hel translator[1].
Figur 3; translatorn[1] Figur 4; plastkilen[1]
9
2. Problemställning
Vid design av verktyget måste olika delar undersökas så som att materialet ska vara av något material så att magneterna inte ska påverkas av verktyget t.ex. rostfri eller plast material ska användas vid uppbyggnad av verktyget. Ett annat problem är att magneterna är mycket starka och påverkar all metall i närheten även själva roboten.
Innan man börjar med verktyget måste man tänka rätt på alla detaljer så att man minskar så mycket som möjligt all problem som kan dyka upp.
Roboten kan inte vara hur stor som helst på grund av plats och ekonomi.
När man jobbar med robotar och robotprogrammerig så kommer det att handla om millimetrar/tiondelsmillimetrar i noggrannhet och i detta projekt kommer vi att jobba med stora krafter som gör att det blir mycket svårare att hålla noggrannheten i olika positioner och hålla all mått vad det gäller programmeringsdelen.
2.1 Syfte
Examensarbetet syftar till att:
Ge förslag på en verktygsdesign
Hitta en övergipande layout för produktionscellen
Val av lämplig robotmodell och programmera den
Ekonomisk analys och cykeltidsuppskattning
10
3. Teori
3.1 Förstudier
Innan vi började med den första delen alltså verktyget så studerade vi en hel del om olika robotar, hur de rör sig och vad de kan göra. Sedan kom vi in på hur verktyget skulle se ut. Vi började med olika tester på magneten i Uppsala universitets Elläras verkstad om hur magneten påverkas av allt rund om kring den, på grund av brister på material vi kunde inte göra avancerade och noggranna tester men vi fick i alla fall en bild av hur det kan se ut. Enligt förstudier som har gjorts på Uppsala universitetet så är magnetiska krafterna är mycket stora mot translator plattan t.ex. i 2 mm luftgap mot translator plattan är kraften ca 7 kN vilket motsvarar ca 700 kg[4][5][6][7][8].
3.2 Industrirobot
Den robot som är mest användbart är en så kallad armrobot. Det är ett människor liknande arm men med flera axlar och med bytbart ”hand”, det är en armrobot som sitter på en vridskiva som kan snurra runt i 360 grader. En industri armrobot har 4-6 axlar för att kunna klara av avancerade och noggranna rörelser, beroende på vad man använder den till väljer man robot storleken och antal axlarna. Det som motsvarar människors hand är verktyget som man använder för att utföra ett specifikt arbete, t.ex. om man ska borra håll i en plåt så handen kommer att vara en borrmaskin. Axlarna möjliggör för roboten att röra verktyget i armens räckvid. Axlarna är mycket avancerat byggda med avancerade växellådor, de drivs med eldrivna servomotorer som möjliggör att man kan styra roboten med mycket hög precision. Roboten anpassas för användningen, exempelvis för att använda svetspistol, lyft, skärverktyg m.m.
11
Roboten kan placeras i olika platser och olika vinklar, t.ex. att vissa robotar kan monteras hängande på taket eller fästa den på väggen eller placera den på golvet, det finns även möjligheter att fästa den på en åkbana där den kan flyttas mellan olika stationer eller sätts den lite lutande i en viss vinkel för att nå lite längre, beroende på vad man vill använda roboten till, väljer man typen.
Det avancerade styrsystemet gör att roboten kan snabbt accelerera och bromsa i mycket noggrannheter. Det finns många företag som har liknande industrirobotar så som Kuka, Fanuc, Motoman och ABB.
Vi har koncentrerat oss mest till ABB robotar och det beror på att vi kan lite mer om detta företag och tycker att de har det vi behöver. För mer info om robotar som är använda i detta projekt se ABB:s hemsida (www.abb.se)[9].
3.3 För- och nackdelar med industriell robot
Industriella robotar eller industriella robotautomation är mycket viktig del i vårt liv nuförtiden.
