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Schwäbischer Tüftler überlistet Schraubtechnik

2006-12-04

Bei Waldmann Lichttechnik montiert ein Tensor SL in einem Automaten Stehbolzen in Lampenbleche. Die Spezialschrauben konnte kein anderes Werkzeug mit dem Sollmoment anziehen; alle überschossen. Der SL dagegen wurde – mit einer kleinen List – dazu gebracht, das Ziel zu erreichen: Man musste ihn nur auf ein anderes Drehmoment programmieren ... 

Essen/Villingen-Schwenningen, Dezember 2006 
Gerade mal 26 Jahre alt ist Volker Weinmann und darf sich schon „Projektleiter Automatisierungstechnik" nennen. Bei Waldmann Lichttechnik in Villingen-Schwenningen hat der Tüftler im Eigenbau bereits 32 automatische Anlagen entworfen und errichtet. Der jüngste Coup: ein Schraubomat, in dem ein elektrisch gesteuerter Tensor SL so genannte FDS-Schrauben (Flow Drill Screws) von unten als Stehbolzen in vorgestanzte Lampenbleche montiert. Der Clou dieser speziellen Schrauben: Sie schneiden metrische Gewinde ohne Span, und zwar bei Waldmann in ein passend gestanztes Loch – so kann eine Schraube mit runder Spitze verwendet werden, um die später einzulegenden Kabel nicht zu verletzen.

Ihren wichtigsten Vorteil spielt die Schraube aber erst in der Bewegung aus. Beim Eindrehen heizt sie die Bohrung auf und formt pressend das Gewinde. Die Schraube selbst bleibt kalt. Kühlt sich die Bohrung ab, schrumpft das Material – und die FDS sitzt wunderbar fest. Sie lässt sich so als Stehbolzen verwenden, auf den Elektronikkomponenten für die fertigen Maschinenrohrlampen gesetzt werden können, ohne dass bei der Montage dieser Bauteile die Schraube von unten gehalten werden müsste.

Schraubomat spart 60000 Euro im Jahr

Der Schraubomat spart dem Leuchtenhersteller jetzt rund 60000 Euro im Jahr: „Früher haben wir die Gewindestifte mit einer Handpresse gesetzt", erklärt Volker Weinmann. „Das hat dreimal so lange gedauert wie mit der neuen Maschine!" In deren Innern sitzt ein Tensor-SL-Elektroschrauber, der von unten die Schrauben eindreht. Von oben drückt ein schmales Stahlrohr das Blech rund um das Stanzloch auf die Führung, damit es nicht verbiegt. Die Schrauben werden über eine Bollhöff-Vorrichtung zugeschossen. „Wir haben eine gute Handvoll Schrauber ausprobiert", sagt Weinmann, „aber keiner war in der Lage, die FDS-Schrauben mit dem richtigen Drehmoment anzuziehen."

Tensor SL schlug alle Wettbewerber

Man sollte meinen, die am Markt verfügbare Schraubtechnik sei ausgereift. Dennoch hätten alle Schrauber bis auf den SL weit über das Ziel-Moment hinausgeschossen, versichert Weinmann, und erklärt die Gründe: „Diese speziellen Stifte haben ein ganz ungewöhnliches Schraubverhalten: Kurz vor der Kopfauflage fällt das Drehmoment stark ab, von 0,6 auf unter 0,1 Newtonmeter – und dann schießt es in nur vier Hundertsel Sekunden auf das Sollmoment hoch." Kein anderer Schrauber habe schnell genug abschalten können.

Natürlich dreht auch der bürstenlose, digital kommutierte Tensormotor des SL nach, schließlich ist auch seine Masse den Gesetzen der Physik unterworfen. „Aber der SL-Schrauber lässt sich so exakt parametrieren, dass er immer gleich viel überschießt", hat Weinmann erfreut festgestellt.

Das hat sich der Tüftler zunutze gemacht und die Steuerung so programmiert, dass sie glaubt, das Zielmoment liege bei 1,65 Newtonmetern. Tatsächlich braucht Weinmann in dieser Anwendung aber ein Endmoment von 2,3 bis 2,4 Newtonmeter. Und genau das erzielt der Tensor SL, und zwar (wie in einer der beiden Grafiken zu sehen) bei den letzten 5000 Verschraubungen in 99,88 Prozent aller Fälle! „Er ist der einzige Schrauber in dieser Größe, der so schnell abschaltet und immer das richtige Ergebnis liefert", freut sich der junge Techniker. Das liege unter anderem daran, dass der SL im Gegensatz zu vielen anderen Schraubern einen eingebauten Drehmomentaufnehmer habe. Er misst also das tatsächlich angezogene Moment, während es andere Werkzeuge aus verschiedenen Messwerten des Motors errechnen.

