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Incluso las piezas flexibles están firmemente bajo control: KR CYBERTECH automatiza el montaje de baterías
Producir baterías para vehículos eléctricos es un asunto peligroso. La razón es la enorme tensión al entrar en contacto eléctrico con los módulos de baterías. Junto con KOSTAL Kontakt Systeme GmbH y KUKA, la empresa Liebherr-Verzahntechnik GmbH ha desarrollado ahora una tecnología con dos robots de la serie KR CYBERTECH nano que permite conectar módulos de batería de alta tensión de forma segura y eficiente.
La automatización sopla el viento a favor de la movilidad eléctrica
Son silenciosas, utilizan cada vez más electricidad procedente de fuentes de energía renovables, generan menos emisiones de CO2 y reducen los costes de reparación y mantenimiento: Los vehículos eléctricos son el futuro. Se estima que actualmente circulan por el mundo más de 27 millones de híbridos enchufables y coches eléctricos. Y si, entre 2030 y 2035, muchas ciudades grandes frenan la matriculación de quemadores, esa cifra aumentará considerablemente. KUKA detectó pronto el potencial de la movilidad eléctrica. Desde 2014, el especialista en automatización de Augsburgo optimiza su cartera de productos a los requisitos especiales que deben cumplirse en la fabricación de componentes electrónicos para la industria automovilística. De ello se beneficia ahora también la empresa Liebherr-Verzahntechnik GmbH en Kempten. Los robots crearon una aplicación que puede ofrecer a los fabricantes de vehículos eléctricos y sus proveedores una mayor seguridad y productividad. Porque, ?qué sería un coche eléctrico sin su corazón, la batería?
Dos KR CYBERTECH nano ARC HW conectan los módulos de la batería de alto voltaje y elevan la seguridad y la eficiencia de la producción de baterías a un nuevo nivel.
El montaje basado en robots garantiza una mayor seguridad en la producción de baterías de alto voltaje
La batería de alto voltaje contiene una enorme cantidad de energía y es crucial para la autonomía y el tiempo de carga del vehículo. La batería de alto voltaje consta de varios módulos que se ponen en contacto eléctricamente entre sí y se unen para formar un paquete de baterías. Después del contacto, estos sistemas de baterías alcanzan tensiones de salida de entre 400 y 800 voltios de corriente continua. Sin embargo, las conexiones que se utilizan con frecuencia para ello con rieles conductores, llamados bares de bus, suponen un riesgo para la seguridad de los empleados debido a las superficies de contacto expuestas.?
Al mismo tiempo, los robots se desplazan hacia abajo con los conectores de módulos enchufables hasta los módulos de batería.
El uso de conectores de módulos enchufables ofrece una alternativa. La empresa de la región de Allg?u, junto con KOSTAL Kontakt Systeme GmbH y con la ayuda de robots, ha desarrollado un innovador proceso de montaje automatizado para conectores de módulos enchufables con cables flexibles. Los conectores de módulos enchufables, aislados y flexibles de la empresa KOSTAL evitan el contacto involuntario con las piezas que funcionan con corriente y, a pesar de su alta elasticidad, pueden conectarse de forma automatizada, con la flexibilidad necesaria y el tiempo de ciclo requerido.
Para producir de forma económica baterías de alto voltaje en grandes cantidades, la automatización juega un papel clave.
Movilidad eléctrica: una innovación real con robots de eje hueco y software especial
Dos KR CYBERTECH nano ARC HW son responsables del proceso de conexión. Estos robots de eje hueco se utilizan sobre todo en la soldadura con gas de protección. Sin embargo, su construcción compacta y su gran alcance, así como la posibilidad de guiar el cable a través del eje de la mu?eca, los convirtieron en la elección perfecta para esta aplicación. Como complemento, el equipo de Liebherr-Verzahntechnik GmbH seleccionó el paquete de software KUKA.RoboTeam. Permite la colaboración sincronizada de dos o más robots. Para ello, el programa y el movimiento se sincronizan en tiempo real para que incluso procesos complejos, como la unión de piezas flexibles, tengan éxito. Una auténtica innovación para la movilidad eléctrica.
En una célula, dos KR CYBERTECH nano ARC HW conectan las conexiones electrónicas.