Den internationella konkurrensen gör att det behövs större arbetseffektivitet för att inte förlora marknaden i ett globalt perspektiv. I såna situationer industrirobotar är en mycket bra lösning för att kunna uppnå ökad automation och flexibilitet[10].
Industriell robotautomation har som allt annat för- och nackdelar:
12
3.3.1 Fördelar
Robotar ökar flexibiliteten i till verkningen. Robotar kan jobba ungefär dygnet runt det ger ökning i produktionen med mer än 30 % del. Tunga och monotona arbete kan leda till ledförslitning för personalen och det kan orsaka problem för personen och företagets produktion. Robotar ger mer exakt och jämn kvalité i produktion och förbättrar arbetskvalité för anställda.
3.3.2 Nackdelar
Robotar kan inte tänka som människor och kan inte dra snabba slutsatsar, i vissa fall människor är snabbare och snabbare än datorer, vilka inte kan göra något mera än vad vi ”lär” de.
13
3.4 Permanentmagneten
I det här projektet används mycket starka permanentmagneter neodym- järn-bor (NdFeB)– är det kraftfullaste materialet på marknaden. Neodym tillverkas med pulvermetallurgiska metoder. Neodym erhåller mycket/maximalt energiprodukt (BH) ca. 400kJ/m3 . Jämfört med andra sorts magneter har neomdym lägre arbetstemperaturområde och Neodym:s magnetiska egenskaper är mer temperatur beroende, det är på grund av neodym är benägen att oxidera[11].
Magneterna är rektangel formade med måtten 115x 47.3 x 11 mm (se figur 5).
Boel Ekergård på Uppsala universitetet har gjord noggranna forskningar på magneterna.
En del av Boels forskning var magnetiska krafterna mot translatorplattan i olika avstånd.
Boel har simulerat och beräknat krafter per polpar sektion, varje sektion är 230 mm.
Magnetiska krafterna mot translator plattan är:
Fsektion, 3mmLuftgap Polpar 5.7 kN/per sektion Fsektion, 2mmLuftgap Polpar 6.65 kN/per sektion
Enligt de här simuleringarna är magneterna mycket starka, det motsvarar ca 700 kg som jag har nämnt tidigare också[4].
För mer info ni kan även se avhandlingen (Low Speed Generators for Marine Current Power Conversion av Karin Nilsson, Uppsala universitetet[5]).
Figur 5; permanent magneten
14
4. Utförande
Som första steget började vi att rita ett verktyg som vi tänkte kunde vara som utgångspunkt efter all studier som vi läst om magneten. Vi byggde en enkel prototyp av det verktygsskissen som vi ritade.
Vi gjorde mera tester i Uppsala universitets Elläras verkstad på det men inte tillräckligt mycket och det beror på att det inte fanns tillräckligt med tid och material så som translatorn. Med de enkla tester som vi gjorde i Elläras verkstad och med hjälp av handledarens åsikter kom vi fram till en godtyckligt bra verktygsdesign som skall kunna utföra arbetet bra.
I Elläras verkstad hade vi möjlighet att göra enkla tester och experiment, så som att vi byggde olika prototyper av verktyget och vi testade enkelt de med magneter och en translator platta liknande material. Vi fick se hur bra verktygen skulle fungera och hur vi skulle kunna förbättra dem. Det som vi inte hade tillgång till var den triangelformade plastkilen som idag används för att magnetisera translatorplattorna för hand, vi tror att triangelformade plastkilen skulle göra arbetet effektivare för oss genom att se hur den fungerar och hur bra den är jämfört med de prototyper som vi byggde.
Vi fick även enkelt testa magnetiska krafterna mot olika järn plattor där vi ville känna hur starka de är och hur magneterna skulle påverka varandra.
15
4.1 Första och andra verktygsprototyp
Detta verktyg ritade vi som utgångspunkt sedan byggde vi den för att vi skall kunna göra olika enkla tester på den för mer noggrann verktyg.
