Virtuelle Königswelle

Das Winterbacher Unternehmen OKU, Spezialist für Montage- und Zuführtechnik, liefert von der Continuous Motion-Hochleistungsanlage bis zu getakteten Maschinen mit Rund- oder Längstransfer alles, was für vollautomatische Montageprozesse erforderlich ist. Die zum Teil hochkomplexen Anlagen enthalten gängige Verfahrens- und Prüftechniken. Aktuell setzt der Anbieter ein innovatives Konzept bei einer automatischen Montagelinie für Winkhaus um: Das Unternehmen will die Fertigung von Verriegelungsbeschlägen für Fenster und Türen weiter automatisieren. Es handelt sich dabei meist um zwei Langteile von etwa 500 bis 2.000 Millimeter Länge, die in mehreren Schritten mit einem Getriebe verbunden sowie mit verschiedenen weiteren starren und beweglichen Anbauteilen bestückt werden. Wegen der Länge der zu montierenden Basisteile und ihrer Variantenvielfalt eignete sich das übliche, von OKU standardisierte Konzept der Rundtaktautomaten ausnahmsweise nicht.

Komplett servogetriebenes Maschinenkonzept

Hinsichtlich der zu erreichenden Taktzahl hing die Messlatte von Anfang an hoch – die bisher für diese Anwendung im Längstransfer realisierten 20 Takte pro Minute sollten auf 25 Takte steigen. Mit Blick auf ausreichende Sicherheiten hatte der Hersteller jedch von Anfang an 30 Takte pro Minute als Ziel definiert. Angesichts der Rahmenbedingungen und Leistungsanforderungen entschied sich OKU für ein neues Antriebskonzept. Mit Blick auf kompakte Maschinenmaße und kurze Durchlaufzeiten kam nur ein Transfer der Langteile in Querlage in Frage. Angesichts der vielen im Montageprozess angewandten Verfahrensschritte mit fixen Prozesszeiten konnte die Taktzahl nur durch eine Verkürzung der Transferzeiten zwischen den Stationen erhöht werden. Wegen der teilweise großen Hübe der Eingabemodule und der dafür notwendigen Dynamik schied ein klassisches Konzept mit mechanischer Königswelle aus. Außerdem ließe sich mit einer mechanischen Lösung die verlangte Formatvarianz mit Umstellung auf Knopfdruck nicht erfüllen. Das Konstruktionsteam entwarf deshalb ein komplett servogetriebenes Maschinenkonzept. Ein Paradigmenwechsel: Die mechanische Königswelle sollte durch eine virtuelle ersetzt werden. Die Vorteile der mechanischen Kurventechnik hat der Servoantrieb übernommen und daraus neue Möglichkeiten und höhere Flexibilität geschöpft.

Das längslaufende Montagesystem LTK 06-T1-44-200 besteht aus einem hochsteifen, geschraubten Rahmengestell, in dem über die gesamte Länge parallel zwei Präzisionskettenstränge laufen. Auf jeweils zwei zueinander in der Flucht stehenden Kettengliedern ist quer zur Transferrichtung ein Werkstückträger verspannungsfrei montiert. Die Langteile werden aus Stapelmagazinen vereinzelt und mit einem Achshandling lagerichtig an die Werkstückträger (WT) übergeben. Mit einer Schrittweite von 200 Millimeter transportieren die Ketten die WT durch insgesamt 44 Stationen. Die Konstruktion des Transfersystems bietet sowohl oberhalb als auch unterhalb der WT Raum für Montagewerkzeuge und Bearbeitungsstationen.

Die Zuführung der Einzelteile erfolgt an drei Seiten der Maschine. Die folgenden Montage- und Bearbeitungsschritte sind geprägt durch eine Vielzahl von Einzelfunktionen wie Fügen, Verpressen, Taumelnieten, Wenden und Umsetzen, Befetten und Bedrucken. Teilweise führen kurvengesteuerte Satelliten die Anbauteile zu, vereinzeln und takten diese in den Prozess. Über Bildsensor gesteuerte Lochsuchfunktionen gleichen Unterschiede in den Positionen der Löcher zur Aufnahme der passgenauen Fügekonturen der Anbauteile aus, Zentrierfunktionen sorgen für sichere Montageschritte. Nach jedem Schritt folgt eine sensorische Kontrolle darüber, ob der Montageschritt korrekt ausgeführt wurde.

Das Prinzip des direkten Transfers mit einer Kette erfordert höchste Präzision und die Berücksichtigung vieler Parameter: Die jeweils zwanzig Meter langen Ketten positionieren die Werkstückträger in den Stationen mit einer Genauigkeit von plus/minus 0,07 Millimeter in den Stationen – trotz der hohen Taktzahl ohne Indexierung (Fixierung) der WT in den Stationen. Durch die auf hohe Standzeit ausgerichtete Konstruktion des Transfersystems kommen insgesamt mehr als 1,6 Tonnen an linear und rotativ bewegter Masse zustande. Dieses beachtliche Gewicht erfordert bei 30 Takten pro Minute und einem mit Blick auf die Lebensdauer der Ketten optimierten Bewegungsprofil ein Beschleunigungsmoment von 3.350 Newtonmeter.

Wegen der Spielfreiheit, der gewünschten Lebensdauer, der großen Verfahrwege und der hohen Dynamik schieden herkömmliche Lösung mit Getrieben und Kraftübertragungen aus. Die Entscheidung fiel auf einen bürstenlosen Synchron-Torque-Motor, dessen Hohlwelle direkt mit der Antriebswelle der Kettenräder verbunden ist. Das beansprucht weniger Platz, ist konstruktiv günstiger realisierbar und hat Vorteile, etwa Verschleiß- und Wartungsfreiheit. Als übergeordnete Steuerung kommt eine Siemens S7 SPS mit I/O-Kommunikation über Profibus zum Einsatz. Auf der S7 läuft die standardisierte und flexibel anpassbare Bedienlösung, die OKU auch bei anderen Maschinen einsetzt. Am HMI sind ohne Programmierkenntnisse Kurvenprofile anleg- und veränderbar, Fehlerberichte können abgerufen und natürlich Formate umgestellt werden.

Beim Motion Control-System setzte OKU auf PacDrive von Elau: Hier überzeugte der über Hard- und Software hinweg durchgängig modulare Ansatz, der sich bei Verwendung von integrierten iSH-Servoantrieben auch auf die Elektronik ausweiten lässt. Das entspricht dem Konzept, wiederverwendbare, standardisierte Maschinenmodule zu entwickeln. Speziell durch die integrierten Servoantriebe ist selbst bei nachträglichen Erweiterungen im Schaltschrank kein Nachverdrahten erforderlich. Elau lieferte die komplette Antriebstechnik und übernahm auch das Software-Engineering. pb