Reis. 3. Ein einteiliges, bechergeführtes Schnellwechselsystem im linken Schrank steuert die Ausrichtung und Trennung der Geräte (gewährleistet die korrekte Ausrichtung und Positionierung). Im rechten Schrank befinden sich verschiedene Ambosse und Schlitten.
Ron Boggs, Vertriebs- und Serviceleiter bei Haeger Nordamerika, erhält auch während der Erholungsphase nach der Pandemie von 2021 weiterhin ähnliche Anrufe von Herstellern.
„Sie sagten immer wieder: ‚Hey, uns fehlen Befestigungselemente‘“, sagte Boggs. „Wie sich herausstellte, lag das an einem Personalmangel.“ Wenn Fabriken neue Mitarbeiter einstellten, setzten sie oft unerfahrene, ungelernte Leute an die Maschinen, um die Teile einzubauen. Manchmal fehlten die Verschlüsse, manchmal wurden die falschen eingebaut. Der Kunde kam dann zurück und korrigierte die Einstellungen.
Auf hohem Niveau scheint die Hardware-Einführung eine ausgereifte Anwendung der Robotik zu sein. Langfristig könnte ein Werk die Stanz- und Umformprozesse vollständig automatisieren, inklusive Revolver, Teileentnahme und vielleicht sogar robotergestütztem Biegen. All diese Technologien decken dann einen Großteil des manuellen Montagebereichs ab. Warum also nicht einen Roboter vor eine Maschine stellen, um die Ausrüstung zu montieren?
In den vergangenen 20 Jahren hat Boggs mit zahlreichen Fabriken zusammengearbeitet, die robotergestützte Bestückungsanlagen einsetzen. In jüngster Zeit haben er und sein Team, darunter Haeger-Chefingenieur Sander van de Bor, daran gearbeitet, die Integration von Cobots in den Bestückungsprozess zu vereinfachen (siehe Abbildung 1).
Boggs und VanderBose betonen jedoch beide, dass die alleinige Fokussierung auf Robotik das größere Problem der Hardwareintegration mitunter außer Acht lässt. Zuverlässige, automatisierte und flexible Installationsvorgänge erfordern viele Bausteine, darunter Prozesskonsistenz und -flexibilität.
Der alte Mann starb einen schrecklichen Tod. Viele wenden dieses Sprichwort auf mechanische Stanzpressen an, aber es trifft auch auf Pressen mit manueller Zuführung zu, vor allem wegen ihrer Einfachheit. Der Bediener positioniert Befestigungselemente und Teile auf der unteren Auflage, bevor er sie manuell in die Presse einlegt. Er betätigt das Pedal. Der Stanzkopf senkt sich ab, berührt das Werkstück und erzeugt Druck, um es einzuführen. Ganz einfach – bis etwas schiefgeht, natürlich.
„Wenn der Bediener nicht aufpasst, fällt das Werkzeug herunter und berührt das Werkstück, ohne Druck auszuüben“, erklärte van de Bor. Warum genau? „Die alte Anlage hatte versehentlich keine Rückmeldung, und der Bediener wusste nichts davon.“ Der Bediener konnte den Fuß nicht während des gesamten Zyklus 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.“
Ältere Einpressmaschinen verfügen nicht über das sogenannte „Druckfenster“, also den Druckbereich, in dem die Teile korrekt eingesetzt werden können. Moderne Pressen können daher den Druck als zu niedrig oder zu hoch empfinden. Da ältere Pressen kein Druckfenster besitzen, erklärt Boggs, passen die Bediener den Druck manchmal manuell über ein Ventil an, um das Problem zu beheben. „Manche stellen den Druck zu hoch, manche zu niedrig ein“, so Boggs. „Die manuelle Einstellung bietet viele Möglichkeiten. Ist der Druck zu niedrig, wurden die Teile falsch eingesetzt.“ „Zu hoher Druck kann das Werkstück oder das Befestigungselement selbst verformen.“
„Ältere Maschinen hatten auch keine Zähler“, fügt van de Boer hinzu, „was dazu führen konnte, dass die Bediener Befestigungselemente verloren.“
Das manuelle Einsetzen von Bauteilen mag einfach erscheinen, doch der Prozess ist schwer zu korrigieren. Erschwerend kommt hinzu, dass die Bauteilbearbeitung oft erst später in der Wertschöpfungskette erfolgt, nachdem die Lücke bereits geschlossen und geformt wurde. Geräteprobleme können Pulverbeschichtung und Montage erheblich beeinträchtigen, häufig weil ein gewissenhafter und sorgfältiger Bediener kleine Fehler macht, die sich zu großen Problemen auswachsen.