Den är enkelt byggd, det här verktyget (figur 6 och 7) skall plocka upp magneten med järnkulor alltså med magnetens egna krafter. Tanken var att magneten skall hålla i verktygen inte verktyget håller i magneten och det är för att minska ytterligare funktioner i verktyget.
Magneten ska stå på ett valt ställe där verktyget kan lätt landa ner på magneten, när verktyget är tillräckligt nära magneten ( < 1 cm) så hoppar magneten in i verktyget med hjälp av magnetiska krafterna mot järnkulorna som sitter i sidorna av verktyget som syns i figur 6 och 7. I verktygs golv alltså där magneten ska sitta i sitter 8 sensorer (varför vi har valt 8 sensorer beror på att vi tyckte att det skulle vara tillräckligt bra, man kan se magneten i fyra delar och kan lätt se magnetens rörelse i verktyget, men självklart kan man ha flera eller färre sensorer) och det är för att säga till roboten att magneten sitter rätt och det är för att senare säga till hur magneten flyttas fram in på translator plattan och för att slutligen säga till
Figur 6; en enkel prototyp av exempel verktyg ett
Figur 7; en enkel prototyp av exempel verktyg ett
16
att ingen magnet är i verktyget så att roboten ska gå vidare till nästa magnet. Sensorerna kan även säga till ifall magneten inte är hel alltså bruten t.ex. en fjärde del eller mer av magneten är borta.
Sedan för verktyget magneten till vald position på translatorplattan där den ska placeras, sedan skall magneten skjutas in på translatorplattan med hjälp av en servomotor som är inbyggd i verktyget.
Genom det här verktyget fick vi idén att rita en annan verktygsmodell (figur 8) som skall fungera bättre. Det är nästan enligt samma princip som första verktyget men den skulle vara både och att magneten håller i verktyget med sina magnetiska krafter och verktyget håller i magneten med två klamrar (som järnkulorna sitter i(figur 8)) med hjälp av servomotorer.
Figur 8; verktygs ide två
17
Skillnaden mellan det första och andra verktyget är bara klamrarna som håller i magneten och det är för att garantera mer säkerhet att magneten sitter på plats i verktyget. Magneten ska stå i vald plats och position för att verktyget lätt ska kunna landa ner på magneten. När den har landat ner då viks upp två klamrar (vilka är lika långa som magnetens längd).
På klamrarnas yttre sida (där det kommer i kontakt med magneten) sitter små järnkulor. Syftet med järnkulorna är att förutom att verktyget håller i magneten så skall magneten hålla i verktyget genom järnkulorna och för att göra det mer friktionsfritt när magneten skall skjutas in på plats.
Men det här kändes inte tillräckligt bra, det här verktyget har lite komplicerade delar som är lite för svåra att bygga och det skiljer sig inte så mycket än det första. Vi kom fram att det första var mer lämpligt.
Vi gjorde ännu ett försök på att skissa ett bättre verktyg.
18
4.2 Tredje verktyget
Det tredje verktyget ser helt annorlunda ut och utgår från det första verktyget.
I detta verktyg tänkte vi även på hur magnetutställningen skall se ut innan upp plockningen. Detta verktyg skall vara mer avancerat och mycket smidigare än första och andra verktyget(figur 9).
Detta verktyg har två funktioner mer än det första verktyget. Detta verktyg håller i magneten med två klamrar som sitter på den rörliga delen som skjuter fram magneten in på translatorplattan(se figur 9), detta verktyg kan även ändra vinkel som en människas fot, t ex när den sätter in magneten på translatorplattan eller när den plockar upp magneten, det är för mer noggrannare och svårare vinklar som roboten själv inte klarar av.
Figur 9; verktygs ide tre
19
Detta verktyg är lite mer avancerat och smidigare än förra verktyget.
Magneten kan vara placerad mer fritt men enligt vad jag hade tänkt mig var att det skulle finnas en magasinliknande ställning där magneten skall komma ut en efter en.
