Positioniersystem optimiert PKW-Fertigung

Die Modell- und Variantenvielfalt bei PKW nimmt immer weiter zu und der Trend zur Elektromobilität wird diese Entwicklung nach Meinung von Experten noch beschleunigen. Für die Auto-Industrie bringt die Fertigung unterschiedlichster Fahrzeugmodelle große Herausforderungen mit sich: Sie muss einerseits den Kundenwünschen nach mehr Individualisierung entsprechen und andererseits eine wirtschaftliche Fertigung sicherstellen.

Ein namhafter PKW-Hersteller kontaktierte auf der Suche nach einer Lösung die Leantechnik AG in Oberhausen. Das Unternehmen hat sich auf die Produktion hochgenauer Zahnstangengetriebe und Positioniersysteme spezialisiert und fertigte damals bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten Hub- und Shuttlesysteme, unter anderem für Kunden aus der Automobil-Industrie.

Die Aufgabenstellung war anspruchsvoll: Der Kunde benötigte eine Anlage, die verschiedenste Karosserie-Varianten aufnimmt und von der Fördertechnik aushebt. Bisher hatte der PKW-Hersteller jedes Fahrzeugmodell auf einer eigenen Linie gefertigt, was hohe Kosten verursachte. Die gewünschte Positionierlösung sollte deshalb die Produktion einer Vielzahl von Karosserie-Typen auf einer Fertigungsstraße ermöglichen.

Den Leantechnik-Ingenieuren kam bei ihrer Konstruktionsarbeit das umfangreiche Know-how zugute, das sie in vielen Projekten für die Automobil-Industrie erworben hatten. Sie kannten die Anforderungen ebenso wie die Produktionsbedingungen: Ihnen war klar, dass ein Positioniersystem für die PKW-Fertigung nicht nur extrem flexibel, sondern auch sehr kompakt sein muss.

Am Ende des Entwicklungsprozesses hatten die Ingenieure ein völlig neuartiges dreiachsiges Positioniersystem (DAP) konstruiert, das die Vorgaben des Kunden exakt erfüllte. Jeweils vier bis sechs der DAPs heben, führen und positionieren eine Karosserie während des gesamten Fertigungsprozesses. Dabei spielt die Form oder Größe der Karosse keine Rolle.

Die erste Generation des DAP kam viele Jahre lang erfolgreich in der Automobil-Industrie zum Einsatz. Da der Antrieb mit einem Standard-Servomotor erfolgte, musste allerdings jede Fertigungslinie mit einem großen Schaltschrank für Steuerungstechnik und Umrichter ausgestattet werden – das kostete Platz. Auf Anregung eines Autobauers entschloss sich Leantechnik deshalb, sein Positioniersystem weiter zu optimieren. Im Blickpunkt standen dabei besonders die Motoren, mit denen die drei Achsen des DAP angetrieben werden.

Durch die Vermittlung des PKW-Herstellers kam der Kontakt zur Firma AMK motion GmbH + Co KG zustande, ein Technologieführer im Bereich der elektrischen Antriebstechnik. AMK motion fertigt seit 1963 Servomotoren und -umrichter sowie Steuerungstechnik und Automatisierungslösungen, unter anderem für die Automobil-Industrie. Das Mitglied der Arburg-Familie hat den Markt der elektrischen Antriebs- und Steuerungstechnik in den vergangenen fünf Jahrzehnten durch zahlreiche wegweisende Produktentwicklungen geprägt.

Leantechnik-Konstrukteur Mario Dobnik und seinen Kollegen war schon nach den ersten Gesprächen klar, dass sie in AMK motion den idealen Partner gefunden hatten. „Die dezentralen Servoantriebe eignen sich sehr gut für unser DAP, denn sie bauen durch ihre besondere Bauweise extrem kompakt“, so Dobnik. Bei den iDT 5-Servomotoren von AMK motion bilden Antrieb und Wechselrichter eine mechatronische Funktionseinheit, denn der Servoregler „sitzt“ hier direkt auf dem Motor. Dadurch wird der Platzbedarf für Schaltschränke und Verkabelung um bis zu 70 Prozent reduziert.

Mario Dobnik und sein Team ersetzten den bisherigen Standard-Servomotor des DAP also durch den dezentralen Servoantrieb iDT5 von AMK motion, der in drei Baugrößen mit Maximal-Drehmomenten zwischen 5,8 und 9,5 Nm gefertigt wird. Der iDT 5 ist mit einem Absolut-Encoder und einer Haltebremse ausgestattet und treibt über eine drehsteife Kupplung die lifgo®-Zahnstangengetriebe von Leantechnik an. An jeder der drei Achsen des DAP ist jeweils ein iDT5-Motor und ein lifgo-Getriebe montiert.