Abbildung 1. Der Cobot zeigt das Bauteil, indem er das Werkzeug in die Presse einsetzt. Diese verfügt über vier Behälter und vier unabhängige Transportwagen, die das Werkzeug in die Presse befördern. Bild: Hagrid
Die Hardware-Einbautechnologie hat diese Probleme im Laufe der Jahre gelöst, indem sie diese Fehlerquellen identifiziert und beseitigt hat. Geräteinstallateure sollten nicht die Ursache so vieler Probleme sein, nur weil sie am Ende ihrer Schicht etwas unkonzentriert sind.
Der erste Schritt zur Automatisierung der Fittingmontage, die sogenannte Schalenzuführung (siehe Abb. 2), eliminiert den mühsamsten Teil des Prozesses: das manuelle Greifen und Platzieren der Fittings auf dem Werkstück. Bei einer herkömmlichen Top-Feed-Konfiguration befördert eine Becherzuführungspresse die Fittings zu einem Schlitten, der die Teile dem oberen Werkzeug zuführt. Der Bediener legt das Werkstück auf das untere Werkzeug (den Amboss) und betätigt das Pedal. Mithilfe von Unterdruck wird der Stempel abgesenkt, um das Fitting aus dem Schlitten zu heben und es nahe an das Werkstück heranzuführen. Die Presse übt Druck aus, und der Zyklus ist abgeschlossen.
Es wirkt einfach, doch bei genauerer Betrachtung offenbaren sich einige subtile Komplexitäten. Zunächst muss das Equipment kontrolliert in den Arbeitsbereich eingeführt werden. Hier kommt das Bootstrap-Werkzeug zum Einsatz. Es besteht aus zwei Komponenten: Eine dient der Positionierung und stellt sicher, dass das aus dem Behälter kommende Equipment korrekt positioniert wird. Die andere Komponente gewährleistet die korrekte Segmentierung, Ausrichtung und Platzierung des Equipments. Von dort gelangt das Equipment durch ein Rohr zu einem Shuttle, das es dem oberen Werkzeug zuführt.
Hier liegt das Problem: Die automatischen Zuführwerkzeuge – Ausrichtungs- und Teilungswerkzeuge sowie Shuttles – müssen bei jedem Gerätewechsel ausgetauscht und instand gehalten werden. Unterschiedliche Hardwarekomponenten beeinflussen die Stromversorgung des Arbeitsbereichs, daher sind hardwarespezifische Werkzeuge unvermeidbar und können nicht von vornherein ausgeschlossen werden.
Da der Bediener an der Becherpresse keine Zeit mehr mit dem Aufnehmen (und gegebenenfalls Absenken) und Einrichten der Ausrüstung verbringt, verkürzt sich die Zeit zwischen den Einsätzen drastisch. Mit all diesen hardwarespezifischen Werkzeugen bietet der Zuführbehälter zudem zusätzliche Umrüstmöglichkeiten. Werkzeuge für selbstsichernde Muttern 832 sind nicht für Muttern 632 geeignet.
Um den alten zweiteiligen Schwingförderer zu ersetzen, muss der Bediener sicherstellen, dass das Ausrichtungswerkzeug korrekt mit dem geteilten Werkzeug ausgerichtet ist. „Außerdem müssen Schwingungen des Schwingförderers, die Luftzufuhr und die Schlauchführung überprüft werden“, sagte Boggs. „Die Ausrichtung von Förderer und Vakuumpumpe muss ebenfalls kontrolliert werden. Kurz gesagt, der Bediener muss zahlreiche Ausrichtungen überprüfen, um die einwandfreie Funktion des Werkzeugs zu gewährleisten.“
Blechbearbeiter haben oft spezielle Anforderungen an ihre Ausrüstung, die sich aus eingeschränkter Zugänglichkeit (Einsetzen der Ausrüstung in beengte Bereiche), ungewöhnlichen Geräten oder beidem ergeben können. Für diese Art von Installation wird ein speziell entwickeltes, einteiliges Werkzeug benötigt. Darauf aufbauend, so Boggs, wurde schließlich ein All-in-One-Werkzeug für eine Standard-Nadelpresse entwickelt. Das Werkzeug enthält Orientierungs- und Auswahlelemente (siehe Abb. 3).