Med hjälp av verktygets klamrar skall verktyget plocka upp magneten, klamrarna sitter på samma del som skjuter in magneten på translatorplattan. För att verktyget ska kunna plocka upp magneten måste denna del komma fram till verktygets topp. Sedan kan verktyget plocka upp magneten med hjälp av klamrarna. Sedan kan den rörliga delen som håller i magneten med klamrarna backa tillbacka till sin plats. Då är magneten klar upplockat och roboten kan flytta verktyget till nästa position där magneten ska placeras på. Nu ska den rörliga delen skjuta fram magneten in på translatorplattan där magneten skall placeras, när den har kommit fram till sin plats då känner verktyget av det och släpper magneten, sedan backar den rörliga delen tillbacka till noll läget och nu kan börja roboten processen med en ny magnet.
Verktygets led eller ”fotleden” gör det mycket lättare och smidigare för upplockningen av magneten och magnetplaceringen på plats, där leden automatiskt justerar olika vinklar för verktyget båda för att göra det lättare att verktyget placeras på translatorplattan och för att minska tryckkrafterna på armroboten, då när väl magneten ska skjutas in i sin plats.
På grund av att detta verktyg skulle bli dyrt och onödigt avancerat, inte blev utvald. Förslag från handledaren var att första idén var fortfarande den bästa.
Men vi gav inte upp på grund av att det kändes att det första verktyget inte var tillräckligt bra. Vi försökte ännu en gång att komma på en ny idé.
20
4.3 Fjärde verktyg
Den här gången tänkte vi på helt annat sätt och det var att sätta två magneter samtidigt. Det skall ta mycket mindre tid och skall vara mycket smidigare.
Verktyget skall se ut som en rektangulär burk (figur 10 och 11) som skall få plats till två magneter/dubbelt så stor magnet i det, det skall komma vinkelrätt mot translators platta.
Verktygets framdel (figur 11 del 4 som är markerat med grönt) ska placeras på magneten för att plocka upp den som sedan ska placeras på spåren på plattan där magneterna ska placeras i.
Magneten ska placeras i en specificerad plats där verktyget kan komma åt den tillräckligt lätt, magneten plockas upp med 5-8 vakuum sugproppar inbyggda i det rörliga verktygets del (figur 11 där det är markerat med gult).
Verktyget kopplas till roboten från sidorna (se figur 10 och 11 del 1 som är markerat med rött). I figur 10 del 3 som är markerat med blå färg ska tillräckligt starka motorer monteras som kan hålla i ca 700 kg och sugpropparna och vakuumpumpen skulle vara lika starka som motorn och roboten skall vara tillräckligt stark och noggrant för att den skall kunna hålla i all dessa noggrannheter.
Den rörliga delen som ska komma fram till magneten för att plocka upp den och sedan sätta den på plats visas figuren 10 och 11 del 2 som är markerat med rött.
21
Detta verktyg skall vara mycket bra och smidigt men kan ställa stora problem för så stora krafter och noggrannheter som ska hållas i.
Det kunde man i alla fall tänka sig, men tanken var förutom allt dessa krafter det kunde dyka upp andra problem som skulle vara svårt att hantera, på denna nivå i alla fall. Det blev inte detta verktyg heller.
Det här verktyget troligen skulle kunna förverkligas om man hade större möjligheter och tid till försök och undersökning.
Eftersom projektet var begränsat gick vi tillbaka till första idén men ville utveckla den lite ändå.
Figur 10; verktygs ide fyra
Figur 11; verktygs ide fyra
22
6. Resultat
6.1 Resulterande Verktyg
Det här verktyget är slutresultatet av alla försök och förslag med avseende på den utsatta tiden (se ritningen i bilaga 1). Detta verktyg är en samling/sammanfattning av de första tre verktygens idéer.
Figur 12; resulterande verktyget
Figur 13; resulterande verktyget
23
Verktyget i figur 12 och 13 är lite vinklad och det beror på att det gör det lättare att sätta magneterna på plats. Det är 22 grader vinklat och det kom vi fram till utifrån små simulerings undersökningar från ABB:s robotstudio.
