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Schraubautomat entstört sich selbst

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Gewindebuchsen schnell und prozesssicher in Flansche eingesetzt

Mit einem Automaten, der mit einer schnellen Schraubspindel von Atlas Copco Tools Gewindebuchsen in Kunststoffflansche eindreht, hat Waldmann die Zykluszeit verkürzt und die Prozesssicherheit gesteigert. Der Clou: Zahlreiche Fehler, die früher zu Störungen des Betriebs geführt hätten, behebt die neue Anlage automatisch.

Essen/Villingen-Schwenningen, Oktober 2013 – „Wir wollten unsere Flansche auch in einer Geisterschicht fahren können, ohne dass die Anlage stehenbleibt“, beschreibt Uwe Jahn seine Vision vor der Anschaffung eines neuen Gewindebuchs-Schraubautomaten. Jahn ist Betriebsleiter der Herbert Waldmann GmbH & Co. KG in Villingen-Schwenningen, und damit die geplante Anlage auch nächtens mannlos fahren kann, muss sie „selbstentstörfähig“ sein.

Dass die Industrie in Deutschland anspruchsvoll ist, wusste man. Aber dass sie von ihren Maschinen erwartet, sich selbst aus misslichen Lagen zu befreien, hörte sich dann doch überraschend an. „Natürlich kann auch der beste Automat nicht alles allein“, räumt Uwe Jahn ein. „Wenn eine Buchse irgendwo eingeklemmt ist, müssen wir immer noch manuell eingreifen. Aber alle anderen Probleme behebt das System automatisch.“ So stört es den Betrieb eben nicht mehr, wenn etwa um 2.30 Uhr nachts, in Abwesenheit aller Schichtarbeiter, ein Fehler auftritt: Der neue Schraubautomat, den das Waldmann-Automatisierungsteam aus Uwe Jahn, Vitali Kischenko und Volker Weinmann unter Verwendung einer QST-Einbauspindel mit Power-Macs-Steuerung von Atlas Copco Tools entwickelt hat, entstört sich selbst und produziert anschließend weiter, als sei nichts gewesen.

Der Automat wird für die Produktion bestimmter Verschlusskappen für Maschinen-Rohrleuchten benötigt, die zum Beispiel in Bearbeitungszentren und anderen Maschinenräumen eingesetzt werden. Mit je zwei Kappen werden die Rohrleuchten an den Seiten verschlossen. Die Kappen bestehen aus Innen- und Außenflansch sowie einem O-Ring, der im Rohr verklemmt wird und die Leuchte abdichtet. Bei dem entsprechenden Fertigungsschritt wird der Gewindebuchsautomat mit einer Spritzgießmaschine verkettet und von einem Portalroboter mit den Kunststoffflanschen beladen. Der Automat setzt dann drei Gewindebuchsen in die Flansche ein, die Zykluszeit beträgt 30 Sekunden. Die entsprechenden Bohrungen sind schon im Spritzgießwerkzeug angelegt. Bei der späteren Montage der Flansche werden drei Schrauben in die Buchsen eingedreht; sie quetschen den O-Ring nach außen und dichten das Rohr so ab.

Alte Anlage war zu langsam und zu ungenau

Vor der Installation des Schraubautomaten arbeitete Waldmann mit einer Anlage, die laut Jahn zu langsam, zu ungenau und vor allem nicht selbstentstörfähig war. „Früher haben wir einen einfachen Elektroschrauber verwendet“, erklärt der Betriebsleiter. „Den hatten wir zwar auch in eine Maschine eingebaut, aber damit konnten wir längst nicht so schnell und prozesssicher arbeiten wie heute.“ Die Gründe sind vielfältig:

  1. Die neue QST-Einbauspindel ist etwa dreimal so schnell, wie es der manuelle Elektroschrauber war. Sie hat eine eingebaute Bremse, kann dadurch länger schnell drehen und sehr schnell abschalten.
  2. Die frühere Anlage war als Drei-Achs-Portal ausgeführt, der Schrauber fuhr mit, die Buchsen waren fixiert. Dabei wurde unnötig viel Masse bewegt. Heute ist der Schrauber fixiert, nur die kleinen Buchsen werden bewegt. Das bedeutet weniger Kraftaufwand und kürzere Zyklen.
  3. Weil sich der Schrauber früher bewegte, konnte es vorkommen, dass die Position beim Auffädeln der Gewindebuchse nicht genau getroffen wurde. Auch der Sechskantabtrieb des Schraubers bedeutete ein gewisses Spiel, so dass die Buchsen verklemmen konnten und der Betrieb dadurch gestört war. Schon bei 0,5 mm Versatz kam der eigentlich für handgehaltene Operationen ausgelegte Schrauber nicht richtig in die Buchse hinein.

