Reis. 3. Ein einteiliges, bechergespeistes Schnellwechselwerkzeug im linken Schrank steuert die Ausrichtung und Trennung der Geräte (sorgt für die korrekte Ausrichtung und Positionierung der Geräte). Der rechte Schrank enthält verschiedene Ambosse und Shuttles.
Ron Boggs, Vertriebs- und Servicemanager bei Haeger Nordamerika, erhält während der Erholung von der Pandemie 2021 weiterhin ähnliche Anrufe von Herstellern.
„Sie sagten uns immer wieder: ‚Hey, uns fehlen Verschlüsse‘“, sagte Boggs. „Es stellte sich heraus, dass es an einem Personalproblem lag.“ Bei der Einstellung neuer Mitarbeiter setzten Fabriken oft unerfahrene, ungelernte Leute an die Maschinen, um die Ausrüstung einzusetzen. Manchmal fehlten die Verschlüsse, manchmal wurden die falschen eingesetzt. Der Kunde kam zurück und ließ die Einstellungen finalisieren.
Das Einsetzen von Hardware scheint eine ausgereifte Anwendung der Robotik zu sein. Eine Fabrik könnte zukünftig über eine vollständige Stanz- und Umformautomatisierung verfügen, einschließlich Revolver, Teileentnahme und möglicherweise sogar Roboterbiegen. All diese Technologien decken dann einen großen Teil der manuellen Montage ab. Warum also nicht einen Roboter vor eine Maschine stellen, um Geräte zu installieren?
In den letzten 20 Jahren hat Boggs mit vielen Fabriken zusammengearbeitet, die Roboter-Bestückungsanlagen einsetzen. In jüngerer Zeit arbeiten er und sein Team, darunter Haeger-Chefingenieur Sander van de Bor, daran, die Integration von Cobots in den Bestückungsprozess zu vereinfachen (siehe Abbildung 1).
Boggs und VanderBose betonen jedoch, dass die Konzentration auf die Robotik manchmal dazu führt, dass das größere Problem des Hardware-Einbaus übersehen wird. Zuverlässige, automatisierte und flexible Installationsvorgänge erfordern viele Bausteine, darunter Prozesskonsistenz und Flexibilität.
Der alte Mann starb auf grausame Weise. Viele wenden dieses Sprichwort auf mechanische Stanzpressen an, es gilt aber auch für Pressen mit manueller Zuführung, vor allem wegen ihrer Einfachheit. Der Bediener positioniert Verbindungselemente und Teile auf der unteren Halterung, bevor er sie manuell in die Presse einführt. Er drückt das Pedal. Der Locher senkt sich, berührt das Werkstück und erzeugt Druck, um das Werkzeug einzuführen. Es ist eigentlich ganz einfach – bis natürlich etwas schiefgeht.
„Wenn der Bediener unaufmerksam ist, fällt das Werkzeug herunter und berührt das Werkstück, ohne Druck auszuüben“, erklärte van de Bor. Warum? „Die alten Anlagen hatten versehentlich keine Rückmeldung, und der Bediener wusste davon nichts.“ Der Bediener konnte den Fuß während des gesamten Zyklus nicht auf den Pedalen halten, was wiederum zum Auslösen des Sicherheitssystems der Presse führen konnte. „Das obere Werkzeug hat sechs Volt, das untere ist geerdet, und die Presse muss die Leitfähigkeit erkennen, bevor sie Druck aufbauen kann.“
Älteren Einlegepressen fehlt zudem das sogenannte „Tonnagefenster“, also der Druckbereich, innerhalb dessen das Gerät korrekt eingesetzt werden kann. Moderne Pressen können diesen Druck als zu niedrig oder zu hoch empfinden. Da ältere Pressen kein Tonnagefenster haben, erklärt Boggs, passen Bediener den Druck manchmal durch Verstellen eines Ventils an, um das Problem zu beheben. „Manche stellen den Druck zu hoch, manche zu niedrig ein“, so Boggs. „Die manuelle Einstellung bietet viel Flexibilität. Ist der Druck zu niedrig, wurde die Hardware falsch eingesetzt.“ „Übermäßiger Druck kann das Teil oder den Verschluss selbst verformen.“
„Ältere Maschinen hatten außerdem keine Messgeräte“, fügt van de Boer hinzu, „was dazu führen konnte, dass die Bediener Befestigungselemente verloren.“
Das manuelle Einsetzen von Hardware mag einfach erscheinen, ist aber schwer zu beheben. Erschwerend kommt hinzu, dass Hardware-Operationen oft erst später in der Wertschöpfungskette erfolgen, nachdem die Lücke bereits gefüllt und geformt wurde. Geräteprobleme können bei Pulverbeschichtung und Montage verheerende Folgen haben, oft weil ein gewissenhafter und sorgfältiger Bediener kleine Fehler macht, die zu Kopfschmerzen führen.