Det är tänkt att magneten ska placeras på ett ganska öppet ställe där roboten kan lätt komma fram till, t.ex. ett 30 cm smal pall. Magneten hölls fast på pallen tills verktyget har landdat/kommit rätt. Roboten ska placera verktyget noggrant ovanpå magneten med ca 30 cm utrymme, sedan när den väl har placerat verktyget, kan roboten lätt landa på magneten. När den har landat ner rätt (verktyget känner av magneten med 8 sensorer) då ger verktyget en signal till pallen att den ska släppa magneten. Magneten hölls i verktyget som den första iden i figur 6 och 7, att magneten håller sig i verktyget med hjälp av magnetiska krafterna mot järnkulorna som sitter i verktygets sidor (se figur 15), det finns även 4 små delar (se figur 15 där det är markerat med rött; se även figur 16 för bättre förståelse) som säkrar att magneten inte hoppar ut i fall det blir magnetiska krafter mot andra metall runt omkring. Det finns ytterligare två små delar i slutet av verktyget där magneten ska skjutas ut (se figur 15 där det är markerat med grönt) de här två delarna förhindrar magneten hoppa ut mot translatorplattan eller annat metall när den är för nära. De här två delarna skall släppa magneten precis när den rörliga delen (se figur 15 där den är markerat med gult) skall börja röra på sig för att skjuta magneten in på plats på translatorplattan.
Den rörliga delen drivs med en DC-motor med (12V, 2,5A) se figur 14.
Sedan för roboten magneten till vald position där magneten ska placeras.
Det krävs ca 100 N för att sätta in magneten på plats. Detta verktyg har ca 322 N i skjutkraft och det är för att vara i den säkra sidan att magneten sätts på plats utan att överlasta motorn (se beräkningarna av skjutkraften här nere).
24
6.1.1 Skjutkraft beräkning
Jag använder kulskruvar i mitt verktyg, vilket ger ca 10%
i förlust av skjutkraften alltså den resulterande skjutkraften
Det kommer ytterligare förluster i verktyget men det kommer inte ställa något problem eftersom skjutkraften är mycket mer än vad det behövs.
25 Figur14 DC-motor med permanent ferrit magneter [12]
26
6.2 Magnet placering
Magneten är tänkt att placeras på ett speciellt sätt. Verktyget placeras 2 cm från där början av magneten ska vara, sedan den rörliga delen skjuter in magneten på plats, när den har kommit fram alltså att den håller sig mot translatorplattan med magnetiska kraften, det sitter en fjäderbelastning på skjutfunktionen som upptäcker att magneten har kommit fram, så ger den en signal till roboten, roboten börjar dra bort verktyget lätt under magneten (medan magneten håller sig mot translator plattan med sina magnetiska krafter) tills den här gått bort helt under magneten (verktyget känner av att magneten är helt borta med hjälp av dem tidigare nämnda 8 sensorerna) då kan roboten påbörja ny upplockning av magneten.
27 Figur 15; det resulterande verktyget
Figur 16; spärr funktion för att förhindra magneten att hoppa ut
28
6.3 Cellen
Efter att vi gjorde klart verktyget då kom vi till nästa utmaning och det var att börja bygga en cell.
I början var tanken att en robot ABB IRB4400 (se figur 17) skall göra hela jobbet. Roboten skall stå i ett specifikt ställe i cellen och magneterna skall komma fram på en pall medan translator skall stå på ett föremål som skall snurra translatorn runt så att roboten skulle kunna placera magneten på translatorplattorna runt om translatorn.
Det skulle vara bra och smidigt att göra det på det här sättet, men i det här fallet skulle bli lite svårt eftersom translatorn är ca 3 meter lång och väger runt en ton. Det skulle bli svårt att snurra runt en så tung järnklump och samtidigt kunna hålla tiondels millimetrar i noggrannhet. Det behövdes tänka om lite för att komma på bättre förslag.
