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Robotik/Messtechnik

Mannlos messen

Industrie 4.0

Zur automatisierten Vermessung von Elektroden setzt Weidmüller eine optische Messmaschine von GOM ein, die von einem Erowa-Roboter bestückt wird. Durch das erfolgreiche Pilotprojekt konnte das Detmolder Unternehmen den Prozess nun in die mannlose Nachtschicht verlagern.

21. August 2018

Was Silicon Valley für die Software ist, ist das Clamp-Valley für die Verbindungstechnik. Rund 80 Prozent des weltweiten Marktanteils vereinen hier die drei größten Player des Marktes auf sich. Doch das Klemmen-Zentrum liegt nicht in den USA, sondern in Deutschland – genauer: in Ostwestfalen-Lippe. Hier sitzen mit Phoenix-Contact, Wago und Weidmüller die Hidden Champions der Reihenklemmentechnik.

Die Weidmüller-Gruppe mit Sitz in Detmold gilt dabei als Erfinder der kunststoffisolierten Reihenklemme. Das Basisprodukt der Verbindungstechnik ist heute in den Schaltschränken von Maschinen- und Anlagenbauern unentbehrlich. Mit ihr wuchs das Detmolder Unternehmen auf einen Umsatz von 740 Millionen Euro mit rund 4.700 Mitarbeitern (2017) an und deckt inzwischen den gesamten Bereich der Industrial Connectivity ab.

Doch noch immer sind Klemmen die wichtigste Produktsparte für die Detmolder und werden in unterschiedlichsten Ausführungen jährlich millionenfach hergestellt. Reihenklemmen, wie etwa die Weidmüller-Klippon-Connect-Serie (siehe auch Infobox), bestehen aus einem Kunststoffträger mit leitenden Metallelementen. Das entsprechende Spritzgusswerkzeug setzt sich aus mindestens zwei Teilen zusammen, die aus gehärtetem Formstahl in Erodiermaschinen hergestellt werden.

Dazu werden zunächst Elektroden aus Grafit gefräst. Die Größe der Elektroden spannt sich von 15 x 15 bis zu 200 x 200 Millimetern. Fertig gefräst gleichen sie – bis auf das Abmaß für den Funkenspalt – den Klemmen und bilden damit die Gegenstücke der Spritzgusswerkzeugformen. In dem Funkenspalt fließt der Strom zwischen Elektrode und Metall, der den harten Stahl bis aufs µ genau abträgt.

»Was in dem Grafit eine tiefe Nute ist, wird im Stahl als Steg erzeugt und umgekehrt«, erläutert Ralf Runte, Group Leader Mechanical Processing Tooling bei Weidmüller. »Jeder Bearbeitungsfehler, der hier unbemerkt durchgeht und erst bei der Produktion der Klemmen entdeckt wird, kostet uns Zeit und Geld. Das passiert zwar sehr selten, aber wir wollen sicherstellen, dass es gar nicht passiert.«

Roboter und optische Messmaschine vereint

Die Herausforderung dabei ist die Kontrolle der filigranen Elektrodenformen, was besonders bei tiefen Nuten nicht einfach ist. Die haben teilweise nur Breiten von 1,2 Millimetern bei einer Tiefe bis 15 Millimeter. »Da muss sichergestellt sein, dass auch der untere Bereich sauber ausgefräst worden ist. Unser Ziel ist hier die 100-prozentige Qualität bei geringstmöglichem Aufwand. Also möglichst wenig Handgriffe und Eingaben von Menschen, sondern viel Automatisierung«, so das Ziel von Ralf Runte. »Dafür haben wir einen Erowa-Roboter ERC 80 mit einer Atos Scanbox Serie 4 von GOM zu einer Automatisierungslösung vereint.«

GOM Atos Scanbox

Die Atos Scanbox von GOM ist eine optische 3D-Messmaschine, die für die Qualitätskontrolle im Produktions- und Fertigungsprozess entwickelt wurde. Es stehen neun Varianten für unterschiedliche Bauteilgrößen und Anwendungen zur Verfügung.

