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Produktwechsel ohne Umrüstung

01  Die neue NMH-Universalpresse für das Mix-Montageband in der Getriebefertigung

02  Mit nur einer Presse lassen sich alle Pressvorgänge durchführen

03  Lichttaster BOS 23K mit Hintergrundausblendung erkennen sicher das jeweils eingelegte Produkt und die korrekte Teilebestückung

04  Schematische Darstellung des in Bild 3 dargestellten Prozesses

Im Zuge eines Strategiewechsels beabsichtigte der Automobilzulieferer ZF Fried­richshafen AG in der Getriebefertigung das konventionelle Montageband für automatisierte Nutzfahrzeuggetriebe zugunsten eines Mix-Montagebands zu ersetzen. Möglich wurde dies unter anderem durch den Einsatz optoelektronischer Sensoren von Balluff .

Getriebelösungen von ZF sind bei Nutzfahrzeugherstellern wie Iveco, DAF, MAN, Renault und Volvo die bevorzugte Lösung, wenn es um automatisches Schalten geht. Gründe für diesen Erfolg sind ihre einfache Bedienbarkeit und ihre hohe Wirtschaftlichkeit. Die automatischen Getriebelösungen halten den Motor im optimalen Drehzahl­bereich, sodass die Leistung effizient auf die Antriebsachsen übertragen wird. Das spart Kraftstoff, gleichzeitig erhöhen sich Komfort und Sicherheit. Verbunden ist dies mit weniger Verschleiß an Kupplungen und am Antriebsstrang, da die Gänge immer im richtigen Moment ohne Einkuppelstöße und Lastwechselschläge eingelegt werden.

Aus zwei mach eins
Die Aufgabenstellung bei der ZF Friedrichshafen AG war, dass gleichzeitig die bisherigen Getriebe AS Tronic 2 in ihrer langen und kurzen Variante als auch die neue Getriebe­generation Traxon EL 40, ebenfalls in einer Lang- und Kurzversion, gefertigt werden können. Hierzu wurde eine Universalpresse benötigt, die Lagerschalen, Lagerinnenringe und Bolzen bzw. Hülsen im Mischbetrieb einpresst. Der mittelständische Sondermaschinenbauer NMH GmbH + Co KG erhielt nach einer Ausschreibung für sein neuartiges und innovatives Konzept einer Universalpresse den Zuschlag für die Realisierung.
„Das Revolutionäre an unserer neuen Lösung ist“, so ­Stephan Wahl, Vertriebs- und Marketingleiter bei NMH, „dass wir die bisherige angedachte Lösung, die aus zwei vollkommen entkoppelten Prozessstationen bestand, durch eine einzige Pressstation (Bild 1 und 2) ersetzen konnten. Das heißt, geplant waren zwei Pressen, die zuerst von oben und anschließend von unten die Komponenten in das Gehäuse einpressten. Heute können wir diese Aufgabe sequenziell und erstmals auch im Mischbetrieb mit einer einzigen Anlage erledigen. Und der besondere Clou: Bei einem Produktwechsel rüstet sich unsere Presse in der Prozessnebenzeit innerhalb einer Sekunde vollautomatisch“. Lichttaster BOS 23K (Bild 3 und 4) mit Hintergrundausblendung (HGA) und Laser-Miniatursensoren BOSQ08M, beide vom Sensorspezialisten Balluff, erkennen sicher das jeweils eingelegte Produkt und die korrekte Teilebestückung.
Ein Vorteil des neuen Anlagenkonzepts ist die Halbierung des Platzbedarfs. Außerdem muss der Werker nun nur noch kürzere Wege zurücklegen. Darüber hinaus beträgt die Prozesszeit nun 15 s statt vorher 30 s. Und last, but not least konnte NMH die Anlage preislich attraktiver anbieten, da jetzt eine Presse für alle Einpressprozesse genügt.

