Harmonie bei Highspeed

Marginale Spalte

Drei Knickarmroboter legen die Bauteile in Werkzeugträger ein. Mittels Federkraft werden sie dort präzise gespannt.

Ein 3-D-Scanner steuert den Laserstrahl über das Bauteil.

Juli 2012

 

Für die Automobilindustrie baut ERLAS eine vollautomatische Fertigungsanlage mit Laserzellen, die verschiedene Fügetechnologien kombiniert. Eine technologieübergreifende Automationslösung von Rexroth sorgt dafür, dass auch bei kürzerer Zykluszeit alles ineinandergreift.

 
 

Blitzschnell drehen sich die orangefarbenen Roboter um ihre eigene Achse, greifen und platzieren kleine Bauteile. Förderbänder versorgen sie mit Nachschub. In einer Bearbeitungszelle zucken Lichtblitze. Eine Scanneroptik steuert dort den Laserstrahl, der Teile miteinander verschweißt. Bördeln, Einklipsen, Laserschweißen: Aus sieben Einzelteilen entsteht bei einem Tier-1-Automobilzulieferer eine sicherheitsrelevante Baugruppe für Lenksysteme – und das voll automatisch, in nicht ein mal sieben Sekunden.

54 reale Achsen und fünf virtuelle Leitachsen machen diesen komplexen Ablauf möglich. Die Steuerungslösung IndraMotion MLC von Rexroth behält alle Abläufe unter Kontrolle. „Neben der extrem kurzen Zykluszeit von 6,7 Sekunden für das geschweißte, geprüfte und in Kleinladungsträgern abgelegte Bauteil hat der Kunde eine Personalbindung kleiner zwei vorgegeben“, beschreibt Dr.-Ing. Bernd Pögel die anspruchsvolle Aufgabe.

Als Konstruktionsleiter hat er bei der ERLAS Erlanger Lasertechnik GmbH das Steuerungskonzept der Anlage konzipiert. Das Ergebnis ist eine fein abgestimmte Kombination der Fügetechnologien, ausgeführt von sieben Knickarmrobotern und zwei Laserschweißzellen.

Alles unter Kontrolle

In kürzester Zeit setzt die Anlage eine Vielzahl von Prozessschritten um. „Uns war schnell klar, dass wir mit einer sequenziell arbeitenden Steuerung die geforderte Taktzeit nicht erreichen können“, erinnert sich Pögel. Die Lösung: eine Steuerung, die verschiedene Bewegungsabläufe parallel regelt und bei Änderung eines Parameters automatisch die anderen beteiligten Achsen anpasst.

„Die Bewegungsabläufe der Roboter mussten so in das Werkstoffflusssystem integriert werden, dass bei Änderungen der Leitachsdrehzahl keine Störungen auftreten“, beschreibt Pögel die Anforderungen an die Steuerung. Das Motion-Logic-System IndraMotion MLC von Rexroth erfüllt diese Anforderungen.

Es basiert auf der SPS nach IEC 61131-3 und PLCopen-Funktionsbibliotheken. Über den Automatisierungsbus sercos koordiniert die Hardware 59 Achsen in Echtzeit. Die von Rexroth entwickelte Softwarefunktion Flex Profile passt bei Parameteränderungen alle beteiligten Bewegungen an und berücksichtigt zeitgesteuerte, externe Parameter.

Schnell und sicher gefügt

Der Fertigungsprozess für die Baugruppen beginnt mit dem automatischen Einlegen der Einzelteile in die Anlage. Eine Maschine mit zwei synchronisierten und auf eine Prozesskraft von 50 Kilonewton ausgelegten Hydraulikachsen bördelt im nächsten Schritt drei Stanzteile miteinander, während Vibrationsförderer der Anlage weitere Bauteile zuführen.

Eine intelligente Anlage, bestehend aus Transfersystemen und Shuttle, transportiert die Träger zur Hubeinheit vor den beiden Laserzellen, die von Overhead-Feedern bestückt werden.

Dann macht sich der 6-Kilowatt-Scheibenlaser mit einem 3-D-Scanner ans Werk. Pro Bauteil schweißt er 24 Nähte mit einer Gesamtlänge von 224 Millimetern: Inklusive der Bewegungen zur Orientierung des Werkstückträgers benötigt er dafür rund 4,9 Sekunden.

Läuft in der ersten Schweißzelle der Bearbeitungsprozess, wird parallel in der zweiten Zelle eine fertige Baugruppe entnommen und ein Werkstückträger mit unbearbeitetem Bauteil eingelegt. Eine Strahlweiche schaltet den Laserstrahl zwischen beiden Zellen hin und her – das erhöht die Einschaltzeit des Lasers auf nahezu 100 Prozent.

Null Toleranz: Das Bauteil sitzt

In das geschweißte Bauteil werden im nächsten Schritt fünf kleine Kunststoffbauteile eingeklipst. Vibrationsförderer vereinzeln die Teile, die Pick-and-Place-Einheiten legen sie auf Greiferfinger, spannen sie ein und pressen sie nach einer Schwenkbewegung in die geschweißte Baugruppe ein.

„Laut Zeichnung beträgt die Toleranz null“, erläutert Pögel. Zehn Servoachsen, die einer virtuellen Leitachse folgen, stellen sicher, dass alles exakt sitzt. Abschließend folgt die Prüfung der gefügten Baugruppe auf funktionsrelevante Messgrößen. Zehn weitere Servoachsen unterstützen die vollautomatische Qualitätskontrolle und Beschriftung der Baugruppe. „Durch die Verwendung von Rexroth-Automatisierungskomponenten konnten wir den Konstruktions- und Montageaufwand drastisch reduzieren“, betont Pögel.

Integrierte Sicherheit

Neben der Steuerung lieferte Rexroth die IndraDrive Servoantriebe, Komponenten der Lineartechnik und sowie die gesamte Hydraulik. Bei den Steuereinheiten setzt ERLAS ebenfalls komplett auf elektronische Komponenten von Rexroth – bis hin zu den Bediengeräten. „So konnten wir die Zahl der Lieferanten deutlich senken und haben nun einen verantwortlichen Ansprechpartner für die meisten Komponenten und Schnittstellen“, sagt der Konstruktionsleiter.

Die technologieübergreifende Lösung spart dem Laserspezialisten und seinen Kunden doppelt Zeit: Im Vergleich zur Schrittkettenprogrammierung verringerte ERLAS die Zykluszeit um den Faktor drei und verkürzte die Durchlaufzeit vom Auftragseingang bis zur Übergabe der Anlage an den Kunden.

Zur Unterstützung bei der Inbetriebnahme beauftragte ERLAS den Rexroth-Systemintegrator Fritz Automation GmbH. Die Sicherheit, dass rund um die Uhr alles reibungslos läuft, bekommt ERLAS inklusive. Die IndraDrive Antriebe sind mit „Safety on Board“ ausgestattet. Der Vorteil: ERLAS kann die Sicherheitsfunktionen für einzelne Achsen und für definierte Zonen auslösen. Die Bewegungsabläufe verschiedener virtueller Leitachsen lassen sich so parallel anpassen. Eine Dynamisierung der IndraDrive Antriebe läuft online im Hintergrund und vermeidet Stillstandszeiten für die Fehleranalyse. Damit fügt die Anlage die Baugruppen sicher und schnell – 24 Stunden lang.