Figur 17; roboten IRB4400 [9]
29
Efter lite tankar och förslag från handledaren Erik Hultman kom vi fram till en ny cell.
I den nya cellen skall två robotar utföra arbetet. Robotar av typen ABB IRB 6650S (se figur 18). Vi har provat 5 olika robotar under det tid som vi hade (IRB4400, IRB6400RF, IRB6640, IRB7600 och IRB6650S) som av olika anledningar så som att roboten inte klarade av hela jobbet eller var dyrt jämfört med andra robotar som klarade av samma arbete så valde vi roboten IRB6650S som kan hantera 125 kg och når upp till 3,5 m (se figur 18). Man kan testa andra typer av robotar också om man har mer tid.
Translatorn har 8 plattor där magneterna ska sättas på, var och en av de här två robotarna når upp/klarar av att ”klä” på fyra av de 8 plattorna med magneter utan att roboten ska flyttas på eller translatorn ska snurras runt dessutom kommer det att gå minst två gånger snabbare att magnetisera translatorn än enligt den förra idén.
Figur 18; roboten IRB 6650S[9]
30
Efter lite undersökningar och tester i ABB RobotStudio kom vi fram till en väl fungerande cell.
Det blev en rektangulär cell med ett ungefärligt mått på 4 x 9 meter för den kompletta cellen inklusive båda robotarna (se figur 19 och 20).
Translatorn ska placeras på en 50 cm hög pall ungefär mitt i cellen, magneterna ska placeras på en speciellt byggd pall som ska vara 2 meter hög och ca 30 cm bred.
Robotarna ska placeras på en 1.5 meters hög pall, ca 2.5 meter från translatorn på motsatta sidor (se figur 19 och 20).
Figur 19; cellen med bara en robot
Figur 20; cellen med bara en robot
31
6.4 Ekonomiskanalys
För bättre bild för att se om det är värt/lönsamt att automatisera translatormagnetiseringen, så tänkte vi beräkna grundligt hur mycket det skulle kosta i tid och pengamässigt.
En translator idag magnetiseras med två personer på ca 5 arbetsdagar vilket motsvarar 40 timmar.
Enligt vad vi fått i vår simulering så det tar ca 20 sekunder för att montera en magnet, men vi har tänkt oss och beräknat att det skulle ta max 45 sekunder för att montera en magnet, det är 106 magneter/translator platta och det är fyra plattor/robot som ger att det tar 45 * 106 * 4 = 19080 sekunder =5,3 timmar för att magnetisera hela translatorn.
Med automatiseringen som vi håller på nu tar det med två ABB IRB6650S robotar ca 5 timmar för att magnetisera en hel translator, för en beräkning med större marginal tänkte vi fördubbla tiden till 10 timmar/translator, så det skulle ändå vara ¼ av det tid som nu tar att magnetisera en translator , dessutom robotar kan jobba minst 20 timmar/dygn så med automationen kan cellen magnetisera ca 2 translatorer per dygn, vilket är mycket stor skillnad jämfört med dagens teknik.
Om en arbetstimme för en montör kostar 250 kronor:
40 timmar x 2 = 80 timmar, 80 timmar x 250 = 20 000 kronor
Om vi enkelt beräknar bara tidskostnaden för translatormagnetiseringen så kostar det ca 20 000 kronor för att magnetisera en translator.
Robotiserad translatormagnetisering:
ABB IRB6650S kostar: ca 600 000 kronor
Service + material första två år: 29 000 kronor, därefter kostar 18 500 kronor/år
Jour, reparation inom 6 timmar: 21 000 kronor/år, 20 robotar ger ca 8 000 kronor/år
Nedan ska vi beräkna robotens ekonomiska livslängd till 5 år.
32
Kostnad för 5 år: 600 000 + (29 000 + (18500 * 3) + (8000 * 5)) =724500 kronor
724500/5 = 144900 kronor/år ger ca 12075 kronor/månad
Enligt våra beräkningar med automatisering av translatormagnetisering kan man magnetisera 2 translatorer per dag alltså 50 translatorer per månad.