Während mechanische Messmaschinen punktuell oder linienhaft Daten erfassen, liefern optische 3D-Koordinatenmesssysteme vollautomatisch flächenhafte Abweichungen zwischen den vollständigen 3D-Ist-Koordinaten und den CAD-Daten.

Herzstück aller Scanbox-Anlagen ist der Atos-3D-Scanner. Innerhalb von ein bis zwei Sekunden werden bis zu 16 Millionen unabhängige Messpunkte erfasst. Die Messdaten zeichnen sich durch eine hohe Detailwiedergabe aus, so dass auch sehr kleine Bauteilmerkmale gemessen werden können.

Automatisierung ist bei Weidmüller und in Runtes Bereich nichts Neues. Bereits 1994 wurde mit Unterstützung von Erowa begonnen, die Senkerodieranlagen mit Wechselrobotern auszustatten. »Auch für die Vermessung der Elektroden und Werkzeuge gab es von uns bereits eine Automationslösung mit dem ERC 80 in Verbindung mit einer taktilen Messmaschine«, erinnert sich Michael Horstmann, der zuständige Fachberater von Automatisierungsspezialist Erowa.

Allerdings war die Messmaschine eine Stand-Alone-Lösung. Nach dem Fräsen wurde dafür von den Senkerodierern ein Qualitätsprogramm in der Software Q-Measure für jede Elektrode geschrieben. Darin wurden die von der Messmaschine zu prüfenden Punkte definiert. Das Programm stammt dabei vom Softwarehaus Certa, einer Erowa-Tochter, und ist ein Modul des Certa-Jobmanagement-Systems, das auch den ERC 80 verwaltet. Anschließend musste der Bediener die Elektrode in die Messmaschine einlegen, das Messprogramm starten und das Ergebnis der Messung abwarten. »Je nachdem, wie viele Messpunkte erforderlich waren, zwischen 5 und 100, konnte der Prozess bis zu zehn Minuten in Anspruch nehmen«, erinnert sich Ralf Runte.

Dieser Ablauf erforderte zu viel Zeit und zu viele manuelle Eingriffe. »Hier wollten wir deutlich mehr Flexibilität ermöglichen und den Vermessungsprozess von den Anwesenheitszeiten der Bediener ein gutes Stück weit entkoppeln«, erklärt der Gruppenleiter. Von Erowa kam deshalb der Vorschlag, die taktile Messmaschine mit dem Roboter zu beladen. Doch Ralf Runte kannte die optischen Messmaschinen von GOM bereits aus der Qualitätssicherung, wo sie zum Prüfen der fertigen Klemmen eingesetzt werden: »Da hatten wir zwischenzeitlich immer wieder Versuche gemacht, um Elektroden und fertige Werkstücke zu scannen. Dabei bin ich auf die Idee gekommen, sie auch zum automatisierten Prüfen der Erodierteile einzusetzen.«

Denn die taktile Messung hatte aus seiner Sicht ein erhebliches Manko: »Das Problem der taktilen Messmaschine ist, dass sie den tiefen Bereich der Elektrode nicht zu 100 Prozent erkennen kann – wenn zum Beispiel der Fräser abgenutzt oder abgebrochen ist und dann die Nut nicht sauber rausgefräst wurde.«

Zwar ist die entsprechende Fehlerquote beim Fräsen immer sehr gering, doch wenn ein Fehler auftritt, wird er so erst am Ende der Prozesskette bei den fertigen Werkstücken erkannt. Das große Problem ist aber dann, so Runte: »Der Liefertermin ist nicht mehr einzuhalten.« Denn es muss das komplette Werkstück in der Regel neu gefertigt werden, zumindest aber fällt ein sehr hoher Nacharbeitsaufwand an. »Deshalb haben wir gesagt, wenn wir zu 100Prozent fehlerfreie Werkzeuge liefern wollen, brauchen wir ein anderes System«, erklärt Ralf Runte. »Eines, das nicht mehr punktbasiert, sondern flächenbasiert misst. Und am besten direkt mit dem CAD-Modell die Messdaten abgleicht – denn das ist unser Ursprungsmodell, darauf setzt alles auf. Und so sind wir auf die Atos Scanbox gekommen.«

Jobmanagement-System

Die Lösungen von Certa Systems integrieren Anwendungen aus den Bereichen CAD/CAM und ERP/PPS und stellen daraus die Daten dann Robotern, Messmaschinen, Werkzeugmaschinen und Handling-Geräten zur Verfügung, um Fertigungsprozesse zu automatisieren und zu überwachen.