Einpresskräfte exakt dosieren
Angetrieben wird die neue Anlage von einem Servospindelantrieb. „Diese Antriebsform bietet für eine solche Appli­kation viele Vorteile gegenüber anderen geregelten Achsen, zum Beispiel einem hydraulischen Antrieb“, erklärt S. Wahl von NMH. Dann fährt er fort: „Es ­lassen sich Fahrwege und Einpress­kräfte exakt definieren, Einpress- und Kraftüber­wachungsfenster festlegen, Zielposi­tionen auf wenige Hundertstel Millimeter genau ansteuern oder auch in Echtzeit manipulieren, was sich dann in einer hohen Produktqualität plus Prozesssicherheit widerspiegelt. Weitere Pluspunkte sind die hohe Leistungsdichte bei kompakter Bauform sowie eine hohe Dynamik, die es erlaubt, im Prozess extrem schnell zu beschleunigen oder auch abzubremsen, was für das Erreichen geringer Taktzeiten relevant ist. Wir können so leicht verschiedene Verfahrsätze mit verschiedenen Geschwindigkeitsstufen realisieren“.
Die neue Presse verfügt über eine definierbare Presskraft von 10 kN bis 150 kN und über einen Hub von 300 mm. Die Steuerung und Messwertverwaltung geschieht automatisiert und mittels Touch-Bedienpanel oder als Remote-Zugriff per Fernwartung. Der Einpressvorgang ist frei programmierbar und Kraft-Weg-überwacht. Somit werden Fehler im Ablauf sofort erkannt. Zudem werden die Sollwerte als Fenster vorgegeben. Sollte der Istwert des gemessenen Kraft-Weg-Verlaufs außerhalb der vorgegebenen Fenster verlaufen, zum Beispiel weil etwas am Lagersitz nicht stimmt, stoppt die Steue­rung sofort automatisch den Pressvorgang und die Presse fährt in die Grundstellung zurück. Das Schlechtteil wird dann ausgeschleust und kommt zur Überprüfung und wenn möglich zur Nachbearbeitung. Zur Qualitätssicherung wird für jedes gefertigte Teil das Kraft-Weg-Diagramm protokolliert, wobei die Identität mittels Barcode-Etikett direkt am Werkstück hinterlegt ist.

Die Werkstückfertigung in Detail
Die Abläufe in der Anlage muss man sich folgendermaßen vorstellen: Das Getriebegehäuse wird auf die Rollenband-Zufuhr der Einlassseite eingelegt. Der Werker bestückt auf der Oberseite manuell die Lagereinpressstempel mit zwei Kegelrollenlagern und legt auf der Unterseite die untere Lagerschale sowie zwei Bolzen bzw. Hülsen in die dortigen Aufnahmen ein. Anschließend schiebt er das Werkstück so weit in die Anlage ein, bis es einrastet: Ein induktiver Sensor an der Rastklinge mit Endlagendämpfung ­signalisiert das Vorhandensein und die korrekte Lage des Gehäuses.
Im „Obergeschoss“ überprüfen zwei Lichttaster vom Typ BOS 23K mit HGA die Anwesenheit des linken und des rechten Kegelrollenlagers. Ein dritter Sensor gleichen Typs ist für die ­Gehäusetyperkennung zuständig und meldet, ob es sich um ein AS-Tronic-2 – oder Traxon-EL-40 -Gehäuse handelt.

Im „Untergeschoss“ kontrollieren zwei Laser-Einweglichtschranken BOS Q08M, ob die beiden Bolzen bzw. Hülsen korrekt eingelegt sind, eine weitere, ob das Rollenlager eingelegt und eine vierte, ob es sich um ein Traxon-EL-40 -Gehäuse handelt.
Wurde das Traxon-EL40 -Gehäuse identifiziert, ist eine zusätzliche Abfrage notwendig, denn die Lagerschalen dieser Getriebe verfügen über einen kleinen Stift als Verdrehsicherung. Um ein Abscheren des Stifts beim Pressvorgang zu vermeiden, muss der Werker das Lager beim Einlegen radial ausrichten. Ein induktiver Sensor, ebenfalls von Balluff, überprüft dann, ob der Stift korrekt in der vorgesehenen Aussparung liegt und somit das Lager richtig eingelegt ist. Ist dies der Fall, drückt das Lager einen kleinen Bolzen nach oben, der einen induktiven Sensor betätigt. Erst wenn dieser Sensor schaltet, erfolgt die Freigabe für den Pressvorgang. Nach Betätigung des Start-Knopfs senkt sich die Schutzeinrichtung. Die Indexierung fährt herunter und fixiert das Gehäuse.