Kostnad för både robotarna per månad: 12075 x 2 = 24150 kronor/månad 24150 kronor/50 translatorer = 483 kronor/translator,
En robots elförbrukning är 15kW/h; 10 timmar/translator, ger 15kW/h ger 10x15kW = 150 kWh
Vi räknar elpriserna enligt Vattenfalls elpris lista[13]:
El 57,50 öre/kWh 150kWh 86,25 kr
Energiskatt 28,00 öre/kWh 150kWh 42,00 kr
Moms 25% av 128,25 kr 32,10 kr
Summa 160,35 kr/translator
För både robotarna: 2 x 160,35 = 320,7 kronor
Enligt denna beräkning är elförbrukningen för både robotarna per translator ca 321 kronor.
Det behövs även en halv operatörstjänst kontinuerligt och det är för t ex övervakning, som kan kostar 400 kronor/h; 5 timmar x 400 = 2000 kronor Det kan kosta ca 2000 kronor per translator.
33
Verktygets kostnad kan uppskattas till 50 000 kr/st.
Kringutrustningen kan uppskattas till 150 000 kronor.
Livslängd 5 år = 60 månader Verktygets kostnader:
2 x verktyg = 100 000 kronor alltså 100 000/60 = ca 1667 kronor/månad 50 translator/månad: 1667/50= 33,34 kronor/translator
Kringutrustnings kostnader:
150 000/60 = 2500 kronor/månad
50 translator/månad: 2500/50 = 50 kronor/translator Investerings kostnaden per translator är:
Robot och service 483 kronor
Verktygets kostnad(2 styck) 33,34 kronor
Kringutrustning 50 kronor
Elförbrukning 320,7 kronor
Operatörstjänst 2000 kronor
Summa ca 2887 kronor
Om man jämför detta resultat med dagens teknik för translatormagnetisering som är ca 20 000 kr/translator enligt mina beräkningar: 20 000 – 2887 = 17113 kr/translator, så man sparar ca 17 000 kr/translator alltså 10,2 miljoner kronor/år.
34
Den totala investeringskostnaden är(ekonomisk livslängd 5 år):
2 x ABB IRB6650S = 1,2 miljoner kronor
2 x Verktyg som har uppskattats till 50 000 kronor/verktyg = 100 000 kronor
Kringutrustning har uppskattats till 150 000 kronor
Summa: 1200 000 + 100 000 + 150 000 = 1450 000 kronor
Livslängd 5 år = 60 månader: 1450000/60 = ca 24167 kronor/månad
Alltså den totala investerings kostnaden är 24167 kronor/månad
35
7. Slutsats
Detta arbete visar hur cellen kan se ut och vilka möjligheter finns att arbeta i cellen, har även tagits fram några för- och nackdelar med att automatisera magnetiseringen av translatorn. Hittills undersökningen har varit endast teoretisk.
Enligt detta arbeta är det fullt möjligt att automatisera magnetiseringen av translatorplattan, som resulterar bättre arbetsmiljö och lir mer lönsamt ekonomiskt.
8. Fortsatta arbeten 8.1 Translatorplacering
Ett problem kan eventuellt dyka upp när man sätter in translatorn i cellen då den kan hamna lite fel mot robotens programmeringsschema, men detta problem kan undvikas genom att en sensor byggs in i verktygets framsida där roboten kan ta reda på translatorns läge och justera program schemat efter det. Eftersom att lösa detta problem inte ingick i mitt arbete under den tid vi hade så har vi inte hunnit göra undersökningar om det.
Detta problem ska lösas för att undvika större problem i framtiden med cellbyggnaden.
36
8.2 Verktyg
Det är flera experiment som skall göras t ex för att se hur magneten påverkas (när roboten tar magneten till translatorn) av cellutrustningar runt omkring translatorn, se till att göra mer noggranna experiment på verktygets krafter på magneten innan man ska tillverkar ett slutligt verktyg.
