Schwergewicht im Griff

Handling - Ein Spezialist für Laserschweißsysteme mit Anwärm- und Fügetechnologien hat in einem Projekt erstmals eine Anlage zum Schweißen von Nutzfahrzeug-Differenzialen umgesetzt. Wichtig dafür waren flexible Greifsysteme, die hohe Werkstückgewichte zulassen.

30. September 2019
Schwergewicht im Griff
Bis zu 130 Kilogramm wiegen die Lkw-Differenziale, die der Schunk LEG handhabt. Indem die Backen vorpositioniert werden, lässt sich die Taktzeit von zwei Minuten einhalten. (Bild: Schunk)

Leichtbau ist ein Schlüsselthema der Autoindustrie – das betrifft auch den Antriebsstrang. Indem konventionelle Schraubverbindungen durch Schweiß- und Fügetechnologien ersetzt werden, lassen sich Bauteilgewichte minimieren, die Lebensdauer von Komponenten verlängern und zusätzliche Funktionen integrieren.

Was bislang vor allem für Powertrain-Komponenten von Pkw genutzt wurde, dehnt Emag LaserTec nun auch auf die Nutzfahrzeugproduktion aus. Angesichts von Bauteilgewichten bis 130 Kilogramm sind hierfür flexible Greifsystemlösungen erforderlich, die hohe Werkstückgewichte zulassen und große Hübe ermöglichen.

Das Unternehmen aus Heubach hat sich auf geschweißte oder anderweitig gefügte Powertrain-Komponenten spezialisiert. Über 160 schlüsselfertige Laserschweißsysteme der Baureihe ELC hat das Unternehmen bereits bei Automobilisten rund um den Globus in Betrieb genommen. Mit ihnen lässt sich beispielsweise das Gewicht von Pkw-Differenzialen um rund 1,2 Kilogramm reduzieren.

Noch größer ist der Effekt bei Differenzialen für Nutzfahrzeuge. Eine Laserschweißanlage für den mexikanischen Nutzfahrzeughersteller Sisamex reinigt, montiert, schweißt und prüft nun erstmals diese bis zu 130 Kilogramm schweren Baugruppen vollautomatisch. Die Leichtbaudifferenziale werden künftig vor allem in Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommen, die häufig beschleunigen und bremsen, beispielsweise in Kleintransportern von Paketdiensten.

Teamwork ist alles

Herzstück der Anlage ist die Laserschweißzelle ELC 600. In ihr werden die zuvor gefügten und verpressten Baugruppen pneumatisch gespannt, vermessen und anschließend mit zwei Schweißnähten je 30 Sekunden lang verschweißt. Ein System zur Prozesssteuerung stellt sicher, dass der Laserstrahl stets exakt zur Schweißnaht ausgerichtet wird. Werkstücktoleranzen und damit verbundene Planlauffehler lassen sich individuell ausgleichen.

Nach dem Schweißvorgang entnimmt der Roboter das fertige Teil mit dem Großhubgreifer und platziert es in einer Ultraschallprüfstation, wo jede Schweißnaht zu 100 Prozent kontrolliert wird. Hierfür übernimmt eine von dem Anlagenbauer konstruierte Dreheinheit den Antrieb. Sie besteht neben dem Motor aus einer stationären Schunk Drehdurchführung DDF-SE 120 zur Durchleitung von elektrischen Signalen und Pneumatik sowie einem Schunk PZN-plus Zentrischgreifer.

Neben dem reduzierten Gewicht hat der Automotive-Zulieferer aus Mexiko unter anderem auf den Planlauf der Verzahnung, eine geringe Geräuschentwicklung und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis Wert gelegt. »Unser Bestreben war es, eine rüstarme Anlage für Lkw-Differenziale zu realisieren«, berichtet Nico Hellstern, Projektleiter bei Emag LaserTec.

28 Werkstücke mit über 100 Einzelkomponenten wurden hierfür im Detail analysiert und in fünf Clustern zusammengefasst, um den manuellen Rüstaufwand zu minimieren. Schlüsselelement dafür ist ein servoelektrischer Großhubgreifer von Schunk, mit dem schwere Bauteile bei hoher Varianz automatisiert gehandhabt werden können. Im Team mit einem pneumatischen Zentrischgreifer Schunk PZN-plus 300 ermöglicht der Servogreifer laut dem Greifsystem-Spezialisten ein taktzeiteffizientes Handling bei hoher Varianz und minimalem Rüstaufwand.

Über eine Farbcodierung kann der Anlagenbediener auf einen Blick erkennen, ob Greifer und Greiferfinger zum Werkstück passen. Parallel erfasst die Anlage über Sensoren den jeweiligen Rüstzustand.

