Automatisiert verdrahten

Von der Planung einer Schaltanlage bis zur Inbetriebnahme sind viele Schritte notwendig. Elektroplanung, Aufbauplanung, Bearbeiten der Montageplatte, Hutschienenbestückung, Leitungen konfektionieren, Montieren von Komponenten auf die Montageplatte bzw. in den Schaltschrank, Verdrahten der Komponenten, Prüfen und Inbetriebnahme. Wie in anderen Bereichen der Industrie auch, gehen die Bestrebungen im Schaltanlagenbau in Richtung höherer Effizienz, um dadurch Zeit und Kosten zu sparen. Lösungsansätze gibt es innerhalb der einzelnen Schritte, wo man mit automatisierten Maschinen die häufig noch üblichen manuellen Tätigkeiten ersetzen kann. Fast noch wichtiger ist es aber, dass alle Prozesse entlang der Wertschöpfungskette nahtlos ineinandergreifen. Grundvoraussetzung hierfür ist eine durchgängige Datenbasis, die für alle einzelnen Prozessschritte zur Verfügung steht.

Neben der Metallbearbeitung und der Bestückung der Montageplatte mit Komponenten ist ein weiterer arbeitsintensiver Schritt in der Fertigung des Schaltanlagenbaus das Verdrahten der Komponenten. Aus der Elektroplanung lässt sich der Verlegeweg der Leitungen berechnen. Heute benutzt man diese Daten teilweise dazu, um die Leitungen automatisiert zu konfektionieren. Die anschließende Verdrahtung – also das Schaffen der eigentlichen elektrischen Verbindung – muss heute in der Regel noch manuell erledigt werden. Dieser Vorgang ist sehr zeitintensiv und damit ein großer Kostenfaktor im Schaltanlagenbau. Für eine typische Montageplatte mit etwa 300 Verbindungen benötigt eine Fachkraft ungefähr 15 Stunden, um die Adern auf die richtige Länge abzuschneiden, abzuisolieren, mit Adernhülsen zu vercrimpen, durch Kabelkanäle zu führen und sie an den Bauteilen zu befestigen. Es besteht also großes Potenzial für eine Effizienzsteigerung. Bisherige Versuche zeigten allerdings, dass die Verdrahtung von Schaltschränken als nicht automatisierbar gilt.

Mit der Entwicklung des weltweit ersten robotergestützten Verdrahtungszentrums hat Kiesling Maschinentechnik zusammen mit einem Entwicklungspartner nach fünfjähriger Entwicklungszeit nun bewiesen, dass es doch funktioniert. Das Ergebnis ist das Verdrahtungszentrum Averex. Es schneidet Adern auf die richtige Länge, isoliert sie ab, vercrimpt sie mit Adernhülsen, führt Drähte durch die Kabelkanäle und befestigt sie an den Bauteilen wie Klemmen, Schützen und Motorschutzschaltern.

Das Kernstück und gleichzeitig das technische Highlight des Verdrahtungszentrums ist der patentierte, um 270 Grad drehbare Bearbeitungskopf, der unter anderem die Kabelführung übernimmt. Zusätzlich führt er die Arbeitsschritte Schneiden, Abisolieren und Crimpen aus. Außerdem lassen sich die einzelnen Kabel direkt während der Montage beschriften. Eine drehmomentgesteuerte Schraubereinheit mit einem Werkzeugwechsler für sechs Werkzeuge steht für die Schraubmontage zur Verfügung.

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung war es, die Eigenheiten des Drahts zu beherrschen. Der Draht hat quasi ein „Gedächtnis“, so dass er sich beispielsweise immer in die Richtung bewegt, in der er zuvor aufgewickelt war. Das störrische Benehmen der Drähte konnte man aber im Laufe der Entwicklung in den Griff bekommen. Um die Flexibilität der Verdrahtung zu gewährleisten ist ein automatischer Drahtwechsler integriert, der Platz für bis zu 16 verschiedenen Arten von Drähten mit unterschiedlichen Farben und Querschnitten bietet. Muss der Draht gewechselt werden, wird er mechanisch aus dem Bearbeitungskopf zurückgezogen. Anschließend wird der neue Draht mit der Unterstützung von Druckluft durch einen Schlauch zum Bearbeitungskopf geführt. Auch bei diesem „Durchfädeln“ ist das Verhalten des Drahts von Bedeutung. Sowohl das Verlegen des Drahts in den Kabelkanälen als auch die Führung des Drahts und die Anschlusstechnik funktionieren inzwischen sehr zuverlässig. Neben Klemmen mit Schraubanschluss lassen sich auch Klemmen mit Push-In-Technik anschließen.