Schrauber musste von unten in die Anlage passen

„Der SL konnte uns erstmals eine echte Drehmomentkurve zeigen", sagt Weinmann. „Nach einigem Herumprobieren fanden wir heraus, auf welchen Wert wir das Abstellmoment programmieren mussten, damit er immer auf 2,4 Newtonmetern landet." Um weitere Zykluszeit zu sparen, könnte man den Wert theoretisch noch niedriger ansetzen. Doch dann schaltete der SL zu früh ab, denn das Einschraubmoment liegt schon bei 1,5 Newtonmetern. 1,65 Newtonmeter war der beste Kompromiss.

Auch die im Vergleich recht kurze Bauform des SL hat die anderen Werkzeuge aus dem Feld geschlagen. Denn die vorgelagerte Profiliermaschine spuckt die Lampenbleche in einer bestimmten Höhe überm Hallenboden aus – und das Förderband des Schraubomaten sollte auf genau dieser Höhe liegen. Nach unten blieb also nicht viel Platz. Doch genau von dort werden die Schrauben über eine Böllhoff-Vorrichtung zugeschossen. Zwischen Hallenboden und Tensorschrauber liegen heute nur wenige Zentimeter.

Dem Schraubomat vorgelagert sind eine Stanzmaschine, die in jedes Lampenblech, das vom Coil herunterläuft, mehrere Löcher stanzt. Das Blechband läuft weiter in die Profiliermaschine, deren Rollensatz das Blech abkantet. Am Ende wird es auf die richtige Länge geschnitten und in den Schraubomaten gefördert. Sofern ein Profil Stehbolzen benötigt, werden sie hier eingeschraubt. Für Bleche ohne Stehbolzen wird der Schraubomat auf Stand-by gesetzt, die Anlage nach hinten gefahren, und vorn ergibt sich eine verlängerte Ablagefläche, von der die Werker die geschnittenen Profile nehmen können.

Nach nur vier Monaten Konzeption und Aufbau in Betrieb gegangen, hatte der Schraubomat im ersten Quartal seines Betriebes bereits 15000 Bleche mit je drei Bolzen versehen. Pro Jahr plant Waldmann Lichttechnik mit rund 100000 Blechen. „Vorher hatten wir einen Engpass an der Presse", hebt Volker Weinmann hervor. „Wir hätten viel mehr Teile produzieren können, als der Werker schaffte." Denn die Maschinenrohrlampen entpuppten sich als wahre Renner; nun ist dieser Engpass beseitigt.

Tüftler Weinmann, längst zum Schraubexperten avanciert, hat für die Anlage zwei Trägerblechtypen programmiert, zig Artikelnummern, Dutzende Längen und verschiedene Anzahlen an Bolzen sowie die Zykluszeit im Schraubomat hinterlegt. Der Maschinenbediener braucht für jeden Auftrag nur noch ein Blech beziehungsweise Produkt über den Touch-Screen zu aktivieren, die Anlage stellt alles von selbst ein: der Schrauber wird mit einem Portalroboter an die richtige Stelle gefahren, sie fördert die Bleche, ein Lasersensor fährt über die Bohrungen und prüft die Position ... 

Um keine Zykluszeit zu verlieren, hat Weinmann die Anlage so programmiert, dass jeweils nur das erste Profil eines Auftrages geprüft wird. „Wenn das stimmt, stimmen auch die folgenden", weiß der Automatisierungsexperte. „Jede weitere Prüfung würde uns anderthalb Sekunden kosten." Das ist viel bei einer Zykluszeit von 13 Sekunden pro Blech, wovon nur 1,3 Sekunden auf den Schraubvorgang (Einzelschritte: Kernlochformen, M4-Gewinde schneiden, Schraube eindrehen und auf 2,4 Newtonmeter anziehen) entfallen.

Schraubomat schickt bei Fehlern eine SMS aufs Handy

Der Mann ist Perfektionist. Weil er mit seinem Kollegen Nikolai Luzenko inzwischen so viele Sonderanlagen konzipiert, geplant und aufgebaut hat, sind beide auch als Instandhalter gefragt. „Oft rufen Kollegen an, wenn Probleme auftreten, die sie nicht selbst beheben können. Aber ich bin auch nicht immer im Betrieb." Weil er sich nicht klonen kann, hat er den Schraubomaten so programmiert, dass die Anlage ihm bei bestimmten Fehlern, etwa dem Ausfall von Sensoren oder einer Endstufe, einfach eine SMS aufs Handy schickt. „Dann kann ich den Fehler eingrenzen, wenn jemand anruft, und spare manchen Weg in die Halle." Denn auch seine persönliche „Zykluszeit" ist knapp …