Werkstück zentriert

Nachdem der mechatronische Großhubgreifer das lasergereinigte, gewendete und induktiv erhitzte Tellerrad an der Pressstation abgelegt hat, führt der pneumatische Zentrischgreifer PZN-plus das lasergereinigte Gussgehäuse zu. Sind Tellerrad und Gehäuse gefügt, erfasst eine Kamera die Lage. Auf Grundlage dieser Information kann der Deckel lageorientiert positioniert und mithilfe einer Servopresse eingepresst werden.

»Die Wahl des Greifers hängt bei uns immer direkt mit dem Thema Rüsten zusammen«, erläutert Hellstern. Als Standard nutzt das Unternehmen den pneumatisch gesteuerten Zentrischgreifer Schunk PZN-plus. »Der langlebige Greifer zentriert das Werkstück, er lässt sich einfach ansteuern und wir können die Gehäuse beziehungsweise Deckel wahlweise von innen oder außen greifen. Zudem lässt sich die Backenposition über analoge Sensoren exakt abfragen.« Vor allem die hohe Prozesssicherheit, aber auch die einfache Integration sprechen seiner Erfahrung nach für den vielzahngeführten Zentrischgreifer.

Im Zwei-Minuten-Takt

Um das Tellerrad und die daraus entstehende Baugruppe am Außendurchmesser zu handhaben und zu wenden, nutzt der Laserschweiß-Spezialist einen servoelektrischen Parallelgreifer auf Basis des Schunk LEG 800 Schwerlast. Im Gegensatz zu einem Pneumatikgreifer, der stets komplett in die Endlage fährt, lassen sich die Finger des mechatronischen Langhubgreifers flexibel vorpositionieren. Nur so war es nach Angaben von Hellstern möglich, die geforderte Taktzeit von rund zwei Minuten pro Lkw-Differenzial zu erreichen. »Der Engpass in der Anlage ist der Roboter mit dem elektrischen Greifer, der permanent ausgelastet ist. Daher auch der elektrische Greifer, denn jede Vorpositionierung der Finger geht unmittelbar in die Taktzeit der kompletten Anlage ein.«

60 Sekunden erfordert allein das Schweißen, weitere 60 Sekunden bleiben für Reinigung, Montage, Pressen, Ultraschallprüfung und das komplette Handling. Dabei liegt das Maximalgewicht der geschweißten Baugruppe bei 130 Kilogramm. Zugleich darf das Traglastlimit des Roboters von 300 Kilo nicht überschritten werden.

Der elektromechanische Greifer inklusive Peripherie darf also höchstens 170 Kilogramm auf die Waage bringen und muss zugleich eine größtmögliche Sicherheit bei der dynamischen Handhabung der schweren Teile gewährleisten. Klassische Schwerlastgreifer des Herstellers schieden aufgrund ihres vergleichsweise hohen Eigengewichts von vornherein aus. Letztlich fiel die Wahl auf den modifizierten Schunk LEG 800 Schwerlastgreifer mit Haltebremse.

Bei der Baureihe Schunk LEG handelt es sich um modular aufgebaute Servogreifer, die als Antriebe gängige Servomotoren bekannter Hersteller nutzen. Sowohl Führungsschienen und Schlitten als auch die tragenden Seitenwangen und die Verbindungselemente werden in unterschiedlichen Größen und Versionen angeboten. Damit lässt sich der LEG wirtschaftlich an die jeweilige Aufgabe und Belastung anpassen, wie Schunk hervorhebt. Optionale Sensoren oder Bildverarbeitungssysteme machen ihn zu einem sensiblen Helfer, vor allem in Fertigungs-, Montage- und Verpackungsprozessen, so der Hersteller weiter.

In der Anlage von Emag LaserTec wird der modifizierte Zwei-Finger-Parallelgreifer in Schwerlastausführung LEG 800 SL über einen NC-Antrieb von Kuka betätigt und als siebte Achse des Roboters angesteuert. Das heißt, die vorhandene Robotersteuerung und Regelung betreibt den Kuka-Antriebsmotor des Greifers mit. Der Laserschweißspezialist benötigt damit keinen zusätzlichen Fremdregler und kann auf Kompetenzen im eigenen Haus zurückgreifen.

Beide Antriebsspindeln sind miteinander gekoppelt, sodass die Finger synchron verfahren. »Wenn wir ein Tellerrad handhaben, fahren wir bereits während der Roboterbewegung auf die definierte Fingerposition, greifen das Teil und erfassen über den Stromanstieg im Motor, dass das Teil gegriffen ist. Erfolgt der Stromanstieg zu früh, ist der Durchmesser zu groß, erfolgt er zu spät, ist er der Durchmesser in der Regel zu klein«, erläutert Hellstern. In beiden Fällen kommt es zu einer Fehlermeldung.

Während die Bauteilüberwachung beim pneumatischen Drei-Finger-Zentrischgreifer über einen Schunk APS-Z80 Analogsensor erfolgt, wird sie also beim elektromechanischen Zwei-Finger-Greifer über den Anstieg des Motorstroms realisiert.

