Modular erweiterbare Montagezelle zum Prüfen und Verpressen von Kleinstwellen

Nahtlos in die Linie

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Mit einer Messgenauigkeit von ±0,5 µm muss ein führender Anbieter von präzisen Antrieben und Systemen maßlich unterschiedliche Kleinstwellen montieren und prüfen. Für diese diffizile Aufgabe kommt eine Montagezelle des Automatisierungsspezialisten IEF Werner zum Einsatz. Diese basiert auf einer modularen und flexibel erweiterbaren Mikromontage-Systemarchitektur.

Exklusiv in kem Die Autorin Lena Trapp ist im Marketing der IEF Werner GmbH, Furtwangen, tätig

In der Feinwerk- und Mikrosy-stemtechnik besteht häufig die Nachfrage nach Fertigungseinrichtungen, die sich leicht an Änderungen im Produktspektrum anpassen lassen und deren Durchsatz skalierbar ist. Damit war auch ein Antriebsspezialist konfrontiert, als es um die automatische Montage und Prüfung von Kleinstwellen für elf unterschiedliche Kleingetriebetypen ging.
Der Hersteller fertigt Gleichstrom- sowie Flachmotoren, Planeten- und Stirnradgetriebe, Servoverstärker, Positioniersteuerungen sowie kundenspezifische Antriebe. Eingesetzt werden die Produkte zum Beispiel in Profilwerkzeugen, Robotersystemen, Schweißanlagen oder auch in Mikroskopen.
Effizient fertigen
„Bei der Montage von Mikrobauteilen wie diesen Kleinstwellen gibt es grundsätzlich einiges zu beachten“, erklärt Ulrich Moser, Vertriebsleiter bei IEF Werner. „Die Montage muss kosteneffizient erfolgen, daher darf der Automatisierungsgrad nur so hoch sein, dass sich die Anlage schnell wieder amortisiert.“
Um diese Teile zu montieren, ist nicht nur äußerste Präzision gefragt. Wichtig ist auch eine hohe Flexibilität. Denn die unterschiedlichen Präzisionswellen haben Außendurchmesser zwischen 4,58 und 7,35 mm, Wellendurchmesser von 1,5 bis 2 mm und Gesamtlängen von etwa 10,5 bis 18,5 mm. Werden Kleinstwellen für einen anderen Getriebetyp produziert, muss die Anlage schnell umgerüstet werden können. Gefordert ist ein reibungsloser Werkzeugwechsel. Eine weitere wichtige Voraussetzung: Die montierten Teile müssen anschließend voll automatisiert in Getriebe eingesetzt werden. Dazu sollte sich die Montagezelle nahtlos in die Produktionslinie integrieren lassen.
Zum Einsatz kommt jetzt eine Montagezelle von IEF Werner. Die Anlage hat eine Gesamtbreite von circa 400 mm, eine Länge von rund 800 mm und ein Gewicht von etwa 800 kg. Sie basiert auf einer flexibel erweiterbaren Mikromontage-Systemarchitektur, dem „sF-420“-Design. Damit kann das System auf jede Produktionsänderung optimal angepasst werden. Auch benötigt es deutlich weniger Energie als vergleichbare Anlagen.
Innovative Systemarchitektur
Die Transportlogistik des sF-420-Systems basiert auf 80 x 80 mm großen Werkstückträgern, die für geringe Handhabungsgewichte ausgelegt sind. Sie werden über ein in den Basistisch integriertes Transportband zu den einzelnen Montagestationen befördert. Die Montagezelle ist über eine eigene Ein- und Ausschleusvorrichtung an das Werkstückträgertransportsystem angekoppelt. Da bei der eingesetzten Anlage nur eine Station benötigt wird, kommen diese Transportbänder und Werkstückträger nicht zum Einsatz, sind aber jederzeit nachrüstbar.
Die Montage wird in diesem Fall mit einem doppelten „Rotaryarm“, einem Schwenkarmmodul für schnelle Pick- und Place-Aufgaben, mit je einem Sauggreifer realisiert. Zusätzliche Zuführeinheiten, bei dieser Anlage sind es Wendelfördertöpfe, stellen die zu montierenden Teile bereit. Eine Zuführung wäre jedoch auch mit Palettierern oder Blistern möglich. Diese Einheiten werden über definierte Schnittstellen mechanisch, elektrisch und steuerungstechnisch an die Montagezelle angekoppelt. Die Schnittstellen sind außerdem auf einen optimierten Wechselvorgang der Module ausgelegt.
