Linearführungs-Überwachung

Andreas Mühlbauer,

Linearachsen unter Kontrolle

Ein neuartiges Spannrahmen-Wechselsystem für die Pkw-Produktion bewegt Fahrzeugteile mithilfe von Linearachsen. Eine Störung in diesem System führt zum kompletten Stillstand der Produktion. Ein Überwachungssystem mit einer speziell entwickelten Sensorik stellt sicher, dass die Linearachsen immer optimal geschmiert sind, und beugt so Ausfällen vor. Von Jürgen Klein

Der „Framer“ ist eine von Hager entwickelte Transportlösung für die Spannwechselrahmen in der Vertikalen. © Hager

Seniorchef Hans Hager aus Möttingen zeigt auf seine Sondermaschinen. Mit den riesigen Portalhandlingsystemen flexibilisierte der Sondermaschinenbauer die Fließbandfertigung von Pkw-Karossen. Die Linearachsen der Maschinen werden nun mit einer Überwachungslösung von Schaeffler nach- und ausgerüstet. „Kein Blindflug mehr“, sagt Hager.

2012 wurde das Möttinger Familienunternehmen weit über die bayrisch-schwäbische Grenze hinaus als Preisträger des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand“ bekannt. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Projekt sollte ein Spannrahmen-Wechselsystem für präzise Fixiervorrichtungen von Pkw-Karosserieteilen entwickelt werden. Die bis dato üblichen Wechselsysteme schränkten die Anzahl der auf einer Montagelinie produzierbaren Karosserieformen stark ein und benötigten zu viel Platz.

Bodyframing in der Karosserieproduktion

Wie läuft die Produktion von Fahrgastzellen heute überhaupt ab? Wichtig zu wissen ist, dass erst durch das Verschweißen der Bodengruppe mit den Seitenteilen und dem Dach ein steifer Karosseriekörper entsteht. Die einzelnen Blechteile sind relativ flexibel und müssen daher vor dem Verschweißen exakt positioniert und fixiert werden. Hierzu sind die beiden Seitenteile zunächst nur lose auf der Bodengruppe platziert und werden der Schweißstation – auch Präzisionsstahlbau, PSB – zugeführt. Von beiden Seiten fahren nun große Spannrahmen mit einem Gewicht von über zwei Tonnen an die Seitenteile heran. Nach der positionsgenauen Arretierung der Spannrahmen werden die Seitenteile exakt auf die Spannrahmen festgespannt. Daraufhin verschweißen die Roboter die Bodengruppe mit den Seitenteilen. Im Anschluss erfolgt das Lösen der Spannelemente, und die Spannrahmen werden in ihre Ausganglage auseinandergefahren, um die Karosserie für den Transport freizugeben.

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Der Haken dabei: Für jede Karosserieform wird ein spezielles Spannrahmenpaar benötigt. Bei jedem Karosseriewechsel müssen daher die Spannrahmen ausgetauscht werden. Sie werden in einem Magazin, Spannrahmenablage genannt, vorgehalten. Die Herausforderung besteht nun darin, die Spannrahmen innerhalb weniger Sekunden automatisiert austauschen zu können. In der Vergangenheit geschah dies ebenerdig mit Schlittensystemen. Hans Hager, Entwickler des KFG3 Framer, zur Aufgabenstellung: „Wir erkannten sehr schnell, dass die ebenerdige Zuführung der Wechselrahmen in dem sehr beengten Präzisionsstahlbau die Achillesferse des Produktionssystems war. Durch unsere langjährige Erfahrung mit großen Portalhandlingsystemen für Flachgläser waren wir jedoch in der Lage, eine Transportlösung für die Spannwechselrahmen in der Vertikalen zu realisieren.“

Die Ausmaße der Portale sind gewaltig: Sie umschließen die gesamte Fertigungslinie und müssen sogar noch Platz für zwei Versorgungsstraßen bieten. 20 m und mehr kommen so allein für die Y-Achse zusammen, die Z-Achsen bieten einen Verfahrweg von zirka 2,6 m. Für jede Karosserie muss die Y-Achse die Spannrahmen um etwa 0,7 m auseinander- und wieder zusammenfahren. Bei jedem Karosseriewechsel werden die passenden Spannrahmen aus der Ablage geholt, über den PSB gefahren und die Spannrahmen mit Hilfe der Z-Achsen ausgetauscht. Diese innovative Lösung von Hager findet sich heute weltweit in den Werken der Automobil-industrie. Auch die Wartung, Generalüberholung und Montage der Portal-Handlingsysteme übernehmen die etwa 150 Mitarbeiter von Hager.

