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Stiwa gehört zu den führenden Anbietern in der Hochleistungsmontageautomation.
In den Laserzellen werden die Getriebekomponenten verschweißt. Alle Abfragen der flexiblen Spanneinheiten werden über Ethercat-Box-Module gesammelt und ermöglichen so eine optimale Installation.

Der Projektauftrag

Die Konzeption einer Hochleistungs-Laserschweiß-Anlage mit integriertem, schnellem Transportsystem erfordert neben dem Beherrschen und Integrieren verschiedener Technologien auch eine Echtzeit-Ethernet-Technologie. Für einen führenden Automobilhersteller sollte das Unternehmen nicht nur eine Schweißanlage für Getriebekomponenten realisieren, sondern auch den Prozess als Teil der Automation verbessern, auch durchaus anspruchsvolle Prozesse mit komplexen Montageprozessen mit Zykluszeiten unter 0,7 s je Bruttofertigteil.

Die Projektdurchführung

Bei handelsüblichen Montageanlagen werden die Werkstückträger mittels Reibriemen durch die Stationen getaktet. Die dabei erreichbaren Geschwindigkeiten sind für eine Automobilfertigung meist nicht ausreichend. Neben den notwendigen Einheiten zum Stoppen und Positionieren muss sich über Code-Lesegeräte auch noch sicherstellen lassen, dass der richtige Werkstückträger bearbeitet wird. Stiwa hat in der Montageanlage den Teiletransport formschlüssig über einen Servomotor und Zahnriemen als NC-Achse realisiert, sodass die Werkstückträger genau positioniert werden können. Transportgeschwindigkeiten bis annähernd 3 m/s, bei einem Gesamtgewicht bis zu 10 kg, sind so möglich. Der Clou liegt in der Identifikation der Werkstückträger. Mit nur einem einfachen Initiator wird ein lasergeschnittenes Codeplättchen an der Unterseite der Werkstückträger abgetastet und über die Ethercat Box EP1258 erfasst. Mittels der Time-Stamp-Funktionalität von Ethercat, die mit Auflösungen im Nanosekunden-Bereich arbeitet, wird so der Werkstückträger im Vorbeifahren identifiziert. Die intelligenten Code-Algorithmen tolerieren bis zu drei Lesefehler.

Im Bereich von Handarbeitsplätzen erfolgt das Ansteuern der Antriebsriemen über Schrittmotoren. Durch den Einsatz des Schrittmotor-Box-Moduls EP7041 von Beckhoff lassen sich Arbeitsplätze mit sicher begrenzter Drehzahl und sicher begrenztem Drehmoment realisieren.

„Das Transportsystem ist einer der Schlüssel. Neben dem hier zum Einsatz kommenden System haben wir auch noch eine Version, die für Nutzlasten bis 100 kg ausgelegt ist. Damit können wir zum Beispiel ganze Motorblöcke durch Fertigungsanlagen transportieren – mit gleichen Leistungswerten bezüglich Geschwindigkeit und Sicherheit“, äußert sich Peter Sticht, Geschäftsführer der Stiwa Holding. „Der Transport ist bei uns nicht notwendiges Übel, sondern Teil der Wertschöpfungskette, da wir mit Twincat NC vollwertige NC-Achsen zur Verfügung haben.“

In den Laserschweiß-Modulen werden die Einzelkomponenten gespannt und verschweißt. Den Zentrier-Plattformen und den Positioniereinheiten für die Laser kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu. In jeder der beiden Zellen befinden sich zwei unabhängige Servokinematiken mit je fünf Freiheitsgraden für die Laseroptiken. Die darunter liegenden Zentrier-Plattformen haben je acht Servoachsen, um die Teile exakt spannen zu können. Auf den wechselbaren Werkzeug-Plattformen sind zur Prozessabsicherung Messsysteme montiert, die über die Ethercat Box EP5101 mit Inkremental-Encoder-Interface sowie über die Ethercat-Box-Module EP1018 und EP3174 mit der Steuerung verbunden sind.

Alle Werkzeuge sind als Ethercat-Hot-Connect-Gruppen im Twincat-System-Manager parametriert und im laufenden Betrieb austauschbar. Dadurch können unterschiedliche Baugruppen in der flexiblen Anlage geschweißt werden. Die Identifikation der Werkzeuge erfolgt über die Hot-Connect-Gruppen von Ethercat, wodurch sichergestellt wird, dass die Anlage mit dem richtigen Werkzeugsatz ausgerüstet ist. Insgesamt sind in der Anlage mehr als 260 Ethercat-Box-Module verbaut. Alle 180 Servoachsen werden als vollwertige NC-Achsen geregelt und setzten entsprechende Rechenleistung voraus, die von 14 von Beckhoff-Industrie-PCs C6240-0030 mit Intel-Core-2-Duo-Prozessoren bereitgestellt wird.

Die Anlage verfügt über ein Werkstückträger-Logistikkonzept, welches von einem Datenserver abgebildet wird. Dadurch ist sichergestellt, dass jedes Bearbeitungsmodul immer weiß, welche Rezeptur-Parameter für das aktuelle Werkstück anzuwenden sind. Bearbeitungsergebnisse, wie Messwerte, Bearbeitungsstatus, Qualitätsmerkmal und Prozessauswertung werden so konsistent gehalten. Obwohl ein Twincat-Softwarebaustein dafür sorgt, dass, abhängig vom dynamischen Anlagenzustand, möglichst wenig der vorhanden Laserleistung im Absorber in Wärme umgewandelt wird, kommt die dennoch anfallende Verlustwärme der Gebäudetechnik zugute.

Abgerundet wird die Laserschweiß-Anlage durch Softwarelösungen vom konzerneigenen Softwareunternehmen AMS Engineering. Ein detailliertes Erfassen der Produktionsdaten zeigt bestehende Engpässe zeitnah auf. Dadurch wird ein faktenbasierter, kontinuierlicher Verbesserungsprozess (KVP) ermöglicht. Mit der Maschinen- (MDE), Betriebs- (BDE) und Qualitäts-Datenerfassung (QDE) lassen sich die Produktionsdaten lückenlos erfassen und transparent machen. Die echtzeitnahe Traceability-Funktion kann nicht nur Fehlerursachen ermitteln, sondern auch Fertigungsabläufe transparent machen. Sie stellt fest, ob das Problem ein Produkt-, ein Prozess- oder ein Chargenfehler ist und ermöglicht durch ein Verknüpfen von Chargen- und Prozessdaten eine vollständige Rückverfolgbarkeit. Eine ganzheitliche Datenerfassung und eine versionierbare Rezeptur bilden das Rückgrat dieser Traceability. Vervollständigt wird das Software-Spektrum durch eine durchgängige und erweiterbare Visualisierung. Ermöglicht wird dies durch eine integrierte Schnittstelle zwischen den Funktionsbausteinen in Twincat und der Analysesoftware. Das Konzept hinter der Visualisierung beruht auf einer Client-Server-Architektur, die den Z-Point CI – eine Bedienoberfläche – auf dem 15″-Tragarm-Terminal CP7702 anzeigt.

Das Projektfazit

Das abgestimmte Zusammenspiel des Systembaukastens von Beckhoff mit Ethercat-Komponenten und der Automatisierungssoftware Twincat ermöglicht dem österreichischen Spezialisten für Produkt- und Montageautomation eine Laserschweiß-Anlage mit integriertem, schnellem Transportsystem einzusetzen, welche die hohen Ansprüche des Automobilherstellers erfüllt