Zusatzfunktionen wie Bildverarbeitung oder Zuführungen für die Dosierung von Schmiermitteln in feinmechanischen Systemen können einfach integriert werden. Die Möglichkeit, prozess- oder kundenspezifische Sonderapplikationen einzubinden, ist mit diesem System ebenfalls gegeben. Für die Steuerungstechnik kommt eine IEC-61131-basierte Standard-Soft-SPS zum Einsatz. Diese ermöglicht es, die Montagezelle unabhängig von der Linie in Betrieb zu nehmen und im Fall eines Defekts zu überholen.
Weitere Ausbaustufen möglich
Der Basistisch kann zudem einen Handarbeitsplatz oder eine teilautomatisierte Montagezelle aufnehmen. In weiteren Ausbaustufen sind doppelt und dreifach breite Montagezellen möglich, die mit speziellen Prozessmodulen ausgestattet sind. Ein Hauptband verkettet dabei die einzelnen Stationen. Aber auch komplette Montagelinien lassen sich aus mehreren Basistischen aufbauen, die über das Transportsystem materialflusstechnisch verknüpft sind. Damit kann von kleinen Losgrößen bis zu Millionenstückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden.
Die Montagezelle oder einzelne Module können im laufenden Betrieb vom Basistisch entnommen oder eingebaut werden, ohne dass die Liniensteuerung oder der Materialfluss beeinträchtigt werden. Der Basistisch stellt außerdem die Grundversorgung der Montagezelle sicher – das heißt die Spannungsversorgung, Pneumatik für die Werkzeugversorgung und die Kommunikation.
Die vollautomatische Zelle ist mit einem kartesischen Dreiachssy-stem ausgerüstet, das eine Schnittstelle zu den Greifwerkzeugen hat. Es sorgt für einen reduzierten, größenangepassten Arbeitsraum. Zur Verfügung stehen drei translatorische Bewegungen (x,y, und z).
Schritt für Schritt montiert
„Die Montage in der Zelle erfolgt überwiegend von oben“, erklärt Moser und schaut dabei auf die Montagezelle. Fast geräuschlos, mit präzisen und sparsamen Bewegungen saust der Sauggreifer gerade über den ersten Wendelfördertopf und nimmt eine Präzisionswelle auf. Damit fährt er zu einer Messstation, in der Sensoren den Durchmesser und die Höhe des Absatzes an dem Bauteil messen, der später für die Montage – das exakte Verpressen – entscheidend ist.
Stimmen die Maße nicht, werden sie je nach Ergebnis entweder in ein Töpfchen mit der Aufschrift „Ausschuss“ oder in eines mit „Nacharbeit“ gelegt. Liegen die Maße in der Toleranz, fährt der Greifer mit der Präzisionswelle zur ersten Bildverarbeitung „Lageerkennung“, detektiert dort seine Drehlage und legt die Präzisionswelle in definierter Lage in eine Werkstückaufnahme, die auf einer x-Achse unter die Presse fährt. Dort steht ein Drehtisch bereit, der mit Stiften aus einem weiteren Wendelfördertopf bestückt wird. Die Präzisionswelle wird unter den Drehtisch positioniert und nacheinander mit je drei Stiften verpresst. Die Ergebnisse werden auf dem Monitor anhand eines Kraft-Weg-Verlaufs angezeigt.
Mit dem verpressten Bauteil fährt der Werkstückträger auf der x-Achse zurück in seine Ausgangsposition. Der erste Sauggreifer entnimmt es und fährt damit zur zweiten Bildverarbeitung, die die Bohrungen auf Späne prüft. Je nach Ergebnis sortiert das System die kompletten Bauteile nach „Gut“ oder „Nacharbeit“. Die Taktzeit pro Bauteil beträgt insgesamt nur 15 Sekunden. Diese kurzen Taktzeiten lassen sich unter anderem aufgrund überlagerter Prozesse realisieren. So läuft die Wellenvorprüfung parallel zum eigentlichen Montagevorgang, dem Verpressen, ab.
Auf Sicherheit viel Wert gelegt
„Eine weitere Anforderung des Kunden bestand darin, die Montagezelle sicher zu gestalten, sodass auf Schutzgitter verzichtet werden kann. Deshalb setzen wir hier auf Linearachsen mit geringer Antriebsleistung“, erklärt Moser. Diese sind hochgenau, bringen aber nur geringe Kräfte auf, die vollkommen ausreichend für diese Anwendung sind. „Kommt eine Hand in einen sonst kritischen Bereich, stoppen die Antriebe sofort. Dadurch erreichen wir die geforderten Sicherheitsvorschriften und gewährleisten für Maschinenbediener die Zugänglichkeit zum Arbeitsraum.“ Gleichzeitig ermöglicht die geringe Antriebsleistung eine äußerst energiesparende Montage.
IEF Werner;
Telefon: 07723 925-0;
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