In die umgekehrte Richtung werden Betriebs- und Maschinendaten in das Certa-System zurückgeschrieben und stehen somit beispielsweise ERP/PPS-Systemen zur Analyse und Nachkalkulation zur Verfügung.

Zunächst wurde deshalb geprüft, ob die Scanbox für diesen Zweck überhaupt einsetzbar ist. Die Messung funktionierte problemlos. Die schwarzen Grafit-Elektroden vermisst die Scanbox ohne Vorbehandlung. Und auch die kritischen, tiefen Nuten der Elektroden erfasst die optische Messmaschine dabei schnell und fehlerfrei.

Die 3D-Koordinatenmesszelle erfüllte also die Voraussetzungen an eine Automatisierung der Messung und Vollständigkeit der Daten. »Was fehlte, war allerdings die automatisierte Be- und Entladung der Messmaschine« erklärt Runte.

Nach den erfolgreichen Tests wurde der Auftrag an Erowa und GOM erteilt. Michael Horstmann von Erowa: »Das war für uns und GOM ein Pilotprojekt. Wir haben gemeinsam diese Anlage – die Atos ScanBox mit Batch-Processing-System – aufgebaut, und bevor sie bei Weidmüller installiert wurde, haben Ingenieure beider Firmen die Anlage in Braunschweig bei GOM in Betrieb genommen. Die Herausforderung ist dabei nicht die Mechanik, sondern die Abstimmung der Software und der Schnittstellen.«

Doch das Ergebnis überzeugte. Die Atos Scanbox und die Erowa-Anlage sind vollständig verbunden und werden von der übergeordneten Certa-Software gesteuert. Die Anlage arbeitet nun bereits sehr erfolgreich seit über einem Jahr in Detmold.

Die Elektroden befinden sich auf speziellen Haltern, über deren Chip die Certa-Software den Roboter, den Palettenwechsler und den gesamten Handlingprozess zum Einwechseln der Teile in die Scanbox steuert und kontrolliert.

Für den eigentlichen Messvorgang wird derzeit vom Bediener in GOM Inspect Professional flexibel definiert, wo der Preset der zu messenden Elektrode liegt.

»Der Bediener muss in der GOM-Anlage definieren, was er messen will und welche Elektrode es ist, auf Basis der Daten aus Certa. Dafür werden einige Flächen anselektiert und der Nullpunkt bestimmt. Das geht zwar relativ schnell, aber das wollen wir auch noch automatisiert haben«, so Runtes Wunsch an Björn Berensen, technischer Vertriebler bei GOM. »Das Ziel ist eine Übergabe des Nullpunktes über PMIs (Product Manufacturing Information) bei der CAD-Vermittlung.«

Björn Berensen: »Das ist unser erstes Projekt mit einem Erowa-Roboter, und wir stehen hier vor einigen neuen Anforderungen. Doch wir sind sicher, dass wir auch diese Schritte in Kürze realisiert haben.«

Im nächsten Prozessschritt bestückt der Roboter die GOM-Anlage mit den zu vermessenden Teilen aus dem Elektrodenmagazin. Bis zu 120 Elektroden können dort eingelegt werden und 4 UPC-Paletten mit erodierten Werkstücken. »Und sollte die Kapazität irgendwann nicht mehr ausreichen«, so Michael Horstmann, »können wir den Roboter auch problemlos mit einer zweiten Scanbox auf der anderen Seite ergänzen.«