Abbildung 1. Der Cobot demonstriert das Werkstück, indem er die Ausrüstung in die Presse einführt. Diese verfügt über vier Schalen und vier unabhängige Shuttles, die die Ausrüstung in die Presse einführen. Bild: Hagrid
Im Laufe der Jahre hat die Hardware-Einfügungstechnologie diese Probleme gelöst, indem sie diese Variabilitätsquellen identifiziert und eliminiert hat. Geräteinstallateure sollten nicht die Ursache für so viele Probleme sein, nur weil sie am Ende ihrer Schicht etwas die Konzentration verlieren.
Der erste Schritt zur Automatisierung der Beschlagmontage, die Schalenzuführung (siehe Abb. 2), eliminiert den mühsamsten Teil des Prozesses: das manuelle Greifen und Platzieren der Beschläge auf dem Werkstück. Bei einer herkömmlichen Top-Feed-Konfiguration befördert eine Becherpresse die Verbindungselemente nach unten zu einem Shuttle, der die Beschläge dem oberen Werkzeug zuführt. Der Bediener legt das Werkstück auf das untere Werkzeug (Amboss) und betätigt das Pedal. Der Stempel senkt sich mittels Vakuum ab, um die Beschläge aus dem Shuttle zu heben und sie so an das Werkstück heranzuführen. Die Presse übt Druck aus, und der Zyklus ist abgeschlossen.
Es scheint einfach, doch bei genauerem Hinsehen stößt man auf einige subtile Komplexitäten. Zunächst muss das Equipment kontrolliert in den Arbeitsbereich eingebracht werden. Hier kommt das Bootstrap-Werkzeug ins Spiel. Das Werkzeug besteht aus zwei Komponenten. Eine Komponente dient der Positionierung und stellt sicher, dass das aus der Schüssel austretende Equipment korrekt positioniert ist. Die andere Komponente sorgt für die korrekte Segmentierung, Ausrichtung und Platzierung des Equipments. Von dort gelangt das Equipment durch eine Rohrleitung zu einem Shuttle, der es dem oberen Werkzeug zuführt.
Hier liegt die Schwierigkeit: Autofeed-Werkzeuge – Orientierungs- und Teilungswerkzeuge sowie Shuttles – müssen bei jedem Gerätewechsel ausgetauscht und instand gehalten werden. Unterschiedliche Hardware beeinflusst die Stromversorgung des Arbeitsbereichs. Daher sind hardwarespezifische Werkzeuge eine Realität und können nicht aus der Gleichung herausgelöst werden.
Da der Bediener vor der Tassenpresse keine Zeit mehr mit dem Anheben (ggf. Absenken) und Einrichten der Vorrichtung verbringt, verkürzt sich die Zeit zwischen den Einsätzen drastisch. Neben all diesen hardwarespezifischen Werkzeugen bietet die Zuführschale auch Umrüstmöglichkeiten. Werkzeuge für selbstspannende Muttern 832 sind nicht für Muttern 632 geeignet.
Um den alten zweiteiligen Förderer auszutauschen, muss der Bediener sicherstellen, dass das Ausrichtungswerkzeug korrekt mit dem geteilten Werkzeug ausgerichtet ist. „Außerdem mussten die Schwingung des Förderers, die Luftzufuhr und die Schlauchführung überprüft werden“, so Boggs. „Die Ausrichtung des Förderers und des Vakuums muss überprüft werden. Kurz gesagt: Der Bediener muss zahlreiche Ausrichtungen überprüfen, um sicherzustellen, dass das Werkzeug einwandfrei funktioniert.“
Blechbearbeitungsbetriebe haben oft besondere Anforderungen an die Ausrüstung, die auf Zugangsprobleme (Einsetzen von Ausrüstung in enge Räume), ungewöhnliche Ausrüstung oder beides zurückzuführen sein können. Für diese Art der Installation wird ein speziell entwickeltes einteiliges Werkzeug verwendet. Darauf aufbauend, so Boggs, wurde schließlich ein All-in-One-Werkzeug für eine Standard-Nagelpresse entwickelt. Das Werkzeug enthält Orientierungs- und Auswahlelemente (siehe Abb. 3).