„Es ist für schnelle Umrüstungen ausgelegt“, sagt van de Boer. „Alle Steuerungsparameter, einschließlich Luft und 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 Umbau keine Gedanken um die Ausrichtung machen. Es gleicht sich immer aus, da alles fest einrastet“, sagte Boggs. „Die Werkzeuge werden einfach angeschraubt.“
Beim Einlegen eines Blechs in eine Metallpresse richtet der Bediener die Löcher an einem Amboss aus, der für Befestigungselemente eines bestimmten Durchmessers ausgelegt ist. Die Tatsache, dass für neue Durchmesser neue Ambosswerkzeuge benötigt werden, hat die Massenproduktion im Laufe der Jahre mitunter erschwert.
Stellen Sie sich eine Fabrik mit modernster Schneid- und Biegetechnik, schnellem, automatischem Werkzeugwechsel und der Möglichkeit zur Fertigung von Kleinserien oder sogar kompletter Serienproduktion vor. Das Werkstück wird in eine Werkzeugaufnahme eingesetzt. Benötigt das Werkstück eine andere Art von Befestigungsmaterial, geht der Bediener zur Serienfertigung über. Beispielsweise kann er eine Charge von 50 Stück bearbeiten, die Werkzeugaufnahmen wechseln und anschließend die neuen Befestigungselemente in die entsprechenden Bohrungen einsetzen.
Eine Hardwarepresse mit Drehkopf verändert die Situation. Die Bediener können nun einen Gerätetyp einsetzen, den Drehkopf drehen und einen farbcodierten Behälter öffnen, um einen anderen Gerätetyp aufzunehmen – alles in einer einzigen Arbeitseinheit (siehe Abbildung 5).
„Je nach Anzahl der Teile ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass man eine Hardwareverbindung übersieht“, sagte van de Bor. „Man bearbeitet den gesamten Abschnitt in einem Durchgang, damit man am Ende keinen Schritt auslässt.“
Die Kombination aus Becherzuführung und Revolver an einer Einpressmaschine ermöglicht die effiziente Handhabung von Bausätzen in der Werkzeugabteilung. In einer typischen Installation stellt der Hersteller sicher, dass die Becherzuführung ausschließlich für normale Großmaschinen vorgesehen ist und platziert weniger häufig benötigte Teile in farbcodierten Behältern in der Nähe des Arbeitsbereichs. Sobald die Bediener ein Teil entnehmen, das mehrere Teile benötigt, beginnen sie mit dem Einsetzen, indem sie auf den Signalton der Maschine achten (der anzeigt, dass ein neues Teil benötigt wird), den Amboss-Drehteller drehen, ein 3D-Bild des Teils auf der Steuerung betrachten und anschließend das nächste Teil einsetzen.
Stellen Sie sich vor, ein Bediener führt die Werkzeuge nacheinander mithilfe des automatischen Vorschubs ein und dreht den Amboss-Drehteller nach Bedarf. Der Vorgang stoppt, sobald das obere Werkzeug das selbstzuführende Befestigungselement aus dem Shuttle greift und auf das Werkstück auf dem Amboss fallen lässt. Die Steuerung warnt den Bediener, dass die Befestigungselemente die falsche Länge haben.
Wie Boggs erklärt: „Im Einrichtungsmodus senkt die Presse den Schieber langsam ab und erfasst dessen Position. Sobald die Presse mit voller Geschwindigkeit läuft und die Vorrichtung das Werkzeug berührt, stellt das System sicher, dass die Länge der Vorrichtung der vorgegebenen Toleranz entspricht. Messungen außerhalb des Toleranzbereichs – zu lang oder zu kurz – führen zu Fehlern in der Befestigungsmittellänge. Dies wird durch die Befestigungsmittelerkennung (kein Vakuum im oberen Werkzeug, üblicherweise verursacht durch Zuführfehler der Bauteile) sowie die Überwachung und Wartung des Presskraftbereichs (anstatt dass der Bediener ein Ventil manuell einstellt) erreicht. Dadurch entsteht ein bewährtes und zuverlässiges Automatisierungssystem.“
„Hardware-Druckmaschinen mit Selbstdiagnose können ein großer Vorteil für Robotermodule sein“, sagte Boggs. „In einer automatisierten Anlage bewegt der Roboter das Papier in die richtige Position und sendet ein Signal an die Druckmaschine, indem er im Wesentlichen sagt: ‚Ich bin in der richtigen Position, starte die Druckmaschine.‘“
Die Hardwarepresse hält die Ambossstifte (die in Löchern im Blechwerkstück sitzen) sauber. Das Vakuum im oberen Stempel ist normal, was bedeutet, dass Befestigungselemente vorhanden sind. Daraufhin sendete die Presse ein Signal an den Roboter.