Der Roboter sucht sich das Teil entsprechend der in Certa hinterlegten Teilenummer aus der Palette heraus, legt es in die Scanbox ein, die Sicherheitstüre wird geschlossen und die Jobmanagement-Lösung gibt den Start zur Vermessung. In kurzer Zeit hat die Scanbox auch große Elektroden vollflächig digitalisiert, gleicht die Messdaten mit dem CAD-Modell ab und erzeugt ein PDF des Falschfarbenvergleichs. Anschließend werden die Preset-Daten automatisiert über das Certa-Job-Management-System an die nachfolgenden Erodieranlagen weitergegeben.

REIHENKLEMME KLIPPON CONNECT

Mit dem Klippon-Connect-Universalprogramm von Weidmüller lassen sich passende Lösungen mit einheitlichem Standard realisieren. Standard ist die Push-In-Anschlusstechnik mit integriertem Pusher, durchgängige Querverbinder, effiziente Markierer, einheitliche Prüf- und Testabgriffe an jeder Klemmstelle sowie ein ausgleichender Montagefuß der Reihenklemme.

Bei der Push-In-Anschlusstechnologie wird der Leiter bis zum Anschlag in die Klemmstelle gesteckt, schon ist eine sichere und gasdichte Verbindung hergestellt. So lassen sich Installationen bis zu 50 Prozent schneller durchführen, verglichen mit Zugfederklemmen.

Das Anschlusssystem nimmt sowohl massive als auch feindrähtige Leiter mit und ohne Aderendhülsen problemlos auf. Zum Öffnen der Kontaktstelle einfach auf den Pusher drücken und der angeschlossene Leiter kann entfernt werden; auch hierzu ist kein Spezialwerkzeug erforderlich.

Mittels des CAD-GOM-Farbenabgleichs stuft der Bediener die Qualität der Elektroden ein. Die Scanbox digitalisiert dafür alle Seiten und Flächen, setzt diese zusammen und vergleicht die ermittelten Daten mit dem CAD-Modell. Abweichungen werden durch Falschfarben in Abhängigkeit des vorliegenden Funkenspalts gekennzeichnet, sodass der Bediener auf einen Blick erkennen kann, in welcher Toleranzklasse das Teil liegt. »Durch den Falschfarbenvergleich wird gezeigt, ob das Teil im Toleranz-Bereich liegt oder die Abweichung zu groß ist«, so Ralf Runte. »Im letzten Fall kann der Bediener entscheiden, ob die Elektrode Ausschuss ist oder nachgearbeitet wird.«

In der weiteren Arbeitsfolge der Anlage meldet die Scanbox die Fertigstellung der Messung an die Jobmanagement-Software, die wiederum den Roboter aktiviert, um die Elektrode zu entnehmen und in den Palettenwechsler zurückzusetzen. Certa registriert dabei den Palettenplatz, verbucht die Elektrode als vermessen und startet dann den nächsten Auftrag.

»Das funktioniert bis auf die geschilderten Kleinigkeiten absolut problemlos«, zeigt sich der Gruppenleiter zufrieden. »Wir haben seither keine fehlerhaften Elektroden mehr verwendet.«

Doch Ralf Runte sieht noch viel weiteres ungehobenes Potenzial in dem Prozess: »Unser nächstes Ziel ist es, dass die Anlage anhand von vordefinierten Parametern eine Einteilung in »in-Ordnung« oder »nicht-in-Ordnung« außerhalb der Bedienerzeit, also über Nacht, selbstständig durchführt.« Am Morgen solle der Bediener nur noch mit einem Blick auf die Auswertung feststellen müssen, ob ein fehlerhaftes Teil dabei ist. »Denn tagsüber brauche ich die Bediener eigentlich, um die erodierten Werkstücke zu überprüfen. Und in einem weiteren Schritt wollen wir dann auch die fertigen Werkstücke automatisch auf der Anlage überprüfen. Dahin wollen wir noch in diesem Jahr kommen.«

Erschienen in Ausgabe: Nr. 06 /2018