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Prozesssichere Montage von Frequenzumrichtern mit Tensor DL

2007-05-07

Gesteuerter Elektroschrauber schützt vor Systemausfall

In Montagelinien mit vielen unterschiedlichen Schraubfällen sind computergesteuerte Schraubwerkzeuge eine gute Alternative zu herkömmlichen Elektro- oder Druckluftschraubern. Sie montieren genauer und können die Anzahl der eingesetzten Montagewerkzeuge wesentlich reduzieren.

„Schon eine einzige lose Schraube könnte verheerende Folgen haben", berichtet Pius Ackle, Montageleiter bei der ABB Switzerland Ltd in Turgi und verantwortlich für Großobjekte im Bereich der Leistungselektronik. Denn löst sich im Leistungsteil eines Frequenzumrichters eine Schraubverbindung, fließt der Strom nicht über den Kabelschuh, sondern durch die Schraube. „Sie würde rot glühen und schmelzen", warnt Ackle. Die Folgen des herabtropfenden Metalls könnten vom vergleichsweise harmlosen Kurzschluss über einen Systemausfall bis zum Abbrennen der Anlage reichen.

Prozesssichere Montage von Frequenzumrichtern
In der Frequenzumrichter-Fertigung schraubt der Werker Halbleitermodule auf keramische Träger. Anschließend steckt er eine Kunststoff-Schutzhaube auf. Das Schrauben muss hier vor allem sanft erfolgen, damit die empfindlichen Grundkörper aus sprödem Keramikmaterial nicht beschädigt werden. 
(Bild: Atlas Copco Tools)

Doch bei den Traktionsumrichtern von ABB ist ein solcher Fall ausgeschlossen. Äußerst präzise und keramikschonend montiert der Hersteller die Produkte, deren elektrische Leistung bis zu 2,5 Megawatt (MW), also 2,5 Millionen Watt, beträgt. Denn für die kritischen Schraubfälle setzt ABB gesteuerte Elektroschrauber aus der Tensor-Baureihe von Atlas Copco Tools ein.

Pius Ackle deutet auf einen unscheinbaren grauen Kasten und öffnet die Tür. Zu sehen ist ein für Laien unüberschaubares Gewirr aus Schrauben, Klemmen, Kabeln und Anschlüssen. Für den Fachmann: ein Frequenzumrichter. „Dieser hier ist für Nahverkehrs-Triebwagen", sagt Ackle. Das Produkt werde als Herzstück eines Triebwagens eines Tages die Motordrehzahl des Zuges regeln, damit der sanft anfahren kann.

Prozesssichere Montage von Frequenzumrichtern
Montageleiter Pius Ackle gewährt Einblick in einen Traktionsumrichter. Bei ABB in Turgi werden Modelle mit elektrischen Leistungen von 0,5 bis 100 Megawatt gefertigt. Unzählige Schrauben sind anzuziehen. „Mit dem Tensor DL montieren wir rationeller. Der Schrauber bringt uns deutlich mehr Prozesssicherheit", sagt Ackle. 
(Bild: Atlas Copco Tools)

Weil der bei der Baugruppen-Vormontage eingesetzte Tensor DL acht herkömmliche Schrauber ersetzt, wirken die drei identisch ausgelegten Montagestraßen besonders aufgeräumt. Mehr Ordnung durch weniger Werkzeuge sei aber nicht der alleinige Grund für die Anschaffung des digitalen Stabschraubers gewesen. Der lag vielmehr im besonders sanften Montieren.

Beim Verschrauben der Stromanschlüsse auf die Halbleitermodule könnte es mit herkömmlichen Schraubern Probleme geben, erläutert Ackle, denn die Halbleitermodule sitzen auf einem isolierenden Keramikkörper: „Der könnte beim Überschießen des Drehmoments durch die Sprödheit des Materials beschädigt werden." Weil Risse oder Brüche in der Keramik nicht auf Anhieb sichtbar werden, könnten schadhafte Komponenten in den Umrichter gelangen, meint der Techniker.

Prozesssichere Montage von Frequenzumrichtern
Der eingesetzte Tensor DL (oben links im Bild die Steuerung) kann sich bis zu zehn Schraubparameter „merken" und hat bei ABB in Turgi acht herkömmliche Schraubwerkzeuge ersetzt. 
(Bild: Atlas Copco Tools)

Wärmeleitpaste macht Schraubfall sehr „weich“

Ein weiterer wichtiger Grund, der zur Anschaffung des Tensors führte: Um den optimalen, geringen Übergangswiderstand zu erzielen, wird Wärmeleitpaste zwischen Kühlkörper und das Halbleitermodul aufgetragen. Weil die Schraube beide Komponenten samt Paste zusammenhalten muss, werde der Schraubfall besonders „weich". Gleichwohl müssen die Anziehkräfte exakt eingehalten werden. Für den DL-Schrauber ist dies ein Leichtes: Die technischen Finessen des kompakten Systems verhindern, dass die Schraube zu fest oder zu schwach angezogen wird, freut sich Ackle.

Und durch seine patentierte DigiTork-Steuerung montiert der Tensor von Anfang an mit einer Wiederholgenauigkeit von ± 7,5 Prozent über sechs Sigma; die kleinen Schraubfälle von 1,3 Newtonmetern (Nm) ebenso wie die größeren von 5,5 Nm. Dabei nutzt ABB das Leistungsvermögen des Tensor DL noch lange nicht aus, denn der kann sogar bis zu 10 Nm verschrauben.

Über das angeschlossene „Selektormagazin" erkennt die Steuerung des Werkzeugs beim Herausnehmen der Schraubnuss oder Klinge die jeweiligen Schraubparameter; ein so genannter RE-Alarm (RE steht für Reporting) warnt den Werker vor vergessenen Schrauben oder Fehlverschraubungen. Gewindefresser würden ebenso zuverlässig erkannt wie ein nicht ausreichendes Drehmoment.

Prozesssichere Montage von Frequenzumrichtern
Der Tensor-DL-Schrauber kann bedenkenlos für die Montage sensibler elektronischer Bauteile eingesetzt werden. Das Risiko unkontrollierter elektrostatischer Entladungen (ESD = Electrostatic Discharge, die Ursache Nummer eins für viele Defekte in der Elektronikmontage) ist bei diesen Modellen ausgeschaltet. 
(Bild: Atlas Copco Tools)

„Das manuelle Voranziehen und Nachknicken der Schraubverbindungen entfällt jetzt", begründet Ackle die kürzeren Montagezeiten. Durch die hohe Genauigkeit, Zählfunktion und Werkerwarnung habe sich die „intelligente Schraubanlage" schon nach wenigen Monaten bezahlt gemacht. Dass jede einzelne Verschraubung zusätzlich mit einer Farbmarkierung versehen wird, sieht Pius Ackle als reine Vorsichtsmaßnahme. Bei der Prozesssicherheit des Tensor DL sei diese „200-Prozent-Überprüfung" eigentlich nicht nötig. Aber die ABB-Werksvorgaben schreiben sie vor, und so gehe man halt ganz auf Nummer sicher.