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Produktion Automatisiertes Verlegen von Flachleitern

| Redakteur: Jürgen Schreier

Die Uni Erlangen-Nürnberg hat eine gewichtsparene Automatisierungslösung für das Verlegen von Flachleitern erarbeitet, bei der Schraub- und Steuerungstechnik von Deprag Schulz zum Einsatz kommt.

Leichtbau ist Trumpf in der Automobilkonstruktion. Ein beachtliches Gewicht bringen allerdings nach wie vor die Bordnetzsysteme auf die Waage, die angesichts wachsender Ansprüche an Funktion und Komfort immer komplexer werden. Der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Universität Erlangen-Nürnberg hat deshalb eine gewichtsparene Automatisierungslösung erarbeitet, bei der Schraub- und Steuerungstechnik von Deprag Schulz zum Einsatz kommt.

Im Automobilbau stehen die Weichen auf Veränderung. Politik und Verbraucher fordern im Kampf gegen den Klimawandel Autos, die wenig Kraftstoff verbrauchen und damit deutlich weniger CO2 ausstoßen. Neben der Forschung nach überzeugenden Antriebsalternativen zum herkömmlichen Verbrennungsmotor, steht die Suche nach Einsparpotenzialen im Fokus. Ein Ansatz in dieser Hinsicht ist die Minderung des Fahrzeuggewichts.

Beim Kabelbaum stieß die Automatisierung bisher an ihre Grenzen

Der Großteil der beliebtesten Ausstattungsmerkmale eines Neufahrzeugs beruht heute auf Funktionen, die mit Hilfe der Elektronik realisiert werden. Doch treiben die dazu erforderlich Bordnetzsysteme Gewicht und Kosten der Fahrzeuge in die Höhe. Das Gewicht deshalb, weil die konventionellen Kabelbäume an Masse und Volumen immer mehr zugenommen haben. Kosten, weil bei der Konfektionierung und Montage eine Automatisierung auf der Grundlage bestehender Technologien praktisch nicht möglich ist.

Ausgehend von der Überlegung, dass die Verlegung flexibler Flachleiterkabel anstelle des herkömmlichen Kabelbaums Kosten und Gewicht der Fahrzeuge reduzieren könnte, begannen Wissenschaftler des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ihre Forschungsarbeiten: Sie untersuchten die automatisierte Handhabung und Montage von flexiblen Flachleiterkabeln und entwickelten einen entsprechenden Anlagenprototyp.

Der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) ist Teil der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Unter Leitung von Prof. Jörg Franke sind etwa 20 wissenschaftliche Mitarbeiter am FAPS-Lehrstuhl damit beschäftigt, unterschiedliche Themen zur Prozess- und Anlagengestaltung in den Bereichen Handhabungs- und Montagetechnik, Elektronikproduktion sowie Planung und Simulation zu erforschen. Zahlreiche Forschungs- und Kooperationsprojekte (BMBF, BFS, DFG, AiF, EU) wurden erfolgreich abgeschlossen. Darüber hinaus ist der Lehrstuhl an einem Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft beteiligt.

Dipl.-Informatiker Markus Michl ist seit 2006 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut und beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Entwicklung von Überwachungs- und Diagnosesystemen für Produktionsanlagen. Dipl.-Ing. Christian Ziegler ist ebenfalls seit 2006 als Wissenschaftler am Lehrstuhl beschäftigt. Sein Arbeitsschwerpunkt liegt im Bereich der Handhabungs- und Montagetechnik tätig.

Die Deprag Schulz GmbH & Co. in Amberg hat sich als Fullserviceanbieter im Bereich Schraubwerkzeuge, Druckluftmotoren, Druckluftwerkzeuge und Automation einen Namen gemacht. Sie ist mit rund 600 Mitarbeitern in über 50 Ländern vertreten.

FAPS-Forschungsanlage verlegt robotergeführt mehradrige Flachleiterkabel

Die FAPS-Forschungsanlage macht es möglich, mehradrige Flachleiterkabel auf dreidimensionalen, flächigen Modulen (einer Fahrzeugtür beispielsweise) Roboter geführt zu verlegen und mittels der Verfahren Schmelzkleberauftrag oder Laserstrahlschweißen zu fügen. Im Mittelpunkt der Forschung stand die Verbindung der Kabel mit Funktionselementen, da die Stränge nach der Verlegung ja nur noch von einer Seite zugänglich sind. Deshalb musste eine neue Kontaktierungstechnologie entwickelt werden. Diese sollte automatisierbar sein und den zusätzlichen Prozessschritt des Abisolierens überflüssig machen. Die mittlerweile zum Patent angemeldete Federklammer-Direktkontaktierung ist der Erfolg dieser Entwicklungsarbeit.