DATENÜBERNAHME AUS DER ELEKTROPLANUNG

Die Verdrahtung mit Averex kann natürlich nur funktionieren, wenn die Art der Bauteile und deren Position auf der Montageplatte sowie die Verdrahtungsdaten bekannt sind. Aus der Elektroplanung mit Eplan lassen sich diese Daten über eine eigens entwickelte Maschinenschnittstelle an den Averex übergeben. Im ersten Schritt überprüft der Roboter den Aufbau der Montageplatte mit einer Laserabtastung. Dabei werden die korrekten Positionen der Komponenten verifiziert und eine eventuelle Montagetoleranz erfasst.

Eine weitere technische Herausforderung ist die Anschlusstechnik. Die verschiedenen Bauelemente haben teilweise stark unterschiedliche Arten des Anschlusses. Bei der Schraubanschlusstechnik werden zum Beispiel je nach Komponente unterschiedliche Schrauben verwendet. Das Gerät verfügt daher über einen 6-fach-Werkzeugwechsler für verschiedene Werkzeugbits. Um die Verdrahtung durchführen zu können, benötigt das Zentrum viele zusätzliche Informationen über die verwendeten Komponenten. Dabei muss nicht nur die Position des Anschlusses einer Klemme bekannt sein, sondern man benötigt auch einen so genannten Drahtvektor – also die Richtung aus der die Leitung in den Anschlussraum eingeführt werden muss. Auch die Art der Schraube, das notwendige Anzugmoment, die Steigung des Gewindes und viele weiteren Daten sind für eine korrekte Verdrahtung notwendig. Diese Daten stehen nicht bei allen Herstellern in digitaler Form zur Verfügung. Daher arbeitet Kiesling aktuell in Projekten mit verschiedenen Komponentenherstellern zusammen, um diese Daten in einer geeigneten Form zu erzeugen und für die automatisierte Anschlusstechnik zur Verfügung zu stellen.

Im Vergleich zu einem durchschnittlichen manuellen Verdrahtungsvorgang, der in der Regel rund 180 Sekunden dauert, erledigt der Averex die gleiche Aufgabe in nur 40 Sekunden. Geht man von 300 Verbindungen auf einer typischen Montageplatte aus, reduziert sich die Zeit, die man pro Schaltschrank für die Verdrahtung benötigt, um bis zu 15 Stunden gegenüber manueller Tätigkeit. Neben der Zeit und damit Kostenersparnis bietet der durchgängige Workflow, den die automatisierten Prozesse entlang der Wertschöpfungskette ermöglichen, auch Qualitätsvorteile. Die Vorteile des Verdrahtungszentrums lassen sich aktuell besonders bei einer Serienfertigung realisieren, da für einen Teil der Komponenten, noch nicht alle benötigten Daten vorliegen und man diese vor der Verdrahtung erst erfassen muss. Je länger der Averex aber im Einsatz ist, umso umfangreicher wird die Komponentendatenbank werden. Stellen dann in Zukunft noch die Hersteller alle Daten ihrer Komponenten zur Verfügung, lässt sich der Effizienzgewinn auch bei einer Losgröße 1 realisieren.

Noch in diesem Jahr finden die ersten beiden Averex-Teststellungen statt und müssen dann unter realen Produktionsbedingungen beweisen, dass sie zuverlässig und effizient arbeiten können. Weniger manuelle Tätigkeiten während der Montage im Schaltanlagenbau – das ist der Vorteil, der sich durch den Einsatz automatisierter Maschinen wie Averex, Perforex und Athex realisieren lässt. Die durchgängige Datenhaltung von der Elektroplanung bis hin zur Inbetriebnahme ist die entscheidende Grundlage. jg

SPS IPC Drives, Halle 5, Stände 101 und 111