Cobot zur Flugzeug-Endmontage

Der kollaborative Kollege schraubt am Flugzeug-Rumpf

Der Frage, wie eine Flugzeug-Endmontage produktiver und ergonomischer gestaltet werden kann, ging Tox Pressotechnik mit dem Fraunhofer IGP und dem Flugzeugbauer Airbus nach. Sie statteten dazu einen kollaborativen Roboter mit einer Tox-Handzange aus.

Montage einer Stringer-Kupplung mithilfe eines kollaborativen Roboters im Flugzeugrumpf. © Tox Pressotechnik

Bei Airbus wurden bisher rund 10.000 sogenannte Schmalrumpfflugzeuge der 320er-Familie produziert. Um die bis dato überwiegend manuelle Endmontage effizienter gestalten, setzt der Flugzeugbauer nun auf die Hilfe neuer Produktionstechnologien.

Zurzeit werden die Längsstreben, Stringer genannt, einzelner Segmente des Rumpfes über Stringer-Kupplungen und durch herkömmliche Vollnieten manuell miteinander verbunden. Künftig jedoch sollen hier Vollstanznieten zum Einsatz kommen. Das Verfahren verspricht eine erhebliche Reduzierung der relevanten Prozessschritte, der Bearbeitungszeit pro Nietverbindung und damit der Montagezeit pro Segment sowie schließlich der Belastung des Montagepersonals. Das Vollstanzniet-Verfahren ist aus dem Automobil- und Fahrzeugbau bekannt und wird auch in sicherheitsrelevanten Bereichen angewendet. Um das Vollstanznieten für den Flugzeugbau qualifizieren und für die robotergestützte Applikation in der Flugzeug-Endmontage optimieren zu können, schlossen sich die Unternehmen Airbus Operations, Tox Pressotechnik sowie das Fraunhofer Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik (IGP) zu einem Kooperationsprojekt zusammen und entwickelten gemeinsam eine Komplettlösung.

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Flugzeug-Segmente verbinden unter erschwerten Bedingungen
Im Grunde genommen lautete die Aufgabe: Wie bringt man beim Vollstanznieten großformatiger Segmente in der Flugzeug-Endmontage die benötigte Presskraft mit möglichst wenig körperlicher Anstrengung schnell und positionsflexibel an Ort und Stelle? Eine besondere Herausforderung sind die hohen Presskräfte, die beim Vollstanznieten auftreten. Entsprechend stabil muss die Auslegung der Grundaufnahme für die Niet-Werkzeuge und das Handling ausfallen, was zu einem relativ hohen Gewicht des Vollstanzniet-Setzgerätes führt.

Tox Pressotechnik modifizierte das Vollstanzniet-Setzgerät für den Einsatz am handgeführten Roboterarm. © Tox Pressotechnik

Die gemeinsam erarbeitete Lösung basiert Hardware-seitig im Wesentlichen auf einer speziell entwickelten und integrierten Handzange mit Steuerung und Sensorik aus dem Tox-Baukasten, einer Nietzuführung sowie einem modifizierten kollaborierenden Robotersystem mit einer maximalen Traglast von zehn Kilogramm. Tox Pressotechnik hat die Tox-Handzange, die bis zu fünf in der Länge verschiedenen Vollstanzniete setzen soll, hinsichtlich C-Bügel-Konstruktion/Rachendimensionen, Niederhalter, Nietzuführung, Stempel/Matrize, Griffe/Ergonomie beziehungsweise Andockung an den kollaborativen Roboter angepasst. Die Presskraft für den im Vollstanzniet-Setzgerät integrierten Hydraulik-Zylinder erzeugt das Tox-Kraftpaket X-ES. Der Druckübersetzer ist über eine zehn Meter lange Medienleitung für die Pneumatik, Hydraulik und Elektrik mit dem Setzgerät verbunden und damit äußerst positionsflexibel.

Wenig Kraft und mehr Effizienz
Der kollaborierende Roboter ist mechanisch und steuerungstechnisch mit dem Setzgerät gekoppelt und wird, ähnlich einem Balancer, über die Handgriffe geführt und positioniert. Da die sehr kompakte Stringer-Zange inklusive Nietzuführung, Blechdickenmessung, Nietkontrolle und Steuerelemente lediglich 6,5 Kilogramm wiegt, lässt sie sich mittels Cobot leicht und zielgerichtet führen und positionieren. Die Stringer-Zange ist für Presskräfte bis 50 Kilonewton ausgelegt und weist eine Rachenöffnung von 53 Millimeter auf – gemessen von der Setzachse aus. Sie arbeitet mit einem Krafthub von elf Millimetern und einem Eilhub von 26,5 Millimetern. Der Gesamthub liegt bei maximal 47 Millimetern und die Werkzeug-Öffnung bei 37,5 Millimetern. Die Hubauslösung erfolgt an den Handgriffen beziehungsweise über die Tox-2-Hand-Steuerung STE, die wiederum mit der Robotersteuerung korrespondiert.

Ein implementierter Kraft-Momenten-Sensor (KMS) erfasst die jeweiligen Kräfte bei der Handführung des Vollstanzniet-Setzgeräts und des Roboters. Die während der Handführung geringen Kräfte übersetzt der Roboter in eine direkt unterstützte Bewegung. Dadurch können die Werker das Vollstanzniet-Setzgerät intuitiv und ohne körperliche Anstrengung frei im Raum zu den vorgegebenen Verbindungspositionen bewegen.

Während Tox Pressotechnik, verantwortlich für Hardware und Steuerung, das Vollstanzniet-Setzgerät samt Nietzuführung und Roboter als funktionsfähiges Komplettsystem lieferte, entwickelte das Fraunhofer IGP die Roboterführung. Zusammen mit der Programmierung des KMS trägt diese ebenso zum Erfolg des gesamten Systems bei, wie die effiziente Verbindungstechnologie.

Zu den rein produktionstechnischen Vorteilen zählen der Wegfall von Vorbearbeitungen, einfaches und reproduzierbar qualitätssicheres Setzen der Vollstanzniete, Entlastung des Montagepersonals von körperlichen Anstrengungen sowie die hohe Arbeitseffizienz. Darüber hinaus bedeutet die Prozessdatenerfassung ein Plus an Transparenz der Fügeprozesse und eine effektive Qualitätssicherung in der Flugzeug-Endmontage. as

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