Bei diesem Konzept wird das zu kontaktierende Flachleiterkabel zunächst über einen kleinen „Kontaktberg“ verlegt. Während der linearen Zustellbewegung des zu kontaktierenden Funktionselements durchtrennen die Schneiden der beiden Kontaktbeine einer Federklammer die Isolationsschicht des Flachleiterkabels, gleiten auf dem Kupferleiter ab und schieben sich dabei unter die Isolation.

Nun muss bis zur endgültigen Verschraubung des Funktionselements (zum Beispiel einem Lautsprecher) mit dem Funktionsträger (Türmodul) eine Niederhaltekraft aufgebracht werden, die der Federkraft der Federklammern entgegenwirkt. Nach der Verschraubung ist dann die gewünschte kraftschlüssige und redundante elektrische Verbindung zwischen Flachleiterkabel und Funktionselement erreicht.

Zwei Industrieroboter führen Federklammer-Direktkontaktierung aus

Die Umsetzbarkeit der Federklammer-Direktkontaktierung wird am FAPS-Lehrstuhl in verschiedenen Montagezellen demonstriert und evaluiert. So werden dort unter anderem die automatisierte Flachleiterverlegung, die Flachleiterkontaktierung sowie die vollständige automatisierte Montage von Pkw-Modulen, die Flachleiterkomponenten enthalten, untersucht.

In einer der Fertigungszellen wenden zwei Roboter die Federklammer-Direktkontaktierung exemplarisch an, um Flachleiter und elektrische Systeme – im konkreten Fall einen Lautsprecher – in einer Fahrzeugtür zu montieren. Zwei Linearroboter des Typs RL16 von Reis Robotics sind so angeordnet, dass zwischen ihnen ein gemeinsamer Arbeitsraum entsteht. Um die durch Linearroboter gegebenen Freiheitsgrade zu erweitern, ist das Werkstück auf einem Hexapod angebracht, der zusätzliche Positionsveränderungen ermöglicht. Der zelleninterne Materialfluss wird über ein Doppelbandgurtsystem abgewickelt.

Komplexes Schraubsystem und Greifer kontaktieren Lautsprecher

Den Robotern stehen über die in der Montagezelle enthaltenen Greiferbahnhöfe verschiedenste Werkzeuge zur Verfügung. Für die elektrische Kontaktierung des Lautsprechers mit dem in der Fahrzeugtür verlegten Flachleiterkabel sind ein komplexes Schraubsystem mit Schraubenzuführung sowie ein spezieller Kontaktierungsgreifer im Einsatz.

Während der Greifer von den Wissenschaftlern des Lehrstuhls für diese Aufgabe eigens entwickelt wurde, setzte das Team um Dipl.-Informatiker Markus Michl bei Schraubwerkzeug, Schraubenzuführung und Schraubsteuerungstechnik auf die Kompetenz des Amberger Schraub- und Automatisierungsspezialisten Deprag Schulz.

Geringes Gewicht prädestiniert Minimat-E-Schrauber für den Robotereinsatz

Die Hauptkomponente des Schraubsystems besteht aus einem Schrauber des Typs Minimat-E 320E27-0042 mit einem für den Anwendungsfall geeigneten Drehmomentbereich von 0,7 bis 4,2 Nm. „Aufgrund seiner minimalen Baugröße und des geringen Gewichts erweist sich dieses Gerät als bestens geeignet für ein Schraubwerkzeug am Endeffektor des Roboters“, erläutert Projektleiter Markus Michl.

Um dem Miniomat-E-EC-Schrauber die vier für den Lautsprecher benötigten Schrauben M4 x 12 mm automatisch zuzuführen, benutzt die FAPS für ihre Anlage ein Schraubenzuführsystem, das bei Deprag Schulz in Standardausführung erhältlich ist. Basierend auf der Vibrationswendelfördertechnik zeichnet sich das Schraubenzuführsystem durch hohe Förderleistung aus. Es besteht aus einem Schwingförderer, einem Einfachwendelfördertopf und einer Vereinzelung. Die Schrauben werden automatisch vor jedem Schraubvorgang über einen Zuführschlauch zugeschossen. Die Schraube wird über das Mundstück und die Schnabelhülse ideal geführt und zum Verschrauben lagegenau bereitgestellt.

