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Elektrische Antriebe

Mutter wird schneller

Der Radmutterhersteller Lisi Automotive produziert auf drei Anlagen jeweils rund 20.000 Muttern. Zur Kapazitätssteigerung wurde eine Anlage neu konstruiert und mit Schunk-Greifern und elektrischen Antrieben ausgestattet. Damit ist die Anlage bei höherer Laufruhe nun nicht nur doppelt so schnell, sondern auch einfacher einzustellen und zu bedienen. von Hajo Stotz

13. November 2018
2 Bei dem mechatronischen Linearmodul ELP lassen sich die Endlagen sehr einfach mechanisch über eine Einstellschraube unter Verwendung eines Sechskantschlüssels einstellen. (© Stotz)

Die meisten Autofahrer hatten sie schon einmal in der Hand: Radbolzen. Allerdings wird den wenigsten dabei aufgefallen sein, dass es zwei unterschiedliche Befestigungsarten gibt: Radschrauben, die in die Naben verschraubt werden, und Radmuttern, die auf Stehbolzen geschraubt werden, die in der Nabe befestigt sind. Interessanterweise werden bei europäischen Pkw vorwiegend Radschrauben verwendet, bei asiatischen Modellen meist Radmuttern.

Bei Lkws sind aufgrund der sehr hohen Anzugsmomente, mit denen die Räder befestigt werden müssen, ebenfalls Radmuttern üblich. Hier verfügen sie zudem über eine fest verbundene, bewegliche Unterlegscheibe. Die korrekte Bezeichnung der Scheibe: Druckteller.

Der unlösbare, aber leicht drehbare Druckteller – der ebenfalls wie die Radmutter aus Vergütungsstahl ist – sorgt zum einen dafür, dass die Mutter nicht in direkten Kontakt mit der Felge kommt und damit eine Bimetall-Korrosion eintritt. Zum anderen lässt sich die Mutter dank dem drehbaren Druckteller wieder einfacher lösen.

Diese Rad- sowie Achsmuttern zählen zu den Hauptprodukten, die die Lisi Automotive Mohr und Friedrich GmbH in Vöhrenbach im Schwarzwald herstellt. Das Unternehmen ist eine Tochter der französischen Unternehmensgruppe Lisi. Die Gruppe ist weltweit die Nummer sechs unter den Herstellern von Schraubverbindungen, Clip-Lösungen und mechanischen Sicherheitskomponenten für Industrie und Automobil.

Die Radmuttern werden in Vöhrenbach in Dimensionen von M8 bis M35 hergestellt. »Pro Tag produzieren wir hier rund 60.000 Radmuttern«, erläutert Marius Zähringer, Supervisor Further Machining bei Lisi Automotive.

Bis Ende letzten Jahres wurden die Teile auf drei Anlagen produziert, von denen jede circa 20.000 – 24.000 Teile pro Tag in drei Schichten produzieren konnte. »Aber aufgrund der steigenden Nachfrage waren Kapazitätsprobleme über kurz oder lang abzusehen«, erklärt Marius Zähringer, »deshalb haben wir eine der alten Anlagen durch eine neue Anlage mit höherer Ausbringung ersetzt.«

Mit der alten Anlage können rund 16 bis 18 Teile pro Minute hergestellt werden. »Die neue Anlage schafft dagegen fast das doppelte, nämlich 30 bis 33 Teile pro Minute«, erläutert Zähringer. »Ein Teil dauert auf der neuen Anlage 1,7 Sekunden. Das hängt vor allem mit den Schunk-Achsen und Greifern zusammen, die es uns erlauben, viel schneller und stabiler zu fahren.«

»Die Halbierung der Taktzeit erreichen wir durch die schnelleren Antriebe.«

— Marius Zähringer, Supervisor Further Machining, Lisi Automotive

Konstruktive Änderung

Möglich wurde die erhebliche Steigerung der Ausbringungsleistung und der Prozesssicherheit vor allem durch zwei Punkte: eine konstruktive Änderung des Anlagenkonzeptes sowie schnelle, prozesssichere elektrische Antriebe von Schunk.

