Der Zauberwürfel ist ein 3D-Geduldsspiel, das der ungarische Bildhauer und Architekturprofessor Ernö Rubik erfand. Allein in den 80er-Jahren wurden 350 Millionen dieser Zauberwürfel verkauft. Bei Cubicup, einem daran angelehnten Spiel für zwei Spieler, geht es darum, eine Pyramide aus Holzwürfeln mit zwei unterschiedlichen Farben zu bilden. Der Spieler, der den letzten Würfel auf die Spitze setzt, hat gewonnen. Bevor man jedoch Spaß beim Spielen haben kann, müssen die Würfel hergestellt werden.
Handarbeit zu teuer
Für das Spiel Cubicup benötigt man nur einfache Holzwürfel, deren Abmessungen jedoch präzise stimmen müssen. Es mag übertrieben klingen, doch war diese Aufgabe aus verschiedenen Gründen überhaupt nicht einfach. Herkömmliche Tischlereien besitzen keine Maschinen, die mit einer Präzision von Zehntelmillimetern arbeiten. Dies ist jedoch ein maßgebliches ästhetisches Merkmal dieses Spielzeugs. Zudem ist Handarbeit teuer und ineffizient. Zudem gibt es keine Anlagen zum Greifen und Bearbeiten, also Abrunden der Kanten, von derart kleinen Teilen. Denn die Würfel haben eine Kantenlänge von 17 mm.
Technik im Detail
Räumliches Denkvermögen fördern
Der Zauberwürfel, oft auch wie im englischsprachigen Raum Rubik’s Cube genannt, ist ein Geduldsspiel, das vom ungarischen Bauingenieur und Architekten Ernő Rubik erfunden wurde und 1980 mit dem Sonderpreis ‚Bestes Solitärspiel‘ des Kritikerpreises Spiel des Jahres ausgezeichnet wurde. Wie der Erfinder erklärte, wollte er durch ein dreidimensionales Geduldsspiel seinen Studenten eine Möglichkeit geben, ihr räumliches Denkvermögen zu trainieren. Nachdem Rubik für den Würfel am 30. Januar 1975 das Patent erteilt worden war, trat der Würfel seinen Siegeszug an. Ab dem 2. Juni 1980 war er in Deutschland erhältlich.
1981 hatte die Nachfrage nach dem Geduldsspiel ihren Höhepunkt und die Nachfrage konnte stellenweise nicht mehr befriedigt werden, was es fernöstlichen Billigprodukten ermöglichte, den Markt zu überschwemmen. Insgesamt wurden wohl etwa 160 Millionen Würfel verkauft. Ernő Rubik war nicht der erste, der sich mit dem Thema eines Spiels dieser Art beschäftigte. Schon 1957 entwickelte der Chemiker Larry Nichols einen ähnlichen Würfel. Er ließ seinen Entwurf 1972 patentieren. Nichols gewann 1984 eine Patentklage gegen die Firma, die den Rubik’s Cube in den USA vertrieb.
Quelle. Wikipedia.org
Angesichts dieser Herausforderungen entschied das Unternehmen, einen flexiblen, multifunktionalen Automaten zur Bearbeitung kleiner Teile praktisch ohne Größenbegrenzungen zu konstruieren. Die Grundaufgabe ist das Herstellen präziser Würfel mit abgerundeten Kanten aus einem gehobelten Holzstab mit quadratischem Querschnitt. Dies erledigt eine effizient automatisierte Anlage mit elektrischen Achsen und Controllern von Festo. Die Automationslösung sichert die Präzision der Endprodukte sowie kurze Takt- und Umrüstzeiten. Bei dieser Maschine sind zum Umrüsten der Produktion von einem Spielzeug auf ein anderes Produkt lediglich ein Wechsel des Programms sowie ein Austausch von Komponenten, Einsätzen und Werkzeugen erforderlich.
Präzision und Effizienz
Bestandteil dieser Automationslösung ist eine dreidimensionale und eine zweidimensionale Fräse, eine Zuführ-Drehvorrichtung und eine Ausgabevorrichtung, die in einer Maschine integriert sind. Die Zuführ-Drehvorrichtung sorgt für den Zuschnitt auf das richtige Maß. Ein Schrittmotor von Festo führt die Drehungen in praktisch jeden Winkel aus. Dies ermöglicht das Bearbeiten von Materialien mit unterschiedlichen Querschnitten. Die sogenannte DGE-Spindelachsen bewerkstelligen die 3D-Bewegung. Sie sind in unterschiedlichen Baugrößen verfügbar, haben einen Hublänge bis zu 5.000 mm und einen Verfahrgeschwindigkeit von 1 bis 10 m/s. Die Wiederholgenauigkeit liegt bei 0,08 bis 0,1 mm. Zudem ist eine Positionserkennung möglich.
Die Spindelachsen werden vom Servomotor EMMS-AS angetrieben, um wiederum einen Fräsmotor für die Bearbeitungsaufgabe zu bewegen. Verfügbar ist dieser Servomotor in Baugrößen von 40 bis 140 mm und einem Drehmoment-Bereich bis 48,8 Nm. Der Fräsmotor führt die erforderliche Formgebung durch. Das heißt er rundet die Kanten bei der Würfelherstellung ab, schneidet aber das Werkstück nicht zu. Die 2D-Einheit übernimmt diese Aufgabe und schneidet die von der 3D-Einheit bereits bearbeiteten Werkstücke. In der Ausgabevorrichtung werden die fertigen Teile schließlich sortiert und gesammelt.
Kurze Taktzeit
Im Fall der Würfel mit 17 mm Kantenlänge beträgt die Fertigungs-Zielzeit eine Sekunde pro Stück. Während dieser Zeit muss die Lineareinheit den Fräsmotor viermal über das Werkstück führen. In den Intervallen dazwischen muss die Zuführ-Drehvorrichtung den Holzstab um 90 Grad drehen. Die kurze Taktzeit entspricht einer Produktion von 28.000 Würfeln pro Schicht bei einer Schichtdauer von acht Stunden. Das Spiel in der Schachtel besteht aus 56 Würfeln. Teilt man die Schichtproduktion durch diese Zahl, können jeden Tag die benötigten Würfel für 500 Spiele hergestellt werden.
SPS/IPC/Drives 2011
Halle 9, Stand 165
(hw)