„Die Einbauspindel ist dagegen fixiert und sehr gut gelagert“, sagt Uwe Jahn. „Damit müssen wir praktisch nur durchstoßen. Das geht sehr präzise.“ Die Buchse wird auf einen Schraubdorn aufgefädelt, einen stark spezifizierten Kerbkonus-Einsatz, der eigentlich für kalte Teile entwickelt worden war. Die Kunststoffteile kommen warm aus der Spritzgießmaschine, mit etwa 80 °C. Beim Eindrehen der Buchsen plastifiziert der Werkstoff, wird also wieder etwas weicher, was früher ebenfalls problematisch war. Vor allem, weil das Werkstück schon im Laufe eines Taktes, von der ersten bis zur dritten Gewindebuchse, abkühlt. Für das Eindrehen der ersten Buchse wird daher ein anderes Drehmoment benötigt als bei der zweiten und erst recht der dritten. Das konnte früher dazu führen, dass eine Buchse tiefer eingesetzt wurde als eine andere. „Natürlich müssen sie alle bündig sitzen“, erläutert Uwe Jahn. „Geht man zu tief, wird die Buchse zerstört.“ Die Abschaltung habe bei den verschiedenen Temperaturen früher nicht genau funktioniert. Die Power-Macs-Steuerung des Schraubsystems dagegen regele das heute sehr gut aus. „Das Thermomanagement funktioniert super, ein einziger Parametersatz pro Gewindebuchsart genügt für die Montage!“ Auch bei unterschiedlichen Granulaten oder schlecht gespritzten Teilen montiert das System entweder problemlos – oder entstört sich selbst.

Schraubstrategie mit Drehwinkelkontrolle

Insgesamt gibt es sechs bis acht Varianten, vorwiegend bestimmt von zwei verschiedenen Durchmessern und zwei Farben (schwarze und graue Kappen). Der schwarze Kunststoff ist härter und erfordert eine andere Schraubstrategie, und da auch zwei verschiedene Buchsenarten – in den Größen M4 und M5 – verwendet werden, sind insgesamt zwei Parametersätze nötig.

Die heute programmierte Schraubstrategie verwendet das Drehmoment als Steuergröße und kontrolliert den Drehwinkel. „Ab einem Schwellmoment von 0,1 Newtonmetern messen wir den Winkel“, erklärt Vitali Kischenko, Leiter des Automatisierungsteams. „Dann brauchen wir noch acht Gewindegänge, ehe der Schrauber abschaltet.“ Die Buchse sitzt dann oben bündig und hat nach unten noch 1 mm Spielraum. Die acht Umdrehungen kann die Spindel mit hoher Geschwindigkeit von 3000 min-1 abfahren. Das Drehmoment wird währenddessen zur Sicherheit weiter überwacht: „Bei fünf Newtonmetern würde das Bauteil zerstört“, sagt Kischenko. „Wir haben daher eine Not-Abschaltung bei 4,5 Newtonmetern programmiert.“ Es sei aber noch nie vorgekommen, dass dieser Wert auf dem Wege der acht Gewindegänge erreicht worden wäre. Der Techniker räumt ein, dass diese Kontrolle ein Luxus sei. „Aber die Schraubersteuerung gibt uns die Möglichkeit, warum sollten wir sie also nicht nutzen?“

Greifer entsorgt defekte Buchsen automatisch

Eine Störung trat früher auch auf, wenn das Außengewinde der Buchse defekt war. Manchmal wurden die Gewindebuchsen beim Ausspindeln des Schraubers dann mit herausgezogen. „An der Stelle konnte die alte Anlage auch nicht von allein weitermachen“, führt Betriebsleiter Jahn aus. Die neue Station wurde vom Automatisierungsteam mit einer Lichtschranke ausgestattet. Eine Kamera prüft, ob in solchen Fällen die Buchse noch auf der Spindel sitzt. Ist dies der Fall, fährt ein Greifer heran, hält die Buchse fest, die Schraubspindel dreht zurück und ist wieder frei. Die Buchse wird vom Greifer entsorgt.

Als nächsten Punkt lobt Vitali Kischenko die Reparaturstufe des Power-Macs-Systems: „Wenn der Schrauber heute zu früh abschaltet und die Buchse also nicht bündig versenkt ist, kann man sie wieder herausdrehen und noch einmal neu ansetzen. Das ging früher nicht.“ Überhaupt das Ausspindeln: Wurde früher die Buchse relativ häufig (ungewollt) mit herausgezogen, so kann der Motor der QST-Spindel heute „austrudeln“ und die Spindel im Laufen wieder hochfahren. Auch das verkürzt die Taktzeiten.