Auf den ersten Blick scheine das kein großer Unterschied zu sein, ob elektrische oder Pneumatikachse, meint Marius Zähringer: »Sie fährt vor und zurück, rauf und runter. Aber dem ist nicht so. Elektrische Achsen sind leichter einzulernen, können in einer Bewegung verschiedene Geschwindigkeiten fahren und arbeiten materialschonender als eine Pneumatikachse.«

Neben den Achsen – bei den alten Anlagen pneumatisch – unterscheidet sich auch das Konstruktionsprinzip der Anlagen erheblich: Die alten Montageanlagen arbeiten mit einem Kammsystem, das die Teile in die Pressvorrichtung befördert. Dort werden Mutter und Druckteller direkt über Zugwirktöpfe aufeinandergesetzt und verpresst.

Die neue Montageanlage wurde in der hauseigenen Konstruktionsabteilung vorkonzipiert und gemeinsam mit einem Anlagenbauer entwickelt und umgesetzt. Zentrale Komponente der Anlage ist ein Tellersystem – also ein Drehteller – auf den die Greifer die Teile exakt positionieren müssen. Angetrieben werden sie dabei durch ELP-Achsen von Schunk.

Das Schunk Linearmodul ELP wurde speziell für präzise und dynamische Hübe konzipiert. Kombiniert aus einem leistungsfähigen Lineardirektantrieb, einer integrierten Steuerelektronik und einer leichtgängigen, vorgespannten Kreuzrollenführung ist das Modul kompakt, steif und dynamisch und positioniert vergleichsweise hohe Lasten mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,01 Millimetern.

Die Zuführung der Muttern und Scheiben erfolgt über Fördertöpfe, aus denen die Teile auf Schienen vereinzelt werden. Aus den Schienen nimmt ein Greifer eine Mutter auf, setzt sie auf das Nest in dem Drehteller, ein anderer Greifer nimmt einen Druckteller und positioniert ihn auf der Mutter. Ein Hydraulikzylinder verpresst die beiden Teile, ein Greifer entnimmt sie und legt sie in der Prüfstation ab. Ein Drehzylinder, ebenfalls von Schunk, prüft, ob der Druckteller unlösbar sitzt und sich aber gleichzeitig leicht drehen lässt.

Halbierung der Taktzeit

In der nächsten Arbeitsstation wird das Gewinde eingeschnitten und die fertige Radmutter dann in der Waschanlage gewaschen. »Die Halbierung der Taktzeit erreichen wir durch die schnelleren Antriebe und die schnelleren Greifwege«, erläutert Marius Zähringer. »Bei dem Kammsystem können sich zudem die Teile auch immer wieder verklemmen. Mit der neuen Anlage haben wir das Problem nicht mehr. Der Greifer setzt die Mutter ein, die Scheibe kommt dazu, das Ganze wird verpresst – da ist kein Verklemmen möglich«, beschreibt Zähringer.

Die Achsen und Greifer sind Standardprodukte von Schunk. Marius Zähringer: »Die schnelle Ersatzteilbeschaffung ist für uns wichtig. Mit Sonderprodukten, so ist unsere Erfahrung, gibt es da immer wieder Probleme. Wir wollen für die Instandhaltung aber keine großen Lager aufbauen. Wenn etwas defekt ist, muss es schnell wieder zu beschaffen sein. Das spart mehr Kosten ein als eine Speziallösung, die vielleicht noch einige Zehntelsekunden schneller ist, aber im Defektfall tagelang stillsteht.«

In der Anlaufphase gab es bei der Anlage allerdings noch einige Abstimmungsprobleme – »aber der Fehler lag auf unserer Seite, mithilfe von Schunk haben wir das schnell in den Griff bekommen. Seitdem läuft die Anlage durch«, erinnert sich Zähringer. »Sehr hilfreich war dabei der schnelle Support von Schunk. Das ist für uns ebenfalls ein sehr wichtiger Aspekt.«