Eine Aushebeeinheit hebt das Gehäuse an, gleichzeitig senkt sich das Rollenband nach unten ab und eine seitliche Abstützung wird ausgefahren. Die Spindel fährt das Oberteil der Presse im Eilgang nach unten, um dann 3 mm vor der unteren Position zu stoppen.
Um den Einpressvorgang zu erleichtern, werden die beiden Lagerschalensitze an der Oberseite automatisch mit ­einem Sprühnebel aus Öl benetzt. Daraufhin fährt das Oberteil der Presse im Krafthub nach unten und presst die beiden Kegelrollenlagerschalen auf Block in das Gehäuse. Dabei stützt ein überfederter und hydraulisch geklemmter Gegenhalter das Gehäuse von oben ab. Hierbei wird über einen hydraulisch pneumatischen Kraftübersetzer ein hydraulischer Druck von 200 bar erzeugt, der hydraulische Klemmhülsen im Gegenhalter aktiviert.

Im Anschluss daran bewegt sich das Oberteil der Presse mit den Einpressstempeln nach oben, um die seitlichen Abstützungen einfahren zu können. Anschließend fährt es bis 3 mm vor dem Startpunkt des Einpressvorgangs wieder nach unten. Die untere Lagerschale sowie die beiden Bolzen/­Hülsen werden nun in das Gehäuse eingepresst. Ein intelligenter Ausgleich kompensiert dabei in Echtzeit potenzielle Bauteiltoleranzen.
Nach den Einpressvorgängen geht die Presse zurück in die Grundstellung; Rollenband und Indexierung fahren hoch. Sobald sich die gesamte Presse in Grundstellung befindet, öffnet sich die Schutzvorrichtung. Das Gehäuse kann aus der Presse bis zur Anschlagsleiste am Ende des Rollenbands herausgeschoben werden.

Optoelektronische Multitalente – auch im Miniaturformat
Mit dem BOS 23K, einem Lichttaster mit Rotlicht-LED und HGA, haben sich die Konstrukteure von NMH für einen leistungsfähigen Sensor mit einer Tastweite von bis zu 1,2 m entschieden. „Seine besondere Stärke ist“, so ­Andreas Hummler, Konstrukteur bei NMH, „die sichere Detek­tion von Objekten mit unterschiedlichen Oberflächen aus ­größerer Entfernung. Dafür ist er die ideale Besetzung, denn dies klappt selbst bei glänzenden oder dunklen Objekten vor stark reflektierenden Hintergründen, wie den Lagerschalen, Bolzen und Hülsen in der Anlage“. Das Handling des Sensors, dessen Grauwertverschiebung bei einer Tastweite von 800 mm 3 % beträgt, ist praxisgerecht. Mittels eines scharf abgegrenzten Lichtflecks lässt er sich auch bei Tageslicht gut ausrichten. Die gewünschte Tastweite wird über ein 18-Gang-Potentiometer mit Anzeigefenster eingestellt.

Für seinen Einsatz in rauen Umgebungen wie in der Universalpresse ist der Sensor, dessen Ausgang wahlweise zwischen Ausgang und Öffner umschaltbar ist, gut gerüstet. Dazu verfügt er über ein robustes, glasfaserverstärktes Kunststoffgehäuse in Schutzart IP67 und IP69k. Ein seit­licher Optikschutz verhindert außerdem ein mögliches Beschädigen der Fresnellinsen.
Deutlich kleiner als die Lichttaster mit HGA sind die zur Objekterkennung im Untergeschoss von NMH eingesetzten Laser-Einweglichtschranken der Balluff-Baureihe BOS Q08M im kubischen Metallgehäuse der Schutzart IP67. Hierbei handelt es sich um Miniatursensoren mit den Abmessungen 44 mm × 8 mm × 8 mm. Mit ihrem scharf gebündelten Laserstrahl erkennen sie auch kleine Teile von bis zu 0,28 mm mit einer Schaltfrequenz von 400 Hz. „Wir setzen sie überall dort ein, wo Bauteile mit wenig Raumanspruch, geringem Gewicht und hoher Schaltpräzision für wiederholgenaues Positionieren gefragt sind“, sagt so S. Wahl. (ih)

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Dr. Detlef Zienert ist im Business Development and Strategic Marketing als Public Relation ­Manager bei der Balluff GmbH in Neuhausen ­tätig.