Stillstand vermeiden

Um eine hohe Verfügbarkeit der Produktionslinie sicherzustellen, werden in der Automobilindustrie in festen Intervallen systemkritische Teile ausgetauscht. Dies gilt auch für die Profilschienenführungen in den Linearachsen der „Framer“ – so nennt Hager seine Portalhandlingsysteme. Bei deren Ausfall stünde die gesamte Produktionslinie still. So entstand das Interesse an einer nachrüstbaren Überwachungslösung für die Linearachsen. Michael Martinkovich vom Schaeffler-Ingenieurbüro aus München schlug als Überwachungslösung für die Linearachsen Schaeffler DuraSense vor. Das System besteht aus Laufwagen mit einer speziell für diese Aufgabe entwickelten Sensorik und einer Pre-Processing-Unit für bis zu sieben Sensoren.

Das DuraSense-System von Schaeffler überwacht ständig den Schmierzustand der Linearachse. © Schaeffler

Dabei stellt die Pre-Processing-Unit das Herzstück von DuraSense dar, denn diese beinhaltet das Wälzlager- Know-how von Schaeffler, wertet die Sensorsignale aus und generiert einen aussagefähigen Kennwert, den Schmierkennwert. DuraSense nutzt den Effekt, dass mit alterndem Schmierstoff beziehungsweise kleiner werdender Schmierstoffmenge die emittierte Schwingungsenergie des Laufwagens beeinflusst wird. Der bei den Messfahrten ermittelte Schmierkennwert beschreibt den aktuellen Schmierzustand des Laufwagens, und DuraSense sendet bei Überschreitung eines im Neu-, also Sollzustand, generierten Schmiergrenzwertes ein Signal an die Maschinensteuerung. Das System erkennt eine ordnungsgemäße ebenso wie eine ausbleibende Nachschmierung.

Das vorrangige Ziel ist eine reine Überwachungslösung. Somit lassen sich alle freigegebenen Wartungsabläufe und Schmiersysteme ohne jede Änderung weiter betrieben. Michael Hager und sein Mitarbeiter Stefan Schneider zu den Vorteilen der Zustandsüberwachung der Profilschienenführungen: „Zum einen können wir beziehungsweise der Automobilhersteller erstmals die Parametereinstellung des installierten Schmiersystems hinsichtlich Wirksamkeit und Dauer bewerten und optimieren.“

Schneider weiter: „Über alle Werke hinweg werden auch genauere Aussagen zur Gebrauchsdauer und eine Verlängerung der Zeitabstände für die Generalüberholung unserer Systeme möglich sein. Dahinter verbirgt sich ein enormes Potenzial zur Kosteneinsparung, das allein durch das Überwachungssystem realisiert wird. Zusätzlich erkennen wir mit einem einzigen System alle Fehlerquellen, die zu einer mangelhaften oder gar fehlenden Schmierung an den Laufwagen führen, wie beispielsweise leere Kartuschen, verstopfte oder undichte Leitungen und defekte Schmier-aggregate. Das sind eine Menge Vorteile.“

Michael Hager bringt es abschließend auf den Punkt: „Wenn man sich erst einmal mit den Möglichkeiten einer Überwachungslösung auseinandergesetzt hat, stellt man plötzlich fest, dass die Maschinen bislang zwar auf Basis von Berechnung, viel Erfahrung und ausgeklügelten Wartungsplänen, aber letzten Endes dennoch im Blindflug betrieben wurden. Mit dem Überwachungssystem von Schaeffler haben wir eine einfach zu integrierende Lösung gefunden und werden mit jeder installierten Anlage Know-how über das Verschleißverhalten unserer Anlagen dazugewinnen.“

Jürgen Klein, Leiter Marketing und Kommunikation Industrial Automation, Lineartechnik bei Schaeffler / am

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