Die lifgo-Getriebe verfügen über eine Vierfach-Rollenführung und führen deshalb hochgenaue Hub- und Schubbewegungen aus. Leantechnik fertigt die Zahnstangengetriebe in verschiedenen Baugrößen und Ausführungen: Sie können Hubkräfte von 2.000 bis 25.000 N ausüben und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Neben den lifgo-Getrieben gibt es noch die lean SL-Serie für einfache synchrone Hubaufgaben ohne Querkraftaufnahme. Sämtliche lifgo- und lean SL-Getriebe lassen sich beliebig miteinander kombinieren.

An den horizontalen Fahrachsen des DAP ist jeweils ein lifgo 5.0-Excenter Zahnstangengetriebe mit vier Führungswagen installiert, an der Vertikal-Achse (Z-Achse) befindet sich ein lifgo 5.3 linear-Getriebe mit einer maximalen Hubkraft von 15.900 N. Das Besondere an den Excenter-Getrieben ist das frei einstellbare Zahnflanken-Spiel.

Am oberen Ende der Z-Achse jedes DAPs befindet sich eine Spanneinheit, die die Karosserie aufnimmt. Wird eine Karosserie-Variante in die Station gefördert, verstellen sich die X- und die Y-Achse auf die benötigte Variante und die Z-Achse von 4-6 DAPs hebt die Karosserie von der Fördertechnik aus in die Bearbeitungsposition. Ist der Bearbeitungsvorgang in der Station der Fertigungslinie abgeschlossen, setzten die DAPs die Karosserie ab, damit diese zur nächsten Station befördert werden kann. Dort wird sie dann zur weiteren Bearbeitung erneut ausgehoben.

Die Hublänge jeder der drei Achsen ist völlig flexibel und wird von Leantechnik gemeinsam mit dem Kunden anwendungsspezifisch definiert. Da sich die Karosserien unterschiedlicher Fahrzeugmodelle zum Teil stark voneinander unterscheiden, lässt sich zudem der Pin der Z-Achse in X- und Y-Richtung verstellen. Dieses sogenannte Shimen funktioniert elektrisch, sodass die Produktion dafür nicht unterbrochen werden muss. Die je nach Karosserietyp variierenden Abstände zwischen den Aufnahmepunkten des DAP sowie den Hub der Achsen regelt der dezentrale Motion Controller iSA von AMK motion: Er kann bis zu vier Z-Achsen im Master-Slave-Betrieb gleichzeitig ausheben. Da alle dezentralen iDT5-Servomotoren zudem per Daisy Chain-Verfahren miteinander verbunden sind, verringert sich der Verkabelungsaufwand im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben deutlich.

Jedes DAP kann Durchbiegebewegungen dank seiner maximalen Hubkraft von 15.900 N mühelos kompensieren. Die Positioniergenauigkeit des DAP beträgt ±0,05 mm und übertrifft damit die in der PKW-Fertigung erforderliche Präzision im Zehntelmillimeter-Bereich bei weitem. Auch die Wiederholgenauigkeit ist bemerkenswert: Sie liegt zwischen ±0,02 mm und ±0,01 mm. Die einzelnen Achsen des DAP können jederzeit gegen eine andere Achse mit anderen technischen Werten ausgetauscht werden. Dadurch hat der Anwender größtmögliche Flexibilität und kann schnell reagieren, wenn sich die Produktionsbedingungen verändern.

86 DAP sind in der Fertigungslinie des PKW-Herstellers verbaut, der dort neben Fahrzeugen mit Verbrenner-Motor auch Elektroautos produziert. Durch den Einsatz des Drei-Achs-Positioniersystems mit dezentraler Antriebstechnik profitiert das Unternehmen in vielerlei Hinsicht: Es kann kurze Taktzeiten realisieren, spart die zeitaufwändige manuelle Anpassung der Fördertechnik und reduziert den Platzbedarf auf ein Minimum. Das Wichtigste ist aber die enorme Flexibilität und die damit verbundene hohe Effizienz: Diese Vorteile machen das DAP auch für andere Branchen attraktiv. Es eignet sich im Grunde für alle Unternehmen, die viele Produktvarianten wirtschaftlich produzieren wollen.