Mit einem Null-Fehler-Portal sichert die BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH am Standort Traunreut die Fertigung von Türen für ihre Mikrowellengeräte. Kein einfacher Fall, denn gefurchte Gewinde, stark schwankende Reibwerte und ein sehr weicher Schraubfall erschweren die Montage. Lösen ließ sich die Aufgabe mit dem von Atlas Copco entwickelten Gradientenverfahren, das neben dem Drehmoment auch dessen Gradienten zur Steuerung der Schraubwerkzeuge nutzt.

Essen, September 2011 – Bei der Montage von Mikrowellengeräten lassen die Fertigungsspezialisten der BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH nichts ‚anbrennen‘. Neben aufwendigen Tests vor Auslieferung der Geräte legt man auch bei den einzelnen Fertigungsschritten Wert auf abgesicherte Montagevorgänge – etwa für die Fronttür. „Mikrowellenschild, Dichtung, Abschirmgitter und Türboden werden dabei zu einer Einheit verschraubt“, berichtet Thomas Hoffmann, Fertigungsplaner bei BSH in Traunreut. „Das Ganze ist insbesondere bei den Baugruppen mit Silikondichtung für die EcoClean-Geräte ein ziemlich weicher Schraubfall.“ Daneben werden in Traunreut auch die Pyrolyse-Geräte produziert, die bei der thermischen Selbstreinigung Temperaturen von über 500 °C erreichen – dann ist die Dichtung ein Glasfaserschlauch und der Schraubfall deutlich härter. Ein harter Schraubfall liegt vor, wenn der Drehwinkel ab Kopfauflage bis zum Endanzug unter 30° liegt. Bei weichen Schraubfällen können dazu unter Umständen mehrere Umdrehungen notwendig sein, bei mehr als zwei Umdrehungen, also 720°, spricht man von einem weichen Schraubfall.

Unabhängig von der Geräte-Bauart sind bei der Türmontage jeweils 26 Schrauben anzuziehen, weswegen BSH bereits vor vier Jahren von pneumatischen auf elektronisch gesteuerte Schrauber umstieg. Zum Einsatz kommen Werkzeuge von Atlas Copco Tools, Tensoren der Baureihe SL. „Damit konnten wir die Schraubzeit halbieren“, fährt Thomas Hoffmann fort. Denn um Setzerscheinungen zu kompensieren, waren zuvor mit den Druckluftschraubern zwei Durchläufe erforderlich. Nach Anzug aller 26 Schrauben musste jede ein weiteres Mal auf ein Drehmoment von 2,5 Newtonmetern (Nm) nachgezogen werden. Die Tensoren ermöglichen das über einen zweistufigen Anzug in einem Rutsch; die kurze Pause beim Umschalten zwischen den beiden Stufen erwies sich als ausreichend, das Setzen in den Griff zu bekommen.

Zählvorgang soll Montageprozess absichern

Die BSH-Fertigungstechniker wollten nun noch einen Schritt weiter gehen und sicherstellen, dass pro Tür jeweils genau 26 Schrauben angezogen werden. Automatisiert soll die Montagevorrichtung die Türen erst bei einem i. O. (in Ordnung) freigeben, wenn 26 Mal fehlerfrei angezogen worden ist – sinngemäß ein Null-Fehler-Portal. Was sich zunächst trivial anhört, ist bei genauerer Betrachtung aber gar nicht so einfach zu realisieren. Der Grund: Die stark schwankenden Reibwerte, welche die Drehmomentsteuerung an ihre Grenzen führt. Um das zu verstehen, muss man sich vor Augen halten, dass bei der Türmontage Schrauben in gefurchte Gewinde gedreht werden. Letztere sind zudem aufgrund der vorangehenden Emaillierung des Blechs teilweise verzundert, was den Eindrehwiderstand deutlich erhöht. „Dazu kommt ein weiteres Problem, wenn eine Schraube wieder gelöst und erneut angezogen werden muss – denn nun lässt sich die Schraube viel einfacher eindrehen und der Schraubfall ist ein völlig anderer, statt einer weichen ist das eher eine harte Verbindung“, erläutert der Montage-Profi. „Um zu verhindern, dass die Schraube in dieser Situation durchdreht, muss der Werker also auf ein ‚Reparatur-Programm‘ mit abgestimmten Parametern umschalten.“ Der Pferdefuß: Genau dann wird auch der Zähler der Steuerung auf Null zurückgestellt – die Zählfunktion also ausgehebelt.

