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Artikel und Hintergründe zum Thema

Mechatronische Servo-Antriebe für reproduzierbare Clinch- und Einpress-Qualität

Präzision für Kraft und Weg

Rationelle und zugleich effiziente Füge-, Montage- und Einpressvorgänge sowie ähnliche Prozesse, welche nicht nur komplett reproduzierbar, sondern per Prozessüberwachung und Dokumentation vor allem auch lückenlos nachvollziehbar sein müssen, können bei herkömmlichen Pressen und konventionellen Presskraftantrieben nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden. Außerdem führen aktuelle und künftige Qualitätsanforderungen an die Unternehmen dazu, dass die Produktionsverfahren ein ums andere Mal auf den Prüfstand gestellt werden müssen. Speziell die Automobilindustrie gilt hier als Vorreiter einer lückenlos zu dokumentierenden Fertigungs- und Produktqualität, ausgehend von teilweise extremer Auslegung der globalen Gesetzgebung hinsichtlich Produkthaftung. Der daraus resultierende Forderungskatalog findet sich in den Normen DIN EN ISO 9001 sowie der VDA 6.4 ISO TS 16949 wieder und beschreibt die lückenlose Prozessüberwachung und Dokumentation als eine zwingende Voraussetzung.

Schnell an der Grenze

Tox-Roboterzange mit elektromechanischem Antrieb Tox-ElectricDrive in der Roboter-Station. (Fotos: Tox-Pressotechnik)

Für die Hersteller und Zulieferer von Komponenten, Baugruppen und Subsystemen zum Bau und zur Ausrüstung von Fahrzeugen ergeben sich daraus neue und deutlich erweiterte Herausforderungen, indem zum Beispiel manuelle bis automatisierte Produktionseinrichtungen mit Einrichtungen zur Prozessüberwachung versehen werden müssen. Dabei geraten konventionelle pneumatische, hydraulische oder auch mechanische Antriebe schnell an ihre Grenzen, betreffend die Dokumentation der Füge-, Clinch- und Einpressqualität bei Blech- und Montagebaugruppen. Mit exakt steuer- und regelbaren mechatronischen Servo-Antriebssystemen hingegen lassen sich gleichbleibende Kraft-/Weg-Abläufe nicht nur realisieren, sondern eben auch lückenlos überwachen und dokumentieren. Für die Hersteller konventioneller Antriebe und Antriebszylinder bedeutet dies, neue Antriebstechnologien entwickeln zu müssen. Die Crux dabei besteht zum einen in der kombinierten Anforderung aus teilweise sehr hohem (Press)Kraftbedarf, bestimmten Hüben und (sehr) schnellen Arbeitszyklen. Zum anderen gilt es, diese Abläufe bezüglich Hub, Presskraftverlauf und endgültig aufgebrachter Presskraft über den gesamten Kraft-/Weg-Prozess zu erfassen, auszuwerten, eventuell auszusteuern und zu regeln und schließlich zu dokumentieren.

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Mehr als nur Alternativen

Das Technologie-Unternehmen Tox Pressotechnik, das sich seit über 30 Jahren mit der gesamten Prozesskette zum Fügen, Clinchen, Prägen und Bearbeiten von Blechteilen und Blechbaugruppen in allen blechverarbeitenden Industrien befasst, hat sich mit der Baureihe von mechatronischen Servo-Antriebszylindern des Produktprogramms ElectricDrive diesen Herausforderungen angenommen. Parallel dazu gibt es nach wie vor eine umfassende Baureihe an herkömmlichen pneumohydraulischen Antriebszylindern, um den Kunden die freie Wahl zu lassen, einzelne Prozesse auf konventionelle Art und Weise durchführen zu können. Die elektromechanischen/mechatronischen Servo-Antriebe ElectricDrive der Baureihe EPM (EPM = Electric Power Module) sind modular konzipiert und werden als einbau- und anschlussfertige Kompletteinheiten geliefert. Sie sind mit mechanischen und elektrischen Schnittstellen versehen und können in Arbeitsstationen, Vorrichtungen, Maschinen und Sondermaschinen, Hand-, Maschinen- und Roboterzangen eingebaut werden. Konnten die Konstrukteure und Maschinenbauer bis dato auf ein Leistungsspektrum von 0,5 bis 400 Kilonewton Presskraft zurückgreifen, so wurde dieses nun beträchtlich ausgeweitet, nämlich auf den Bereich von 0,25 bis 700 kN!