Der Roboter positioniert das Paket Schrauber, Mundstück und Schnabelhülse an der Schraubstelle in Schraubposition. Mit Hilfe einer Lineareinheit fährt der Schrauber nach unten – seine Klinge taucht durch Mundstück und Schnabelhülse hindurch – auf den Schraubenkopf. Nach dem Startsignal durch die übergeordnete Steuerung wird nun die über den Zuführschlauch eingeschossene Schraube eingedreht.

Befestigung der Schrauben erfolgt in zweistufigem Prozess

Die Schrauben werden in einem zweistufigen Prozess befestigt: Zuerst wird die Schraube mit einer langsamen Drehzahl eingefädelt und im Anschluss daran auf vorgegebenes Drehmoment (minimal 1,2 Nm, maximal 1,8 Nm) angezogen. Beim erreichten Drehmoment schaltet der Schrauber automatisch ab. Die Schraube sitzt sicher – immer mit dem gleichen Drehmoment – mit einer maximalen Standardabweichung von 3% im Bauteil. Innerhalb 1,3 Sekunden ist die Schraube eingedreht. Dieser Einschraubprozess wird von der Deprag-Schraubsteuerung AST10 überwacht, die in den steuerungstechnischen Aufbau der Montagezelle integriert ist.

Bernd März, Leiter des Deprag-Entwicklungszentrums Mechatronik, beschreibt die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Schraubsteuerung: „Unsere AST10 Ablaufsteuerung findet sowohl in vollautomatisierten Montageanlagen als auch an Handarbeitsplätzen ihren Einsatz.“ Sie dient dort als Schraubsteuerung für bürstenlose EC-Motoren, zur standortunabhängigen Bedienung und Überwachung von Schraubprozessen, zur zentralen Datenerfassung und Datenbereitstellung, zum Datenabgleich mit externen Datenbanken und zum weltweiten Zugriff auf Prozessdaten. Die Vorteile liegen in der hohen Präzision, der durchdachten Softwareergonomie, der http-Schnittstelle und dem integrierten Webserver.

Einfache Integration der AST10-Schraubsteuerung

Projektleiter Markus Michl hat sich für die AST10 als Schraubsteuerung entscheiden, „weil uns die einfache Integration in unser Steuersystem überzeugt hat“. Zentrale Steuerungskomponente der prototypischen FAPS-Montageanlage ist ein PC, der über verschiedene Schnittstellen an die einzelnen Gerätesteuerungen – wie auch die AST10 – gekoppelt ist und diese bedarfsgerecht ansteuern kann. Über Ethernet ist eine Verbindung des Steuerrechners mit den beiden Maschinensteuerungen der Industrieroboter gewährleistet, denen über Datenpakete im XML-Format Fahranweisungen von extern vorgegeben werden können.

Ebenso besteht eine Ethernet-basierte Kommunikationsverbindung zum Hexapod. Über USB-Schnittstellen sind außerdem zwei IO-Warrior (Microcontroller zur Prozessüberwachung) angeschlossen, die SPS-typische Aufgaben, wie das Setzen und Lesen von digitalen Ein- und Ausgängen, erlauben. Über die IO-Warrior sind Aktoren (Magnetventile zur Druckluftsteuerung) und Sensoren (Kontrolle des Schraubenzuschusses, Erkennung der Zustellposition der Lineareinheit) zur Koordinierung der Arbeit des Vibrationswendelförderers sowie der Zuführkomponenten mit dem Steuerrechner verbunden.

Schraubensteuerung AST10 über PLC-Port mit IO-Warrior vernetzt

Die Schraubensteuerung AST10 wurde über ihren PLC-Port mit dem IO-Warrior vernetzt. Über diese Kommunikationsschnittstelle wird der Steuerung die Auswahl des Schraubprogramms mitgeteilt, die Startfreigabe zur Verschraubung gegeben sowie Rückmeldungen seitens der Schraubsteuerung (System IO/NIO, Verschraubung IO/NIO) empfangen. Darüber hinaus bestehen serielle und Ethernet-Verbindungen zur Schraubsteuerung, um im Rahmen der Prozessüberwachung detaillierte Informationen über den Verlauf des Schraubvorgangs zu erhalten.