Ein pneumatisch gesteuertes Rotationsklemmelement an einer Spindel stellt beim LEG sicher, dass das bis zu 130 Kilogramm schwere Werkstück im Falle eines unvorhergesehenen Stromausfalls sicher gegriffen bleibt. Da die Teile formschlüssig gegriffen werden, genügt eine Positionserhaltung.

Vorteil Elektromechanik

Beim pneumatisch gesteuerten Drei-Finger-Zentrischgreifer PZN-plus wiederum, der die Teile kraftschlüssig greift, wurde eine Greifkraftsicherung über ein kompaktes Schunk SDV-P Druckerhaltungsventil realisiert. Zusätzlich verhindern Kunststoffelemente an den Fingern einen Werkstückverlust sowie eine Beschädigung von Funktionsflächen am Werkstück.

Im Rahmen einer Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) war im Vorfeld untersucht worden, welche Risiken von den Greifern und Greiferfingern ausgehen. Dabei wurde unter anderem deutlich, dass der elektromechanische Großhubgreifer bei einem Bauteilgewicht von bis zu 130 Kilogramm in puncto Bauraum deutliche Vorteile bietet. So hätte ein in Greifkraft und Größe vergleichbarer Pneumatikgreifer lediglich die Hälfte des Hubs erzielt. Zudem wären externe Führungen erforderlich gewesen, da die Traglast des Standardgreifers nicht ausgereicht hätte. Hinzu kommen langfristige Vorteile, da beispielsweise Leckagen keinerlei Rolle spielen.

Unterm Strich wurde deutlich, dass der Elektrogreifer bei einem in der Gesamtbetrachtung vergleichbaren Invest mehr Spielraum bietet: Er ermöglicht einen deutlich größeren Hub und kann flexibel und mit variabler Geschwindigkeit unterschiedliche Positionen anfahren. Hinzu kommt, dass Druckschwankungen oder gesetzliche Limits in Bezug auf den Pneumatik- druck, wie sie in Mexiko oder den USA anzutreffen sind, bei Einsatz des elektrisch gesteuerten Großhubgreifers keine Rolle mehr spielen. Auch in Bezug auf die Energiekosten hat der Elektrogreifer auf Dauer die Nase vorn, wie der Hersteller erklärt. »Umgekehrt jedoch muss die höhere Komplexität des Greifers zunächst beherrscht werden«, wägt Hellstern ab.

Mehraufwand relativiert

Gerade bei einem Pilotprojekt, wie der Anlage für Nutzfahrzeug-Differenziale, sei der Programmieraufwand deutlich höher als bei einem herkömmlichen pneumatischen Greifer. »Wir mussten im ersten Schritt vom doppelten Aufwand für die Programmierung ausgehen. Mit jeder weiteren Anlage profitieren wir aber unmittelbar von der bereits geleisteten Programmierarbeit. Dann wird es deutlich einfacher und der Mehraufwand relativiert sich.« Aus Sicht des Anwenders sei der mechatronische Greifer daher definitiv die bessere Lösung: »Der Greifer wird voraussichtlich auch alle künftigen Werkstücke abdecken, sodass kein manueller Greifer- oder Fingerwechsel erforderlich ist.«

Auch für Emag LaserTec als Anlagenbauer macht der Mechatronikgreifer Sinn: »Die Spindel mit der Selbsthemmung, der Antrieb mit der Haltefunktion – dieser Greifer verfügt über so viele integrierte Sicherheitsfunktionen, die bei einem pneumatischen Greifer sehr viel komplizierter zu realisieren wären. Sicherlich auch machbar, aber wir haben uns von Anfang an mit der mechatronischen Lösung wohler gefühlt.« Dabei habe nicht zuletzt auch das Vertrauen in den Anbieter eine wesentliche Rolle gespielt: »Funktionierende Komponenten sind das eine. Ebenso entscheidend ist aber die hohe Kompetenz und vor allem das engagierte Kümmern der Fachberater und Spezialisten. In unserer Konstruktion hat es sich längst eingespielt, dass wir bei Fragen zum Thema Greifen automatisch Schunk mit einbinden.«

Anlage macht Schule

Anhand der Prozessbeschreibung, des Teilespektrums und der mechanischen Spezifikationen entwickele der Hersteller die passende Greifstrategie und kümmere sich um die Auslegung. Schon seit vielen Jahren wird der Anlagenbauer von einem Team des Herstellers unter Federführung von Fachberater Jürgen Kolbus betreut.

Neben der Varianz seien bei dem Projekt vor allem das ungewöhnlich hohe Werkstückgewicht und der straffe Zeitplan Herausforderungen gewesen, die in Zusammenarbeit mit Schunk gelöst werden konnten, führt Hellstern aus. Dass mittlerweile auch andere Kunden von Emag LaserTec auf die Anlage und insbesondere das Handling aufmerksam wurden, zeigt, welches Potenzial in der Lösung steckt, so der Greifsystem-Hersteller abschließend.

Erschienen in Ausgabe: 06/2019