Baureihen im Überblick

Basierend auf dem modularen Baukasten, entstehen aus den standardisierten Baugruppen Motor, Planetengetriebe, Spindeleinheit, Arbeitskolben, Resolver, Kraftaufnehmer und Gehäuse verschiedene Standard-Antriebseinheiten: EPMS: lieferbar in enger Presskraft-Abstufung im Kraftbereich bis 200 Kilonewton sowie mit Hüben von 200 bis 300 Millimeter; modular konzipiert, schlanke Bauform für beengte Einbauverhältnisse, Aufbau ansonsten ähnlich wie die folgende Einheit EPMK EPMK: lieferbar in enger Presskraft-Abstufung im Kraftbereich bis 700 Kilonewton sowie mit Hüben von 200 bis 300 Millimeter; modular konzipiert, kompakte und schlanke Bauweise durch Parallelanordnung aller Komponenten, Hochleistungs-Planetenrollgetriebe, Kraftsensorik im Gehäuse aufgebaut Die neue Version EPMK 700 ist als besonders schlanke Variante erhältlich. Mit Servomotor mit Fremdlüfter zur Erhöhung der Leistungsdichte bei gleichzeitiger Reduzierung der Zykluszeiten, Kraftbereich von +/- 35 bis +/- 700 Kilonewton, Kraftmessung ziehend oder drückend mit einer Messgenauigkeit von 0,5 Prozent (3500 N), Hub bis 300 Milliemeter. Die beiden neuen Versionen EPMS/EPMK 005 haben tarierte Bauformen zur Erhöhung der Kraftgeber-Empfindlichkeit (Genauigkeit 0,5% von 25 kN). Kraftbereich 0,25 bis 5 Kilonewton, Hub bis 200 Millimeter, Sicherheitsbremse verfügbar für den Einbau in Handarbeitsplätze. EPMR: ebenfalls parallele Anordnung aller Komponenten für eine sehr kurze und kompaktere Bauform und zusätzlich mit Präzisionsflansch als Zangenantrieb, für Presskräfte von 55 und 100 Kilonewton (Einsatz in Roboterzangen). Line-Q²/EPQS: Dieser Antrieb positioniert sich in Leistung und Kosten zwischen dem etablierten namensgebenden Tox-Kraftpaket und den Tox-ElectricDrive-Baureihen. Das Servo-Kraftpaket EPQS ist in drei Größen für Nennkräfte von 25, 55 und 100 Kilonewton und als standardisierte Einheit ausschließlich in der Ausführung 'S' lieferbar; Plug & Play vorkonfiguriert und sofort betriebsbereit, permanent geregelter Synchronmotor und robuste Rollengewindespindel sorgen für energieeffizienten und reproduzierbar exakten Betrieb, Haltebremse in Motor integriert, Hublängen bis 200 Millimeter, Hubgeschwindigkeiten bis 100 mm/s, ziehend oder drückend einzusetzen bei gleicher Leistung.

Typenvielfalt für konstruktive Freiräume

Dank der unterschiedlichen Typen haben die Konstrukteure genügend Freiraum, um die alternative und standardisierte Antriebstechnik auch unter beengten Einbauverhältnissen installieren zu können oder auch vorhandene herkömmliche Kraft-/Pressenantriebe gegen elektromechanische Servo-Antriebe zu tauschen. Die elektromechanischen Antriebszylinder kombinieren dabei vereinfacht ausgedrückt die Getriebemechanik mit der steuer- und regelbaren Servo-Elektrik. Per Servo-Regelung ist in jeder beliebigen Arbeitskolbenstellung eine bestimmte Kraft zu realisieren bzw. abzurufen. Dabei werden die entsprechenden Leistungsdaten permanent erfasst, ausgewertet, bei Bedarf nachgeregelt und lückenlos dokumentiert. Oder anders herum: mit Hilfe der ElectricDrive-Antriebszylinder ist einerseits eine zuvor bestimmte Kraft reproduzierbar exakt auf den jeweiligen Positionspunkt abzurufen, und andererseits können alle Prozessschritte auf ihre Parametrierung hin überprüft, optimiert und bei Bedarf auch neu bestimmt werden. Zum Lieferumfang für eine Antriebseinheit gehören neben dem montage-/anschlussfertigen Antriebszylinder der zugehörige Kabelsatz, der Achs-Controller und das Softwaresystem ToxSoftWare, das wiederum aus den verschiedenen Programmen Server (Verbindung vom PC zum Controller), Worx (Ablaufprogrammierung und Prozesssteuerung) und HMI (Human-Machine-Interface) besteht. Damit können die Achs-Controller einfach bedient, konfiguriert, dokumentiert und parametriert werden.

Software optimiert

Im Rahmen der Produktentwicklung sind bei der Software folgende Änderungen eingeflossen: Im Programm HMI können Hüllkurven nun individuell editiert werden. Das führt zu einer besseren und flexiblen Überwachung der Prozesse. Ebenso wurden die Statistikmodule weiter optimiert. Die Prozessanwahl mittels Barcodescannern ist jetzt ebenfalls möglich sowie die Verheiratung von kundenspezifischen Informationen (z.B. Seriennummern) mit den Qualitätsdaten der Prozesse. Die neuentwickelte .net.DLL bietet die Möglichkeit die Software-Funktionalität in Kunden-Visualisierungen zu integrieren. So wird eine noch tiefere Einbindung in die Bedienstruktur des Kunden möglich.

Hardware meets Software

Mit dem Achs-Controller sind für Problemlösungen individuelle Ausrüstungs-Möglichkeiten gegeben: Standard-Hardware mit Steckmodulen (Memory-Modul, Feldbus, Kommunikation). D.h. der Anwender kauft nur das, was er auch benötigt. Mit den intelligenten und flexibel nutzbaren Antriebszylindern ElectricDrive lassen sich unterschiedlichste Füge-, Clinch-, Verbindung-, Einpress- und Montageaufgaben feinfühlig und dabei hoch produktiv gestalten. Die Antriebszylinder eignen sich besonders für die Verwendung in Pressen oder Montagestationen und Fügemaschinen. Ansonsten sind die größtenteils standardisierten Antriebszylinder durch die Verwendung möglichst gleicher Bauteile gekennzeichnet. Dies hilft die Ersatzteil-Lagerhaltung zu minimieren; zumal die technische Verfügbarkeit - wegen vergleichsweise weniger mechanischer Komponenten - im direkten Vergleich mit den konventionellen Antriebszylindern sehr weit oben angesiedelt ist und damit einer weiteren Anforderung etwa der Automobilindustrie und deren Zulieferer Rechnung trägt. Womit sich dann auch der Kreis schließt. bw

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