BSH hätte nun die Zählfunktion extern über die Einbindung in eine SPS-Steuerung realisieren können, doch alternativ boten die Schraubspezialisten von Atlas Copco Tools eine weitere Möglichkeit: den Anzug über das Gradientenverfahren. „Damit wird das Reparaturprogramm überflüssig, da sich jetzt sowohl der Erst- als auch ein eventuell erforderlicher Zweitanzug mit ein- und demselben Schraubprogramm durchführen lassen“, freut sich Thomas Hoffmann, „und damit können wir die Zählfunktion der Tensorsteuerung für die Qualitätskontrolle nutzen.“ Der Werker kann die Tür also erst nach 26 I.O.-Verschraubungen entnehmen.

Gradientenverfahren erleichtert schwierige Schraubfälle

Bei BSH genügt also ein Programm, um entweder Schrauben in verzunderten oder bereits benutzten Gewinden exakt anzuziehen. Dazu wird nicht mehr nur das Drehmoment als Steuergröße erfasst, sondern auch dessen Änderung im Verlauf des Anziehens – der Gradient des Drehmoments (daher der Name des Verfahrens). Der Gedanke dabei: Während des Anzugs kann das Drehmoment durchaus in einem größeren Bereich schwanken, wichtig ist nur, den Moment der Kopfauflage genau zu erfassen. Charakteristisch für diesen Augenblick ist ein starker Anstieg des Drehmoments. Anders formuliert: Sobald der Gradient des Drehmoments einen zuvor ermittelten Wert übersteigt, ist die Schraube eingedreht. Bei BSH schaltet die Tensorsteuerung den Schrauber dann ab und zieht in der zweiten Stufe – nun drehwinkelgesteuert – um weitere 90° an. Ob das Drehmoment zum Einschrauben also groß ist (im Fall der verzunderten Gewindefurche) oder relativ klein (beim Wiedereindrehen) ist bei der Montage mit dem Gradientenverfahren unerheblich, erst die Kopfauflage löst das Ab- und Umschalten aus.

Dennoch galt es bei der Umsetzung bei BSH eine weitere Hürde zu nehmen. Verantwortlich dafür sind ein weiteres Mal die nicht zu beeinflussenden Toleranzen bei den Gewindefurchen. „In dem Moment, in dem die Schraube ‚anbeißt‘, messen wir fast den gleichen Drehmomentanstieg wie bei der Kopfauflage“, erläutert Atlas-Copco-Mitarbeiter Udo Ring, der BSH vor Ort betreut. Dann dürfe die Steuerung natürlich nicht abschalten, sonst würde die Schraube ja nicht eingedreht. „Deswegen erfassen wir den Gradienten erst, wenn nach dem Anbeißen das Drehmoment wieder einen Wert von einem Newtonmeter erreicht – alle Werte davor werden ignoriert!“

Mit dem neuen Anzugsverfahren konnten Thomas Hoffmann und Atlas Copco auch die Kollegen in der Qualitätssicherung bei BSH überzeugen. „Das war wichtig, weil wir ja jetzt nicht mehr auf einen bestimmten Drehmomentwert verschrauben“, sagt Hoffmann abschließend, „sondern letztendlich über den Drehwinkel auf die Klemmkraft.“
 
 
 

Zur BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH

Die BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH – ein Joint Venture zwischen der Stuttgarter Robert Bosch GmbH und der Siemens AG in München – ist eine weltweit tätige Unternehmensgruppe. Die BSH ist Marktführer in Deutschland und Westeuropa und gehört zu den großen Hausgeräteherstellern weltweit. Mit den Produkten, die dem Anwender immer einen Mehrwert hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Komfort und Bedienfreundlichkeit bieten sollen, verfolgt das Unternehmen eine konsequente Innovations- und Qualitätspolitik. Weltweit wird dazu Know-how innerhalb der BSH-Gruppe transferiert, auch bezüglich des Umweltschutzes. In Traunreut ist neben der Fertigung auch die Entwicklung beheimatet, insgesamt sind hier rund 2300 Mitarbeiter beschäftigt. www.bshg.de ((Belegadresse des Anwenders)) Gerne zwei Exemplare an: BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH Thomas Hoffmann Werner-von-Siemens-Straße 200 83301 Traunreut Tel. 08669/30-6125 thomas.hoffmann@bshg.com