Eine große Rolle bei der Auswahl der Komponenten spielte dementsprechend auch die Zuverlässigkeit. Schunk garantiert bei den Achsen, dass sie mindestens 50 Millionen Zyklen wartungsfrei arbeiten. »Wartung und Instandhaltung sind bei uns ein sensibles Thema«, so Zähringer. »Wir haben viel angelerntes Personal, das für Wartungsaufgaben nicht speziell ausgebildet ist. Deswegen ist uns ein stabiler Prozess ganz wichtig. Pro Monat produzieren wir etwa 1 bis 1,5 Millionen Teile, da sind Stillstände der Worst Case. Die neue Anlage läuft seit Dezember durch.«

Linearmodul ELP

Das Schunk ELP, mit vollständig integriertem Antrieb und Steuerung, ist laut Herstellerangaben das am einfachsten einzustellende elektrische Linearmodul am Markt. Für die Inbetriebnahme genügt es die Endlage mechanisch mit einem Sechskantschlüssel einzustellen und am Linearmodul die Ein- beziehungsweise Ausfahrgeschwindigkeit an zwei Drehschaltern einzustellen. Bereits nach zwei Hüben ist die Programmierung mithilfe der integrierten Auto-Learn-Technologie automatisch abgeschlossen, ohne dass der Bediener den Lernprozess beeinflussen muss. Das ELP verfügt über eine Auto-Learn-Funktion, die die Geschwindigkeit in Abhängigkeit des Anbaugewichts automatisch anpasst. Eine LED-Anzeige signalisiert den Status des Learn-Vorgangs.

Der wartungsarme 24-V-Lineardirektantrieb regelt auch den Bremsvorgang automatisch; auf Stoßdämpfer konnte somit verzichtet werden. Dadurch ist das ELP praktisch verschleißfrei, robust und langlebig. Pick & Place- und Zuführaufgaben können damit elektrisch ebenso gelöst werden wie bisher pneumatisch. Dazu sorgt die Eliminierung der Pneumatik für deutliche Einsparungen bei den Energiekosten und reduziert zudem den Geräuschpegel. Im Vergleich zu pneumatischen Modulen ist die Schunk ELP im laufenden Betrieb rund 20 dB leiser.

Das Linearmodul ist – neben anderen Neuheiten wie einem erweiterten Greiferportfolio – auf der SPS in Halle 3A I am Schunk-Stand 450 zu sehen.

Einstellarbeit entfällt

Bei der Entwicklung der Anlage war – neben der Ausbringungsleistung und der Prozesssicherheit – auch die Vereinfachung der Bedienung und Wartung deshalb ein wichtiges Thema. »Die Abstimmung der Bewegungen ist komplex – nur eine Achse zu optimieren, kann sich im Gesamtausstoß gegenteilig auswirken oder sogar zu einem Defekt führen. Wir haben deshalb die Achsen an der alten Anlage teilweise sogar gedrosselt«, erläutert Zähringer. »Bei der neuen Anlage war es deshalb ein Konstruktionsziel, so wenig wie möglich an der Maschine einstellen zu müssen, sodass der Bediener nur noch Start und Stopp drücken muss.«

Ein weiterer Vorteil bei der Wartung ist auch, dass sich die elektrische Achse selbst einlernt. Das heißt, die Achse führt zwei Zyklen langsam durch, merkt sich diese Positionen und lernt sich damit selber ein. Marius Zähringer: »Damit entfällt für mich der größte Teil der Einstellarbeit. Die läuft den Zyklus zweimal langsam durch und schon ist sie eingelernt. Das ist wirklich super.«

Zudem arbeitet die elektrische Linearachse auch materialschonender als jede Pneumatikachse. Wenn eine Pneumatikachse mit voller Wucht in ihre jeweilige Endposition schießt, entstehen dabei Schwingungen. Die elektrische Achse kennt dagegen nach dem Einlernen ihren Endpunkt genau und bremst vorher ab.

»Sie läuft viel ruhiger«, so die Erfahrung von Marius Zähringer. »Da wackelt nichts, und damit läuft die ganze Anlage ruhiger und leiser. Und im Gegensatz zu Pneumatikachsen, die durch zunehmende Undichtigkeiten im Lauf der Jahre an »Pep« verlieren, arbeitet eine elektrische Achse in zehn Jahren noch genauso schnell und präzise wie heute.« hjs

Erschienen in Ausgabe: Nr. 08 /2018