Ein einziges Problem war ein bisschen knifflig. Das betrifft die M4-Buchsen für eine bestimmte Flanschgröße. „Hier haben wir eine gewisse Toleranz in unserer Vorrichtung, die dazu führt, dass wir die Teile nicht immer gleichartig fassen und platzieren können“, sagt Kischenko. „Das heißt, die Bohrung liegt nicht immer genau in der Schraubachse.“ Als Lösung schlug der Anwendungstechniker von Atlas Copco Tools den Einbau eines Pendelfutters vor, wie es bei einer anderen Schrauberserie des Herstellers verwendet wird. „Nun rüsten wir die Anlage in diesen Fällen mit dem Pendelfutter aus und bekommen so den Ausgleich auf der radialen Ebene hin“, freut sich der Waldmann-Mitarbeiter.

Manuelle Tätigkeiten gehen gegen null

„Die Zykluszeit ist von einer Minute auf 30 Sekunden gesunken, die Prozesssicherheit deutlich gestiegen“, fasst Uwe Jahn zusammen. „Und es treten deutlich weniger Schrauberfehler auf.“ Das Ziel, die Teile fix und fertig von der Maschine in die Montage zu liefern, ohne dass ein Mitarbeiter bei der Übergabe von der Spritzgießmaschine an den Automaten oder beim Eindrehen der Buchsen dabei sein musste, wurde erreicht. „Jedes manuelle Handling kostet Zeit und Geld“, sagt Jahn. „Wir haben nun die Kosten deutlich gesenkt und an Sicherheit gewonnen.“

Heute läuft der Gewindebuchsautomat oft zehn bis zwölf Stunden ununterbrochen, zum Teil sogar rund um die Uhr, wenn die Auftragsgröße es zulässt. Die Spritzgießmaschine fertigt auch noch andere Komponenten; stehen die Flansche an, wird der Automat danebengestellt. Über eine Million Flansche hat Waldmann damit in gut zwei Jahren schon verschraubt.
 
Autor: Thomas Preuß

 
Über die Herbert Waldmann GmbH & Co. KG:
Das Unternehmen hat weltweit etwa 870 Mitarbeiter, davon rund 500 am Standort Villingen-Schwenningen. Waldmann fertigt und vertreibt im Wesentlichen Maschinenrohrleuchten und Arbeitsplatzbeleuchtung und erzielte 2012 einen Umsatz von 107 Millionen Euro. Jeden Monat unterbreiten die Mitarbeiter etwa 60 bis 80 Verbesserungsvorschläge, von denen das Management möglichst viele umzusetzen versucht.
Adresse: Peter-Henlein-Straße 5, D-78056 Villingen-Schwenningen.
Tel. +49 7720 601 0, Fax +49 7720 601 290, info@waldmann.com


Bild 1: Der Gewindebuchs-Automat von Waldmann arbeitet mit einer schnellen QST-Schraubspindel von Atlas Copco Tools (halbrechts im Bild). (Bild: Atlas Copco Tools)


Bild 2: Der Automat wird mit einer Spritzgießmaschine verkettet. Drei Gewindebuchsen werden in die noch warmen Kunststoffflansche eingedreht, die während des Prozesses leicht abkühlen. Die drei Buchsen erfordern daher unterschiedliche Drehmomente. Für die Anlage ist das aber kein Problem. (Bild: Atlas Copco Tools)


Bild 3: Waldmann hat mit dem neuen Automaten die Zykluszeit verkürzt und die Prozesssicherheit gesteigert. (Bild: Atlas Copco Tools)


Bild 4: Zahlreiche Fehler, die früher zu Störungen des Betriebs geführt hätten, behebt die neue Anlage automatisch. Defekte Buchsen werden – sofern sie noch an der Schraubspindel sitzen – von einem Greifer abgeholt und entsorgt. (Bild: Atlas Copco Tools)


Bild 5: „Jedes manuelle Handling kostet Zeit und Geld“, sagt Betriebsleiter Uwe Jahn. „Wir haben nun die Kosten deutlich gesenkt und an Sicherheit gewonnen.“ Denn heute läuft der Gewindebuchsautomat oft zehn bis zwölf Stunden ununterbrochen, zum Teil sogar rund um die Uhr, wenn die Auftragsgröße es zulässt. (Bild: Atlas Copco Tools)


Bild 6: Vitali Kischenko lobt die Reparaturstufe des Power-Macs-Systems: „Wenn der Schrauber heute zu früh abschaltet und die Buchse nicht bündig versenkt ist, kann man sie wieder herausdrehen und noch einmal neu ansetzen. Das ging früher nicht.“ (Bild: Atlas Copco Tools)