Wie Boggs erklärt: „Die Stanzmaschine prüft im Prinzip alles und signalisiert dem Roboter: ‚Alles in Ordnung.‘ Sie startet den Stanzvorgang und prüft dabei, ob Befestigungselemente vorhanden sind und die korrekte Länge haben. Ist der Vorgang abgeschlossen, wird sichergestellt, dass der Einpressdruck korrekt ist. Anschließend wird dem Roboter signalisiert, dass der Stanzvorgang beendet ist. Der Roboter empfängt diese Information, weiß, dass alles sauber ist und kann das Werkstück zum nächsten Loch transportieren.“
Alle diese Maschinenprüfungen, die ursprünglich für manuelle Bediener gedacht waren, bilden eine gute Grundlage für die weitere Automatisierung. Boggs und van de Boor beschreiben weitere Verbesserungen, wie beispielsweise bestimmte Konstruktionen, die das Festkleben von Blechen am Amboss verhindern. „Manchmal klemmen Befestigungselemente nach einem Stanzvorgang fest“, sagte Boggs. „Das ist ein typisches Problem beim Komprimieren von Material. Wenn es sich im unteren Werkzeug verklemmt, kann der Bediener das Werkstück normalerweise etwas drehen, um es zu lösen.“
Abbildung 4. Shuttle-Bolzen mit Passstift. Nach dem Einrichten befördert das Shuttle das Werkstück zum oberen Werkzeug, welches mittels Vakuumdruck fixiert und zum Werkstück transportiert wird. Der Amboss (unten links) befindet sich auf einem der vier Revolverköpfe.
Leider verfügen Roboter nicht über die Fähigkeiten eines menschlichen Bedieners. „Deshalb gibt es jetzt Pressenkonstruktionen, die beim Entnehmen der Werkstücke helfen und die Befestigungselemente aus dem Werkzeug herausdrücken, sodass nach dem Pressvorgang kein Festkleben mehr auftritt.“
Manche Maschinen verfügen über unterschiedliche Ausladungstiefen, um dem Roboter das Manövrieren des Werkstücks in und aus dem Arbeitsbereich zu erleichtern. Pressen können außerdem mit Stützen ausgestattet sein, die Robotern (und auch manuellen Bedienern) helfen, ihre Werkstücke sicher zu positionieren.
Letztendlich ist Zuverlässigkeit entscheidend. Roboter und Cobots können hier einen Beitrag leisten und lassen sich leichter integrieren. „Im Bereich der kollaborativen Roboter haben die Hersteller große Fortschritte erzielt, um die Integration in Maschinen so einfach wie möglich zu gestalten“, sagte Boggs, „und die Pressenhersteller haben viel Entwicklungsarbeit geleistet, um sicherzustellen, dass das richtige Kommunikationsprotokoll vorhanden ist.“
Aber auch Stanztechniken und Werkstatttechniken, einschließlich Werkstückauflage, 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 Hardwareabteilung erhalte, viele davon bei zuverlässigen, aber sehr alten Maschinen.
Diese Maschinen mögen zwar zuverlässig sein, doch die Installation der Geräte ist nichts für Laien. Erinnern Sie sich an die Maschine, die die falsche Länge ermittelt hat. Diese einfache Überprüfung verhindert, dass aus einem kleinen Fehler ein großes Problem wird.
Abbildung 5. Diese Hardwarepresse verfügt über einen Drehteller mit Anschlag und vier Stationen. Das System besitzt außerdem ein spezielles Ambosswerkzeug, das dem Bediener das Erreichen schwer zugänglicher Stellen erleichtert. Hier werden die Fittings direkt unterhalb des hinteren Flansches eingesetzt.
Tim Heston, leitender Redakteur von The FABRICATOR, ist seit 1998 in der Metallverarbeitungsbranche tätig. Seine Karriere begann er 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 ist seit Oktober 2007 bei The FABRICATOR.
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