„Es ist für schnelle Umrüstungen ausgelegt“, sagt van de Boer. „Alle Steuerparameter, einschließlich Luft, Vibration, Zeit und alles andere, werden vom Computer gesteuert, sodass der Bediener keine Umschaltungen oder Anpassungen vornehmen muss.“
Mithilfe von Dübeln bleibt alles in einer Linie (siehe Abb. 4). „Der Bediener muss sich beim Umrüsten keine Gedanken um die Ausrichtung machen. Alles ist immer waagerecht, da alles einrastet“, sagte Boggs. „Die Werkzeuge werden einfach angeschraubt.“
Wenn ein Bediener ein Blech in eine Eisenwarenpresse einlegt, richtet er die Löcher mit einem Amboss aus, der für Befestigungselemente eines bestimmten Durchmessers ausgelegt ist. Die Tatsache, dass neue Durchmesser neue Ambosswerkzeuge erfordern, hat im Laufe der Jahre zu Schwierigkeiten bei der Massenproduktion geführt.
Stellen Sie sich eine Fabrik mit modernster Schneid- und Biegetechnologie, schnellem automatischen Werkzeugwechsel und der Möglichkeit zur Serienfertigung vor. Das Teil wird dann in einen Beschlageinsatz eingelegt. Benötigt das Teil eine andere Art von Beschlag, geht der Bediener zur Massenproduktion über. Beispielsweise kann er eine Charge von 50 Stück einlegen, die Ambosse wechseln und anschließend den neuen Beschlag in die richtigen Löcher einsetzen.
Eine Metallpresse mit Revolverkopf verändert die Situation. Bediener können nun in einer einzigen Einrichtung einen Gerätetyp einsetzen, den Revolverkopf drehen und einen farbcodierten Behälter öffnen, um einen anderen Gerätetyp unterzubringen (siehe Abbildung 5).
„Je nach Anzahl der vorhandenen Teile ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass eine Hardwareverbindung übersehen wird“, sagte van de Bor. „Man erledigt den gesamten Abschnitt in einem Durchgang, sodass man am Ende keinen Schritt verpasst.“
Die Kombination aus Becherzufuhr und Revolver einer Einlegepresse ermöglicht die Handhabung von Bausätzen in der Beschlagabteilung. In einer typischen Installation stellt der Hersteller sicher, dass die Becherzufuhr ausschließlich für normale Großgeräte vorgesehen ist, und platziert weniger häufig genutzte Geräte in farbcodierten Behältern in der Nähe des Arbeitsbereichs. Wenn Bediener ein Teil entnehmen, das mehrere Beschläge benötigt, beginnen sie mit dem Einlegen, indem sie auf den Signalton der Maschine hören (der anzeigt, dass neue Beschläge benötigt werden), den Amboss-Drehteller drehen, ein 3D-Bild des Teils auf der Steuerung anzeigen und dann das nächste Beschlagteil einsetzen.
Stellen Sie sich vor, ein Bediener setzt ein Teil nach dem anderen ein, nutzt dabei die automatische Zuführung und dreht den Amboss-Drehtisch nach Bedarf. Der Vorgang stoppt, nachdem das obere Werkzeug den selbstzuführenden Befestiger vom Shuttle gegriffen und auf das Werkstück auf dem Amboss fallen gelassen hat. Die Steuerung warnt den Bediener, wenn die Befestiger die falsche Länge haben.
Boggs erklärt: „Im Einrichtmodus senkt die Presse den Schieber langsam ab und zeichnet seine Position auf. Wenn die Presse mit voller Geschwindigkeit läuft und die Vorrichtung das Werkzeug berührt, stellt das System sicher, dass die Länge der Vorrichtung der angegebenen Toleranz entspricht. Messungen außerhalb des zulässigen Bereichs, zu lange oder zu kurze Längen führen zu Längenfehlern bei den Befestigungselementen. Dies liegt an der Befestigungselementerkennung (kein Vakuum im oberen Werkzeug, meist verursacht durch Hardware-Zuführfehler) und der Überwachung und Wartung des Tonnagefensters (anstatt dass der Bediener manuell ein Ventil einstellt), wodurch ein bewährtes, zuverlässiges Automatisierungssystem entsteht.
„Hardware-Druckmaschinen mit Selbstdiagnose können für Robotermodule einen enormen Vorteil bieten“, so Boggs. „In einer automatisierten Anlage bewegt der Roboter das Papier in die richtige Position und sendet ein Signal an die Druckmaschine, das im Wesentlichen besagt: ‚Ich bin in der richtigen Position, starte die Druckmaschine.‘“
Die Hardwarepresse hält die Ambossstifte (die in Löchern im Blechwerkstück installiert sind) sauber. Das Vakuum im oberen Stempel ist normal, was bedeutet, dass Befestigungselemente vorhanden sind. Da die Presse dies wusste, sendete sie ein Signal an den Bot.