Los dos brazos del robot colaboran de forma sincronizada en la fabricación de baterías de alto voltaje, controlados por el paquete de software KUKA.RoboTeam.
La escasez de profesionales impulsa la automatización
La mayoría de los pasos del proceso en la producción de baterías ya se están ejecutando de forma totalmente automática para satisfacer las exigencias de la industria automovilística; por ejemplo, los tiempos de ciclo, la cantidad, la calidad y los costes de producción. La escasez de personal cualificado impulsa además la fuerte tendencia a la automatización. Cada vez hay menos profesionales dispuestos a asumir una tarea tan monótona, con tanta carga física y tan exigente. La empresa KOSTAL Kontakt Systeme GmbH de Lüdenscheid, que desde 1938 fabrica y distribuye conexiones de enchufe para la industria automovilística, había detectado aquí un vacío en el mercado. Desarrolló un conector de enchufe adecuado tanto para el enchufe como para la automatización. Martin Wolter, director de grupo de desarrollo de KOSTAL, informa: "La seguridad desempe?a aquí un papel muy importante, ya que se trata de contactos de alto voltaje, por lo que deben estar protegidos contra el contacto. Esto es comparable con una toma de corriente, también aquí los contactos están protegidos contra el contacto accidental con los dedos. La diferencia radica en que la conexión de enchufe del vehículo está expuesta a vibraciones y a temperaturas elevadas y bajas".
Nuestro sistema es muy robusto y transmite electricidad de forma fiable durante toda la vida útil bajo cargas cambiantes.
El estilizado diseño del KR CYBERTECH nano ARC HW permite que dos robots encajen en una célula compacta.
Hito para la movilidad eléctrica en el montaje de baterías
Posteriormente, KOSTAL buscó un especialista en automatización para que el nuevo producto fuera apto para la producción en serie. KOSTAL encontró una solución en Liebherr-Verzahntechnik GmbH de Kempten. La empresa del Allg?u abastece desde 1969 a numerosos fabricantes y proveedores de automóviles, pero también a clientes de los sectores de la construcción de instalaciones, aeroespacial y de maquinaria de construcción.?
Viktor Bayrhof frente a la innovadora célula que ya se pudo presentar después de un año y medio en el Battery Show.
Viktor Bayrhof, director de producto de sistemas de automatización, informa: "Era una situación beneficiosa para todos. Nosotros, como jugador relativamente nuevo en el campo de negocios del montaje de baterías, hemos encontrado un Unique Selling Point y la empresa KOSTAL a alguien que automatiza su producto". La empresa del sur de Alemania ha colaborado estrechamente con KUKA durante más de diez a?os. Juntas, las tres empresas se pusieron a trabajar y, pasado un a?o y medio, la nueva célula de robot pudo estar expuesta en el Battery Show de Stuttgart.
Montaje: Los robots conectan los cables flexibles
Allí llamaron mucho la atención. Pues, a diferencia de las conexiones atornilladas con bares de bus, los conectores de módulos enchufables con cables flexibles ofrecen otras ventajas: Se pueden montar de forma más sencilla, ya que solo hay que conectar el conector y la contrapieza, y pueden compensar las vibraciones durante el funcionamiento del vehículo, de modo que la pérdida del contacto eléctrico se produce con menos frecuencia. Su construcción también ofrece ventajas para un posterior cambio de módulos de baterías, por ejemplo, para futuras aplicaciones o para el reciclaje de módulos en la batería. La única pega: Son flexibles y, por tanto, se deforman incluso bajo cargas de fuerza y momento bajas.
Y la conexión es un paso muy importante para el desarrollo de la movilidad eléctrica.
El procesamiento de piezas flexibles requiere una solución óptima
La manipulación de piezas flexibles por máquinas es hasta hoy un gran reto en el montaje: Por ejemplo, los cables elásticos que se pueden arrastrar en cualquier dirección son difíciles de agarrar para los robots. Basados en el KR CYBERTECH nano ARC HW, la empresa de Kempten ha desarrollado una garra especial que coge los cables de un blíster. Como el cable no está suficientemente posicionado dentro del blíster, se utiliza una cámara 2D: Ayuda a determinar las posiciones de agarre exactas en el cable flexible, plegado y posicionar el conector del módulo al final del cable exactamente sobre la contrapieza del conector.