Verktyget som vi har kommit fram borde fungera tillräckligt bra enligt ABB RobotStudio.
Det som vi har tänkt som kan vara bättre verktyg är ett magasinerat verktyg där ett magasin av magneter är byggt/kopplat till verktyget (se figur 21).
Det här verktyget har som man ser i figur 21 en inbyggt så kallat magnetmagasin. Magneterna är placerade i ordningen N N och S S alltså nord mot nord och syd mot syd (se figur 21), det gör att man slipper att
Figur 21; en enkel skiss av framtida verktyget
37
använda stora krafter för att ta isär magneterna från varandra, så klart det är inte så lätt att komma fram till hur magnetmagasinet skulle byggas upp men det får testas/forskas fram till ett godtyckligt bra verktyg om det är möjligt. Den rörliga delen som skjuter in magneten på plats hämtar även magneten från magasinet, i princip fungerar som en halvautomat gevär.
Det här verktyget skulle vi ha försökt att undersöka och se ifall om det skall gå att använda. Det skulle spara mycket tid och skall vara mycket smidigare än det andra verktyget.
I fortsättningen av detta arbeta kan man börja fundera över om det finns bättre verktyg att bygga. Man kan även fundera på om det är lönsamt att utföra arbetet med tre robotar istället för två.
Om vi skulle arbeta i detta projekt i fortsättningen så skulle först åka till Lysekil och förstå dagens magnetisering tillräckligt bra alla problem och svårigheter som de får med dagens teknik vid translatormagnetisering.
8.3 Material
En närmare koll av verktygets material borde utforskas. Om verktygets tillverkningsmaterial ska vara plast man ska undersöka vilken sort plast väljes. Det finns även andra komponenter som ska undersökas närmare t ex vilken sorts sensorer som verktyget ska ha och vilken sorts kullager ska väljas till verktyget.
8.4 Ekonomianalys
Det bör göras en utförlig ekonomianalys innan man börjar med att tillverka cellen och det är för att se som nämndes tidigare, om det är lönsamt att använda flera robotar för att magnetisera translator än vad som presenterades i rapporten.
38
Källförtäckning
[1] Forskningsassistent Erik Hultman, Uppsala Universitetet, Avdelningen för Elektricitetslära (01.11.2010 – ) Handledare
[2] Seabased AB. Linjärgenerator
http://seabased.com/index.php?option=com_content&view=article
&id=61&Itemid=75. Hämtad: 2011-01-27 [3] Uppsala Universitet. Vågkraft
http://www.teknat.uu.se/forskning/program.php?vetenskapsid=1
&forskomr=7&id=31&lang=sv . Hämtad: 2011-01-02
[4] Boel Ekergård, Uppsala Universitetet doktorand vid Institutionen för teknikvetenskaper, Elektricitetslära
[5] Karin Nilsson (2005). Low Speed Generators for Marine Current Power Conversion. Uppsala
[6] David Cook (2009). Robot Building for Beginners. Apress
[7] Gareth J. Monkman, Stefan Hesse & Ralf Steinmann (2007).
Robot grippers. Wiley VCH
[8] Jon Stenerson (2002). Industrial Autmation and Process Control.
Prentice Hall [9] ABB i Sverige
http://www.abb.se. Hämtad: 2011-01-05
[10] Gunnar S Blomsjö(2006). Industriell robotteknik. Studentlitteratur AB
39
[11] Enes(2005). Sintrade neodymmagneter (Nd-Fe-B)
http://magnet-magneter.com/magnesy_neodymowe_spiekane.php.
Hämtad: 2011-01-25
[12] Empapst. DC_motorer BCI med kuggväxlar
http://www.ebmpapst.se/sv/products.php?pid=1821. Hämtad 2011- 02-22
[13]Vattenfall Sverige.
http://www.vattenfall.se/sv/foretag-elavtal.htm.Hämtat: 2011-02-05
40
Bilagor
Bilaga 1: Verktygsritning
Bilaga 1; Resulterande verktygets ritning