Über die serielle Verbindung werden Datenstrings übermittelt, die beispielsweise Informationen über Endanzugsmomente der Schrauben oder Fehlercodes enthalten. Der Inhalt dieser Datenstrings kann vorab über das webbasierte Konfigurationsinterface der AST10-Steuerung konfiguriert werden. Über einen http-Request kann zur Prozessanalyse und Dokumentation eine detaillierte Datenaufzeichnung des Schraubvorgangs abgerufen werden. Somit stehen beispielsweise Drehmoment, Drehwinkelverlauf und Nummer der Schraubphase im Takt von wenigen Millisekunden zur Analyse im Fehlerfall und damit zur Prozesskontrolle zur Verfügung.

Bediener muss keine Ablaufprogramme mehr erstellen

Mit diesen datentechnischen Verknüpfungen sind für Projektleiter Michl optimale Voraussetzungen für eine bedienerfreundliche zentrale Koordinierung der gesamten Montagezelle geschaffen. Um diese für den Nutzer so einfach wie möglich zu machen, werden elementare Funktionen wie Roboter- oder Hexapodbewegungen, die Zuführung von Schrauben oder die Ausführung von Schraubprogrammen in einer Ablaufsteuerung zusammengefasst, die in der objektorientierten Scriptsprache Python implementiert ist.

Das entlastet den Bediener enorm, denn die zeitaufwändige und fehleranfällige Erstellung von Ablaufprogrammen entfällt. Die Aufgabe des Bedieners besteht lediglich darin, in einem vorgegebenen Datenformat Arbeitsanweisungen an die Geräte zu spezifizieren. Das gewählte Datenschema enthält immer fünf Elemente nach dem Schema „Auftragsname/Vorbedingung/Maschinenname/Befehl/Parameter“.

Praktischer Ablauf der Türmodulmontage

Und so läuft die vollautomatische Türmodulmontage nun ab: Das Türmodul mit den bereits aufgebrachten Flachleiterkabeln sowie der zu montierende Lautsprecher werden über das interne Transfersystem zugeführt. Das Türblech ist als Basiskomponente auf einer Palette fixiert, die auf den Hexapod gespannt wird. Anschließend nimmt der Roboter, der mit dem Kontaktierungsgreifer ausgestattet ist, den Lautsprecher auf und setzt diesen an die vorgegebene Montageposition. Dabei wird bereits die Kontaktierung zwischen Flachleiterkabel und Lautsprecher hergestellt. Hauptschwierigkeit: Der Roboter muss diese Position solange beibehalten, bis der Lautsprecher dauerhaft durch Verbindungselemente fixiert, also verschraubt ist.

Das ist die Aufgabe des zweiten Roboters, der das Schraubwerkzeug handhabt. Dieser fährt jeweils eine Verbindungsstelle an, woraufhin die Schraube zugeführt wird. Damit wird der Schraubvorgang ausgelöst und die Schraube auf Drehmoment eingedreht. Dieser Vorgang wird für alle Verbindungsstellen wiederholt. Danach kehren die beiden Roboter in die Ausgangsposition zurück, das montierte Türmodul wird wieder aus der Zelle ausgeschleust.

Erlanger Wissenschaftler analysieren alternative Verkabelungs- und Kontaktierungsarten

Dipl.-Informatiker Markus Michl hebt das Potential der Forschungsanlage hervor: „Aufgrund der entwickelten flexiblen Software-Frameworks ist auch die Erprobung weitaus komplexerer Abläufe mit mehreren auf dem Türmodul zu kontaktierenden Komponenten mit minimalem Aufwand umsetzbar.“ Auch die Fertigung anderer Moduleinheiten sowie der Einsatz modifizierter Kontaktierungstechnologien könne ohne weiteres realisiert werden.

Vor einer breiten Verwendung dieser neuen Technologie im Automobilbau müssen allerdings noch weitere abschließende Untersuchungen folgen. In Langzeituntersuchungen wollen die Wissenschaftler unter anderem die Zuverlässigkeit dieser und anderer alternativer Verkabelungs- und Kontaktierungsarten analysieren.

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