Con ayuda de una cámara 2D, los robots pueden agarrar y enchufar con precisión las piezas flexibles de la batería de alto voltaje.
Con paquetes de muelles para un uso de fuerza exacto
Dado que el conector debe tratarse con cuidado, se ha desacoplado el proceso de conexión para un funcionamiento sin problemas. Un paquete de muelles controla la fuerza que se transmite al conector y al bloqueo del conector (también llamado Connector Position Assurance o CPA). A continuación, un cilindro neumático presiona el conector en la contrapieza del conector. Este paquete de muelles amortigua hasta que se alcanza el momento de fuerza de 70 Nm y se activa el sensor de posición final. Paralelamente, la clavija de bloqueo apoyada elásticamente empuja hacia abajo el CPA. De este modo, el CPA está bloqueado, el conector está conectado de forma segura y la garra puede desplazarse hacia arriba. A diferencia de otros expertos en automatización, Liebherr no resuelve deliberadamente el proceso de conexión de los cables flexibles con procesos de ensayo y error. Todos los agarres deben encajar. La razón: La tecnología debe ser adecuada para la producción en serie y debe poder cumplir los tiempos de ciclo estrictamente exigidos. Ha funcionado mejor que bien: En lugar de los 17 segundos preestablecidos, el sistema consiguió un tiempo de ciclo de once segundos.
Mejor rendimiento gracias a la combinación correcta de software y robot
En el proceso de automatización se utiliza el KR CYBERTECH nano ARC HW. El robot industrial flexible y económico está especializado en trabajar con componentes peque?os y puede alcanzar posiciones enchufables de difícil acceso. Gracias a la protección contra la carga o descarga electrostática incontrolada (ESD), es ideal para la manipulación de componentes electrónicos sensibles. Para poder utilizarse también en células de robot compactas, el robot de dise?o estilizado puede aprovechar al máximo los peque?os espacios.?
A través del dispositivo de mando manual KUKA smartPAD se puede seguir y controlar cada paso en la producción de baterías.
El software KUKA.RoboTeam permite a Liebherr que las dos garras trabajen de forma cooperativa en el servicio maestro-esclavo, imitando de forma óptima los brazos humanos. De este modo, los robots pueden manejar diferentes longitudes de cables y posiciones enchufables, así como compensar las tolerancias de posición. La detección de imágenes integrada ayuda a determinar las posiciones reales de las ranuras.?Por último, esta solución no solo se puede utilizar para el contacto eléctrico, sino también para otros componentes elásticos en la producción de baterías, por ejemplo, en el proceso de conexión automatizado de cables de datos entre el Battery Management System (BMS) y el Cell Management Controller (CMC).
Altos estándares de calidad: listos para la movilidad eléctrica
Según Martin Klaus, Global Business Development Manager Electronics de KUKA, muchas empresas de la industria automovilística podrán seguir siendo competitivas en el futuro solo en función de la automatización. "La tendencia de los coches eléctricos accionados por batería y el creciente progreso técnico en los vehículos aumenta considerablemente la cantidad y variedad de componentes electrónicos complejos en el automóvil", subraya Klaus, responsable del área de Automotive Electronics. Según Klaus, estos componentes, entre otros, el inversor, el motor eléctrico, las pantallas, las cámaras y los dispositivos de control, "solo se pueden fabricar con un alto grado de automatización en la calidad y cantidad exigidas".
Gracias a la interacción entre hardware y software, los componentes individuales pueden controlarse muy bien.
Con la robótica se pueden realizar muchos de los procesos necesarios para la fabricación de la electrónica.
Nueva colaboración en el montaje de baterías para el futuro
El especialista en robots de Augsburgo está preparado para ello y cuenta con robots protegidos ante ESD y certificados para salas blancas y secas en su cartera. Viktor Bayrhof, de Liebherr, tiene una opinión similar. "Los sistemas de baterías de alto voltaje son el componente más caro de un vehículo eléctrico", afirma Bayrhof. "La automatización desempe?a un papel fundamental para producir de forma rentable estas baterías en grandes cantidades". La solución elaborada por las empresas implicadas puede garantizar la competitividad de las empresas incluso en tiempos agitados. De este modo, siempre controlan su producción, incluidas las piezas flexibles.
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