Boggs erklärt: „Die Presse prüft im Grunde alles und meldet dem Roboter: ‚OK, alles in Ordnung.‘ Sie startet den Stanzzyklus und prüft, ob Befestigungselemente vorhanden sind und welche Länge sie haben. Nach Abschluss des Zyklus wird sichergestellt, dass der Druck zum Einsetzen der Beschläge korrekt ist. Anschließend wird dem Roboter signalisiert, dass der Presszyklus abgeschlossen ist. Der Roboter empfängt dieses Signal und weiß, dass alles sauber ist. Er kann das Werkstück zum nächsten Loch bewegen.“
All diese Maschinenprüfungen, die ursprünglich für manuelle Bediener gedacht waren, bilden eine gute Grundlage für weitere Automatisierung. Boggs und van de Boor beschreiben weitere Verbesserungen, beispielsweise bestimmte Konstruktionen, die verhindern, dass Bleche am Amboss kleben bleiben. „Manchmal bleiben Befestigungselemente nach einem Stanzzyklus hängen“, sagte Boggs. „Das ist ein grundsätzliches Problem beim Verdichten von Material. Wenn es im Unterwerkzeug hängen bleibt, kann der Bediener das Werkstück meist leicht drehen, um es zu lösen.“
Abbildung 4. Shuttle-Bolzen mit Passstift. Nach dem Einrichten führt der Shuttle die Ausrüstung dem oberen Werkzeug zu, das Vakuum nutzt, um die Ausrüstung zu sichern und zum Werkstück zu transportieren. Der Amboss (unten links) befindet sich auf einem der vier Revolver.
Leider verfügen Roboter nicht über die Fähigkeiten eines menschlichen Bedieners. „Deshalb gibt es heute Pressenkonstruktionen, die beim Entnehmen von Werkstücken und beim Herausdrücken von Verbindungselementen aus dem Werkzeug helfen, sodass nach dem Presszyklus kein Feststecken mehr auftritt.“
Manche Maschinen verfügen über unterschiedliche Ausladungen, um dem Roboter das Manövrieren des Werkstücks in den Arbeitsbereich und aus diesem heraus zu erleichtern. Pressen können außerdem über Stützen verfügen, die Robotern (und auch manuellen Bedienern) dabei helfen, ihre Werkstücke sicher zu positionieren.
Letztendlich ist Zuverlässigkeit entscheidend. Roboter und Cobots können einen Teil der Lösung darstellen und ihre Integration erleichtern. „Im Bereich kollaborativer Roboter haben die Anbieter große Fortschritte gemacht, um deren Integration in Maschinen so einfach wie möglich zu gestalten“, so Boggs. „Und die Druckmaschinenhersteller haben viel Entwicklungsarbeit geleistet, um sicherzustellen, dass das richtige Kommunikationsprotokoll vorhanden ist.“
Aber auch Stanz- und Werkstatttechniken, einschließlich Werkstückunterstützung, klarer (und dokumentierter) Arbeitsanweisungen und angemessener Schulung, spielen eine Rolle. Boggs fügte hinzu, dass er immer noch Anrufe wegen fehlender Befestigungselemente und anderer Probleme in der Eisenwarenabteilung erhalte, von denen viele mit zuverlässigen, aber sehr alten Maschinen arbeiten.
Diese Maschinen mögen zwar zuverlässig sein, aber die Installation der Geräte ist nichts für Laien. Rufen Sie die Maschine zurück, die die falsche Länge ermittelt hat. Diese einfache Überprüfung verhindert, dass aus einem kleinen Fehler ein großes Problem wird.
Abbildung 5. Diese Beschlagpresse verfügt über einen Drehtisch mit Anschlag und vier Stationen. Das System ist außerdem mit einem speziellen Ambosswerkzeug ausgestattet, das dem Bediener hilft, schwer zugängliche Stellen zu erreichen. Hier werden die Beschläge direkt unter dem hinteren Flansch eingesetzt.
Tim Heston, leitender Redakteur von The FABRICATOR, ist seit 1998 in der Metallverarbeitung tätig und begann seine Karriere beim Welding Magazine der American Welding Society. Seitdem deckt das Magazin alle Metallverarbeitungsprozesse ab, vom Stanzen, Biegen und Schneiden bis hin zum Schleifen und Polieren. Er kam im Oktober 2007 zu The FABRICATOR.
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